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CN108123685A - 对rf放大器的调节 - Google Patents

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CN108123685A CN201710289912.9A CN201710289912A CN108123685A CN 108123685 A CN108123685 A CN 108123685A CN 201710289912 A CN201710289912 A CN 201710289912A CN 108123685 A CN108123685 A CN 108123685A
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Abstract

本发明涉及对RF放大器的调节，例如，射频放大器(1)的电源和偏置级(4)，该射频放大器的放大级(3)包括至少一个MOS晶体管，该MOS晶体管的控制端子被连接到输入端子(31)，并且该MOS晶体管的第一导电端子被连接到输出端子(36)，其中，所述晶体管的控制端子的偏置电压是受控的，其方式为同时以标称值调节该放大级的电源电压并且以标称值调节该放大级的偏置电流。

Description

对RF放大器的调节
技术领域
本说明书总体上涉及电子电路，并且更具体地涉及对电源的调节以及对射频(RF)放大器的偏置。
背景技术
射频放大器被用于许多应用中以便放大各种数字和模拟信号。具体而言，此类放大器被高频率地用在用于传输无线电信号的应用中。
这些应用中传输频率(现已达到几十千兆赫)的提升以及其在低消耗应用中与COMS或BiCOMS技术集成对这些应用的生产过程产生了新的限制，特别是在偏置和消耗方面。
发明内容
一个实施例提出了一种RF放大器电路，该RF放大器电路完全或部分地克服了偏置和调节方法的缺点。
一个实施例提出了一种适用于在几十千兆赫下运行的高频应用的方案。
因此，一个实施例提供了射频放大器的电源和偏置级，该射频放大器的放大级包括至少一个MOS晶体管，该MOS晶体管的控制端子被连接到输入端子，并且该MOS晶体管的第一导电端子被连接到输出端子，其中所述晶体管的控制端子的偏置电压是受控的，其方式为同时以标称值调节该放大级的电源电压并且以标称值调节该放大级的偏置电流。
根据一个实施例，该电源级包括第一放大器，该放大器用于以参考值调节表示该晶体管的该第一导电端子的电压的信息，该第一放大器的输出端提供该偏置电压。
根据一个实施例，该放大级还包括第二放大器，该第二放大器用于以该参考电流调节表示该第一晶体管的该第一导电端子的电压的信息并且以参考电流调节该偏置电流，该第二放大器的输出端控制供应该偏置电流的电流源(N51)。
根据一个实施例，这些晶体管中的所有或部分是MOS晶体管。
根据一个实施例，这些晶体管中的所有或部分是双极型晶体管。
根据一个实施例，该参考电流是由具有固定值的电流源提供的。
一个实施例提供了一种RF放大器，包括：
放大级；以及
电源和偏置级。
一个实施例提供了一种电子电路，该电子电路集成有至少一个RF放大器。
附图说明
这些特征和优点以及其他将参照附图在以非限定方式给出的具体实施例的以下说明中进行详细说明，其中：
图1是RF放大器集成在其应用环境中的示例的简化方框图；
图2是带有经调节电压和电流的RF放大器的简化方框图；
图3以非常示意性的方式并且以方框的形式示出了RF放大器的放大级的一个实施例；
图4示出了RF放大器的电源和偏置级的实施例的电子电路图；
图5示出了RF放大器的电源和偏置级的另一个实施例的电子电路图；
图6是图5中所示的实施例的一个实际示例的更加具体的电子电路图；
图7以简化的方式并且以方框的形式示出了将电源和偏置级(调节/偏置)应用到差分RF放大器中；并且
图8以简化的方式并且具体而言以方框的形式示出了RF放大器的另一个实施例。
具体实施方式
相同的元件在不同的图中使用相同的标记指示。为清楚起见，仅仅示出了对有待说明实施例的理解有用的元件并且将详细说明。具体而言，RF放大器上游和下游的电路以及其偏置电流没有详细示出，与这些电流兼容的所述实施例通常被连接到RF放大器上。此外，也没有对RF放大器各种可能应用进行详细说明，这里所描述的实施例同样与常规应用是兼容的。在以下说明书中，表述“大致”、“约”、“大约”意味着在10％之内，优选地，在5％之内。
应注意的是，在附图中，不同实施例共用的结构性和/或功能性元件可以具有相同的参考并且可以具有相同结构、大小以及硬件特性。
图1是RF放大器集成在其应用环境中的示例的方框图。
RF放大器1(RF AMP)具有放大射频信号RF输入的功能，其接收射频信号RF输入以便产生射频信号RF输出。
根据应用，该信号RF输入可以来自各种上游源或电路12。如果必要的话，在提供有待被放大的信号的电路12与该放大器1之间插入前置放大器2(PRE AMP)。类似地，根据应用，该信号RF输出旨在用于各种下游功能或电路14。
例如，在射频传输-接收系统(该系统代表被本说明更具体地参考的一种应用)的情况下，上游电路可以是用于生成(整形、调制等)有待被传输信号的电路，并且该RF放大器表示该传输系统的功率放大器，其输出通过天线耦合器被发送到发射天线。一旦接收，该RF放大器表示该接收系统的低噪声放大器(LNA)并且接收来自天线的有待被发送到处理电路(解调、解释等)的信号。
对该RF放大器的电源电压和静态电流的调节影响其性能。
使用电源电压调节器以及施加所选静态电流的偏置参考电路的电路是众所周知的。此类电路受制于电压与电流命令之间的不精确性以及放大器的有效停点。
其他技术目的在于测量放大器的有效静态电流以便对其进行调节。然而，这些技术引入了电压降，这降低了可供用于放大器的电压，并且造成测量元件持续消耗。
放大器的偏置是射频信号良好放大的关键。事实上，该偏置不仅必须精确而且还必须是稳定的。然而，由于其偏置在电路中会产生不同的干扰源，例如晶体管在静态和动态条件下的匹配缺陷、由偏置引入的噪声、电源等等。
本说明书所提及的应用中的附加约束是消耗。事实上，有可能设计各种补偿电路以便解决与偏置相关的问题，但是代价是高消耗。然而，在例如移动电话的应用中，并且目前，消耗的普遍降低是强烈需求。对于现有用于若干千兆赫(例如大约60GHZ或更对)频率的方案，这变得特别重要。
所有这些方案受制于或者关于消耗或者关于在偏置信号上所引入的噪声、或者关于偏置电平准确度及其温度稳定性以及关于电源电压变化的缺点。此外，为了有效，这些方案的使用要求晶体管的面积比，这与当今在消耗方面的要求不一致。
图2是RF放大器的实施例的简化方框图。
该RF放大器1包括具有单独功能的两个电路或级。用于放大自身的电路或级3(AMP级)在端子31上接收信号RF输入，并且在端子36上供应信号RF输出。用于调节电源电压和偏置电流(V调节/I偏置)的电路或级4具有对该放大级进行供电和偏置的功能。这两个级是互连的，电源电压V偏置被供应到级3的端子35上并且电流I偏置被供应到级3的端子38上。
图3以非常示意性的方式并且以方框的形式示出了RF放大器1的放大级3的实施例。
考虑了基于N沟道MOS晶体管的级的示例。然而，更一般地说，将在下文进行描述的一切都适用于放大晶体管的任何结构(例如串联、级联连接的若干晶体管等)。
级3包括输入端子31，该输入端子旨在接收信号RF输入，由阻抗匹配和直流供电网络(MATCH/直流)的中间连接到至少一个MOS晶体管(例如N沟道晶体管)N33的栅极G(控制端子)。该网络32还包括端子35，该端子用于施加由级4(图2)供应的经调节直流电压V偏置。该网络32选择性地将该晶体管N33的源极S(导电端子)直接连接到接地端子37，例如直接在共用源极的情况下。该晶体管N33的漏极D(导电端子)也是通过阻抗匹配和直流供应网络34(匹配/直流)被连接到输出端子36和电源端子37上，该输出端子旨在供应信号RF输出，该电源端子旨在被连接到该级4上。这些网络32和34可以是不同类型并且包括无源元件、传输线、变压器等。
该网络32的功能是供应直流电压到该晶体管N33的栅极G上并且将该放大级的输入阻抗与连接到该端子31上的RF源极的输入阻抗相匹配以便将信号RF输入传输到该栅极上。该网络34的功能是为该晶体管N33供应直流电压并且将该放大级的输出阻抗与连接到该端子36上的负载的输出阻抗相匹配以便传输信号RF输出。
下文中所描述的实施例提供了对放大器停点的调节，也就是说晶体管的漏电流和电压二者。根据彼晶体管电流和漏电压的可能变化，至少在该晶体管N33的栅极电压的直流分量上实施这种调节。这使得有可能维持停点，该停点是稳定的并且独立于该放大器电源电压的可能变化以及其他静态和动态因素，与其他仅仅调节电压的装置相比，并不会引起电压降或附加消耗。
在下文的所有图中，用具有五个端子的方框的形式来代表该放大级3(AMP级)：
输入端子31，用于信号RF输入；
输出端子36，用于信号RF输出；
端子35，用于施加经调节直流偏置电压V偏置；
端子38，用于电源I偏置；以及
端子37，被连接到例如地。
此外，所述实施例使用例如正电源Vdd。然而，更一般地说，这些端子38和37是用于施加该放大级电源电压的端子。
图4示出了RF放大器的电源和偏置级的实施例的电子电路图。
在这种情况下，级4由具有固定值I参考的电流源构成，被插入用于施加直流电源电压Vdd(在集成有该RF放大器的电子电路中可获得)的端子42与该端子38之间。当根据所希望运行特性设计该放大器时，由源41所提供的额定电流I参考的值以及其随温度的变化是固定的，并且独立于该电源电压Vdd的变化。
图4的级4还包括放大器43，用于以参考电压V参考调节该端子38的电压。例如，该端子38被连接到该放大器43的非反相输入端，而该参考电压V参考被施加到其反相输入端。该放大器43的输出端提供栅极偏置电压V偏置，该偏置电压是该偏置电流I偏置的函数。在设计该电路的过程中，根据该RF放大器所希望的额定运行特征，该参考电压V参考的值是固定的。获得对于温度和电源电压的可能变化是稳定的参考电压不会引起任何问题。
实际上，电容器C44将该终端38接地以便对该终端38的电压进行滤波/稳压，该电压作为通过比较器43的测量并且供应该射频放大器、限定由电源Vdd及电流源I参考引入的噪声的影响。此外，电容器C45将该比较器43的输出端连接到地以便对此输出端进行滤波/稳压。该电容器C45显著地使得可以通过将这个噪声过滤到地减小由该放大器43在该偏置电压V偏置上引入的噪声。因此，射频运行不会被干扰。
此外，关于对该放大晶体管(N33，图3)栅极的偏置，所描述的方案相对于栅极电压是通过作为二极管连接以便在栅极与地之间获得电流镜的晶体管来固定的方案的优点在于，避免了由于晶体管之间的不匹配而造成的静态误差。
图5示出了用于RF放大器电源和偏置的级4的另一个实施例的电子电路图。
在这种情况下，偏置电流源由P沟道MOS晶体管P51形成，P沟道MOS晶体管连接在端子42与38之间、并且受控于放大器56，该放大器调节晶体管P51的来自参考支路的电压。这个参考支路包括，串联在该端子42与地之间的P沟道晶体管P57以及具有固定值I参考的电流源58。晶体管P57与电流源58之间的中间点59被连接到该晶体管56的输入端(例如非反相)，其反相输入端接收参考电压V参考。放大器56的输出端连接至晶体管P51和P57的栅极。放大器P57小于(l)该晶体管P51(m)。优选地，采用若干个并联晶体管的形式来生产晶体管P51，每个晶体管与晶体管P57一样大，以便获得对这些晶体管良好的匹配。这些晶体管P51和P57进而由已知的倍增因数m来匹配。事实上，晶体管P57用于复制同一性质(如晶体管P51所经历的那些)的可能变化，以便允许实现对晶体管P51所提供的电流I偏置进行调整，这因此是电流I参考的已知倍数。因此，在由对电流I偏置的调节所引起的消耗方面的附加成本被最小化。
偏置电压(V偏置)由放大器53来提供，该放大器的多个输入端(例如分别是非反相和反相)被连接到这些端子38和59上。放大器53的输出端连接至晶体管N33的栅极。换言之，放大器53调节该电压V偏置，其方式为使得以电压V参考的值来调节端子38的电压(晶体管N33的漏极电压)。电容器C44和C45(未示出)也是优选提供的。
在设计该电路的过程中，根据该RF放大器所希望的额定运行特征，参考电压V参考的值是固定的。与如在图4中所示出的实施例相比，要注意的是电流源58在接地侧上，这有利于其生产。
所述实施例的一个优点在于该晶体管N33自身参与对偏置电流和电压的调节。与通常方法相比，这减少了这种调节的消耗。此外，这减少了由这种调节所引起的干扰。
所述实施例的另一个优点在于通常同时提供由电源电压调节器(LDO)及由偏置电路(固定电压V偏置)所实施的功能而无需附加消耗并且具有更好的静态电流准确度。
图6是图5中所示的实施例的实际应用的更加具体的电子电路图。
包括晶体管P51的分路与图5中所示出的那个分路完全相同。
根据本实施例，在电源和偏置级4中提供了四个与包含该晶体管N51的分路并联的晶体管分路，以便实施反馈放大器53和56的功能。这四个分路分别包括，串联于端子42与地之间的：
两个P沟道MOS晶体管P63和P64以及一个N沟道MOS晶体管N63；
两个P沟道MOS晶体管P61和P62以及一个N-沟道MOS晶体管N61，该晶体管N61的栅极和漏极是互连的；
两个P沟道MOS晶体管P65和P66以及一个N-沟道MOS晶体管N65，该晶体管P66的栅极和漏极是互连的；
两个P沟道MOS晶体管P67和P68以及该固定电流I参考源58。
这些晶体管P62、P64、P66和P68连接在一起，并且因此连接到该晶体管N65的漏极。这些晶体管P51、P61、P63、P65和P67连接到该晶体管P68与该电流源58之间的节点上。这些晶体管N61和N65的栅极一起连接到该晶体管N63的栅极上。这些晶体管P51和P63的漏极互连。这些晶体管N63和N64的共同漏极供应电压V偏置并且通过电容器C69被连接到该节点38上。电压V参考被供应到这些晶体管P65与P66之间的共同节点上(晶体管P65的漏极以及晶体管P66的源极)。
在同一线路上所示出的晶体管相匹配，晶体管P51具有相对这些晶体管P67、P65、P61、P63乘以整数因子m的大小以便产生电流I偏置＝m*I参考。由图5中所示的放大器53所施加的功能由共用选通晶体管P64来提供，该晶体管根据该端子38上呈现的电势来调节电压V偏置。这稳定在电压V参考上，因为这些晶体管P64、P62、P66和P68共用的栅极电势是由该晶体管P66所产生的，该晶体管的源极处于电压V参考并且漏极-源电流与该晶体管P64的源电流相同，由于相匹配的这些晶体管N65和N63。当达到这个平衡条件时，环绕该晶体管P51的这些电势等于这些晶体管P61、P63、P65和P67源极的那些电势，流经该晶体管P51的电流是I偏置＝m*I参考，该电流进而被施加到该RF放大器上。
包括这些晶体管P67和P68的支路用于复制该参考电流I参考并且因此实现图5示出的放大器56和晶体管P57的功能。
图6示出的实施例的一个优点一方面在于其使得所有的漏极压降相等并且另一方面在于其使得这四个支路的晶体管的栅极-源极电压相等。因此，即使利用可用于该晶体管P51的一个低电压降，可以消除静态电流之间的系统性匹配误差，这最大化用于该RF放大器的电压并且最小化在该晶体管P51中所消耗的电能。
图7以简化的方式并且以方框的形式示出了将电源和偏置级4(调节/偏置)应用到差分RF放大器中。
与之前的实施例相比，放大级3包括用于接收有待被放大的差分信号的两个输入端RF输入+和RF输入-以及提供放大了的差分信号的两个输出端RF输出+和RF输出-。图7中示出的电路的功能是从前面图中的电路推导而得出的。
图8示以简化的方式并且具体而言以方框的形式出了RF放大器的另一个实施例。
本实施例利用了A类RF前置放大器3A在AB类RF放大器3AB上游的存在。
该有待被放大的信号RF输入被施加到该放大器或前置放大器3A上，该放大器或前置放大器的RF输出端被连接到该放大器3AB的RF输入端，该放大器的输出端提供该信号RF输出。
关于电源和偏置，电压V偏置和电流I偏置被供应到该前置放大器3A上，而仅仅该电压V偏置被供应到该放大器3AB上，该放大器此外由电压VDD2来供电。图8中示出的电路的功能是从前面图中的功能推导而得出的。
上述实施例的一个优点在于其提供了产生甚高频RF放大器的可靠方法，该RF放大器是稳定的并且独立于温度及电压变化，并且该RF放大器还提供了不会被干扰的偏置电平。
所述实施例的另一个优点在于相对于现有方法该偏置级的消耗被降低了。
各种实施例和变体已经被描述。可以将这些变体和实施例进行组合。各种变体、修改对本领域技术人员是显而易见的。具体而言，实施例的选择以及这些部件的尺寸取决于应用以及在该电路中可获得的附加电路，在该电路中该RF放大器是集成的。此外，尽管以上说明书参考采用MOS晶体管形式的实施例，所述实施例转换成基于双极晶体管或MOS和双极晶体管的实施例毫无困难。此外，基于上文给出的功能指示，已经描述的实施例的实际实施方案在本领域技术人员的能力内。

Claims (8)

1.一种射频放大器(1)的电源和偏置级(4)，所述射频放大器的放大级(3)包括至少一个MOS晶体管(N33)，所述MOS晶体管的控制端子被连接到输入端子(31)，并且所述MOS晶体管的第一导电端子(D)被连接到输出端子(36)，其中，所述晶体管的所述控制端子的偏置电压(V偏置)是受控的，其方式为同时以标称值(V参考)调节所述放大级的所述电源电压并且以标称值调节所述放大级的偏置电流(I偏置)。
2.根据权利要求1所述的级，包括第一放大器(43，53)，所述第一放大器用于以参考值(V参考)调节表示所述晶体管(N33)的所述第一导电端子的电压的信息，所述第一放大器的输出端提供所述偏置电压(V偏置)。
3.根据权利要求1或2所述的级，还包括第二放大器(56)，所述第二放大器用于以所述参考值(V参考)调节表示所述晶体管(N33)的所述第一导电端子的电压的信息并且以参考电流来调节所述偏置电流(I偏置)，所述第二放大器的输出端控制供应所述偏置电流的电流源(P51)。
4.根据权利要求3所述的放大器，其特征在于所述参考电流是由具有固定值的电流源(41，58)提供的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的级，其特征在于所述晶体管中的所有或部分晶体管是MOS晶体管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的级，其特征在于所述晶体管中的所有或部分晶体管是双极晶体管。
7.一种RF放大器包括：
放大级(3)；以及
根据权利要求1至6中任一项所述的电源和偏置级。
8.一种电子电路，所述电子电路集成有至少一个根据权利要求7所述的放大器。
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