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CN1144427A - 高频放大器、发射装置和接收装置 - Google Patents

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Abstract

用以放大射频信号的放大器，包括多个有源元件组，每一个都包括一个或多个有源元件来对信号进行放大，所说的一个或多个有源元件的输入端被组合构成单一的输入端，而所说的一个或多个有源文件的输出端被组合构成单一的输出端；通过把高频放大器的FET组的每一个的偏置电压在一个工作电压和一个截止电压之间的单独地切换，其用于控制多个有源元件组的偏置状态的偏置控制装置。

Description

高频放大器、发射装置和接收装置
本发明涉及发射器装置、接收器装置及采用这些装置的高频放大器。尤其是涉及适于执行发射控制的发射器装置或改变接收功率电平的接收装置。
图1示出了用于无线通信端的接收系统和发射系统的典型框图结构。其接收系统构成如下。
由天线61接收的电磁波在被转换成高频信号之后，由收发机62送到接收机放大器63。由接收机放大器63放大的高频信号在混频器64与来自本振65的本振频率相混频形成中频信号。该中频信号的增益由中频可变增益放大器66控制。具体而言，中频可变增益放大器66的输出电平由耦合器68a检测，AGC控制器68响应该被测电平而可变地控制该可变增益放大器66的中频增益，以便可针对中频可变增益放大器66执行AGC(自动增益控制)操作。
从中频可变增益放大器66的输出电平中，AGC控制器68产生已收信号的强度信息S1。
中频可变增益放大器66的输出由解调器67解调，给出一个基带信号。该基带信号再送到一个基带信号处理器69，驱动一个扬声器69a以便音频输出。
发送系统的构成如下，音频信号首先由一个话筒69b转换成电信号。该输出信号再送到基带信号处理器69。
来自基带信号处理器69的发送基带信号在调制器71被调制并在中频可变增益放大器72以一个预定的增益被放大。然后在混凝器73将该信号与一个本振65的本振频率相混频，以给出一个高频信号(无线频率信号)，并在一个无线频率可变增益放大器74被放大。该信号然后在发送功率放大器75放大，从发送接收机62送到天线61发送。
发送系统的构成是要使发送功率的控制是根据已收信号的强度电平信息S1进行，或是根据来自一个远端站，例如常用的基站的一个指令信号S2进行。
例如，包括在接收信号中的一个指令信号S2在经基带信号处理器69的解调后送到控制器70、该控制器70再根据指令信号S2将一个指令送到发送强度控制器76。根据来自控制器70的指令，发送强度控制器76产生发送强度控制信息S3，并将其送到中频可变增益放大器72和无线频率可变增益放大器74。然后再根据发送功率控制信息S3在中频可变增益放大器72和无线频率可变增益放大器74设置放大操作的增益。
而且，这些构成也适用于这样的场合，即，其中的发送功率控制信息S3是根据来自AGC控制器68的接收信号强度电平S1产生，并再送到中频可变增益放大器72和无线频率可变增益放大器74。
在发送方利用这些装置进行发送强度控制的情形是共同的。
到达接收机放大器63的输入信号的电平是根据发送信号的远端站的距离以及远站发送信号电平而在接收系统中改变的。因此，前述的AGC控制可被用来提供一个与在已收信号电平中的起落相兼容的程度信号。
然而，在执行发送功率控制的情况中，考虑到紧随无线频率可变增益放大器74之后的发送功率放大器75一级的输入和输出的情况，所存在的问题是出现有不必要的电能消耗。与之相似，响应接收信号电平强度中的改变的接收放大器63的操作是低效的。这一点将以发送功率放大器75为例予以描述。
发送功率放大器75的输出功率Pout和针对输入功率pin的功率附加效率PAE的特性曲线的一个例子在图2中示出。
从该曲线可以看出，随着输入功率Pin的增加，输出功率Pout和功率附加效率PAE也增加。
考虑由于发送功率控制使得发送功率放大器75的输入功率pin被降低的情况，如图所见，该功率附加效率PAE被迅速降低。例如，当输出是10mw时，输出附加效率大约是1％。即为10dBm且总的功率消耗是1W。有990mw的功率是热耗，同时还大的空间以改善实现低的功耗。
响应发送功率控制信息S3来控制加到发送功率放大器75的偏压或电流的技术在如日本待公开专利平成1-314431和平成6-93631中公开作为在低输出功率之时用于发送功率放大器75的高效率的方法。
这些相关的偏置控制方法将在下文描述。
一个例子在图3中给出，其中通过利用发送功率控制信息S3来控制发送功率放大器75的栅极偏置来改善低发送输出之时的效率，同时根据发送功率控制信息S3控制中频可变增益放大器72和无线频率可变增益放大器74的增益。
以本例的发送功率放大器75为例，在由第二级放大器的FET82进一步放大及经过匹配电路80b之前，输入功率pin经过匹配网络80a在第一级放大器的FET81被放大。信号再经过匹配电路80C作为输出功率pout输出。
栅压Vg1和Vg2经过栅极电阻Rg1和Rg2送到FET81和FET82的栅极。漏极电压Vd1和Vd2送到FET81和FET82的漏极，且漏极电流Id1和Id2流经扼流圈Ld1和Ld2。FET81和FET82的源极接地。
栅极电压Vg1和Vg2由栅偏控制电路83所产生。栅偏控制电路83根据发送功率控制信息S3设置了用于栅压Vg1和Vg2的值。
在本例中，可以通过把跨在栅极和源极间的电压Vgs从Vg-on变到Vg-on1来降低漏极电流Id，如图4中所示的栅源电压Vgs与漏极电流Id的关系曲线所示。
在此考虑了这样的情形，即根据发送功率控制信息S3对中频可变增益放大器72和无线频率可变增益放大器74的增益进行控制，且输入功率pin输入到发送功率放大器75为一小值，即考虑了低功率期间的情况。通过使发送功率放大器75的栅极电压Vg从Vg-on到Vg-on1的变化，而出现漏极电流Id下降，能改善在这种低功率输出期内的效率，这里由于既使漏极电流Id下降的话也能获得所希望的输出。
象能够在图4所理解到的那样，在此情况中，当栅源间电压Vgs和Vg-on降到Vg-on1时，增益被降低且失真特性属次要，因为栅源间电压Vgs与漏极电流Id间的特性曲线不是理想的直线特性。因此，考虑到被允许的增益降部分和失真特性劣变部分，电压从Vgon到Vg-on1的下降宽度，即该值不得已被取作Vg-on，并设置在实际中使用，使得减少宽度(图4的栅压控制范围不能取得太大。在低发送输出期间的漏极电流Id因此也不能取得太低，所以其可实现的效率只能是低的。
图5中示出了另一个例子。在本例中，发送功率放大器75的结构几乎与图2一样。但栅压Vg1和Vg2的值取作固定，且漏极电压Vd1和Vd2由漏极偏置控制电路84所产生。漏极偏置控制电路84根据发送功率控制信息S3设置作为漏极电压Vd1和Vd2的电压值。
在此情形中，通过降低漏极电压Vd1和Vd2，使得漏极电流被降低，且在低发送功率输出期内实现了低功耗。
即如图6的栅/源电压VgS和漏极电流Id的曲线所示，漏极电流随着漏极电压Vd从VdS-hVds-1而从Ids-on降到Ids-on1。
但是此情形中的方法的实际变化范围也有限，这是由于增益的下降及失真特性的劣变，并且只能实现效率上的小的改进(导致低功率耗)。尤其是最近几年，出现了随着针对漏极电压Vds被降低的趋势而使漏极偏压的可变范围相应变小。
而且，还有一种方法是把图5和图3的例子相结合。很自然，仍不能实现所获效率的明显改善。
这些相关的实例如图中所示都有单支FET元件，如图3和图5的FET81和82。然而，在现实中，象FET81和82等等都被接成具有高输出FET，如图7所示，成为有多个FET单元(FET-1，FET-2……FET-n)的并联连接。
这些FET单元的这种构造当从上方看下去时如图8所示。
来自图7的匹配电路80a的信号被输入到图8中形成为上层金属栅极线GC。而且，经过包括栅极电阻Rg的一部分将栅极电压Vg加到栅极线GC。从栅极线GC伸出了8个栅极电报G1至G8。
而且，漏D1-D4形成为较低层的金属层，D1-D4这些漏极都被接到一条漏极线Dc，出现于上层金属层。漏极线Dc是FET81的输出线。
而且，源极S1至S5形成为较低层的金属层，且所有的这些源极都接到源极线Sc，出现于上层金属层，源极线Sc再被接到地。
此情况中，漏极和源极被定位在栅极G1至G8的每一个的两侧。以此方式，8个FET单元(FET-1、FET-2……FET-8被形成。
当本发明用于解决上述问题时，其目的是提供一个高频放大器、发射装置和接收装置，它比较简单且能实现非常低的功耗。
为实现本发明的上述目的，用于放大射频信号的一个射频放大器包括多个有源元件组，每一组都包括用于放大信号的一个或多个有源元件，这一个或多个有源元件的输入端被组合在一起而形成单一的输入端，而这一个或多个有源元件的输出端被组合在一起形成单一的输出端；以及一个偏置控制器，用于控制这多个有源元件组的偏置条件。
而且，根据本发明，用于发送射频电波的发射器包括有一个基带信号处理器，用于处理基带信号，一个调制器，用于利用基带信号调制一个预定信号；以及一个功率放大器，用于放大射频信号，它包括多个有源元件组，每一组包括用于放大信号器一个或多个FET，这一个或多个FET的输入端被组合成一个单一输入端，且这一个或多个FET的输出端被组合成一个单一输出端，以及一个用于对多个有源元件组的FET的栅极编置或漏极电压进行控制的偏置控制器。
而且，根据本发明，用于接收射频波的接收机包括一个用于对已收射频波信号进行放大的一个射频放大器，该放大器包括：多个有源元件组，每一组包括一个或多个用于放大信号的FET，这一个或多个FET的输入端被组合形成一个单一的信号输入端而这一个或多个FET的输出端被组合形成一个单一的信号输出端，并有控制这多个有源元件组的FET的栅极偏置和漏极电压的偏置控制器；一个用于解调射频放大器输出信号的解调器；以及用于处理解调器输出信号的基带信号处理器。
而且，根据本发明的用于发送和接收无线电波的收发机，它包括一个发送部分，包括一个基带信号处理器，用于处理基带信号，一个调制器，用于利用基带信号调制一个预定信号；以及一个功率放大器，用于放大射频信号，它包括多个有源元件组，每一组包括用于放大信号的一个或多个FET，这一个或多个FET的输入端被组合成一个单一的输入端，且这一个或多个FET的输出端被组合成单一的输出端；以及一个用于对多个有源元件组的FET的栅极偏置或漏极电压进行控制的偏置控制器；以及
一个接收部分，包括多个有源元件组，每一组包括一个或多个用于放大信号的FET，这一个或多个FET的输入端被组合一个单一的信号输入端而这一个或多个FET的输出端被组合形成一个单一的信号输出端，并有一个控制这多个有源元件组的FET的栅极偏置和漏极电压的偏置控制器；一个用于解调射频放大器输出信号的解调器；以及用于处理解调器输出信号的基带信号处理器。
而且，根据本发明的控制无线频率放大器的状态的方法包括有将导通或截止信号发送到多个偏置控制线的指令发送步骤，以及根据二进制表示法形成的该导通和截止信号提供这些FET的电流的电流提供步骤。
图1是发送和接收装置的方框图；
图2是相关发送功率放大器输入特性示意图；
图3是相关发送功率放大器的示意图；
图4是出现在相关发送功放中栅压控制工作的示意图；
图5是相关发送功率放大器；
图6是出现相关发送功放中漏压控制工作的示意图；
图7是相关发送功放的FET结构示意图；和
图8是相关发送功放的FET结构示意图；
图9是本发明一个实施例的发送和接收装置的框图；
图10是本发明另一实施例的发送和接收装置的框图；
图11是本发明第一实施例的高频放大器的示意图；
图12是实施例中的高频放大器中的FET组的结构图；
图13是在本发明第二实施例的高频放大器的示意图；
图14是本发明第三实施例的高频放大器的示意图；
图15是本发明第四实施例的高频放大器的示意图；
图16是本发明第五实施例的高频放大器的示意图；
图17A、17B和17C是表示其中的FET组是以相同数目的FET构成的实施例的情况；
图18A和18B是表示其中的FET组是以不同数目的FET构成的实施例的情况；
图19是可控级，其中实施例的每一个FET组是以相同FET数目构成的情况；
图20A和20B示出用于这些实施例的FET的结构；
图21是用于这些实施例的FET的另外的结构；
图22是用于这些实施例的一个开关的结构；
图23是用于这些实施例的一个开关的结构；
图24是说明这些实施例的效率结果的示意图。
第一实施例：
1.本实施例发收信机的示范结构。
图9是本实施例的结构框图。其接收系统构成如下：
由天线1接线的电磁波经收发机2送到接收放大器3。由接收放大器3放大的高频信号利用来自本振5的本振频率在混频器4中变成中频信号。该中频信号的增益受控于中频可变增益放大器6，具体地说，中频可变增益放大器6的输出电平由耦合器8a检测，响应该检测电平，AGC控制器8对中频可变增益放大器6的增益作可变控制，以使AGC操作针对中频可变增益放大器6执行。
以中频可变增益放大器6的输出电平AGC控制器8产生已收的信号强度信息S1。
中频可变增益放大器6的输出由调制器7所调制，以给出基带信号。该基带信号再送到基带信号处理器9，并以音频信号的形式送入扬声器9a。
发送系统的构成如下。音频信号由话筒9b转换成电信号并送到基带信号处理器9。从基带信号处理器9输出的发送基带信号在调制器11调制并随之在中频可变增益放大器12以预定的增益放大。随后该信号在限频器13与来自本振5的本振频率混频以给出高频信号(无线频率信号)，并在无线频率可变增益放大器14放大。该信号随即以发送功率放大器1S放大，从收发机2送到天线1，并作为电磁波发送。
接收系统的构成方式是使发送功率的控制是根据来自远端站，例如基站的已收信号强度电平信息S1或指令信号S2来执行。就是说，在基带信号处理器9被解码之后，包括在已收信号内的指令信号S2被送到控制器10。根据指令信号S2，控制器10将指令送到发送功率控制器16。根据来自控制器10的指令，发送功率控制器16产生，发送功率控制信息S3，并将其提供给中频可变增益放大器12和无线频率可变增益放大器14。随即根据发送功率控制信息S3在中频可变增益放大器12，无线频率可变增益放大器14设置放大操作的增益。
发送功率控制器16的构造方式还可以是利用来自AGC控制器8的已收信号强度电平信息S1产生发送功率控制信息S3并送到中频可增益放大器12和无线频率可变增益放大器14。
与本实施例的收发器处，提供有进行发送功率放大器15的偏置控制的一个偏置控制器17。该偏置控制器17的构成或是用于控制在发送功率放大器15中的FET的栅极偏置电路部分(栅偏控制器17G)，或是用于控制FET漏极偏置的电路部分(漏偏控制器17D)。
发送功率控制信息S3提供给偏置控制器17，响应该发送功率控制信号S3，偏置控制器17设置发送功率放大器15的偏置。
在低功率输出之时，由于响应发送功率控制信息S3而使偏置控制器17执行发送功率放大器15的偏置控制，故本实施例的消耗很小的功率。
输入到接收放大器3的信号电平随着发送信号的远端站的距离及远端站发送信号的电平而改变。可是，当已收信号强度电平和输入到接收放大器3的信号电平低到不出现浪费的功耗时，偏置控制器18就被提供给接收放大器3用于执行偏置控制。偏置控制器18的构成或是由一个在接收放大器3中用于控制FET的栅偏置的电路部分(栅极偏置控制器18G)或是用于控制FET漏极偏置的控制电路部分(漏极偏置控制器18D)。
已收信号强度电平信息S1提供给偏置控制器18，响应该已收信号强度电平信息S1，设置接收放大器3的偏置。
偏置控制器18和接收放大器3构成了本实施例的高频放大器，在下将对此详述。2.本实施例的收发机的实例结构(2)
图10示出本实施例的收发机的另一实例结构。
此时的提供控制信息到偏置控制器17的信源不同于图9，其余部分与图9相同。
就是说耦合器19a和控制器19是用来检测发送功率放大器15的输出电平。
由检测器19检测的信号电平被送到基极控制器17，响应该信号电平信息，该基极控制器则设置发送功率放大器15的偏置。3.作为本实施例的高频放大器的发送功率放大器的示例结构(1)
下面是一个实施例的描述，其中的高频放大器由图9的偏置控制器17和发送功率放大器15构成。在下面给出的描述中，其中的每个实施例都可以到图9所示的发送和接收装置，无用多言，其自然就可应用于图10的发送及接收装置。
示于图11的是高频放大器的结构。它是由栅偏置控制器17G和发送功率放大器15构成。
在高频放大器中的发送功率放大器15包括匹配电路20a和20b、FET组#1和#2、DC截止电容器C#1和C#2、栅极电阻Rg#1和Rg#2以及高频扼流圈Ld。
在该发送功率放大器，输入功率pin经过匹配电路20a和20b在FET组#1和#2中放大，并经匹配电路20b作为输出功率pout输出。
EFT组#1和#2由多个FET单元构成。例如图12示出的一个例子中，FET组#1和#2的每一个由四个FET单元构成(FET-1-FET4)。
如图12中可见，在FET组#1和#2中的FET单元(FET1-FET4)的每一个的栅极连接在一起，漏极也一样被连接在一起，而源极被接地。
如从图11和图12可见，FET组#1和#2的栅极通过隔直电容器C#1和C#2与直流(DC)相分离，但与高频相接。
而且，栅极电阻Rg1和Rg#2接到FET组#1和#2的各自的栅极，以便就偏置提供一方(栅偏置控制器17G)而言获得高频绝缘。栅极电阻Rg#1和Rg#2可以由高频扼流圈所代替或等效于高扼圈的短截线(short stub)所取代。
另一方面，FET组#1和FET组#2的漏极被连接，通过施加恒定的漏极电压Vd，则可经过高频扼流圈获得漏电流Idman。
漏极电流Idmax指示当工作栅极电压加到FET组#1和FET组#2时获得的电流量。
用于FET组#1和FET组#2的栅极电压Vg#1和Vg#2由栅偏置控制器17G提供。
通过例如采用电阻r1和r2实现的电阻分压，在栅极偏置控制器17G处获得了工作栅压Vgon和栅极载止电压Vg-off，该Vg-off小于夹断电压Vp。
经过栅极电阻Rg#1，工作栅极电压Vg-on送到FET组#1作为栅极电压Vg#1。
工作栅极电压Vg-on和截止栅极电压Vg-off被送到单极双路开关21的每一端。开关21接到栅极电阻Rg#2。在开关21所选的电压送到FET组#2作为栅极电压Vg#2。
开关21是由发送功率控制信息S3作转换的。就是说，当发送功率是处在高的发送输出状态时，在开关21选择工作栅极电压Vg-on，该电压被取作FET组#2的栅极电压Vg#2。但是，在低发送输出状态中，在开关21处选择了截止栅压Vg-off，以此电压作为FET组#2的栅极电压Vg#2。
利用这种高频放大器，当由发送功率控制信息S3把发送功率设置成高值时，即中频可变增益放大器12和无线可变增益放大器14的增益被设置成高值且输入到发送功率放大器15的功率pin被设置成高值时，则根据发送功率控制信息S3将开关21被切换到工作栅压Vg-on-侧。
FET组#1和#2的每一个共同起到一个放大操作部件的作用，使得放大器电路具有高电平输出的能力。
另一方面，当发送功率被由发送功率控制信息S3设置为低值时，即当中频可变增益放大器12和无线频率可变增益放大器14(图9)的增益被设置成低值，且输入到发送功率放大器15的功率pin是低值时(例如少于一半)，则根据发送功率控制信息S3将开关变换到截止栅极电压Vg-off。
结果是，FET组#2的栅极电压Vg#2＝截止栅极电压Vg-off。因此，截止栅压Vg-off是一个小于图4所示夹断电压Vp的电压值，即在此情形中，FET组#2一方的漏极电流Ids#2变成零，而FET组#2进入其截止态。
就是说，此时只有漏极电流Ids#1在作为全部的漏极电流在流通，因为只有FET组#1在工作，即，漏极电流量是在FET组#2接通时的电流量的一半。
从FET组#1获得了所要求的输出，而不考虑当输入功率pin是低值而使漏极电流已变成了一半的情况。而且，由于在FET组#1处的正常的工作并没改变，因而保持了充分的失真特性。因此，放大器的效率加倍并可实现相当低的功耗。第二实施例4.作为该实施例的高频放大器的发送功率放大器的实例结构(2)
接下来利用图13描述高频放大器的第二实施例，它包括偏置控制器12和图9发送功率放大器15。
该高频放大器是由栅极偏置控制器17G和发送功率放大器15。
该高频放大器的发送功率放大器15包括匹配电路20a和20b、FET组#1、#2……#N，隔直电容C#1、C#2……C#N，栅极电阻Rg#1、Rg#2…Rg#N以及高频扼流圈Ld。
在该发送功率放大器15，输入功率经过匹配电路20a而后在FET组#1、#2……#N中放大，经匹配电路20b输出为输出功率pout。
就是说，在本实施例中，多个FET元件被分成了N个FET组件#1、#2……#N。
FET组#1、#2……#N的栅极的每一个都通过分别的隔直电容C#1、C#2……C#N与直流隔绝，但与分别的高频相连接。
而且，栅极电阻Rg#1、Rg#2……Rg#N接到FET组#1、#2……#N的栅极的每一个，以便对于偏置提供一侧(栅偏置控制器17G)的高频绝缘。
另一方面，FET组#1、#2……#N的漏电极被连接。通过施加固定的漏电压Vd获得经过高频扼流圈的漏电流Idmax。
在此情形中，认为构成这些FET组#1、#2……#N的每一个的FET单元数是一样的，则流经FET组#1、#2……#N的漏电流量就变为Idmax/N。
用于FET组#1、#2……#N的每一个的栅极电压Vg#1至Vg#N是经过栅偏置控制器17G提供的。
工作栅极电压Vg-on和小于夹断电压Vp的截止栅极电压Vg-off是在栅极偏置控制器17G获得，并经电阻Rg#4将工作栅极电压Vg-on送到FET#1作为栅压Vg#1。
另一方面，工作栅极电压Vg-on和截止栅极电压Vg-off送到单极两级开关22-2到22-N，将开关22-2到22-N接到分别的FET组#2到#N的分别的栅极电阻Rg#2到Rg#N，即，以分别的开关22-2到22-N选取的电压被作为栅极电压Vg#2到Vg#N提供给FEN组#2到#N。
开关22-2到22-N的每一个都可响应发送功率控制信息S3的不同内容的值而由切换控制器24单独地切换。这就是说，在本实施例中，提供工作栅极电压Vg-on的FET组可以在从只有一个FET组#1到全部的FET组#1到#N的N个级中改变。
利用这种高频放大器，当由发送功率控制信息S3把发送功率设置为最大时，开关22-2到22-N的全部都被切换到工作栅电压Vg-on一侧，所有的FET组#1到#N都处在工作模式，且放大器有高电平输出。
当由于发送功率控制信息S3的原因使发送功率被降低的时候，开关22-2到22-N的预定数目被切换到截止电压Vg-off一侧，伴以对电路级的降低并且只是其栅极电压是截止栅极电压Vg-off的FET组是通的。当发送功率被置为最小值时，根据该时发送功率控制信息S3的FET组是通的。当发送功率被置为最小值时，开关22-2到22-N的全部都被切换到截止栅压Vg-off一侧，并且只有FET组#1是在工作。
这就是说，在本实施例中，漏极电流的量可响应发送功率电平而被控制成从最大的量值Idmax到最小的量值Idamx/N这样N个等级，并且漏极电流的量最终是响应发送功率电平而受控。
因而是对该放大器而言，能有更好的效率和功耗效果。第三实施例：5.本实施例的作为高频放大器的发送功率放大器的示例结构(3)
下面来结合图14对包括图9所示的偏置控制器17和发送功率放大器15的高频放大器的第三实施例作描述。
高频放大器是由漏极偏置控制器17D和发送功率放大器15构成。
本实施例中，N个FET组#1至#N以与图13所示相同方式组成。但与图13实施例差异不同在于FET组#1至#N的每一个的漏极电压Vd#1至Vd#N由漏极偏置控制器17D控制。
该高频放大器的发送功率放大器15包括匹配电路20a和20b、FET组#1、#2……#N，DC隔离电容C#1、C#2……C#N及栅极电阻Rg。
FET组#1、#2……#N的每一个的栅极被连接，并经过栅极电阻Rg将一固定的栅极电压Vg(工作栅压Vg-on)加至其上。
FET组#1、#2……#N的每一个的漏极都经过隔直电容C#1、C#2……C#N与DC隔离。
通过加漏极电压Vd#1至Vd#N到这些漏极的每一个，而使Idmax/N的漏极电流流过。
用于FET组#1至#N的每一个的漏极电压Vd#1至Vd#N是由漏极偏置控制器17D提供的。
在漏极偏置控制器17D处获得工作漏极电压Vd-on和OV(Vd-off)，且将工作漏极电压Vd-on提供给FET组#1，作为漏极电压Vd#1。
另一方面，工作漏极电压Vg-on和OV电压被提供到单极、双路开关25-2到25-N的接端的每一个，利用开关25-2到25-N经过高频扼流圈Ld#2到Ld#N而被接到FET组#2至#N的各自的电极的每一个。就是说，无论是工作漏极电压Vg-on还是OV电压作为已选电压出现在分别的开关25-2至25-N的每一个处，都被提供给FET组#2到#N作为漏极电压Vd#2至Vd#N。
高频扼流圈Ld#2到Ld#N用于提供对高频信号的断路，使之不能经漏极流入直流偏置电路。因而这些扼流圈可以由集总恒定元件具有足够高阻抗的四分之一波长高阻线所替代。
开关25-2至25-N的每一个都可响应发送功率控制信息S3的不同内容的值而单独地由控制器27所切换。这就是说，本实施例中的提供工作栅极电压Vg-on的那些FET组可在从只有FET组#1到FET组#1到#N的全部的N个等级中改变。
而且，提供有工作漏极电压Vd-on的属于FET组#2至#N的那些FET组是处在工作态下，而漏极电流变成Idmax/N。另一方面，被提供以OV电压的那些FET组不工作，其漏极电流是零。
利用此种高频放大器，当由发送功率控制信息S3将发送功率被置到最大值时，开关25-2至25-N的全部都被切换到工作漏电压Vd-on一侧，所有的FET组#1至#N都进入工作态而放大器能输出最高电平。
当由于发送功率控制信息S3使发送功率被降低时，开关25-2至25-N的预定数目被切换到OV电压一侧，以便伴随对等级的降低，并且其漏极电压Vd是OV的预定数目的FET组被截止。
当发送功率被设置为最小值时，根据发送功率控制信息S3的值将开关25-Z到25-N都切换到OV侧，只有FET组#1是处于工作。
这就是说，本实施例中的漏电流的量可响应发送功率电平被控制为最大量Idmax到最小量Idmax/N的N个级别，并使得漏极电流的量最终是响应发送功率电平而受控。
因而可更好的效率结果及放大器的低功耗的效果。6.作为本实施例高频放大器的一个接收放大器的构成实例(1)。
包括接收放大器3和偏置控制器18的高频放大器的实施例将参照图15作描述。
该高频放大器包括栅极偏置控制器18G和接收放大器3。
该高频放大器的接收放大器3包括匹配电路30a和30b、FET组#1、#2……#N，隔直电容C#1、C#2……C#N，栅极电阻Rg#1、Rg#2……Rg#N以及高频扼流圈Ld。
FET组#1、#2……#N的每一个都由隔直电容C#1、C#2……C#N隔离并与高频信号相连接。这些分别的FET组#1、#2……#N的栅极由栅极电阻Rg#1、Rg#2……Rg#N相接。
而且，FET组#1、#2……#N的漏电极被连接并经过高频扼流圈加以固定的漏极电压Vd。
就是说，接收放大器3的构成与上面讨论的发送功率放大器15的构成是相似的。
FET组#1至#N的每一个的栅极电压是由栅极偏置控制器18G所提供，该偏置控制器18G的构成方式与图13中的栅极偏置控制器17G相似，即该FET组#2至#N的栅极电压Vg#2至Vg#N被控制成工作栅极电压Vg-on或低于电压Vp的夹断电压的截止栅极电压Vg-off之一，利用开关控制器33对接到FET组#2至#N的栅极电阻Rg#2至Rg#N的开关31-2至31-N分别进行切换以此方式，FET组#2至#N的每一个可被设置成工作态和非工作态。
此情形中，响应已收信号强度电平信息S1的值，开关控制器33执行对开关31-2至31-N的每一个的转换设置。
根据已收信号强度电平信息S1，通过开关31-2至31-N的每一个的切换条件的设置，提供工作栅极电压Vg-on的FET组可以从只有FET组#1到全部FET组#1至#N的N个级别中改变。
利用该高频放大器，漏极电流量可响应已收信号强度在最大为Idmax到最小为Idmax/N的N个等级之间作切换，即响应接收放大器3的输入信号电平作切换。这就是说，在低输入电平的条件下，通过响应该电平而降低漏极电流而获得充分的效率结果及低功耗结果。7.作为本实施例高频放大器的接收放大器的实例结构(2)
下面对图16中的包括接收放大器3和偏置控制器18D的高频放大器的第二实施例的描述。
该高频放大器包括漏极偏置控制器18D和接收放大器3。
该高频放大器的接收放大器包括匹配电路30a和30b、FET组#1、#2……#N、隔直电容C#1、C#2……C#N和栅极电阻Rg。
FET组#1、#2……#N的电极的每一个都被连接，并经栅极电阻Rg加有固定的栅极电压Vg(工作栅极电压Vg-on)。
而且，FET组#1、#2……#N的漏极的每一个都由隔直电容C#1、C#2……C#N与DC隔离，并与高频信号相连接。通过把漏极电压Vd#1至Vd#N加到每一个漏极而使有分别的漏电流Idmax/N经过。
这就是说，接收放大器3具有与图14的发送功率放大器15相同的结构。
用于FET组#1至#N的每一个的漏极电压Vd#1至Vd#N是由漏极偏置控制器18D所提供，该漏极偏置控制器18D也以与图14中的漏极偏置控制器17D相似的方式构成，即，该FET组#2至#N的栅极电压Vd#2至Vd#N被控制成工作漏极电压Vd-on和OV电压，利用开关控制器36，经过高频扼流圈Ld#2和Ld#N对接到FET组#2至#N的漏极的开关34-2至34-N分别地进行切换。以此方式，可以使FET组#2到#N的每一个都可被设置在工作状态或非工作状态。
此情况中，开关控制器36响应已收信号强度电平信息S1执行在开关34-2到34-N每一个之间的切换。
通过根据已收信号强度电平信息S1对开关34-2至34-N的每一个的状态进行切换，提供工作漏极电压Vd-on的FET组能在从仅有FET组#1至FET组#1到#N全部的N个级别中进行改变。
利用这种高频放大器，漏极电流的量值可响应已收信号强度，即响应已收放大器3的输入信号电平在最大值Idmax到最小值Idmax/N这N个值中切换。这就是说，在低输入电平的情形中，通过响应该电平对漏极电流的降低，能够获得充分的效率结果及低功耗的结果。8.出现在本实施例的高频放大器中的FET组设置的实例(1)。
高频放大器已在上述实际例子的每一个作了描述。然而，现在来描述本发明高频放大器中出现的FET组的组划分及设置方法。
在第一设置实例1中给出的例子中，高频放大器的LET组中的每一个都以相同数目的FET单元形成。
例如，在图17A中示出的是利用n个FET单元(FET1至FETn)形成的FET组，以及在图17B中示出的具有四个FET组#1至#4的放大器。
利用该放大器，输入功率pin经过匹配电路40a在FET组#1至#4被放大并经过匹配电路40b作为输出功率pout输出。用于FET组#2至#4的栅极电压Vg#2至Vg#4则通过与图11、13和15的实施例所提到的相同的方式的图17C的栅极偏置控制器的开关41、42和43的切换而被设置。
在此情形中，FET组#1至#4的每一个包括n个FET单元，且当FET组#1至#4的每一个处于工作态时，漏极电流流动都有Idmax/4的改变。
因而，有可能随着利用由开关控制器44对开关41、42和43进行切换实现控制器的四个等级；在开关41、42和43都处在工作栅极电压Vg-on一侧的情况；在开关41、42和43的之二处在工作栅极电压Vg-on的情况；在开-关41、42和43之一处在工作栅极电压Vg-on的情况；以及在开关41、42和43的全部都在截止栅极电压Vg-off的一侧的情况。
就是说，当包括如图17A、17B和17C所示相同数目的FET单元构成的FET组时，就可能有如FET组数的等级数。9.在本实施例中的高频放大器中出现的FET组设置的实例(2)
在图18A和18B中所给出的实例中其构成FET组的FET单元数目不同。
在图18A中提供了三个FET组#1至#3的情况，其中组#1包括四个FET单元(FET-1至FET-4)，FET组#2包括两个FET单元(FET-1、FET-2)而FET组#3只有一个FET单元(FET-1)。
用于FET组#1至#3的每一个的栅极电压Vg#1至Vg#3都是由图18中栅极偏置控制器对开关45、46和47进行的切换而设置的。然而，通过开关45、46和47切换到工作栅压Vg-on一侧的设置组合，开关控制器48能够以7个等级控制漏极电流的量。
这七个等级控制示于图19。参见图中示出的FET组#1至#3，其中＂通＂表示操作栅极电压Vg-on送到FET组且该组处于工作态的时刻，而＂断＂则表示截止栅极电压Vg-off送到该不工作的FET组的情况。
这就是说，当开关45、46、47都被置到工作栅极电压Vg-on一侧时，FET组#1至#3都是在＂通＂态，漏极电流是其最大值Idmax。
而且，当只有开关47被置成栅极截止电压Vg-off一侧时，该FET组#1和#2成为＂通＂，即，FET组的七分之六处在工作态，且总的漏极电流是(6/7)Idmax。
按照图中所示的方式对工作的FET组进行选择，该漏极电流可以在(5/7)Idmax、(4/7)Idmax、(2/7)Idmax和(1/7)Idmax之间进行切换。
就是说，当在每一个FET组中的FET单元数被做成不相同时，有可能以比在通过加权到每一个组的组数更大的等级数实现控制。
这种组的划分和设置的例子是利用栅极偏置控制的实例加以描述的，但如若是给出某种漏极偏置控制的实例，其效果仍然是一样。10.为现在本实施例高频放大器中的FET结构的实例(1)
下面图20A和20B表示本实施例的FET结构。图20A示出的示例性结构中，8个FET单元分成两个FET组#1和#2，每一组有4个FET单元。
从前级匹配电路来的信号输入到输入线I。该输入线I接到形成上层金属层的两条栅极线GC#1和GC#2。然而，图20B所示的这种介电层被插在栅极线GC#1和GC#2及输入线I之间，即形成DC隔离电容C#1和C#2。
而且，栅极电压Vg#1经过包括栅极电阻Rg#1的一个部分加到栅极线GC#1上，而栅极电压Vg#2经过包括栅极电阻Rg#2的一个部分加在栅极线GC#2上。
然后从栅极线GC#1伸出四个栅极电极G1至G4，而从栅极线GC#2伸出四个栅极电极G5至G8。
漏极电极D1至D4被形成下层金属层并全部接到出现在上层金属层上的漏极线Dc。
而且，源极电极S1至S5被形成为底层金属层，并全部接到出现在上层金属层的一个源极线Sc，并以此源极线接地。
此情形中，漏电极和源电极被定位在栅电极G1至G8的每一条的两侧，以形成8个FET单元(FET-1、FET-2……FET-8)。而且，栅极G1-G4和栅极G5-G8是直流绝缘的，分别与高频信号相接，并有单独加至的栅极电压Vg#1和Vg#2，以分别形成FET组#1和#2。
利用这样的结构，能够实现前述实施例中的高频放大器。无疑，涉及FET组的划分及FET单元数的设置方面的修改可被实现。而且，本例对应于其中的栅极偏置受控的实施例的情况。然而，其中是漏有偏置受控、每一个FET组的漏极线侧分别与DC绝缘且分别与高频信号连接及施加单独的Vd#1和Vd#2的漏极电压的实施例仍然可被采用。11.出现在本实施例高频放大器中的FET结构实例(2)
然而，在图20A的情况中将其中FET单元分成图中的上部分和下部分的组的时候必须考虑到一点。
考虑图20A的FET组#2截止而只有FET组#1工作的情况。此时输入的高频信号在FET组#1的FET单元中划分并从栅极G1-G4的每一个传送到漏极DC。此时，如图20A的箭头p1和p2所示，有距离上的差异对于信号(p1)的传送距离是最大的而对于信号(p2)传送距离是最小，从而引出信号相位差。这会引发出现在高频特性中的例如增益降低之类的失真。
因而考虑以图21的结构用于FET。
在图21的结构中，用于FET组#2的栅极线GC2被划分成在用于FET组#1的栅极线GC#1的两侧。栅极G3至G6是从定位在中心的栅极线GC#1引出，而栅极G1、G2、G7和G8则是从定位在两侧的栅极线GC2引出。
这就是说，相对于输入高频信号传送方向而对称定位的FET单元被包括在同一FET组中。
此时再考虑只有FET组#1工作的情况，传送距离最大的信号(P4)的距离与传送距离最短的信号(P3)的距离之间的差异被减少，结果使增益特性改善。12.使用在本实施例中可变偏置开关的实例
继电开关或半导体IC开关等可被使用在本实施例的偏置控制电路17(17G、17D)和18(18G、18D)中作为开关(21、22-2、22-N、25-2、25-N、31-2、31-N、34-2、34-N、41-43和45-47)。
用在栅偏置控制器电路17G和18G的开关的实例示于图22中。
该开关包括增强型FET50和电阻R10和R11。
此时，放大器的FET组#n的栅压可用提供到FET50的栅极的OV或正电压逻辑信号来控制。
用在漏极偏置控制器电路17D和18D的形状实施例示于图23中。
该开关包括FET51和电阻R12。
此时，放大器的FET组#n的栅压Vd#n可以由提供到FET50的栅极的OV或+Vds(V)的逻辑信号来控制。
图22和23中的开关实例的结构是简单的，并可被集成为采用如采用在放大器中的FET制作的相同制造工艺的电路中。因此使整个高频放大器变得更小，以益于低造价。13.本实施例的效果
关于本实施例的效果，效率图24示出了该高频放大器输出功率pout的功率效率PAE的特性曲线、其中，FET单元的总数的一半被用作FET组#1，1/4用作FET组#2，而剩余的1/4用作FET组#3。
此情形中，当输出功率pout＝22.5dBm时，FET组#1是截止的，而当输出功率pout＝14.5dBm时，FET组#1和#3是截止的。
如在图24中显见，没有控制时，与放大器的效率特性曲线(曲线①)相比，低功率输入之时的效率极大地被改善，如表示当FET组#1截止时的特性曲线③所示，以及如当FET组#1和#3截止时的特性曲线④所示。
例如，当输出功率Pout＝10dBm时，效率从1.7％提高到7％。如果将此转变成低功耗，则是从588mW变为143mW，故低功率消耗变成约1/4。
如利用图4相关实例所描述，与栅极相关偏置控制方法(图4的Vg-on至Vg-on1中，控制电压的范围必须是小值，并且低功耗结果也因此必须是小值。此外，由于在控制电压Vg-on和Vg-on1中的差别都直接影响放大器的特性，所以，在控制电压电平中的稳定性是至关因素。
根据本实施例，查看控制电压的范围，从Vg-on变成截止栅极电压Vg-off的范围小于夹断电压Vp，即该范围变成图4中W表示的宽范围。而且，截止栅极电压Vg-off中的波动几乎对放大特性无影响(实际上，截止栅极电压Vg-off只必须是能将FET置为截止的电压而不必被控制成一个严格数值)。
而且，在相关栅偏置控制方法中当栅极电压被置为Vg-on1时，FET的工作类型与类型B相近，这使得其与增益及失真特性的劣变的降低有关。由于这一点，以更窄的范围用于控制电压而低功率消耗的结果是小的。
在本实施例情况中，用于采用了这样的方法，使FET在正常操作态中的操作类型不受影响，所以不论输出功率如何，都可以获得更稳定的增益和失真特性。
对于漏极偏置控制的方法的实施例仍然可以得到与上述相同的效果。
这就是说，在相关的漏极偏置控制方法中，如图6所示，要求两种不同的电压电平Vds-h和Vds-1作为漏极电压，并且在控制电压Vds-h和Vds-h1中的波动对放大器特性有大的影响。
考虑到这一点，本实施例中的控制电压Vd-on变为OV，即只需产生一类电压，而控制电压的范围被加宽。
而且，当在此相关方法中把漏极电压取为Vds-1时，由于在偏置条件中的波动，则出现在增益和失真特性的劣变中的下降。但在本实施例中，工作FET的偏置条件通常被保持，且不出现增益的下降和失真特性的劣变。
在上述实施例中，是参照以FET作为放大元件进行描述的，但采用双极晶体管也获相同效果。
此外，实施例的解释涉及单极放大器，但本发明也适于串连的多级放大器。
尤其是，由多个串连放大器组成的驱动级也可实现低的功耗。
而且，图9和10是以无线通信终端作为假定的收发装置的例子，但本发明也可一般地用到通信装置执行发送功率的控制以及用以改变接收信号电平的通信装置中。
本发明尤其适于在移动站中的系统中进行宽动态范围发送功率控制，以保持在无线通信终端，如数字蜂窝终端或卫星通信终端中的电路能力。
本发明的高频放大器是由第一到第N个FET组构成，这些组是由一个或多个源极接地、漏极接在一起，而栅极与分别的高频信号相接且DC绝缘的FET单元构成；栅极偏置控制器能够对所提供的电压电平分别切换到第一到第N个FET组的某个或某些。此外，本发明的高频放大器可由第一到第N个FET组构成，这些组是由一个或多个源极接地、栅极接在一起，而漏极与分别的高频信号相连接且DC绝缘的FET单元构成；栅极偏置控制器可以把所提供的电压电平分别地切换到第一到第N个FET组的一个或多个。
因此，通过对分别FET组的偏置进行切换以将每个FET组控制在其工作态或非工作态，避免增益和放大器失真特性的劣变并实现低功率输出时的充分低的功耗。
通过以构成第一至第N个FET组的FET单元数不一样的方式，使所形成的放大器能够以更大的控制级数被设置，并在不增加FET组的数目条件下，可能响应输出功率作更精细的控制。
而且，通过把在同一FET组中的FET单元沿着输入高频信号的传送方向面对的方式来设置第一至第N个FET组，使形成的放大器避免其增益特性的劣变。
而且，利用本发明的发送装置，可以执行发送功率的控制，并根据高频发送信号电平信息，在低功率输出时把针对高频放大器的FET组的每一个的偏置电压在工作状态和截止状态之间作单独的切换，从而降低其不必要的功耗。
此外，根据已收信号的强度信息，通过把高频放大器的FET组的每一个的偏置电压在一个工作状态和一个截止状态之间进行单独地切换，使其在低电平输入时降低在该接收装置中的无谓的功率消耗。

Claims (19)

1.用于放大射频信号的射频放大器，包括：
多个有源元件组，每一个都包括用于放大信号的一个或多个有源元件，所述一个或多个有源元件的输入端被组合在一起而形成单一的输入端，而所述一个或多个有源元件的输出端被组合在一起形成单一的输出端；以及
一个偏置控制器，用于控制所述多个有源元件组的偏置状态。
2.根据权利要求1的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括若干个FET，且所说的控制装置控制所说FET的栅极偏置电压。
3.根据权利要求1的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括若干FET，且所说的控制装置控制所说的FET的漏极电压。
4.根据权利要求2的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括相同数目的FET。
5.根据权利要求3的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括相同数目的FET。
6.根据权利要求2的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组不包括数目相同的FET。
7.根据权利要求3的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件不包括数目相同的FET。
8.根据权利要求6的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括2n个FET，其中n是包括零在内的整数。
9.根据权利要求7的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的多个有源元件组包括2n个FET，其中n是包括零在内的整数。
10.根据权利要求2的用于放大射频信号的射频放大器，所说的FET组包括多个FET单元，相对于输入信号的传送方向，这些FET单元是对称置位而成组放置的。
11.根据权利要求3的用于放大射频信号的射频放大器，所说的FET组包括多个FET单元，相对于输入信号的传送方向，这些FET单元是对称置位而成组放置的。
12.根据权利要求2的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的偏置控制装置包括FET开关。
13.根据权利要求3的用于放大射频信号的射频放大器，其中所说的偏置控制装置包括FET开关。
14.一种用于发送射频波的发射器，包括：
基带信号处理装置，用于处理基带信号；
调制装置，利用所说基带信号对一预定信号进行调制；
功率放大装置，用于放大射频信号，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说一个或多个FET的输入端被组合构成单一的输入端，而所说一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端；以及
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的栅极偏置电压。
15.一种用于发送射频波的发射器，包括：
基带信号处理装置，用于处理基带信号；
调制装置，利用所说的基带信号对一预定信号进行调制；
功率放大装置，用于放大射频信号，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说的一个或多个FET的输入端被组合构成单一的输入端，而所说一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端，以及
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的漏极电压。
16.一种用于接收射频波的接收器，包括：
射频放大装置，用于放大已收射频信号，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说的一个或多个FET的输入端被组合构成单一的输入端，而所说一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端，和
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的栅极偏置电压；
解调装置，用于解调所说射频放大装置的一个输出信号；以及
基带信号处理装置，用于处理所说解调装置的一个输出信号。
17.一种用于接收射频波接收器，包括：
射频放大装置，用于放大已收射频信它，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说的一个或多个FET的输入端被组合成单一的输入端，而所说的一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端，和
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的漏极电压；
解调装置，用于解调所说射频放大装置的一个输出信号，以及
基带信号处理装置，用于处理所说解调装置的一个输出信号。
18.一种用于发送与接收射频波的收发信机，包括：
一个发送部分，包括：
基带信号处理装置，用于处理基带信号；
调制装置，利用所说的基带信号对一预定信号进行调制；
功率放大装置，用于放大射频信号，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说的一个或多个FET的输入端被组合构成单一的输入端，而所说的一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端；以及
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的栅极偏置电压或漏极电压；和
一个接收部分，包括：
多个有源元件组，每一个包括一个或多个用于放大信号的FET，所说的一个或多个FET的输入端被组合构成单一的输入端，而所说的一个或多个FET的输出端被组合构成单一的输出端；
偏置控制装置，用于控制多个有源元件组的所说FET的栅极偏置电压；
解调装置，用于解调所说射频放大装置的一个输出信号；和
基带信号处理装置，用于处理所说解调装置的一个输出信号。
19.一种用于控制射频放大器状态的方法，包括：
命令发送步骤，把导通或截止命令发送到多条偏置控制线；以及
电流提供步骤，根据所说的导通或截止信号，以二进制记数形式提供FET的电流。
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