專利名稱：用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的偏置裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管(FET)偏置裝置。本發(fā)明尤其涉及射頻功率放大器，該放大器利用用于一個(gè)低的單端的電壓與高功率的需要結(jié)合的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管(FET)具有負(fù)的閾值或夾斷電壓。這意味著如果晶體管的源極在0V，柵極電壓必須低于0V以便關(guān)閉晶體管。傳統(tǒng)的交流功率放大器電路結(jié)構(gòu)如

圖1所示。在這種裝置中，F(xiàn)ET100的柵極端G穿過(guò)隔直電容器110耦合到一個(gè)輸入，以及通過(guò)一個(gè)電阻器120耦合到負(fù)的電源電壓Vneg。FET源極端S接地，漏極端D通過(guò)電感器130(RF扼流)耦合到電源電壓Vdd以及通過(guò)一個(gè)電阻器140和另一個(gè)隔直電容器150耦合到一個(gè)輸出。這個(gè)裝置的輸出功率受FET110的柵極電壓的控制。當(dāng)柵極G的電壓等于源極S的電壓時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)柵極是地時(shí)，F(xiàn)ET是“ON”。為將FET轉(zhuǎn)換至“OFF”，柵極必須被拉至比電源S更負(fù)的一個(gè)特定的量，所需的電壓差取決于所使用的FET的類型。如果負(fù)電壓電源不可用，放大器能僅僅通過(guò)關(guān)閉正極電源電壓Vdd來(lái)關(guān)閉。實(shí)際上，經(jīng)常使用一個(gè)由P溝道MOSFET構(gòu)成的開(kāi)關(guān)來(lái)完成這一點(diǎn)。
不使用負(fù)電源電壓來(lái)對(duì)FET加偏置電壓的進(jìn)一步的方法是提高電源電壓。這種裝置如圖2所示。在這種電路中，F(xiàn)ET100的柵極端G通過(guò)電阻器R2 120接地，源極端也通過(guò)電阻器R1 160接地。旁路電容器170與源電阻器R1 160并聯(lián)。電阻器R1 160被適合地選擇以便在所希望的低的柵極電壓下關(guān)閉FET。
該裝置在當(dāng)需要高的輸出功率而相對(duì)低的電源電壓Vdd可用的情況下就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。GSM移動(dòng)電話就是一個(gè)例子。在GSM中，移動(dòng)電話中的功率放大器具有一個(gè)典型的3V的電源電壓但要求提供大約3W的輸出功率。因此，由下一級(jí)所看到的FET100的輸出阻抗是很低的，即只有幾歐姆數(shù)量級(jí)。由于這個(gè)原因提供了一個(gè)阻抗匹配級(jí)，如圖2所示，由第一端連接至FET漏極D和第二端連接到輸出隔直電容器150的電感器180，以及連接該電感器第二端并接地的電容器190組成。然而，另一個(gè)、更多的問(wèn)題是，低電源電壓和需的高的輸出功率導(dǎo)致的后果是在晶體管中的高電流。例如，在GSM中，3A的峰值電流是很普遍的。為使旁路電容器170在降低這些電流方面起作用，它就必須很大。例如，在晶體管中具有3A的峰值電流，就需要大約15nF的電容。在芯片上這種電容器很難實(shí)現(xiàn)。應(yīng)注意的是對(duì)于應(yīng)用射頻(RF)和特定微波，電容器170通常不得不很大，不管電阻器160的值如何。在這些頻率，電阻器160將具有一個(gè)明顯的串聯(lián)電感。因此即使電阻被設(shè)置為1歐姆的一小部分，為在芯片上實(shí)施也不允許旁路電容器太大。
因此本發(fā)明的目的是提供一種能克服與現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造有關(guān)的問(wèn)題的放大器裝置。
本發(fā)明進(jìn)一步的特定的目的是提供一種適用于使用低的、單端電源和RF用途的放大器裝置。優(yōu)選地，該裝置也容易在芯片上實(shí)施。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的上面的目的是在包括FET的功率放大器中實(shí)現(xiàn)的，該FET的輸入耦合到柵極接線端和輸出通過(guò)連接在漏極端和地之間的阻抗匹配級(jí)耦合到漏極端。由旁路電容并聯(lián)的源偏置元件將源極端耦合到地，根據(jù)本發(fā)明，在晶體管源極和阻抗匹配極之間提供公共端以及該公共端通過(guò)源偏置元件接地。
通過(guò)在晶體管源極和阻抗匹配元件之間提供公共端，源極端看進(jìn)去的阻抗通過(guò)阻抗匹配元件被有效的限定。通過(guò)源極旁路電容器元件的峰值電流因此能顯著地降低，特別能降低到允許電容器在一個(gè)更能控制的大小上以及能在芯片上實(shí)施。
源偏置元件也可是一個(gè)電阻器，選擇被用來(lái)改變晶體管的柵—源電壓，因此能關(guān)閉晶體管。
本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，源偏置元件是第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管，最好是MOSFET，作為電壓控制的電阻器工作。除偏置功率放大器之外，第二FET也能用作調(diào)整功率放大器。特別是通過(guò)改變第二FET的柵極電壓來(lái)控制通過(guò)功率放大器的電流。
在優(yōu)選的裝置中，第二FET用作直流至直流的轉(zhuǎn)換器，至少用于放大器的低的輸出功率，其中它能被轉(zhuǎn)換且它的電壓可被濾波。通過(guò)這種方法，這種裝置的性能能很大地提高。因?yàn)閱我坏牡诙﨔ET在高輸出功率時(shí)用作電壓控制電阻器和低輸出功率時(shí)用作開(kāi)關(guān)，該解決辦法從費(fèi)用上講也劃算。
根據(jù)本發(fā)明，放大器裝置優(yōu)選被包括于至少用作移動(dòng)電話的功率放大器的一級(jí)。
本發(fā)明也涉及結(jié)合有上述所述的功率放大器的移動(dòng)電話。
附圖的簡(jiǎn)單描述本發(fā)明的進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)以下參照附圖所給出的優(yōu)選實(shí)施例的描述而變得清楚。
圖1示出了具有正極和負(fù)極的電源電壓的偏置FET功率放大器電路的傳統(tǒng)裝置；圖2示出具有使用源電阻器偏置FET的單端電源的RF FET功率放大器的電路裝置；圖3示出用于根據(jù)本發(fā)明的RF FET功率放大器電路的偏置裝置；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的偏置裝置的進(jìn)一步的實(shí)施例，也能用作調(diào)整功率放大器的裝置，以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明包括一個(gè)變壓器的偏置裝置的可選擇的實(shí)施例。
附圖的詳細(xì)說(shuō)明在圖1和圖2中的電路已經(jīng)在引言中描述過(guò)，因此沒(méi)有必要再進(jìn)一步討論這些裝置。
圖3示出了功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，功率放大器指定用于GSM移動(dòng)電話。在這種移動(dòng)電話中，大約3V的單端電源電壓(Vdd)用來(lái)為電路供電。功率放大器電路包括一個(gè)具有柵極G、源極S和漏極D的耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)10。應(yīng)用FET10的例子是GaAs MESFET，由于它的高的截止頻率特別適合用于GSM中大約900Mhz的高信號(hào)頻率。然而，應(yīng)當(dāng)理解這種電路裝置對(duì)于其他的耗盡型FET也可具有相同的效果。對(duì)功率放大器來(lái)說(shuō)柵極通過(guò)隔直電容器連接到輸入Pin上。在圖例中假定至少一級(jí)在先于功率放大器。柵極另外通過(guò)一個(gè)連接在柵極端和地之間的電阻器30偏置。漏極端通過(guò)一個(gè)電感器(RF扼流)40連接到正極電壓電源Vdd。它也通過(guò)一個(gè)隔直電容器50和另外的電感器60連接到輸出端Pout。電感器60形成阻抗匹配級(jí)的一部分，其余的部分是通過(guò)一端連接在電感器60和隔直電容器50之間和另一端連接在公共端A上的電容器70形組成。FET源極也連接到公共端A。從公共端A有兩條通路接地?；旧?，有通過(guò)兩個(gè)電容器80和81為高頻率元件提供的交流通路和通過(guò)電阻器90提供的直流通路。
正如在引言中參照附圖2所描述的，阻抗匹配級(jí)有必要耦合很低的FET10的輸出阻抗到下一級(jí)。從輸出端Pout觀察其打算模擬50歐姆傳輸線。FET10的低輸出阻抗由低的電源電壓Vdd和高的輸出電源需求而導(dǎo)致。FET的輸出阻抗為大約幾歐姆的數(shù)量級(jí)。通過(guò)在晶體管10的源極和匹配元件60，70之間提供公共端A，從電容器80和81所看到的源極端的阻抗遠(yuǎn)高于如圖2所示的當(dāng)匹配元件接地時(shí)的阻抗。如果圖2的裝置用于GSM移動(dòng)電話的功率放大器，源極的阻抗將遠(yuǎn)低于1歐姆。相反，在圖3的裝置中，從旁路電容器80看時(shí)源極端的阻抗是由匹配元件決定的。換句話說(shuō)，電容器80看見(jiàn)一個(gè)50歐姆的傳輸線。實(shí)際上，為FET10放大器和匹配元件60，70提供的公共端A將偏置電阻器90轉(zhuǎn)移到高阻抗部分的右邊。用虛線Z表示電路高的和低的阻抗區(qū)域的分界面。電容器81也位于高阻抗一邊。作為在FET10源極的輸出阻抗的有效增加的結(jié)果，通過(guò)電容器80和81傳輸?shù)姆逯惦娏鞅葓D2所示的電路更好控制。因此電容器可以尺寸更小和具體地，也就是容易在芯片上實(shí)施。
對(duì)一個(gè)GSM應(yīng)用，該元件的典型值如下所述用于匹配元件60，70的12pF的電容和2nH的電感，30pF的值用于剩下的電容器，也就是輸入和輸出隔直電容器20，50以及兩個(gè)旁路電容器80，81。
應(yīng)注意的是第二旁路電容器81是作為高頻率應(yīng)用的預(yù)防措施，在此，晶體管10的物理尺寸最好是接地的第二連接。然而，應(yīng)當(dāng)理解旁路功能能通過(guò)一個(gè)單一電容器充分實(shí)施。
如圖3所示的裝置，F(xiàn)ET功率放大器10的柵極—源極電壓能通過(guò)改變?cè)礃O偏置電阻器90的阻抗來(lái)改變?？蛇x擇的是，電阻器能通過(guò)將柵極偏置電阻器30的電位設(shè)置成與源極端相同來(lái)改變到MESFET 10的漏極—源極電壓。例如，如果相位必須保持恒定，這種裝置也許會(huì)受到關(guān)注。
如圖4所示的本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例。該電路與圖3所示的非常相似，因此，相同的部件使用相同的參考數(shù)字。兩個(gè)電路唯一的不同是源極直流偏置電阻器在圖4中是用一個(gè)n溝道MOSFET91替換的。晶體管91在它的輸出特征的線性區(qū)域工作，于是作為一個(gè)電壓控制的電阻器，具有由柵極電壓Vapc控制的公共端A和地之間的電阻。改變MOSFET91的柵極電壓Vapc就可改變通過(guò)功率放大器的電流。
在這種構(gòu)造中，MOSFET91不僅需要用于對(duì)功率放大器進(jìn)行偏置而且還需要用于對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。于是輸出功率Pout是通過(guò)控制MOSFET91的柵極電壓Vapc而不是靠調(diào)整FET10的柵極電壓來(lái)控制的。當(dāng)這種裝置在低輸出功率導(dǎo)致一些漏極—源極電壓的損失，這對(duì)于具有一個(gè)恒定負(fù)載的應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不重要，在此不再需要柵極受控調(diào)整獲得的額外的電壓。
然而，漏極—源極電壓的損失能通過(guò)轉(zhuǎn)換MOSFET91和過(guò)濾其電壓來(lái)避免，實(shí)際上是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)直流到直流的轉(zhuǎn)換器。一個(gè)特別劃算的方法是在高輸出功率時(shí)將MOSFET91作為一個(gè)電壓控制的電阻器而在低輸出功率時(shí)作為一個(gè)開(kāi)關(guān)使用。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)用另一種直流到直流轉(zhuǎn)換器的形式來(lái)代替MOSFET91也是很顯然的。
圖5示出了圖3所示的裝置的進(jìn)一步的實(shí)施例。相同的部件也使用相同的參考數(shù)字。該電路與圖3不同的是阻抗匹配級(jí)是由一個(gè)變壓器61組成。需特別說(shuō)明的是，變壓器61包括兩個(gè)線圈。第一個(gè)線圈通過(guò)一個(gè)隔直電容器62連接到FET10的漏極端和公共端A。第二個(gè)線圈連接在輸出隔直電容器50和公共端A之間。變壓器的阻抗匹配特性在本領(lǐng)域是公知的，這里不再詳細(xì)講述。需詳細(xì)說(shuō)明的是在如圖5所給出的結(jié)構(gòu)中，由在公共端A上的電容器80或者FET10的源極能察覺(jué)的阻抗是由變壓器61來(lái)限定的。對(duì)如圖3和4所示的裝置，GSM應(yīng)用的阻抗最好是50歐姆數(shù)量級(jí)。
顯而易見(jiàn)，圖5的偏置電阻器90能由FET開(kāi)關(guān)，最好用一個(gè)n溝道MOSFET91替代，以創(chuàng)建一個(gè)如圖4所示的相似的電路。
如圖3至5所示的放大器電路能象講述的那樣使用對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很好理解且可以應(yīng)用的，或在多級(jí)功率放大器中合并為單級(jí)，例如用于移動(dòng)電話。
權(quán)利要求
1.一種放大器，包括一個(gè)具有柵極，源極和漏極端的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(10)，一個(gè)耦合到柵極端的輸入(Pin)和通過(guò)一個(gè)連接在漏極端和地之間的阻抗匹配級(jí)(60，70)耦合到所述的漏極端的輸出(Pout)，其特征在于將源極端耦合到地的源極偏置裝置(90，91)，在源極端和阻抗匹配級(jí)(60，70)之間提供的公共端(A)，其中所述的公共端通過(guò)源極偏置裝置(90，91)接地。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于所述的源極偏置裝置與旁路電容器(80，81)并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的放大器，其特征在于所述的阻抗匹配級(jí)包括耦合在所述的漏極端和輸出(Pout)之間的電感(60)以及一個(gè)耦合在所述的輸出和公共端(A)之間的第二電容器(70)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的放大器，其特征在于所述的阻抗匹配級(jí)包括一個(gè)具有耦合在漏極端和公共端(A)之間的第一線圈和連接在輸出(Pout)和公共端(A)之間的第二線圈的變壓器(61)。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的放大器，其特征在于所述的柵極偏置裝置包括一個(gè)電阻(30)。
6.如上述任一權(quán)利要求所述的放大器，其特征在于所述的源極偏置裝置包括一個(gè)電阻(90)。
7.如權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)所述的放大器，其特征在于所述的源極偏置裝置是一個(gè)直流到直流的轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求1-5以及7中所述的放大器，其特征在于所述的源極偏置裝置包括一個(gè)第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管(91)。
9.如權(quán)利要求8所述的放大器，其特征在于所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管(91)被轉(zhuǎn)換至少用于低的放大器功率。
10.如權(quán)利要求8或9所述的放大器，其特征在于所述的第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一個(gè)MOSFET。
11.一個(gè)用于移動(dòng)電話的功率放大器，其特征在于包括至少一個(gè)如上所述的任何一個(gè)權(quán)利要求的所述的放大器級(jí)。
12.一種移動(dòng)電話，其特征在于包括一個(gè)如權(quán)利要求1至10所述的功率放大器。
全文摘要
一種功率放大器,用于具有一個(gè)低的單端電源電壓和一個(gè)高需求輸出功率的應(yīng)用。所述放大器包括柵極耦合到輸入(Pin)和漏極通過(guò)一個(gè)阻抗匹配級(jí)(60,70)耦合到輸出(Pin)的一個(gè)FET(10)。晶體管柵極由一個(gè)阻抗(30)來(lái)偏置以及一個(gè)源極偏置元件(90,91)與旁路電容器(80,81)并聯(lián)并將源極耦合接地。在晶體管源極和阻抗匹配級(jí)之間提供一個(gè)公共端(A),并通過(guò)源極偏置元件接地。這對(duì)提高通過(guò)旁路電容器察覺(jué)的源極的阻抗有效果。能顯著的降低經(jīng)過(guò)源極旁路電容器元件的峰值電流,特別是降低到允許能更好控制電容器的尺寸以及能在芯片上實(shí)施。
文檔編號(hào)H03F3/19GK1346537SQ0080614
公開(kāi)日2002年4月24日 申請(qǐng)日期2000年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月13日
發(fā)明者P·O·M·布蘭德特 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司