CN1117774A - 适合用于无线电话的放大器 - Google Patents

Abstract

在电流镜结构中放大器(201)使用晶体管(301、303)，如MOS-FET晶体管。晶体管(301、303)容易封装成表面安装的器件。通过控制流过放大器级(201)的偏置电流来控制放大器(201)的输出功率。另外，该放大器对于偏置电流对控制信号阈值的变化具有低的灵敏度。这些特性使得该放大器在无线电发射机如无线电话机(103)中使用是理想的。

Description

适合用于无线电话的放大器

本发明涉及放大器，具体涉及使用晶体管的功率放大器，诸如使用以电流镜配置的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管。

过去，无线电通信设备如无线电话机的功率放大器已使用双极性晶体管。制作该放大器的最简化和最经济有效的方法是将双极性晶体管管芯安装在工业标准的塑料表面可安装的封装物中，并且将该封装物焊在电路板上。

现有一个问题使它不能在许多功率放大器应用中使用标准表面安装封装物，因为双极性晶体管具有一个输出信号和散热片，来自双极性晶体管管芯一侧，以及输入信号和RF地，来自该晶体管管芯另一侧。要求为该输出信号提供一条低损耗的电气通路；为该管芯一侧用于散热提供一条热传导通路，为该输入信号提供低损耗的电气通路，以及从该管芯另一侧为RF地提供电传导通路；必须使用在板上管芯(onboard die)固定过程和接线焊接过程以将该晶体管耦合到电路板。

在放大器的设计过程中要求在最佳电平上设定偏置电流，以便除了其它目标之外，还取得所要求的增益、输出功率和效率。另外，在无线电话机的应用中要求输出功率是可控制的。为了取得好的功率效率，通过变化偏置电流来控制输出功率是有利的。偏置电流响应于控制电压信号的变化。当控制电压和因此偏置电流设置为零时，每个功率放大级的输出功率控制范围在高端由放大器增益来限制，而在低端通过从输入到输出的隔离进行限制。在这个范围内，输出功率近似地正比于偏置电流的平方。由于偏置电流对电流参数的改变特别灵敏，在偏置电流不能保持在其最佳值时存在一个潜在的问题。

在单级放大器中，利用输出功率控制环路自动地补偿参数偏移而使灵敏度问题得以缓解。可是，多级双极性放大器仅末级可通过输出功率控制环路最佳地控制。因此，如果电路参数偏移了，多级放大器不能在每级中在其最佳性能点恰当地偏置。另外，在极端的参数变化的情况下，多级放大器的驱动级可能由于太大的偏置电流产生的过度消耗而损坏。

当使用双极性晶体管时，偏置电流与控制电压的变化成指数关系。由于偏置电流对电流参数小的变化的高灵敏度，这个指数关系产生潜在问题。特别是，偏置电流主要对阈值电压的变化敏感，高于该阈值电压时偏置电流开始流动。幸运地是，利用双极性晶体管，由于该阈值主要地取决于硅Pn结的内置电位，由于这个参数的变化引起的偏置电流的变化足够地小。但是，费用大的在板上管芯上的固定和接线焊接还不能消除。

使用容易封装的器件、和具有通过变化偏置电流可控制的输出功率、偏置电流对控制信号阈值变化的灵敏度低的单级或多级放大器是有利的。

图1示出可采用本发明的无线电话通信系统的方框图。

图2示出本发明的发射机的方框图。

图3示出本发明的功率放大器的详图。

图1是无线电话通信系统的方框图形式的示图。无线电话通信系统100包括一个远端收发信机101，它发送和接收到达和来自固定地理区域内的无线电话机的射频(RF)信号。无线电话机103是包含在该地理区域内的一个这样的无线电话机。无线电话机103包括一个天线105、一个接收机107、发射机109、一个控制器111和一个用户接口113。

当接收RF信号时，无线电话机103通过天线105接收该RF信号。天线105变换所接收的RF信号成为电RF信号，供接收机107使用。接收机107解调该电RF信号和恢复在RF信号上传送的数据，并且输出该数据到控制器111。控制器111将数据编格式为由用户接口113使用的可识别的话音或信息。用户接口113传送所接收的信息或话音到用户。典型地，用户接口包括一个显示器、一个键盘、一个扬声器和一个麦克风。

当从无线电话机103向远端收发信机101传送射频信号时，用户接口113发送用户输入数据到控制器111。控制器111典型地包括一个微处理器、存储器和一个功率放大器控制电路。控制器111将从用户接口得到的信息进行格式化并经过数据线115将它发送到发射机109，以便变换为RF已调信号。另外，控制器111给发射机109提供具有一个电压电平的控制信号117。控制信号117的电压电平确定从发射机109输出的RF信号的功率。在优选的实施例中，发射机109包含多级功率放大器配置。控制信号117的电压由包含在控制器111内的控制电路确定。控制电路使用功率输出反馈信号119确定控制信号117的合适的电压。

图2是图1所示的发射机109的方框图形式的示图。图中，发射机109包括第一功率放大器模块201、第二功率放大器模块203和电平偏移器205。从控制器111输出的数据信号115被输入到第一功率放大器模块201。流过第一功率放大器模块的偏置电流与从控制信号117的电压得到的控制电流是线性关系。如在由GregoryR.Black发明的、转让给与本发明的同一受让人的美国专利5220290和5160898中先讨论过的，在输入该控制信号到第二功率放大器模块203之前，该电平偏移器205使控制信号117的电压偏移一个预定数量。在优选的实施例中，控制信号的电压向下偏移0.7伏。在输出线207上从第一功率放大器模块201输出的已放大数据输入到第二功率放大器模块203。第二功率放大器模块203有一个偏置电流，用于控制第二功率放大器的放大电平。第二偏置电流与第二控制电流是线性关系。第二控制电流是从电平偏移器205输出的控制信号117的偏移的控制电平中得到的。第二放大的数据信号209是从第二功率放大器模块203输出的。第二放大的数据信号209包含RF调制的和放大的数据，用于在图1的天线105上输出。另外，第二放大的数据信号209经过反馈控制信号119反馈到图1的控制器111。反馈控制信号119指示从第二功率放大器级203到包含在图1的控制器内的功率放大器控制电路的功率输出电平。

在优选的实施例中，用作包括放大器模块的有源器件的晶体管是接在接地源配置中的n沟道增强型硅MOSFET。MOSFET是由电传导硅片加工的，以致源端口通过大块硅片材料连接到管芯的背面。由于用于消除热量的热通路可做的大，而且同时改善了电通路接地，硅MOSFET的背面源大大地简化封装物设计。发明人预见在本申请中使用其它等效的晶体管，如其它场效应管(FET)。

利用MOSFET，偏置电流正比于跨导参数β并且正比于控制电压Vg与阈值Vt之差的平方。

Id＝(β/2)*〔Vg—Vt〕^²因为控制电压与阈值电压之间的平方律关系，潜在着由于Vt的变化引起放大器偏置电流急剧地变化。不同于双极性晶体管的情况，阈值电压取决于硅的固有特性，MOSFET阈值电压取决于可随加工而变化的掺杂浓度。Vt的变化典型地规定为+/-50％。Id对Vt变化的灵敏度计算如下：

Svt＝α(Id)/α(Vt)＝β*(Vg＋Vt)该灵敏度随着控制电压Vg增加而增加。有几个方法解决由于阈值变化引起的偏置电流不准确的问题。第一，可设计该放大器，使得许多主要特性如增益和输出功率具有足够的容限以经受阈值变化。第二，可根据测量的阈值分级器件并且对每级器件来用不同的偏置电阻组件。第三，可在模块组装期间使用调整技术调节偏置电阻。最后，优选的方法是采用如图201中所示结构的偏置电路中的电流镜。表示第一晶体管301和第二晶体管303的选用脉冲宽度之比为K，电阻元件307为Rset和控制电压Vref，则第一晶体管的偏置电流Id近似地由下式给出：

Id＝K*(Vref—Vt)/RsetId和Vref之间的线性关系是镜象安排使得偏置电流对阈值电压变化不敏感的原因。在这种情况下，由于控制电压增加该灵敏度保持恒定，因此比在以前在高控制电压时更小。

Svt＝α(Id)/α(Vt)＝K/Rset

图3是图2的功率放大器模块201的详图。在优选实施例中，第二功率放大器模块203与第一功率放大器模块201相同，除了器件尺寸和偏置设定电阻根据每级的峰值输出功率要求标定之外。另一种可替代的方案是，第二功率放大器可采用一个MOSFET器件而没有电流镜，虽然由于级间阈值不相符引起第一级中较高的偏置变化，因为输出功率控制环路对输出级的最佳偏置点设定控制电压。

为了便于说明，将只说明第一功率放大器模块201。第一功率放大器模块201包含具有漏极、源极和控制极的第一晶体管301、具有漏极、源极和控制极的第二晶体管、第一电阻元件307和第一电感元件305及电气地309。数据输入信号115耦合到第一晶体管301的控制极。控制信号117耦合到第一晶体管的漏极和控制极和通过第一电阻元件307接到第二晶体管303的控制极。在优选的实施例中，第一电阻元件307是具有阻值510Ω的电阻。第一晶体管301的源极耦合到第二晶体管303的源极，它们都接到电气的地309。第二晶体管的漏极通过一个电感元件305耦合到偏置电压V_Bt。在优选的实施例中，第一电感元件305是具有数值39nH的电感器。另一个方案，第一电感元件可以是一条传输线，包括在多层印刷电路板上的信号与地的迹线。第二晶体管的漏极也耦合到放大的数据输出信号207。

Claims (10)

1.一种放大器，包括一个偏置控制端口、一个偏置端口、一个输入端口和一个输出端口，该输入端口用于接收具有一个输入功率电平的输入信号，该输出端口用于发射具有一个输出功率电平的输出信号，该偏置控制端口用于接收具有一个控制电流的偏置控制信号，该偏置端口用于接收偏置电流，其特征在于，该放大器包括：

第一晶体管，它有第一漏极端口，第一源极端口，第一控制极端口和第一阈值电压，第一漏极端口耦合到该信号输出和该偏置输入；和

第二晶体管，它有第二漏极端口，第二源极端口，第二控制极端口和第二阈值电压，第一控制极端口、第二控制极端口和第二漏极端口都耦合到该信号输入和偏置控制输入，第一源极和第二源极耦合到电气地，第一阈值电压和第二阈值电压基本上相等。

2.根据权利要求1的放大器，其特征在于，该偏置控制输入通过第一电阻耦合到第一控制极端口，第二控制极端口和第一漏极端口。

3.根据权利要求1的放大器，其特征在于，该偏置输入通过第一电感元件耦合到第一漏极端口。

4.根据权利要求1的放大器，其特征在于，该偏置输入通过第一传输线耦合到第一漏极端口。

5.根据权利要求1的放大器，其特征在于，第一晶体管和第二晶体管配置在第一管芯上，其中块状硅是导电的，和第一源极与第二源极连接到该块状硅。

6.一种多级放大器电路，其特征在于，包括：

具有一个控制电压的第一控制信号；

第一晶体管放大器级，具有第一偏置电流，第一控制电流和第一阈值电压，该第一控制电流从该控制电压和第一阈值电压得到，第一偏置电流与第一控制电流是线性关系，第一晶体管放大器级包括：

第一晶体管，它有第一漏极端口，第一源极端口和第一控制极端口，第一漏极端口耦合到该信号输出和该偏置输入；和

第二晶体管，它有第二漏极端口，第二源极端口，第二控制极端口和第二阈值电压，第一控制极端口、第二控制极端口和第二漏极端口耦合到该信号输入和该偏置控制输入，第一源极和第二源极耦合到电气地，第一阈值电压和第二阈值电压基本上相等，以致该输出功率电平与该输入功率电平及第一偏置电流相关，第一偏置电流与第一控制电流是线性关系；和

第二晶体管放大器级，具有第二偏置电流、第二控制电流和第三阈值电压，第二控制电流从该控制电压和第三阈值电压得到。

7.根据权利要求6的多级放大器，其特征在于，第二晶体管放大器级进一步包括：

第一晶体管，它有第一漏极端口、第一源极端口、第一控制极端口和第一阈值电压，第一漏极端口耦合到该信号输出和该偏置输入；和

第二晶体管，它有第二漏极端口、第二源极端口、第二控制极端口和第二阈值电压，第一控制极端口、第二控制极端口和第二漏极端口耦合到该信号输入和该偏置控制输入，第一源极和第二源极耦合到电气地，第一阈值电压和第二阈值电压基本相等，以致该输出功率电平与该输入功率电平及该偏置电流相关，该偏置电流与该控制电流是线性关系。

8.一种无线电话机，其特征在于，包括：

一个控制器，用于产生具有一个控制电压的第一控制信号；

一个发射机，它包括：

第一晶体管放大器级，它有第一偏置电流、第一控制电流和第一阈值电压，第一控制电流从该控制电压和第一阈值电压得到，第一偏置电流与第一控制电流是线性关系，第一晶体管放大器级还包括：

第一晶体管，它有第一漏极端口、第一源极端口和第一控制极端口，第一漏极端口耦合到该信号输出和该偏置输入，和

第二晶体管，它有第二漏极端口、第二源级端口、第二控制极端口和第二阈值电压，第一控制极端口、第二控制极端口和第二漏极端口耦合到该信号输入和该偏置控制输入，第一源极和第二源极耦合到电气地，第一阈值电压与第二阈值电压基本上相等，以致该输出功率电平与该输入功率电平及第一偏置电流相关，第一偏置电流与第一控制电流是线性关系；和

第二晶体管放大器级，它有第二偏置电流、第二控制电流和第三阈值电压，第二控制电流从该控制电压和第二阈值电压得到。

9.根据权利要求8的无线电话机，其特征在于，第二偏置电流与第二控制电流是线性关系。

10.根据权利要求8的无线电话机，其特征在于，第二晶体管放大器级还包括：

第一晶体管，它有第一漏极端口、第一源极端口、第一控制极端口和第一阈值电压，第一漏极端口耦合到该信号输出和该偏置输入；和

第二晶体管，它有第二漏极端口、第二源极端口、第二控制极端口和第二阈值电压，第一控制极端口、第二控制极端口和第二漏极端口耦合到该信号输入和该偏置控制输入，第一源极和第二源极耦合到电气地，第一阈值电压和第二阈值电压基本相等，以致该输出功率电平与该输入功率电平及该偏置电流相关，该偏置电流与该控制电流是线性关系。

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