提供增益扩展的功率放大器偏置网络的制作方法

本申请涉及于2019年5月11日提交的美国临时申请号62/846,619，其通过引用整体并入本文。

本发明总体涉及射频放大器，更具体地涉及一种用于实现提供增益扩展的功率放大器偏置网络的方法和/或装置。

背景技术：

放大器是用于增加输入信号的电平或功率的电子电路。线性放大器产生与输入信号成比例的输出信号，但能够将更多的功率递送到负载。线性放大器通常用于射频(rf)通信应用。在通信系统中，放大器线性度对于最大程度地减少输出信号的失真很重要。传统放大器的输入电平范围有限，其中输出电平与输入电平线性相关。当超出线性范围的上电平时，放大器开始压缩输出信号，从而导致失真。因此，在发送器系统中需要具有高线性度的功率放大器。

参考偏置电流用于偏置功率放大器。参考偏置电流用于生成参考电压，该参考电压被施加到功率放大器的核心的偏置晶体管。为了获得高输出并且避免由于低线性度而导致的失真，将放大器的偏置维持在被设计为尽可能大的输入功率上非常重要。

希望实现提供增益扩展的功率放大器偏置网络。

技术实现要素：

本发明涉及一种包括放大器和偏置网络的装置。放大器通常具有预定义的线性范围。偏置网络通常连接到放大器的输入。偏置网络通常包括线性化器，该线性化器被配置为提供增益扩展并且将放大器的线性度扩展到预定义的范围之外。

附图说明

根据以下具体实施方式以及所附权利要求书和附图，本发明的实施例将变得显而易见，其中

图1是图示了示例射频(rf)放大器应用的图。

图2是图示了根据本发明的示例实施例的示例功率放大器电路的框图。

图3是图示了根据本发明的示例实施例的示例功率放大器电路的图。

图4是图示了根据本发明的示例实施例的偏置网络的示例实现方式的图。

图5是图示了根据本发明的示例实施例的偏置网络的另一示例实现方式的图。

图6是图示了根据本发明的示例实施例的示例参考偏置电流设置电路的图。

图7是图示了根据本发明的示例实施例的示例栅极偏置设置电路的图。

图8是图示了根据本发明的示例实施例的示例线性化器电路的图。

图9是图示了根据本发明的示例实施例的示例电流镜电路的图。

图10是图示了根据本发明的示例实施例的另一示例电流镜电路的图。

图11是图示了根据本发明的示例实施例的示例温度补偿电路的图。

图12是图示了根据本发明的示例实施例的示例感测增益调整电路的图。

图13是图示了根据本发明的示例实施例的偏置网络的另一示例实施方式的图。

图14是图示了根据本发明的示例实施例的具有偏置网络和没有偏置网络的放大器的温度为25摄氏度(℃)的p1db仿真结果的图。

图15是图示了根据本发明的示例实施例的具有偏置网络和没有偏置网络的放大器的温度为115℃的p1db仿真结果的图。

具体实施方式

本发明的实施例包括提供一种提供增益扩展的功率放大器偏置网络，该功率放大器偏置网络可以(i)使用砷化镓(gaas)赝高电子迁移率晶体管(phemt)技术来实现；(ii)提供线性化功率放大器；(iii)实现线性化器，该线性化器包括增强模式phemt和堆叠式金属-绝缘体-金属(mim)电容器以进行增益扩展；(iv)通过减少泄漏电流来减少电流镜失配；(v)提供高温电流补偿；(vi)提供感测增益调整；和/或(vii)被实现为一个或多个单片微波集成电路(mmic)。

参考图1，示出了收发器电路10的框图，该框图图示了典型射频(rf)放大器应用。在示例中，收发器电路10通常包括发送器链和接收器链。发送器链和接收器链均可以包括射频(rf)放大器。在示例中，发送器链可以包括但不限于一个或多个输入放大器级12、滤波器14、可变衰减器16、可变移相器18、以及一个或多个输出放大器级20。在示例中，输入放大器级12可以包括低噪声放大器(lna)和/或驱动器放大器级。输出放大器级20可以包括驱动器放大器、前置放大器和/或功率放大器。在示例中，接收器链可以包括但不限于低噪声放大器(lna)22、驱动器放大器级24、以及限制器(或保护)电路26。在示例中，发送器链的输入和接收器链的输出可以耦合到电信系统的基带电路30。在各种实施例中，可以结合收发器电路10中的任何或所有放大器来实现根据本发明的示例实施例的偏置网络。

参考图2，示出了电路100的框图，该框图图示了根据本发明的示例实施例的实现偏置网络的放大器。在各种实施例中，电路100可以用于在毫米波、微波和/或波束形成器芯片组中实现各种放大器。在示例中，电路100可以用于实现驱动器放大器级12、功率放大器20、低噪声放大器22和/或驱动器放大器级24中的一个或多个级。在示例中，电路100可以实现为单片微波集成电路(mmic)功率放大器。

在示例中，电路100可以包括功率放大器(pa)核心(或电路)102和偏置网络(或电路)104。然而，可以相应实现其他类型的放大器核心(例如，lna等)，以满足特定应用的设计准则。在各种实施例中，偏置网络104利用根据本发明的示例实施例的线性化技术来提供增益扩展并且提高用于在毫米波、微波和/或波束形成器功率放大器中使用的宽带调制信号的线性度。

在示例中，放大器电路102可以具有差分输入、差分输出和偏置输入。差分输入包括正(真)输入(+)和负(互补)输入(-)。差分输出可以包括正(真)输出和负(互补)输出。在示例中，信号(例如，in_p)可以被呈现给正输入，信号(例如，in_n)可以被呈现给负输入，偏置信号(例如，vg1)可以被呈现给偏置输入，信号(例如，out_p)可以在正输出处呈现，并且信号(例如，out_n)可以在负输出处呈现。信号in_p和in_n可以是差分输入信号的分量。信号out_p和out_n可以是差分输出信号的分量。信号vg1可以是偏置参考电压。其中施加信号vg1的偏置输入可以被称为放大器电路102的偏置节点。该偏置节点通常是内部电路节点，该内部电路节点通常不可进行测量。但是，可以通过仿真来检查该偏置节点的阻抗水平。放大器电路102可以被配置为响应于信号in_p、in_n和vg1而生成信号out_p和out_n。

在示例中，电路104可以被配置为响应于电源电压(例如，vdd)而生成偏置参考电压vg1。在各种实施例中，根据本发明的实施例实现的偏置网络(或电路)104可以利用以砷化镓(gaas)赝高电子迁移率晶体管(phemt)技术实现的线性化器。线性化器通常用来扩展增益范围并且提高放大器电路102的线性度。

参考图3，示出了电路100的图，其图示了根据本发明的示例实施例的实现偏置网络的差分放大器的示例实现方式。在示例中，电路102可以实现差分功率放大器(pa)。在示例中，pa102可以实现为具有一个或多个放大器级。图3所图示的偏置技术可以与任何pa拓扑结构一起使用，该pa拓扑结构包括但不限于单端放大器、差分放大器、共源放大器、级联放大器和堆叠放大器。

在示例中，放大器102可以具有差分输入、差分输出和偏置输入。差分输入可以包括正(真)输入和负(互补)输入。差分输出可以包括正(真)输出和负(互补)输出。在示例中，信号in_p可以被呈现给正输入，信号in_n可以被呈现给负输入，信号vg1可以被呈现给偏置输入，信号out_p可以在正输出处呈现，并且信号out_n可以在负输出处呈现。信号in_p和in_n可以是差分输入信号的分量。信号out_p和out_n可以是差分输出信号的分量。

在示例中，放大器102可以包括晶体管m1、晶体管m2、射频扼流器rfc1和射频扼流器rfc2。在示例中，晶体管m1和m2可以被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。放大器102的负输入可以被连接到晶体管m1的栅极端子。放大器102的正输入可以被连接到晶体管m2的栅极端子。晶体管m1的源极端子和晶体管m2的源极端子可以被连接到电路接地电位。晶体管m1的漏极端子可以被连接到射频扼流器rfc1的第一端子和放大器102的正输出。晶体管m2的漏极端子可以被连接到射频扼流器rfc2的第一端子和放大器102的负输出。射频扼流器rfc1的第二端子和射频扼流器rfc2的第二端子可以被耦合到电源电压(例如，vdd)。

在示例中，放大器102可以使用一对电阻器偏置。在示例中，电阻器r1可以具有：第一端子，被连接到放大器102的正输入；以及第二端子，被配置为接收偏置电压vg1。电阻器r2可以具有：第一端子，被连接到放大器102的负输入；以及第二端子，被配置为接收偏置电压vg1。由电阻器r1和r2的第二端子的连接形成的节点106可以被称为放大器102的偏置节点。放大器102可以被配置为响应于信号in_p、in_n和vg1而生成信号out_p和out_n。

在各种实施例中，可以使用电感器来实现射频扼流器rfc1和rfc2。在一个示例中，电感器中的每个电感器可以在基于引线框架的封装处利用键合线来实现。在另一示例中，电感器中的每个电感器可以利用用于栅格阵列封装的导电金属层焊盘(aconductivemetallayerland)来实现。在另一示例中，可以通过片上集成螺旋电感器或通过模块中的表面安装器件(smd)组件来实现电感器。

参考图4，示出了图示根据本发明的示例实施例的偏置网络的示例实现方式的图。在示例中，电路104可以包括块(或电路)110、块(或电路)112、块(或电路)114、以及块(或电路)116。电路110可以具有输入，该输入可以接收电源电压(例如，vdd)。电源电压可以与用于放大器电路102的电源电压相同。电路110可以将输出呈现给电路112的输入和电路114的第一输入。电路112可以将第一输出呈现给电路114的第二输入并且将第二输出呈现给电路116的第一输入。电路114的第一输出可以被呈现给电路116的第二输入。信号vg1可以在电路114的第二输出处被呈现。

电路110可以实现偏置电流设置电路。电路112可以实现栅极偏置电路。电路114可以实现线性化器。电路116可以实现电流镜电路。电路110可以被配置为响应于电源电压vdd而生成用于偏置网络104的参考偏置电流。电路112可以响应于参考偏置电流而为电路114生成栅极偏置信号。电路114可以响应于栅极偏置信号和参考偏置电流而生成信号vg1。电路116通常将来自电路112的电流与来自电路114的电流进行镜像。

参考图5，示出了电路104'的图，其图示了根据本发明的示例实施例的偏置网络的另一示例实现方式。在示例中，电路104'可以包括电路110、电路112、电路114、块(或电路)116'、块(或电路)118、以及块(或电路)120。电路110可以具有输入，该输入可以接收电源电压(例如，vdd)。电源电压可以与用于放大器电路102的电源电压相同。电路110可以将输出呈现给电路118的输入。电路118可以将第一输出呈现给电路112的输入并且将第二输出呈现给电路114的第一输入。电路112可以将第一输出呈现给电路114的第二输入并且将第二输出呈现给电路116'的第一输入。电路114的第一输出可以将信号呈现给电路116'的第二输入。电路114的第二输出可以将信号呈现给电路120的输入。信号vg1可以在电路120的输出处呈现。

电路110可以实现偏置电流设置电路。电路112可以实现栅极偏置电路。电路114可以实现线性化器电路。电路116'可以实现具有失配减少的电流镜电路。电路118可以实现温度补偿电路。电路120可以实现感测增益调整电路。电路110可以被配置为响应于电源电压vdd而生成用于偏置网络104的参考偏置电流。电路118可以通过对来自电路110的参考偏置电流施加高温电流补偿来生成温度补偿参考电流。电路112可以响应于来自电路118的温度补偿参考电流中的一个温度补偿参考电流而为电路114生成栅极偏置信号。电路114响应于来自电路118的温度补偿参考电流中的另一温度补偿参考电流以及来自电路112的栅极偏置信号而生成偏置电压信号。电路116'通常将来自电路112的电流与来自电路114的电流进行镜像，同时减少两个电流之间的失配。电路120响应于电路114所提供的偏置电压而生成信号vg1。

参考图6，示出了图示根据本发明的示例实施例的参考偏置电流设置电路110的示例实现方式的图。在示例中，可以实现集成电阻器(例如，rbias)以响应于电源电压vdd而设置参考偏置电流。集成电阻器rbias通常控制偏置网络104的偏置电流。所生成的偏置电流可以取决于用于实现rbias的电阻器的类型。在示例中，所实现的电阻器类型可以关于温度变化而改变偏置电流。通常可以使用不同的温度系数电阻器类型。在示例中，当负系数电阻器用作电阻器rbias时，参考偏置电流可以在更高温度下增加。

通常，可以使用任何类型的电阻器来实现电阻器rbias。当使用负温度系数或更低温度系数的电阻器时，可以进一步改善温度补偿。在示例中，以互补金属氧化物半导体(cmos)、绝缘体上半导体(soi)和/或硅锗(sige)技术实现的电阻器呈现负温度系数电阻。对于砷化镓(gaas)赝高电子迁移率晶体管(phemt)技术，出于降低温度系数的目的，可以使用薄膜电阻器(tfr)。在硅技术中，多晶硅(poly)或nwell型电阻器显示负温度系数。

参考图7，示出了图示根据本发明的示例实施例的栅极偏置设置电路112的示例实现方式的图。在示例中，栅极偏置设置电路112可以被实现为晶体管m3，该晶体管m3被配置为公共栅极偏置设置电路。在示例中，晶体管m3可以使用赝高电子迁移率晶体管(phemt)技术来实现。在示例中，晶体管m3的漏极端子和栅极端子可以被连结在一起。晶体管m3的漏极端子可以连接到电路110或电路118。晶体管m3的源极端子可以连接到电路116或116'的第一输入。晶体管m3的栅极端子可以连接到电路114的第二输入。

参考图8，示出了图示根据本发明的示例实施例的线性化器电路114的示例实现方式的图。在示例中，电路114可以包括晶体管m4和电容器c1。在示例中，晶体管m4可以被实现为增强模式(e模式)phemt设备。在示例中，电容器c1可以被实现为堆叠式金属-绝缘体-金属(mim)电容器。电路114可以用于提供增益扩展(例如，p1db提高)。在示例中，晶体管m4可以基于由电路116或116'产生的电流源来用作公共栅极放大器。随着到放大器102的rf输入信号增加，由于公共栅极放大器特点，所以晶体管m4的栅极电压随着晶体管m4的源极电压而增加。晶体管m4的升高的栅极电压通过为电容器c1充电来增加dc栅极偏置电压。该操作与峰值检测器类似。提升的栅极偏置电压增加了晶体管m4的源极的dc电压。增加晶体管m4的源极的dc电压增加了输入偏置电压vg1，并且放大器增益根据增加的偏置电压而扩展。

参考图9，示出了图示根据本发明的示例实施例的电流镜电路116的示例实现方式的图。在示例中，电路116可以包括晶体管m5、晶体管m6、以及电容器c2。在各种实施例中，使用与在偏置网络的其余部分中使用的相同的技术来实现晶体管m5和m6。例如，如果偏置网络是使用phemt技术实现的，则晶体管m5和m6将以phemt技术来实现。晶体管m5的漏极端子可以连接到晶体管m5的栅极端子、晶体管m6的栅极端子、以及电容器c2的第一端子。晶体管m5的源极端子、晶体管m5的源极端子和电容器c2的第二端子可以连接到电路接地电位。晶体管m5的漏极端子可以从电路112接收电流。晶体管m6的漏极端子可以从电路114接收电流。

参考图10，示出了图示根据本发明的示例实施例的电流镜电路116'的另一示例实现方式的图。电路116'可以与电路116以类似方式实现，除了以下：一对电阻器(例如，r3和r4)串联连接并且插入在晶体管m5和m6的栅极端子之间，以及晶体管m5的漏极端子被连接到由电阻r3和r4之间的连接形成的节点。在电流镜设备m5和m6的栅极处的所插入的电阻器r3和r4通常通过减少泄漏栅极电流来减少电流镜失配。

参考图11，示出了电路118的图，其图示了根据本发明的示例实施例的温度补偿电路118的示例实现方式。通常，phemt设备的阈值根据温度升高而降低。降低的阈值通常导致通过电路102实现的低噪声放大器(lna)或驱动器放大器的dc操作电流减小。减小的dc操作电流会降低高温下的p1db性能。在示例中，一对pn结二极管(例如，d1和d2)可以插入在栅极偏置设置电路112和线性化器电路114的参考偏置电流路径中。pn结二极管d1和d2可以根据高温下的减少的接通pn结电压而增加dc操作电流。取决于特定的产品应用，最大高(或热)温的范围可以从大约65℃到大约125℃。在示例中，在25℃时的接通pn结电压可以为1.35伏(v)，并且在85℃和115℃时可以分别降至约1.25v和1.18v。

参考图12，示出了图示根据本发明的示例实施例的感测增益调整电路120的示例实现方式的图。在示例中，电路120可以被实现为电阻器r5。电阻器r5通常被配置为用于电路114的公共栅极放大器的增益调整。在示例中，电阻器r5的值可以调整rf输入功率的感测量。值太大可能会阻止感测rf输入功率。太小的值可能会降低oip3性能。一般而言，需要选择适当的电阻值以使增益扩展操作最大化。在考虑给定的pldb和oip3规范的示例中，电阻器r5的值可以在仿真中从零欧姆扫到1千欧姆。在示例中，可以通过在不降低oip3的情况下最大化p1db来选择用于电阻器r5的适当值。在示例中，对于电阻器r5而言800欧姆的值可能是合适的。

参考图13，示出了电路104”的图，其图示了根据本发明的示例性实施例的偏置网络的另一示例实现方式。在示例中，可以类似于电路104'(或电路104)来实现电路104”，除了以下：电路104”可以包括电路122。电路122可以实现待机控制电路。电路122可以被配置为在偏置网络的待机模式下停止偏置电流。在示例中，电路122可以包括一对控制输入，这对控制输入可以接收第一信号(例如ctl_p)和第二信号(例如ctl_n)。在示例中，信号ctl_p和ctl_n可以是差分控制信号的分量。

在示例中，电路110的输出可以被呈现给电路122的输入。电路122可以具有：第一输出，被呈现给电路118的输入(或电路104中的电路112的输入)；以及第二输出，可以连接到电路114的第二输出。在示例中，电路122可以包括晶体管m7和晶体管m8。晶体管m7和m8可以被配置为开关。在示例中，晶体管m7可以被配置为响应于信号ctl_n而将参考偏置电流从电路110切换到电路118。在示例中，晶体管m8可以被配置为响应于信号ctl_p而将电路114的第二输出设置为(连结到)电路接地电位。

参考图14，示出了图示了根据本发明的示例实施例的具有偏置网络和没有偏置网络的放大器的温度为25℃的p1db仿真结果的图。在示例中，图表200图示了根据本发明的示例实施例的没有偏置网络的放大器(曲线202)和根据本发明的示例实施例的具有偏置网络的放大器(曲线204)在25℃下的1db压缩点与频率的比较。

参考图15，示出了图示根据本发明的示例实施例的具有偏置网络和没有偏置网络的放大器的温度为115℃的p1db仿真结果的图。在示例中，图表300图示了根据本发明的示例实施例的没有偏置网络的放大器(曲线302)和根据本发明的示例实施例的具有偏置网络的放大器(曲线304)在115℃下的1db压缩点与频率的比较。

在示例实施例中，根据本发明的示例实施例的偏置网络可以由以下各项组成：用于偏置电流设置的电阻器(例如，rbias)、用于高温电流补偿的一对pn二极管(例如，d1和d2)、公共栅极放大器(例如，m4)、被配置为用于公共栅极放大器的偏置设置的电流镜的一对晶体管(例如，m5和m6)、被配置为公共栅极偏置设置电路的晶体管(例如，m3)、被配置为用于电流镜失配减少的一对电阻器(例如，r3和r4)、以及感测增益调整电阻器(例如，r5)。在示例中，偏置电压vg1可以由vgs(m5)+vgs(m4)-vgs(m8)来生成，其中vgs(x)是相应晶体管的栅极-源极过驱动电压。偏置电压vg1响应于电源电压vdd而通常取决于电阻器rbias所生成的参考偏置电流。在一些实施例中，可以通过一对设备(例如，晶体管m7和m8)来实现待机模式，该一对设备可以被配置为停止参考偏置电流并且将偏置电压vg1设置为电路接地电位。在示例中，本文中所描述的所有晶体管可以使用phemt技术来实现。

本发明的实施例还可以通过以下方式来实现：制备asic(专用集成电路)、平台asic、fpga(现场可编程门阵列)、pld(可编程逻辑器件)、cpld(复杂可编程逻辑器件)、门海(sea-of-gates)、rfic(射频集成电路)、assp(专用标准产品)、一个或多个单片微波集成电路(mmic)、被布置为倒装芯片模块和/或多芯片模块的一个或多个芯片或裸片、和/或通过将常规组件电路的适当网络进行互连，如本文所描述的(它们的修改对于本领域技术人员将是显而易见的)。

术语“可以”和“通常”当在本文中与“是”和动词结合使用时意在传达以下意图：说明书是示例性的，并且被认为足够广泛以涵盖本公开中所提出的具体示例以及可以基于本公开内容来得出的备选示例。如本文中所使用的术语“可以”和“通常”不应被解释为必然暗示省略对应元件的希望或可能性。

虽然已经参考本发明的实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对形式和细节做出各种改变。