TWI467917B - 可使用不同電池電源電壓的射頻功率放大器及其操作方法 - Google Patents

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Description

可使用不同電池電源電壓的射頻功率放大器及其操作方法
本發明涉及無線通信系統，更具體地說，涉及一種這樣的無線通信系統內的無線設備的發射器內使用的射頻功率放大器。
已知通信系統支援無線通信設備和/或有線通信設備之間的無線和/或有線通信。這樣的通信系統涵蓋了國內和/或國際蜂窩電話系統、互聯網、點對點室內無線網路。任何一種通信系統都要按照一種或多種通信標準建立，並藉此運行。比如，無線通信系統可以按照後面所列舉的一種或多種標準運行(包括但不僅限於)：IEEE802.11x、藍牙、無線廣域網(例如WiMAX)、先進移動電話服務(AMPS)、數位先進移動電話服務(DAMPS)、全球移動通信系統(GSM)、碼分多址(CDMA)、寬頻CDMA、本地多點分配業務(LMDS)、多路多點分配技術(MMDS)、射頻識別(RFID)、GSM演化的增強資料率(EDGE)、通用分組無線業務(GPRS)及其它各種標準。
根據無線通信系統的類型，無線通信設備(例如蜂窩電話、對講機、個人數位助手、個人電腦(PC)、手提電腦或家庭娛樂設備)直接或間接與其他無線通信設備通信。對於直接通信也稱作點對點通信，參與其中的無線通信設備調整其接收器和發射器至同一個通道或多個通道，並在所述通道上通信。每個通道可使用無線通信系統的多個無線電(RF)載波中的一個或多個。對於間 接無線通信，每個無線通信設備可通過分配的一個或多個通道與相關的基站(例如，對於蜂窩服務)和/或相關的接入點(例如，對於室內或建築內無線網路)直接通信。為了完成無線通信設備之間的通信連接，相關的基站和/或相關的接入點通過系統控制器、公用交換電話網絡、互聯網和/或其他廣域網互相直接通信。
對於每一個參與無線通信的無線通信設備，都具有內置的無線收發器(也就是有接收器和發射器)，或者被連接到相關的無線收發器上(例如，室內或建築物內無線通信網路的基站、射頻數據機等)。眾所周知，接收器連接到天線，包括低噪放大器、一個或多個中頻級、濾波級和資料恢復級。低噪放大器接收經天線傳來的輸入射頻信號並把信號放大。一個或多個中頻級把放大的射頻信號與一個或多個本地振盪混合，轉換成基帶信號或中頻信號。濾波級對基帶信號或中頻信號進行濾波，以削弱不需要的波段外的信號，這樣便得到濾波後的信號。資料恢復級按照特定的無線通信標準把濾波後的信號恢復成原始資料。發射器包括資料調製級、一個或多個中頻部分、以及功率放大器。資料調製級按照特定的無線通信標準，將原始資料轉換成基帶信號。一個或多個中頻部分將基帶信號與一個或多個本地振盪混合後得到射頻信號。功率放大器將射頻信號放大後從天線發射出去。
如果不是全部的話，也有大部分的無線通信標準都對發射功率級作出了限制。此外，某些無線通信標準具有反向鏈路功率控制，其允許遠端設備控制另一無線設備的發射功率，例如，基站控制手持設備的反向鏈路發射功率。因此，在大部分的無線設備內，功率放大器被有效地控制，從而控制發射功率。這樣便出現了與功率放大器的效率相關的缺陷。當功率放大器與天線很好的匹配時，得到有效的發射。然而，若出現了不匹配，則發射效率低。這樣的低效率導致了過度的功率消耗(由功率放大器)，並降低發射功率。這種不匹配會因下列原因而出現：天線的操作偏差 (例如因天線配置和/或位置引起的輸入阻抗的改變)以及功率放大器的操作偏差、以及因溫度波動、電源電壓偏差等引發的無線設備的其他射頻信號路徑分量。在無線通信設備內，經常需要功率放大器在其輸出上提供高的擺幅。功率放大器還必須在其操作中保持高度線性，並還在可能的情況下用作小電源。這些競爭目標是非常難滿足的，特別是在由電池供電且以相對低電壓工作的可擕式設備中。
本發明提供的裝置和操作方法將在後續附圖說明、具體實施方式和權利要求書部分中給出進一步的介紹。
根據本發明的一方面，提供一種可使用不同的電池電源電壓的射頻(RF)功率放大器，所述射頻功率放大器包括：跨導級，具有一電晶體，所述電晶體的柵極具有射頻信號輸入；共源共柵(cascode)級，具有至少兩個共源共柵電晶體，所述共源共柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之間，所述共源共柵級具有射頻信號輸出和至少兩個偏壓輸入給所述至少兩個共源共柵電晶體；以及共源共柵偏壓回饋電路，用於：針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少兩個偏壓輸入；針對高電池電壓，施加回饋偏置電壓給所述至少兩個偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述電池電壓節點的電壓的。
作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路基於電池電壓節點的DC電壓來選擇所述固定偏置電壓或回饋偏置電壓。
作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路包括：連接在電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集中 (lumped)電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電壓；固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓；至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓其中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。
作為優選，所述交換網路中的至少一些集中電路元件包括可變電阻器。
作為優選，所述射頻功率放大器進一步包括：至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到所述至少兩個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的方式耦合到所述至少兩個共源共柵電晶體中的任一個；相應的偏壓輸入；或禁能電壓(disabling voltage)。
作為優選，所述不同的電源電壓包括至少兩個不同的電池電源電壓。
作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電池電源電壓。
根據本發明的一方面，提供一種可使用不同的電池電源電壓的射頻(RF)功率放大器，所述射頻功率放大器包括：跨導級，具有帶射頻信號輸入的跨導器件；共源共柵(cascode)級，具有至少一個共源共柵電晶體，所述共源共柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之間，所述共源共柵級具有射頻信號輸出和至少一個偏壓輸入給所述至少一個共源共柵電晶體；以及共源共柵偏壓回饋電路，用於：針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少一個偏壓輸入；針對高電池電壓，施加回饋偏置電壓給所述至少一個偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述電池電壓節 點的電壓的。
作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路基於電池電壓節點的DC電壓來選擇所述固定偏置電壓或回饋偏置電壓。
作為優選，所述共源共柵偏壓回饋電路包括：連接在電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集中電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電壓；固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓；至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓其中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。
作為優選，所述交換網路中的至少一些集中電路元件包括可變電阻器。
作為優選，所述射頻功率放大器進一步包括：至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到所述至少一個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的方式耦合到所述至少一個共源共柵電晶體中的任一個；所述至少一個偏壓輸入；或禁能電壓(disabling voltage)。
作為優選，所述跨導級包括第一電晶體；所述共源共柵電晶體包括第二和第三電晶體；以及所述第一電晶體的源極和漏極、所述第二電晶體的源極和漏極、以及所述第三電晶體的源極和漏極串聯在電源電壓節點和地之間。
作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電壓電平。
根據本發明的一方面，提供一種由不同的電池電源電壓電平供電的射頻(RF)共源共柵功率放大器的操作方法，包括：確定電池電源電壓； 將電池電源電壓與至少一個電壓閾值進行比較；針對指示相對較低電池電壓的第一比較結果，施加固定的偏置電壓給射頻共源共柵功率放大器的共源共柵級的至少一個偏壓輸入；針對指示相對較高電池電壓的第二比較結果，施加回饋偏置電壓給所述射頻共源共柵功率放大器的至少一個偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述射頻共源共柵功率放大器的輸出電壓的。
作為優選，所述方法進一步包括基於DC電池電源電壓來選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓其中之一。
作為優選，所述不同的電源電壓包括至少兩個不同的電壓電平。
作為優選，所述不同的電源電壓包括至少四個不同的電壓電平。
本發明的各種優點、各個方面和創新特徵，以及其中所示例的實施例的細節，將在以下的描述和附圖中進行詳細介紹。
100‧‧‧無線通信系統
102‧‧‧骨幹網
104‧‧‧蜂窩網路
106‧‧‧無線局域網(WLAN)
108‧‧‧無線廣域網(WWAN)
110‧‧‧伺服器電腦
112‧‧‧web伺服器
114‧‧‧伺服器
116、118‧‧‧膝上型電腦
122、124‧‧‧桌面電腦
126、128‧‧‧蜂窩電話
130、132、136‧‧‧便攜貝塔終端(beta teiminal)
150‧‧‧GPS衛星
202‧‧‧射頻收發器
204‧‧‧主電路
206‧‧‧天線介面
208A、208B、208C、208N‧‧‧天線元件
210‧‧‧基帶處理電路
212‧‧‧射頻電路
214‧‧‧接收器部分
216‧‧‧發射器部分
218‧‧‧輸入基帶信號
220‧‧‧輸出基帶信號
302‧‧‧主設備
350‧‧‧處理模組
352‧‧‧記憶體
354‧‧‧無線介面
356‧‧‧輸出介面
358‧‧‧輸入介面
360‧‧‧無線收發裝置
362‧‧‧主介面
364‧‧‧基帶處理電路/基帶處理模組
366‧‧‧模數轉換器(ADC)
368‧‧‧濾波/增益/衰減模組
370‧‧‧中頻混頻下變頻模組
371‧‧‧接收器濾波器
372‧‧‧低噪放大器(LNA)
373‧‧‧發射器/接收器切換模組
374‧‧‧本振模組
375‧‧‧記憶體
378‧‧‧數模轉換器
380‧‧‧濾波/增益/衰減模組
382‧‧‧中頻混頻上變頻模組
383‧‧‧發射器本振信號
384‧‧‧功率放大器(PA)
385‧‧‧發射器濾波模組
386‧‧‧天線
388‧‧‧入站RF信號
390‧‧‧數位接收格式資料
392‧‧‧入站資料
394‧‧‧出站資料
396‧‧‧數位發射格式資料
398‧‧‧出站RF信號
402‧‧‧放大器部分
404‧‧‧電池電壓節點
406‧‧‧地
408‧‧‧跨導級
410‧‧‧共源共柵級
412‧‧‧共源共柵偏壓回饋電路
502‧‧‧共源共柵功率放大器
504‧‧‧功率放大器驅動器(PAD)
506‧‧‧VBIAS電路
510‧‧‧電平切換器(level shifter)
512‧‧‧偏壓使能電路
602‧‧‧電晶體Mb
604‧‧‧共源共柵電晶體Mm
606‧‧‧共源共柵電晶體Mt
608‧‧‧阻流電感器
610、612‧‧‧驅動器
614、616‧‧‧電容器
620‧‧‧電容器
702、704‧‧‧共源共柵放大器
706‧‧‧跨導級
708‧‧‧共源共柵級
710‧‧‧跨導級
712‧‧‧共源共柵級
714‧‧‧偏壓回饋電路
圖1是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的無線通信系統的示意圖；圖2是根據本發明構建並運行的無線設備的元件的框圖；圖3是包括主設備和關聯的無線收發裝置的無線通信設備的示意圖；圖4是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的射頻共源共柵功率放大器的框圖；圖5是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的另一射頻共源共柵功率放大器的框圖；圖6是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大器的一部分的電路圖； 圖7是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大器的另一不同實施例的框圖；圖8是根據本發明一個或多個實施例的由不同電池電源電壓電平供電的射頻共源共柵功率放大器的操作流程圖。
圖1是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的無線通信系統的示意圖。圖1所示的無線通信系統100包括通信基礎設施和多個無線設備。該通信基礎設施包括一個或多個蜂窩網路104、一個或多個無線局域網(WLAN)106、以及一個或多個無線廣域網(WWAN)108。蜂窩網路104、WLAN 106、WWAN 108通常都連接到一個或多個骨幹網。骨幹網102可包括網際網路、萬維網、一個或多個公共交換電話網骨幹網、一個或多個蜂窩網路骨幹網、一個或多個專有網路骨幹網和/或其他類型的骨幹網，支援與各種無線網路基礎設施104、106和108通信。伺服器電腦連接於這些不同的網路基礎設施。例如伺服器電腦110連接到蜂窩網路104，web伺服器112連接到網際網路/WWW/PSTN/蜂窩網102，伺服器114連接到WWAN網路108。其他設備也可以通過各種其他設置連接到這些網路。
蜂窩網路104、WLAN 106和WWAN 108每一個都在各種不同的無線頻譜內依據各種不同的無線協定標準支援與無線設備的通信。例如，蜂窩網路104支援與無線設備在800MHz頻帶內和1900MHz頻帶內、和/或分配給蜂窩網路通信的其他射頻帶內的無線通信。蜂窩網路104可支援GSM、EDGE、GPRS、3G、CDMA、TDMA和/或各種其他標準化的通信。當然，這些僅僅是示例，並不被認為是限制這種蜂窩網路所使用的頻譜或操作。WLAN 106通常運行在工業、科研、和醫療(ISM)頻帶內，包括2.4GHz和5.8GHz頻帶。ISM頻帶也包括其他頻帶，支援其他類型的無線通信，這樣的頻帶包括6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、 433.92MHz、915MHz、24.125GHz、61.25GHz、122.5GHz和245GHz頻帶。WWAN網路108可基於在任何特定場合下所分配的運行在不同的射頻頻譜。設備到設備的通信也由這些頻帶其中之一所服務。
無線網路基礎設施104、106和108支援至和自無線設備116、118、122、124、126、128、130、132和/或136的通信。圖中示出了各種類型的無線設備。這些無線設備包括膝上型電腦116和118、桌面電腦122和124、蜂窩電話126和128、便攜貝塔終端(beta teiminal)130、132和136。當然，不同類型的設備都被認為是本發明範圍內的無線設備。例如，具有蜂窩介面的汽車也被認為是根據本發明的無線設備。進一步，任何具有雙向或單向無線通信介面的設備都被認為是根據本發明的無線設備。例如，無線設備具有GPS接收能力，以從多個GPS衛星150接收定位信號。
無線設備116-136也可支援點對點通信，這樣的點對點通信無需無線網路基礎設施的支援。例如，這些設備可以在60GHz頻帶內彼此通信，可在WLAN頻譜內使用點對點通信，例如，或者可使用其他類型的點對點通信。例如，在ISM頻譜內，無線設備可依據藍牙協定或任何各種可用的由IEEE 802.11x所支援的WLAN協定。
如將在後續結合圖2-8所描述，圖1所示的每個無線設備116-136包括基帶處理電路、射頻收發器和至少一個天線。根據本發明，射頻收發器包括根據本發明構建和運行的射頻功率放大器。這些設備的射頻功率放大器是具有能效的，能夠在多個電池電壓下工作而無需電壓調節器。
圖2是根據本發明構建並運行的無線設備的元件的框圖。該無線設備包括主電路204、射頻收發器202、天線介面206和多個天線元件208A、208B、208C和208N。在圖2所示的無線設備的某些實施例中，天線可僅僅具有一個單獨的天線元件。然而，如 圖所示，在圖2中，天線可具有多個天線元件208A-208N，由天線介面206進行配置。通過天線介面206的可配置性包括定向性操作、MIMO或其他多天線配置。
主電路204包括處理電路、記憶體、用戶介面、有線介面和/或與該無線設備關聯的其他電路。例如，無線設備一般具有顯示器、鍵盤和/或多個其他用戶周邊設備。此外，該無線設備包括一個或多個電池為其供電。射頻收發器202包括基帶處理電路210和射頻電路212。基帶處理電路210生成輸出基帶信號220給射頻電路212的發射器部分216。射頻電路212的接收器部分214生成輸入基帶信號218給基帶處理電路210。射頻電路212從發射器部分216生成輸出射頻信號給天線介面206。天線介面206將該輸出射頻信號耦合到一個或多個天線元件208A-208N。射頻電路212的接收器部分214從天線介面206接收輸入射頻信號，並將輸入射頻信號轉換成輸入基帶信號218。同樣，發射器部分216將輸出基帶信號220轉換成輸出射頻信號，由發射器部分216提供給天線介面206。
根據本發明，該發射器部分包括至少一個射頻功率放大器，其可在多個電池電壓上工作。在某些實施例中，該射頻功率放大器具有共源共柵結構，並具有共源共柵偏置電壓回饋電路，以提供至少一個偏置電壓給放大器的共源共柵級。根據本發明的各個實施例將在後續結合圖3-8給出描述。
圖3是根據本發明實施例的具有主設備和關聯的無線收發裝置的無線通信設備的框圖。對於蜂窩電話主機來說，該無線收發裝置是內置的部件。對於個人數位助理、膝上型電腦、和/或個人電腦主機來說，無線收發裝置360可以是內置的，或者可以是外部連接的部件，通過通信鏈路例如PCI介面、PCMCIA介面、USB介面或其他類型的介面連接到主設備302。
如圖所示，主設備302包括處理模組350、記憶體352、無線 介面354、輸出介面356和輸入介面358。處理模組350和記憶體352可執行通常由主設備執行的相應指令。例如，對於蜂窩電話設備，處理模組350可按照特定的蜂窩電話標準進行相應的通信功能操作。
無線介面354可從無線收發裝置360接收資料、並可向無線收發裝置360發送資料。對於從無線收發裝置360接收的資料，例如入站資料，無線介面354將其傳送到處理模組530以做進一步處理和/或將其路由給輸出介面356。輸出介面356可提供與輸出顯示設備(如顯示器、監視器或揚聲器)的連接，從而將該接收到的資料輸出。無線介面354也向無線收發裝置360發送來自處理模組350的出站資料。處理模組350可以通過輸入介面358接收來自輸入設備的出站資料，所述輸入設備可以是鍵盤、小鍵盤或麥克風等。處理模組350也可自己產生資料。對於經輸入介面358接收到的資料，處理模組350可對該資料執行相應的功能操作和/或經由無線介面354將其路由給無線收發裝置360。
無線收發裝置360可以包括主介面362、基帶處理電路/基帶處理模組364、模數轉換器(ADC)366、濾波/增益/衰減模組368、中頻混頻下變頻模組370、接收器濾波器371、低噪放大器(LNA)372、發射器/接收器切換模組373、本振模組374、記憶體375、數模轉換器378、濾波/增益/衰減模組380、中頻混頻上變頻模組382、功率放大器(PA)384、發射器濾波模組385、以及一個或多個天線386。天線386可以是由發射器和接收器共用的單個天線，通過天線切換模組373進行切換，或者天線386包括用於發射路徑和接收路徑的分開的天線。天線的具體實現可以根據無線通信設備遵循的特定標準以及該設備的特定設計而定。
基帶處理模組364結合記憶體375內存儲的操作指令，執行數位接收器功能和數位發射器功能。數位接收器功能包括但不限於：數位中頻到基帶的轉換、解調、群集(constellation)解映射、 解碼和/或解擾。數位發射器功能包括但不限於：加擾、編碼、群集映射、調製和/或數位基帶到中頻的轉換。基帶處理電路364可以採用共用的處理裝置、單獨的處理裝置或多個處理裝置來實現。這樣的處理裝置可以是微處理器、微控制器、數位信號處理器(DSP)、微型電腦、中央處理單元、現場可編程閘陣列(FPGA)、專用積體電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)、狀態機、邏輯電路、類比電路、數位電路和/或任何可以根據操作指令處理類比和/或數位信號的裝置。記憶體375可以是單個的存儲裝置或多個存儲裝置。這樣的存儲裝置可以是唯讀記憶體、隨機訪問記憶體、易失記憶體、非易失記憶體、靜態記憶體、動態記憶體、快閃記憶體和/或任何可以存儲數位資訊的裝置。需注意的是，如果基帶處理電路364通過狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路執行一個或多個功能時，存儲相應操作指令的記憶體可以嵌入在所述狀態機、類比電路、數位電路和/或邏輯電路中。記憶體375存儲並由基帶處理電路364執行操作指令實現該設備的功能。
在操作中，無線收發裝置360可以通過主介面362接收來自主設備的出站資料394。主介面362將出站資料394路由給基帶處理模組364，由其按照特定的無線通信標準，如蜂窩、WiMAX、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n或藍牙，對出站資料394進行處理，以生成數位發射格式的資料/輸出基帶信號396。數位發射格式的資料396可以是數位基帶信號或數位低中頻信號，其低中頻的範圍通常在一百千赫茲到幾兆赫茲。
無線收發裝置360可通過天線386接收從基站、接入點或另一無線通信設備發送來的入站RF信號388。天線386可以通過發射器/接收器切換模組373將入站RF信號388傳送給接收器濾波模組371。接收濾波器371對入站RF信號388進行帶通濾波並將濾波後的RF信號傳送給低噪放大器(LNA)372。低噪放大器372對信號388進行放大得到放大後的入站RF信號。低噪放大器372 將放大後的入站RF信號傳送給中頻混頻模組370。中頻混頻下轉換模組370基於本振模組374提供的接收器本地振盪信號381直接將放大後的入站RF信號轉換成入站低IF信號或基帶信號。下變頻模組370將入站低IF信號或基帶信號傳送給濾波/增益/衰減模組368。濾波/增益/衰減模組368可依據本發明的教導來實現，以對入站低IF信號或入站基帶信號進行濾波和/或衰減，生成濾波後的入站信號。
模數轉換器366可將濾波後的入站信號從類比域轉換成數位域以產生數位接收格式的資料/輸入基帶信號390。基帶處理電路364可對數位接收格式資料390進行解碼、解擾、解映射和/或解調，按照無線收發裝置360遵循的特定的無線通信標準重獲入站資料392。主介面362通過無線介面354將重獲的入站資料392傳送給主設備18-32。
本領域技術人員可知的是，圖3所示的無線通信設備可使用一個或多個積體電路來實現。例如，主設備可實現在一個積體電路上，基帶處理電路364、和記憶體375可實現在第二積體電路上，而無線收發裝置360的剩餘部件，除去天線386，可實現在第三積體電路上。作為另一種可選示例，無線收發裝置360可實現在單個積體電路上。另一示例中，主設備的處理模組350和基帶處理電路364可以是實現在單個積體電路上的公用處理器件。此外，記憶體352和記憶體357可實現在單個積體電路上，和/或實現在與處理模組350和基帶處理電路354的公用處理模組相同的積體電路上。
根據本發明的不同方面，功率放大器384(射頻功率放大器)可使用多個電源電壓來工作，無需穩壓器。射頻功率放大器的各個實施例將在後續結合圖4-8給出描述。
圖4是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的射頻共源共柵功率放大器的框圖。該射頻功率放大器包括放大器部分402， 其具有跨導級408和共源共柵級410。跨導級408具有一跨導器件，帶有射頻信號輸入，能夠接收射頻輸入信號Pin。共源共柵級410具有至少一個共源共柵電晶體，並與跨導級408串聯在電池電壓節點404和地406之間。共源共柵級410具有一射頻信號輸出，生成信號Pout。此外，共源共柵級410具有至少一個偏壓輸入，被施加於該至少一個共源共柵電晶體的柵極。如圖4所示，該至少一個偏壓輸入接收一個或多個偏置電壓，其數量取決於共源共柵級410內所包含的共源共柵電晶體的數量。
圖4所示的射頻功率放大器進一步包括共源共柵偏壓回饋電路412。共源共柵偏壓回饋電路412耦合在電池電壓節點404和地406之間。在其操作中(後續結合圖5-8給出描述)，共源共柵偏壓回饋電路412針對一個相對較低的電池電源施加固定偏置電壓給至少一個偏壓輸入，針對至少一個相對較高的電池電壓施加至少一個回饋偏置電壓給共源共柵級410的該至少一個偏壓輸入。共源共柵偏壓回饋電路412確定和設置偏置電壓所基於的電池電壓由出現在電池電壓節點404處的Vbatt所表示。如後續將結合圖5-8所描述的，回饋偏置電壓是基於電池電壓節點404處的電壓Vbatt的，該節點還用作信號輸出節點，用於生成信號Pout。
在其各種操作中，共源共柵偏壓回饋電路412基於電池電壓節點404處的DC電壓選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓其中之一。在本發明的一個特定實施例中，本發明的射頻功率放大器支援的電源電壓為2.5V、3.3V、4.3V、和5.5V。基於特定點和特定時間出現在電池電壓節點處的這些電池電壓中的一個，共源共柵偏壓回饋電路412選擇回饋偏置電壓或固定偏置電壓以施加於共源共柵級410的偏壓輸入處。此外，基於電池電源電壓電平，固定偏置電壓和/或回饋偏置電壓的值可以是不同的。
圖5是根據本發明一個或多個實施例構建並運行的另一射頻共源共柵功率放大器的框圖。與圖4所示的結構相比，圖5所示 的結構沒有詳細示出共源共柵功率放大器502，而是詳細示出了根據一種特定結構的共源共柵偏壓回饋電路的實施例。共源共柵功率放大器502和VBIAS電路506都連接在電池電壓節點404和地406之間。共源共柵功率放大器502從功率放大器驅動器(PAD)504接收其輸入，該功率放大器驅動器504接收輸入電壓信號Pin。共源共柵功率放大器502生成放大後的射頻輸出信號Pout。VBIAS電路506確定電池電壓節點404的電壓電平(VLEVEL)。VBIAS電路506進一步生成VLOW和VHIGH電平給電平切換器(level shifter)510。VLEVEL信號由VBIAS電路506提供給電壓邏輯508，其生成邏輯輸出0或1給電平切換器510。電平切換器510生成VLOW和VHIGH輸出信號給偏壓使能電路512。偏壓使能電路512還接收使能信號並生成一個或多個VBIAS信號給共源共柵功率放大器502。這些VBIAS信號被提供給共源共柵功率放大器502的共源共柵電晶體的一個或多個柵極。
圖5所示的結構的工作將結合圖8給出描述。圖5所示的結構的一個特例將結合圖6給出描述。根據本發明一個或多個實施例的射頻功率放大器的不同構造在圖7中示出。
圖6是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大器的一部分的電路圖。該射頻功率放大器包括跨導級、共源共柵級和共源共柵偏壓回饋電路。跨導級具有電晶體Mb 602(具有較小的特徵尺寸，在此實施例中為薄柵器件)，並在其柵極接收射頻信號。共源共柵級包括兩個共源共柵電晶體Mt 606和Mm 604(均具有較大的特徵尺寸，在此實施例中為厚柵器件)。共源共柵放大器生成輸出信號Voutp。阻流電感器608用於阻塞到電池電壓節點404的信號流，電容器620用於阻塞信號Voutp的DC分量。其他實施例中，AC阻塞器件(電感器)和DC阻塞器件(電容器)可針對射頻功率放大器而配置成不同的。此外，輸出平衡-不平衡變換器用於將不同的射頻信號輸出耦合至天線。
共源共柵級的共源共柵電晶體Mm 604和Mt 606均在其相應柵極具有偏壓輸入。共源共柵回饋電路提供固定偏置電壓或回饋偏置電壓給電晶體604和606的柵極。共源共柵回饋電路包括有交換網路，連接在電池電壓節點404和地之間。交換網路包括多個集中電路器件R1、R2、R3、R4和R5以及多個開關swm1、swm2、swb1、和swb2。共源共柵偏壓回饋電路還具有固定偏置電壓節點VC1和VC2，其從其他電路(未示出)接收相應的偏置電壓。對於相對較高的電池電壓，開關swhv閉合，開關swm1、swm2、swb1、和swb2中的至少某些閉合。注意，共源共柵偏壓回饋電路的交換網路中的所述多個集中電路器件中的至少一些可以是可變電阻器。
共源共柵偏壓回饋電路的開關位置和電阻器阻值可基於射頻功率放大器的特定實現以及電池電壓節點404處的電壓電平來選擇。例如，一個特定實施例中，射頻功率放大器支持2.5V、3.3V、4.3V和5.5V的電池電壓電平。在2.5V、3.3V兩個較低的電池電壓電平下，固定偏置電壓VC1和VC2被分別施加給共源共柵電晶體Mm 604和Mt 606的柵極(開關swlv閉合而開關swhw斷開)。固定偏置電壓VC1和VC2針對不同的電池電源電壓2.5V和3.3V可不同。在4.3V和5.5V兩個較高的電池電壓電平下，回饋偏置電壓被施加給共源共柵電晶體Mm 604和Mt 606的柵極，其由回饋交換網路基於電池電壓節點404處出現的電壓來生成(開關swhw閉合，而開關swlv斷開)。開關swm1、swm2、swb1、和swb2的位置和/或可變電阻器R2、R3、R4和R5的阻值針對不同的電池電源電壓4.3V和5.5V可以不同。
電容器614和616過濾掉偏壓信號VBIASt和VBIASm的高頻部分。這樣的話，施加給電晶體604和606的回饋偏置電壓基本上是DC電壓電平。當射頻功率放大器工作中(在發射操作、校準操作等期間)，偏置電壓通過驅動器610和612施加給共源共柵 電晶體。驅動器610和612通過合適的使能信號(EN)來工作以分別對電晶體604和606處的偏置電壓進行使能和禁能。借助合適的信號電平EN禁能驅動器610和612，通過禁能功率放大器來實現省電操作。
圖7是根據本發明一個或多個實施例構建的射頻功率放大器的另一不同實施例的框圖。該不同的射頻功率放大器包括單端共源共柵放大器702和704。共源共柵功率放大器702包括跨導級706和共源共柵級708。共源共柵功率放大器704包括跨導級710和共源共柵級712。偏壓回饋電路714施加偏置電壓給共源共柵級708和712的一個或多個偏壓輸入。不同的信號輸入Pin1、Pin2被輸入給跨導級710和706。不同的跨導級輸出出現在相應電池電壓節點404輸出點。
圖8是根據本發明一個或多個實施例的由不同電池電源電壓電平供電的射頻共源共柵功率放大器的操作流程圖。圖8的操作800開始於步驟802，確定電池電壓電平。使用前面結合圖4-7介紹的結構，共源共柵偏壓回饋電路確定出電池電壓節點處的電池電壓電平。然後，步驟804中，共源共柵偏壓回饋電路將該電池電壓電平與至少一個電壓閾值進行比較。由於本發明的方法支持多個(即不止兩個)不同的電池電壓電平，在某些實施例中，需要至少兩個閾值來進行比較。然後，步驟806中，基於步驟804的比較結果，共源共柵偏壓回饋電路選擇共源共柵偏壓輸入。當確定是相對較低的電池電壓時，步驟806的結果將是選擇固定偏置電壓施加於共源共柵射頻功率放大器的共源共柵電晶體。然而，當步驟806中確定結果表明電池電壓節點處是相對較高的電平時，共源共柵偏壓回饋電路決定施加回饋偏置電壓給共源共柵射頻功率放大器的共源共柵電晶體。
然而，步驟808中，共源共柵級施加一個或多個選擇的共源共柵偏壓輸入給射頻功率放大器的共源共柵級。這些操作繼續， 直到該設備確定不要不同的偏置電壓時。例如，參見圖6，若射頻功率放大器不需要立即傳送或放大發射的信號，共源共柵級的共源共柵電晶體將被禁能，以便降低功耗。此外，若該設備進入到超時情形，如步驟812所確定的，回到步驟802。此外，如果該設備被重置，操作也將回到步驟802。
在另一實施例中，共源共柵偏壓回饋電路持續地或週期性地監控電池電壓節點處的電池電壓電平。這種情況下，共源共柵偏壓回饋電路可在步驟810中檢測電池電壓的改變。這種情況下，若電池電壓改變，操作再次進行至步驟802。
此處使用的術語“電路”和“線路”可以是指獨立電路或是可執行多個潛在功能多功能電路的一部分。例如，根據實施例，處理電路可作為單晶片處理器或作為多個處理晶片。同樣地，在一個實施例中，第一電路和第二電路可組合到一個電路中，或在另一實施例中，可在不同的晶片中獨立運行。此處使用的術語“晶片”是指積體電路。電路和線路可包括通用或專用硬體，並可包括這一硬體和相關軟體的組合，如固件或目標代碼(object code)。
本發明通過借助方法步驟展示了本發明的特定功能及其關係。所述方法步驟的範圍和順序是為了便於描述任意定義的。只要能夠執行特定的功能和順序，也可應用其他界限和順序。任何所述或選的界限或順序因此落入本發明的範圍和精神實質。
以上還借助於說明某些重要功能的功能模組對本發明進行了描述。為了描述的方便，這些功能組成模組的界限在此處被專門定義。當這些重要的功能被適當地實現時，變化其界限是允許的。類似地，流程圖模組也在此處被專門定義來說明某些重要的功能，為廣泛應用，流程圖模組的界限和順序可以被另外定義，只要仍能實現這些重要功能。上述功能模組、流程圖功能模組的界限及順序的變化仍應被視為在權利要求保護範圍內。本領域技術人員也知悉此處所述的功能模組，和其他的說明性模組、模組和 元件，可以如示例或由分立元件、特殊功能的積體電路、帶有適當軟體的處理器及類似的裝置組合而成。
本領域普通技術人員可以理解，術語“基本上”或“大約”，正如這裏可能用到的，對相應的術語提供一種業內可接受的公差。這種業內可接受的公差從小於1%到15%，並對應於，但不限於，元件值、積體電路處理波動、溫度波動、上升和下降時間和/或熱雜訊。本領域普通技術人員還可以理解，術語“可操作地連接”，正如這裏可能用到的，包括通過另一個元件、元件、電路或模組直接連接和間接連接，其中對於間接連接，中間插入元件、元件、電路或模組並不改變信號的資訊，但可以調整其電流電平、電壓電平和/或功率電平。本領域普通技術人員可知，推斷連接(亦即，一個元件根據推論連接到另一個元件)包括兩個元件之間用相同於“可操作地連接”的方法直接和間接連接。本領域普通技術人員還可知，術語“比較結果有利”，正如這裏可能用的，指兩個或多個元件、專案、信號等之間的比較提供一個想要的關係。例如，當想要的關係是信號1具有大於信號2的振幅時，當信號1的振幅大於信號2的振幅或信號2的振幅小於信號1振幅時，可以得到有利的比較結果。
本發明通過借助方法步驟展示了本發明的特定功能及其關係。所述方法步驟的範圍和順序是為了便於描述任意定義的。只要能夠執行特定的功能和順序，也可應用其他界限和順序。任何所述或選的界限或順序因此落入本發明的範圍和精神實質。
此外，儘管以上是通過一些實施例對本發明進行的描述，本領域技術人員知悉，本發明不局限於這些實施例，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。本發明的保護範圍僅由本申請的權利要求書來限定。
402‧‧‧放大器部分
404‧‧‧電池電壓節點
406‧‧‧地
408‧‧‧跨導級
410‧‧‧共源共柵級
412‧‧‧共源共柵偏壓回饋電路

Claims (10)

  1. 一種可使用不同的電池電源電壓的射頻功率放大器，其特徵在於，所述射頻功率放大器包括：跨導級，具有帶射頻信號輸入的跨導器件；共源共柵級，具有至少一個共源共柵電晶體，所述共源共柵級與跨導級串聯在電池電壓節點和地之間，所述共源共柵級具有射頻信號輸出和至少一個偏壓輸入給所述至少一個共源共柵電晶體；以及共源共柵偏壓回饋電路，用於：針對低電池電壓，施加固定的偏置電壓給所述至少一個偏壓輸入；針對高電池電壓，施加回饋偏置電壓給所述至少一個偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述電池電壓節點的電壓的。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的射頻功率放大器，其中，所述共源共柵偏壓回饋電路基於所述電池電壓節點的DC電壓來選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的射頻功率放大器，其中，所述共源共柵偏壓回饋電路包括：連接在所述電池電壓節點和地之間的交換網路，具有多個集中電路元件和多個開關，用於生成回饋偏置電壓；固定偏置電壓源，用於生成固定偏置電壓；至少一個切換器，用於將固定偏置電壓和回饋偏置電壓其中之一施加給所述至少一個偏壓輸入。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所述交換網路中的至少一些集中電路元件包括可變電阻器。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所述射頻功率放大器進一步包括：至少一個驅動器，將所述至少一個切換器的輸出耦合到所述 至少一個偏壓輸入，所述至少一個驅動器以可控的方式耦合到所述至少一個共源共柵電晶體中的任一個；所述至少一個偏壓輸入；或禁能電壓。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中：所述跨導級包括第一電晶體；所述共源共柵電晶體包括第二和第三電晶體；以及所述第一電晶體的源極和漏極、所述第二電晶體的源極和漏極、以及所述第三電晶體的源極和漏極串聯在所述電池電壓節點和地之間。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所述不同的電池電源電壓包括至少兩個不同的電壓電平。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的射頻功率放大器，其中，所述不同的電池電源電壓包括至少四個不同的電壓電平。
  9. 一種由不同的電池電源電壓電平供電的射頻共源共柵功率放大器的操作方法，其特徵在於，包括：確定電池電源電壓；將電池電源電壓與至少一個電壓閾值進行比較；針對指示相對較低電池電壓的第一比較結果，施加固定的偏置電壓給射頻共源共柵功率放大器的共源共柵級的至少一個偏壓輸入；針對指示相對較高電池電壓的第二比較結果，施加回饋偏置電壓給所述射頻共源共柵功率放大器的至少一個偏壓輸入，其中所述回饋偏置電壓是基於所述射頻共源共柵功率放大器的輸出電壓的。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的操作方法，其中，所述操作方法進一步包括基於DC電池電源電壓來選擇固定偏置電壓或回饋偏置電壓其中之一。
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