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CN101873104A - 可使用不同电池电源电压的射频功率放大器及其操作方法 - Google Patents

可使用不同电池电源电压的射频功率放大器及其操作方法 Download PDF

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CN101873104A
CN101873104A CN201010152409A CN201010152409A CN101873104A CN 101873104 A CN101873104 A CN 101873104A CN 201010152409 A CN201010152409 A CN 201010152409A CN 201010152409 A CN201010152409 A CN 201010152409A CN 101873104 A CN101873104 A CN 101873104A
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Abstract

本发明涉及一种可使用不同的电池电源电压的射频功率放大器及其操作方法。跨导级具有带射频信号输入的跨导器件。共源共栅级具有至少一个共源共栅晶体管，所述共源共栅级与跨导级串联在电池电压节点和地之间，所述共源共栅级具有射频信号输出和至少一个偏压输入给所述至少一个共源共栅晶体管。针对低电池电压，共源共栅偏压反馈电路施加固定的偏置电压给所述至少一个偏压输入；针对高电池电压，共源共栅偏压反馈电路施加反馈偏置电压给所述至少一个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述电池电压节点的电压的。该射频功率放大器支持两个以上的不同电池电源电压。

Description

可使用不同电池电源电压的射频功率放大器及其操作方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及一种这样的无线通信系统内的无线设备的发射器内使用的射频功率放大器。
背景技术
已知通信系统支持无线通信设备和/或有线通信设备之间的无线和/或有线通信。这样的通信系统涵盖了国内和/或国际蜂窝电话系统、互联网、点对点室内无线网络。任何一种通信系统都要按照一种或多种通信标准建立，并藉此运行。比如，无线通信系统可以按照后面所列举的一种或多种标准运行(包括但不仅限于)：IEEE802.11x、蓝牙、无线广域网(例如WiMAX)、先进移动电话服务(AMPS)、数字先进移动电话服务(DAMPS)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、宽带CDMA、本地多点分配业务(LMDS)、多路多点分配技术(MMDS)、射频识别(RFID)、GSM演化的增强数据率(EDGE)、通用分组无线业务(GPRS)及其它各种标准。
根据无线通信系统的类型，无线通信设备(例如蜂窝电话、对讲机、个人数字助手、个人电脑(PC)、手提电脑或家庭娱乐设备)直接或间接与其它无线通信设备通信。对于直接通信也称作点对点通信，参与其中的无线通信设备调整其接收器和发射器至同一个信道或多个信道，并在所述信道上通信。每个信道可使用无线通信系统的多个无线电(RF)载波中的一个或多个。对于间接无线通信，每个无线通信设备可通过分配的一个或多个信道与相关的基站(例如，对于蜂窝服务)和/或相关的接入点(例如，对于室内或建筑内无线网络)直接通信。为了完成无线通信设备之间的通信连接，相关的基站和/或相关的接入点通过系统控制器、公用交换电话网络、互联网和/或其他广域网互相直接通信。
对于每一个参与无线通信的无线通信设备，都具有内置的无线收发器(也就是有接收器和发射器)，或者被连接到相关的无线收发器上(例如，室内或建筑物内无线通信网络的基站、射频调制解调器等)。众所周知，接收器连接到天线，包括低噪放大器、一个或多个中频级、滤波级和数据恢复级。低噪放大器接收经天线传来的输入射频信号并把信号放大。一个或多个中频级把放大的射频信号与一个或多个本地振荡混合，转换成基带信号或中频信号。滤波级对基带信号或中频信号进行滤波，以削弱不需要的波段外的信号，这样便得到滤波后的信号。数据恢复级按照特定的无线通信标准把滤波后的信号恢复成原始数据。发射器包括数据调制级、一个或多个中频部分、以及功率放大器。数据调制级按照特定的无线通信标准，将原始数据转换成基带信号。一个或多个中频部分将基带信号与一个或多个本地振荡混合后得到射频信号。功率放大器将射频信号放大后从天线发射出去。
如果不是全部的话，也有大部分的无线通信标准都对发射功率级作出了限制。此外，某些无线通信标准具有反向链路功率控制，其允许远端设备控制另一无线设备的发射功率，例如，基站控制手持设备的反向链路发射功率。因此，在大部分的无线设备内，功率放大器被有效地控制，从而控制发射功率。这样便出现了与功率放大器的效率相关的缺陷。当功率放大器与天线很好的匹配时，得到有效的发射。然而，若出现了不匹配，则发射效率低。这样的低效率导致了过度的功率消耗(由功率放大器)，并降低发射功率。这种不匹配会因下列原因而出现：天线的操作偏差(例如因天线配置和/或位置引起的输入阻抗的改变)以及功率放大器的操作偏差、以及因温度波动、电源电压偏差等引发的无线设备的其它射频信号路径分量。在无线通信设备内，经常需要功率放大器在其输出上提供高的摆幅。功率放大器还必须在其操作中保持高度线性，并还在可能的情况下用作小电源。这些竞争目标是非常难满足的，特别是在由电池供电且以相对低电压工作的便携式设备中。
发明内容
本发明提供的装置和操作方法将在后续附图说明、具体实施方式和权利要求书部分中给出进一步的介绍。
根据本发明的一方面，提供一种可使用不同的电池电源电压的射频(RF)功率放大器，所述射频功率放大器包括：
跨导级，具有一晶体管，所述晶体管的栅极具有射频信号输入；
共源共栅(cascode)级，具有至少两个共源共栅晶体管，所述共源共栅级与跨导级串联在电池电压节点和地之间，所述共源共栅级具有射频信号输出和至少两个偏压输入给所述至少两个共源共栅晶体管；以及
共源共栅偏压反馈电路，用于：
针对低电池电压，施加固定的偏置电压给所述至少两个偏压输入；
针对高电池电压，施加反馈偏置电压给所述至少两个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述电池电压节点的电压的。
作为优选，所述共源共栅偏压反馈电路基于电池电压节点的DC电压来选择所述固定偏置电压或反馈偏置电压。
作为优选，所述共源共栅偏压反馈电路包括：
连接在电池电压节点和地之间的交换网络，具有多个集中(lumped)电路元件和多个开关，用于生成反馈偏置电压；
固定偏置电压源，用于生成固定偏置电压；
至少一个切换器，用于将固定偏置电压和反馈偏置电压其中之一施加给所述至少一个偏压输入。
作为优选，所述交换网络中的至少一些集中电路元件包括可变电阻器。
作为优选，所述射频功率放大器进一步包括：
至少一个驱动器，将所述至少一个切换器的输出耦合到所述至少两个偏压输入，所述至少一个驱动器以可控的方式耦合到所述至少两个共源共栅晶体管中的任一个；
相应的偏压输入；或
禁能电压(disabling voltage)。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少两个不同的电池电源电压。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少四个不同的电池电源电压。
根据本发明的一方面，提供一种可使用不同的电池电源电压的射频(RF)功率放大器，所述射频功率放大器包括：
跨导级，具有带射频信号输入的跨导器件；
共源共栅(cascode)级，具有至少一个共源共栅晶体管，所述共源共栅级与跨导级串联在电池电压节点和地之间，所述共源共栅级具有射频信号输出和至少一个偏压输入给所述至少一个共源共栅晶体管；以及
共源共栅偏压反馈电路，用于：
针对低电池电压，施加固定的偏置电压给所述至少一个偏压输入；
针对高电池电压，施加反馈偏置电压给所述至少一个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述电池电压节点的电压的。
作为优选，所述共源共栅偏压反馈电路基于电池电压节点的DC电压来选择所述固定偏置电压或反馈偏置电压。
作为优选，所述共源共栅偏压反馈电路包括：
连接在电池电压节点和地之间的交换网络，具有多个集中电路元件和多个开关，用于生成反馈偏置电压；
固定偏置电压源，用于生成固定偏置电压；
至少一个切换器，用于将固定偏置电压和反馈偏置电压其中之一施加给所述至少一个偏压输入。
作为优选，所述交换网络中的至少一些集中电路元件包括可变电阻器。
作为优选，所述射频功率放大器进一步包括：
至少一个驱动器，将所述至少一个切换器的输出耦合到所述至少一个偏压输入，所述至少一个驱动器以可控的方式耦合到所述至少一个共源共栅晶体管中的任一个；
所述至少一个偏压输入；或
禁能电压(disabling voltage)。
作为优选，
所述跨导级包括第一晶体管；
所述共源共栅晶体管包括第二和第三晶体管；以及
所述第一晶体管的源极和漏极、所述第二晶体管的源极和漏极、以及所述第三晶体管的源极和漏极串联在电源电压节点和地之间。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少两个不同的电压电平。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少四个不同的电压电平。
根据本发明的一方面，提供一种由不同的电池电源电压电平供电的射频(RF)共源共栅功率放大器的操作方法，包括：
确定电池电源电压；
将电池电源电压与至少一个电压阈值进行比较；
针对指示相对较低电池电压的第一比较结果，施加固定的偏置电压给射频共源共栅功率放大器的共源共栅级的至少一个偏压输入；
针对指示相对较高电池电压的第二比较结果，施加反馈偏置电压给所述射频共源共栅功率放大器的至少一个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述射频共源共栅功率放大器的输出电压的。
作为优选，所述方法进一步包括基于DC电池电源电压来选择固定偏置电压或反馈偏置电压其中之一。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少两个不同的电压电平。
作为优选，所述不同的电源电压包括至少四个不同的电压电平。
本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的描述和附图中进行详细介绍。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的无线通信系统的示意图；
图2是根据本发明构建并运行的无线设备的组件的框图；
图3是包括主设备和关联的无线收发装置的无线通信设备的示意图；
图4是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的射频共源共栅功率放大器的框图；
图5是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的另一射频共源共栅功率放大器的框图；
图6是根据本发明一个或多个实施例构建的射频功率放大器的一部分的电路图；
图7是根据本发明一个或多个实施例构建的射频功率放大器的另一不同实施例的框图；
图8是根据本发明一个或多个实施例的由不同电池电源电压电平供电的射频共源共栅功率放大器的操作流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的无线通信系统的示意图。图1所示的无线通信系统100包括通信基础设施和多个无线设备。该通信基础设施包括一个或多个蜂窝网络104、一个或多个无线局域网(WLAN)106、以及一个或多个无线广域网(WWAN)108。蜂窝网络104、WLAN 106、WWAN108通常都连接到一个或多个骨干网。骨干网102可包括因特网、万维网、一个或多个公共交换电话网骨干网、一个或多个蜂窝网络骨干网、一个或多个专有网络骨干网和/或其它类型的骨干网，支持与各种无线网络基础设施104、106和108通信。服务器计算机连接于这些不同的网络基础设施。例如服务器计算机110连接到蜂窝网络104，web服务器112连接到因特网/WWW/PSTN/蜂窝网102，服务器114连接到WWAN网络108。其它设备也可以通过各种其它设置连接到这些网络。
蜂窝网络104、WLAN 106和WWAN 108每一个都在各种不同的无线频谱内依据各种不同的无线协议标准支持与无线设备的通信。例如，蜂窝网络104支持与无线设备在800MHz频带内和1900MHz频带内、和/或分配给蜂窝网路通信的其它射频带内的无线通信。蜂窝网络104可支持GSM、EDGE、GPRS、3G、CDMA、TDMA和/或各种其它标准化的通信。当然，这些仅仅是示例，并不被认为是限制这种蜂窝网络所使用的频谱或操作。WLAN 106通常运行在工业、科研、和医疗(ISM)频带内，包括2.4GHz和5.8GHz频带。ISM频带也包括其它频带，支持其它类型的无线通信，这样的频带包括6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、433.92MHz、915MHz、24.125GHz、61.25GHz、122.5GHz和245GHz频带。WWAN网络108可基于在任何特定场合下所分配的运行在不同的射频频谱。设备到设备的通信也由这些频带其中之一所服务。
无线网络基础设施104、106和108支持至和自无线设备116、118、122、124、126、128、130、132和/或136的通信。图中示出了各种类型的无线设备。这些无线设备包括膝上型电脑116和118、桌面电脑122和124、蜂窝电话126和128、便携贝塔终端(beta teiminal)130、132和136。当然，不同类型的设备都被认为是本发明范围内的无线设备。例如，具有蜂窝接口的汽车也被认为是根据本发明的无线设备。进一步，任何具有双向或单向无线通信接口的设备都被认为是根据本发明的无线设备。例如，无线设备具有GPS接收能力，以从多个GPS卫星150接收定位信号。
无线设备116-136也可支持点对点通信，这样的点对点通信无需无线网络基础设施的支持。例如，这些设备可以在60GHz频带内彼此通信，可在WLAN频谱内使用点对点通信，例如，或者可使用其它类型的点对点通信。例如，在ISM频谱内，无线设备可依据蓝牙协议或任何各种可用的由IEEE802.11x所支持的WLAN协议。
如将在后续结合图2-8所描述，图1所示的每个无线设备116-136包括基带处理电路、射频收发器和至少一个天线。根据本发明，射频收发器包括根据本发明构建和运行的射频功率放大器。这些设备的射频功率放大器是具有能效的，能够在多个电池电压下工作而无需电压调节器。
图2是根据本发明构建并运行的无线设备的组件的框图。该无线设备包括主电路204、射频收发器202、天线接口206和多个天线组件208A、208B、208C和208N。在图2所示的无线设备的某些实施例中，天线可仅仅具有一个单独的天线组件。然而，如图所示，在图2中，天线可具有多个天线组件208A-208N，由天线接口206进行配置。通过天线接口206的可配置性包括定向性操作、MIMO或其它多天线配置。
主电路204包括处理电路、存储器、用户接口、有线接口和/或与该无线设备关联的其它电路。例如，无线设备一般具有显示器、键盘和/或多个其它用户接口设备。此外，该无线设备包括一个或多个电池为其供电。射频收发器202包括基带处理电路210和射频电路212。基带处理电路210生成输出基带信号220给射频电路212的发射器部分216。射频电路212的接收器部分214生成输入基带信号218给基带处理电路210。射频电路212从发射器部分216生成输出射频信号给天线接口206。天线接口206将该输出射频信号耦合到一个或多个天线组件208A-208N。射频电路212的接收器部分214从天线接口206接收输入射频信号，并将输入射频信号转换成输入基带信号218。同样，发射器部分216将输出基带信号220转换成输出射频信号，由发射器部分216提供给天线接口206。
根据本发明，该发射器部分包括至少一个射频功率放大器，其可在多个电池电压上工作。在某些实施例中，该射频功率放大器具有共源共栅结构，并具有共源共栅偏置电压反馈电路，以提供至少一个偏置电压给放大器的共源共栅级。根据本发明的各个实施例将在后续结合图3-8给出描述。
图3是根据本发明实施例的具有主设备和关联的无线收发装置的无线通信设备的框图。对于蜂窝电话主机来说，该无线收发装置是内置的部件。对于个人数字助理、膝上型电脑、和/或个人计算机主机来说，无线收发装置360可以是内置的，或者可以是外部连接的部件，通过通信链路例如PCI接口、PCMCIA接口、USB接口或其它类型的接口连接到主设备302。
如图所示，主设备302包括处理模块350、存储器352、无线接口354、输出接口356和输入接口358。处理模块350和存储器352可执行通常由主设备执行的相应指令。例如，对于蜂窝电话设备，处理模块350可按照特定的蜂窝电话标准进行相应的通信功能操作。
无线接口354可从无线收发装置360接收数据、并可向无线收发装置360发送数据。对于从无线收发装置360接收的数据，例如入站数据，无线接口354将其传送到处理模块530以做进一步处理和/或将其路由给输出接口356。输出接口356可提供与输出显示设备(如显示器、监视器或扬声器)的连接，从而将该接收到的数据输出。无线接口354也向无线收发装置360发送来自处理模块350的出站数据。处理模块350可以通过输入接口358接收来自输入设备的出站数据，所述输入设备可以是键盘、小键盘或麦克风等。处理模块350也可自己产生数据。对于经输入接口358接收到的数据，处理模块350可对该数据执行相应的功能操作和/或经由无线接口354将其路由给无线收发装置360。
无线收发装置360可以包括主接口362、基带处理电路/基带处理模块364、模数转换器(ADC)366、滤波/增益/衰减模块368、中频混频下变频模块370、接收器滤波器371、低噪放大器(LNA)372、发射器/接收器切换模块373、本振模块374、存储器375、数模转换器378、滤波/增益/衰减模块380、中频混频上变频模块382、功率放大器(PA)384、发射器滤波模块385、以及一个或多个天线386。天线386可以是由发射器和接收器共享的单个天线，通过天线切换模块373进行切换，或者天线386包括用于发射路径和接收路径的分开的天线。天线的具体实现可以根据无线通信设备遵循的特定标准以及该设备的特定设计而定。
基带处理模块364结合存储器375内存储的操作指令，执行数字接收器功能和数字发射器功能。数字接收器功能包括但不限于：数字中频到基带的转换、解调、群集(constellation)解映射、解码和/或解扰。数字发射器功能包括但不限于：加扰、编码、群集映射、调制和/或数字基带到中频的转换。基带处理电路364可以采用共享的处理装置、单独的处理装置或多个处理装置来实现。这样的处理装置可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或任何可以根据操作指令处理模拟和/或数字信号的装置。存储器375可以是单个的存储装置或多个存储装置。这样的存储装置可以是只读存储器、随机访问存储器、易失存储器、非易失存储器、静态存储器、动态存储器、闪存和/或任何可以存储数字信息的装置。需注意的是，如果基带处理电路364通过状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路执行一个或多个功能时，存储相应操作指令的存储器可以嵌入在所述状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路中。存储器375存储并由基带处理电路364执行操作指令实现该设备的功能。
在操作中，无线收发装置360可以通过主接口362接收来自主设备的出站数据394。主接口362将出站数据394路由给基带处理模块364，由其按照特定的无线通信标准，如蜂窝、WiMAX、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE802.11g、IEEE 802.11n或蓝牙，对出站数据394进行处理，以生成数字发射格式的数据/输出基带信号396。数字发射格式的数据396可以是数字基带信号或数字低中频信号，其低中频的范围通常在一百千赫兹到几兆赫兹。
数模转换器378用于将数字发射格式数据396从数字域转换到模拟域。滤波/增益/衰减模块380在将该模拟信号传送给中频混频级382之前，对其进行滤波和/或调整其增益。中频混频级382基于本振模块374提供的发射器本振信号383直接或通过多个转换步骤将模拟基带或低IF信号转换成RF信号。功率放大器384可以放大该RF信号以产生出站RF信号398，随后发射器滤波模块385将对该出站信号398进行滤波。天线386将出站RF信号398发送给目的设备，诸如基站、接入点和/或另一个无线通信设备。
无线收发装置360可通过天线386接收从基站、接入点或另一无线通信设备发送来的入站RF信号388。天线386可以通过发射器/接收器切换模块373将入站RF信号388传送给接收器滤波模块371。接收滤波器371对入站RF信号388进行带通滤波并将滤波后的RF信号传送给低噪放大器(LNA)372。低噪放大器372对信号388进行放大得到放大后的入站RF信号。低噪放大器372将放大后的入站RF信号传送给中频混频模块370。中频混频下转换模块370基于本振模块374提供的接收器本地振荡信号381直接将放大后的入站RF信号转换成入站低IF信号或基带信号。下变频模块370将入站低IF信号或基带信号传送给滤波/增益/衰减模块368。滤波/增益/衰减模块368可依据本发明的教导来实现，以对入站低IF信号或入站基带信号进行滤波和/或衰减，生成滤波后的入站信号。
模数转换器366可将滤波后的入站信号从模拟域转换成数字域以产生数字接收格式的数据/输入基带信号390。基带处理电路364可对数字接收格式数据390进行解码、解扰、解映射和/或解调，按照无线收发装置360遵循的特定的无线通信标准重获入站数据392。主接口362通过无线接口354将重获的入站数据392传送给主设备18-32。
本领域技术人员可知的是，图3所示的无线通信设备可使用一个或多个集成电路来实现。例如，主设备可实现在一个集成电路上，基带处理电路364、和存储器375可实现在第二集成电路上，而无线收发装置360的剩余部件，除去天线386，可实现在第三集成电路上。作为另一种可选示例，无线收发装置360可实现在单个集成电路上。另一示例中，主设备的处理模块350和基带处理电路364可以是实现在单个集成电路上的公用处理器件。此外，存储器352和存储器357可实现在单个集成电路上，和/或实现在与处理模块350和基带处理电路354的公用处理模块相同的集成电路上。
根据本发明的不同方面，功率放大器384(射频功率放大器)可使用多个电源电压来工作，无需稳压器。射频功率放大器的各个实施例将在后续结合图4-8给出描述。
图4是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的射频共源共栅功率放大器的框图。该射频功率放大器包括放大器部分402，其具有跨导级408和共源共栅级410。跨导级408具有一跨导器件，带有射频信号输入，能够接收射频输入信号Pin。共源共栅级410具有至少一个共源共栅晶体管，并与跨导级408串联在电池电压节点404和地406之间。共源共栅级410具有一射频信号输出，生成信号Pout。此外，共源共栅级410具有至少一个偏压输入，被施加于该至少一个共源共栅晶体管的栅极。如图4所示，该至少一个偏压输入接收一个或多个偏置电压，其数量取决于共源共栅级410内所包含的共源共栅晶体管的数量。
图4所示的射频功率放大器进一步包括共源共栅偏压反馈电路412。共源共栅偏压反馈电路412耦合在电池电压节点404和地406之间。在其操作中(后续结合图5-8给出描述)，共源共栅偏压反馈电路412针对一个相对较低的电池电源施加固定偏置电压给至少一个偏压输入，针对至少一个相对较高的电池电压施加至少一个反馈偏置电压给共源共栅级410的该至少一个偏压输入。共源共栅偏压反馈电路412确定和设置偏置电压所基于的电池电压由出现在电池电压节点404处的Vbatt所表示。如后续将结合图5-8所描述的，反馈偏置电压是基于电池电压节点404处的电压Vbatt的，该节点还用作信号输出节点，用于生成信号Pout。
在其各种操作中，共源共栅偏压反馈电路412基于电池电压节点404处的DC电压选择固定偏置电压或反馈偏置电压其中之一。在本发明的一个特定实施例中，本发明的射频功率放大器支持的电源电压为2.5V、3.3V、4.3V、和5.5V。基于特定点和特定时间出现在电池电压节点处的这些电池电压中的一个，共源共栅偏压反馈电路412选择反馈偏置电压或固定偏置电压以施加于共源共栅级410的偏压输入处。此外，基于电池电源电压电平，固定偏置电压和/或反馈偏置电压的值可以是不同的。
图5是根据本发明一个或多个实施例构建并运行的另一射频共源共栅功率放大器的框图。与图4所示的结构相比，图5所示的结构没有详细示出共源共栅功率放大器502，而是详细示出了根据一种特定结构的共源共栅偏压反馈电路的实施例。共源共栅功率放大器502和VBIAS电路506都连接在电池电压节点404和地406之间。共源共栅功率放大器502从功率放大器驱动器(PAD)504接收其输入，该功率放大器驱动器504接收输入电压信号Pin。共源共栅功率放大器502生成放大后的射频输出信号Pout。VBIAS电路506确定电池电压节点404的电压电平(VLEVEL)。VBIAS电路506进一步生成VLOW和VHIGH电平给电平切换器(level shifter)510。VLEVEL信号由VBIAS电路506提供给电压逻辑508，其生成逻辑输出0或1给电平切换器510。电平切换器510生成VLOW和VHIGH输出信号给偏压使能电路512。偏压使能电路512还接收使能信号并生成一个或多个VBIAS信号给共源共栅功率放大器502。这些VBIAS信号被提供给共源共栅功率放大器502的共源共栅晶体管的一个或多个栅极。
图5所示的结构的工作将结合图8给出描述。图5所示的结构的一个特例将结合图6给出描述。根据本发明一个或多个实施例的射频功率放大器的不同构造在图7中示出。
图6是根据本发明一个或多个实施例构建的射频功率放大器的一部分的电路图。该射频功率放大器包括跨导级、共源共栅级和共源共栅偏压反馈电路。跨导级具有晶体管Mb 602(具有较小的特征尺寸，在此实施例中为薄栅器件)，并在其栅极接收射频信号。共源共栅级包括两个共源共栅晶体管Mt 606和Mm604(均具有较大的特征尺寸，在此实施例中为厚栅器件)。共源共栅放大器生成输出信号Voutp。阻流电感器608用于阻塞到电池电压节点404的信号流，电容器620用于阻塞信号Voutp的DC分量。其它实施例中，AC阻塞器件(电感器)和DC阻塞器件(电容器)可针对射频功率放大器而配置成不同的。此外，输出平衡-不平衡变换器用于将不同的射频信号输出耦合至天线。
共源共栅级的共源共栅晶体管Mm 604和Mt 606均在其相应栅极具有偏压输入。共源共栅反馈电路提供固定偏置电压或反馈偏置电压给晶体管604和606的栅极。共源共栅反馈电路包括有交换网络，连接在电池电压节点404和地之间。交换网络包括多个集中电路器件R1、R2、R3、R4和R5以及多个开关swm1、swm2、swb1、和swb2。共源共栅偏压反馈电路还具有固定偏置电压节点VC1和VC2，其从其它电路(未示出)接收相应的偏置电压。对于相对较高的电池电压，开关swhv闭合，开关swm1、swm2、swb1、和swb2中的至少某些闭合。注意，共源共栅偏压反馈电路的交换网络中的所述多个集中电路器件中的至少一些可以是可变电阻器。
共源共栅偏压反馈电路的开关位置和电阻器阻值可基于射频功率放大器的特定实现以及电池电压节点404处的电压电平来选择。例如，一个特定实施例中，射频功率放大器支持2.5V、3.3V、4.3V和5.5V的电池电压电平。在2.5V、3.3V两个较低的电池电压电平下，固定偏置电压VC1和VC2被分别施加给共源共栅晶体管Mm 604和Mt 606的栅极(开关swlv闭合而开关swhw断开)。固定偏置电压VC1和VC2针对不同的电池电源电压2.5V和3.3V可不同。在4.3V和5.5V两个较高的电池电压电平下，反馈偏置电压被施加给共源共栅晶体管Mm 604和Mt 606的栅极，其由反馈交换网络基于电池电压节点404处出现的电压来生成(开关swhw闭合，而开关swlv断开)。开关swm1、swm2、swb1、和swb2的位置和/或可变电阻器R2、R3、R4和R5的阻值针对不同的电池电源电压4.3V和5.5V可以不同。
电容器614和616过滤掉偏压信号VBIASt和VBIASm的高频部分。这样的话，施加给晶体管604和606的反馈偏置电压基本上是DC电压电平。当射频功率放大器工作中(在发射操作、校准操作等期间)，偏置电压通过驱动器610和612施加给共源共栅晶体管。驱动器610和612通过合适的使能信号(EN)来工作以分别对晶体管604和606处的偏置电压进行使能和禁能。借助合适的信号电平EN禁能驱动器610和612，通过禁能功率放大器来实现省电操作。
图7是根据本发明一个或多个实施例构建的射频功率放大器的另一不同实施例的框图。该不同的射频功率放大器包括单端共源共栅放大器702和704。共源共栅功率放大器702包括跨导级706和共源共栅级708。共源共栅功率放大器704包括跨导级710和共源共栅级712。偏压反馈电路714施加偏置电压给共源共栅级708和712的一个或多个偏压输入。不同的信号输入Pin1、Pin2被输入给跨导级710和706。不同的跨导级输出出现在相应电池电压节点404输出点。
图8是根据本发明一个或多个实施例的由不同电池电源电压电平供电的射频共源共栅功率放大器的操作流程图。图8的操作800开始于步骤802，确定电池电压电平。使用前面结合图4-7介绍的结构，共源共栅偏压反馈电路确定出电池电压节点处的电池电压电平。然后，步骤804中，共源共栅偏压反馈电路将该电池电压电平与至少一个电压阈值进行比较。由于本发明的方法支持多个(即不止两个)不同的电池电压电平，在某些实施例中，需要至少两个阈值来进行比较。然后，步骤806中，基于步骤804的比较结果，共源共栅偏压反馈电路选择共源共栅偏压输入。当确定是相对较低的电池电压时，步骤806的结果将是选择固定偏置电压施加于共源共栅射频功率放大器的共源共栅晶体管。然而，当步骤806中确定结果表明电池电压节点处是相对较高的电平时，共源共栅偏压反馈电路决定施加反馈偏置电压给共源共栅射频功率放大器的共源共栅晶体管。
然而，步骤808中，共源共栅级施加一个或多个选择的共源共栅偏压输入给射频功率放大器的共源共栅级。这些操作继续，直到该设备确定不要不同的偏置电压时。例如，参见图6，若射频功率放大器不需要立即传送或放大发射的信号，共源共栅级的共源共栅晶体管将被禁能，以便降低功耗。此外，若该设备进入到超时情形，如步骤812所确定的，回到步骤802。此外，如果该设备被重置，操作也将回到步骤802。
在另一实施例中，共源共栅偏压反馈电路持续地或周期性地监控电池电压节点处的电池电压电平。这种情况下，共源共栅偏压反馈电路可在步骤810中检测电池电压的改变。这种情况下，若电池电压改变，操作再次进行至步骤802。
此处使用的术语“电路”和“线路”可以是指独立电路或是可执行多个潜在功能多功能电路的一部分。例如，根据实施例，处理电路可作为单芯片处理器或作为多个处理芯片。同样地，在一个实施例中，第一电路和第二电路可组合到一个电路中，或在另一实施例中，可在不同的芯片中独立运行。此处使用的术语“芯片”是指集成电路。电路和线路可包括通用或专用硬件，并可包括这一硬件和相关软件的组合，如固件或目标代码(object code)。
本发明通过借助方法步骤展示了本发明的特定功能及其关系。所述方法步骤的范围和顺序是为了便于描述任意定义的。只要能够执行特定的功能和顺序，也可应用其它界限和顺序。任何所述或选的界限或顺序因此落入本发明的范围和精神实质。
以上还借助于说明某些重要功能的功能模块对本发明进行了描述。为了描述的方便，这些功能组成模块的界限在此处被专门定义。当这些重要的功能被适当地实现时，变化其界限是允许的。类似地，流程图模块也在此处被专门定义来说明某些重要的功能，为广泛应用，流程图模块的界限和顺序可以被另外定义，只要仍能实现这些重要功能。上述功能模块、流程图功能模块的界限及顺序的变化仍应被视为在权利要求保护范围内。本领域技术人员也知悉此处所述的功能模块，和其它的说明性模块、模组和组件，可以如示例或由分立元件、特殊功能的集成电路、带有适当软件的处理器及类似的装置组合而成。
本领域普通技术人员可以理解，术语“基本上”或“大约”，正如这里可能用到的，对相应的术语提供一种业内可接受的公差。这种业内可接受的公差从小于1％到15％，并对应于，但不限于，组件值、集成电路处理波动、温度波动、上升和下降时间和/或热噪声。本领域普通技术人员还可以理解，术语“可操作地连接”，正如这里可能用到的，包括通过另一个组件、元件、电路或模块直接连接和间接连接，其中对于间接连接，中间插入组件、元件、电路或模块并不改变信号的信息，但可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。本领域普通技术人员可知，推断连接(亦即，一个元件根据推论连接到另一个元件)包括两个元件之间用相同于“可操作地连接”的方法直接和间接连接。本领域普通技术人员还可知，术语“比较结果有利”，正如这里可能用的，指两个或多个元件、项目、信号等之间的比较提供一个想要的关系。例如，当想要的关系是信号1具有大于信号2的振幅时，当信号1的振幅大于信号2的振幅或信号2的振幅小于信号1振幅时，可以得到有利的比较结果。
本发明通过借助方法步骤展示了本发明的特定功能及其关系。所述方法步骤的范围和顺序是为了便于描述任意定义的。只要能够执行特定的功能和顺序，也可应用其它界限和顺序。任何所述或选的界限或顺序因此落入本发明的范围和精神实质。
此外，尽管以上是通过一些实施例对本发明进行的描述，本领域技术人员知悉，本发明不局限于这些实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明的保护范围仅由本申请的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种可使用不同的电池电源电压的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器包括：
跨导级，具有带射频信号输入的跨导器件；
共源共栅级，具有至少一个共源共栅晶体管，所述共源共栅级与跨导级串联在电池电压节点和地之间，所述共源共栅级具有射频信号输出和至少一个偏压输入给所述至少一个共源共栅晶体管；以及
共源共栅偏压反馈电路，用于：
针对低电池电压，施加固定的偏置电压给所述至少一个偏压输入；
针对高电池电压，施加反馈偏置电压给所述至少一个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述电池电压节点的电压的。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述共源共栅偏压反馈电路基于电池电压节点的DC电压来选择固定偏置电压或反馈偏置电压。
3.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述共源共栅偏压反馈电路包括：
连接在电池电压节点和地之间的交换网络，具有多个集中电路元件和多个开关，用于生成反馈偏置电压；
固定偏置电压源，用于生成固定偏置电压；
至少一个切换器，用于将固定偏置电压和反馈偏置电压其中之一施加给所述至少一个偏压输入。
4.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述交换网络中的至少一些集中电路元件包括可变电阻器。
5.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器进一步包括：
至少一个驱动器，将所述至少一个切换器的输出耦合到所述至少一个偏压输入，所述至少一个驱动器以可控的方式耦合到所述至少一个共源共栅晶体管中的任一个；
所述至少一个偏压输入；或
禁能电压。
6.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述跨导级包括第一晶体管；
所述共源共栅晶体管包括第二和第三晶体管；以及
所述第一晶体管的源极和漏极、所述第二晶体管的源极和漏极、以及所述第三晶体管的源极和漏极串联在电源电压节点和地之间。
7.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述不同的电源电压包括至少两个不同的电压电平。
8.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于，所述不同的电源电压包括至少四个不同的电压电平。
9.一种由不同的电池电源电压电平供电的射频共源共栅功率放大器的操作方法，其特征在于，包括：
确定电池电源电压；
将电池电源电压与至少一个电压阈值进行比较；
针对指示相对较低电池电压的第一比较结果，施加固定的偏置电压给射频共源共栅功率放大器的共源共栅级的至少一个偏压输入；
针对指示相对较高电池电压的第二比较结果，施加反馈偏置电压给所述射频共源共栅功率放大器的至少一个偏压输入，其中所述反馈偏置电压是基于所述射频共源共栅功率放大器的输出电压的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括基于DC电池电源电压来选择固定偏置电压或反馈偏置电压其中之一。
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