專利名稱：射頻放大器電路及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種適用于通信系統(tǒng)的射頻放大器，特別是有關(guān)于一種適用于通信系統(tǒng)的射頻放大器用以偏置增壓(bias boosting)的方法與裝置。
背景技術(shù)：
射頻放大器在通信系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。為了達(dá)到較好的功率附加效率(power-added efficiency，PAE)，線性射頻放大器通常會(huì)偏向AB類操作(class AB operation)。偏向AB類模式的射頻放大器通常會(huì)使用于高頻放大率的情況下。一般而言，對(duì)于傳統(tǒng)偏置AB類放大器而言，平均偏置供應(yīng)電流(bias supply current)是隨著射頻輸入功率而增加。平均電流持續(xù)的增加也會(huì)導(dǎo)致偏壓電路(bias circuit)中電阻元件(resistive component)的壓降增加。橫跨于電阻元件的壓降增加會(huì)依次降低橫跨于放大晶體管的順向偏置PN接面的平均壓降，并且將放大器推向B類甚至是C類操作而導(dǎo)致放大晶體管的輸出功率變?yōu)轱柡颓逸敵鲂盘?hào)漸漸變?yōu)榉蔷€性。當(dāng)射頻放大器的輸入功率增加時(shí)，這樣的現(xiàn)象會(huì)更為明顯。
當(dāng)放大器操作于飽和或是接近飽和的狀態(tài)時(shí)，為了改善高輸出功率電平處的線性關(guān)系，在操作于飽和或接近飽和狀態(tài)的期間，放大晶體管的偏壓必須通過額外的電流而增壓?，F(xiàn)有技術(shù)是通過串聯(lián)電流鏡電路、經(jīng)過修改的威爾森(Wilson)電流鏡電路以及具有電容的堆棧二極管電路的一個(gè)而提供適用于射頻放大晶體管的偏置增壓。由于射頻電路與偏壓電路之間需要隔離電阻，因此串聯(lián)電流鏡電路以及經(jīng)過修改的威爾森電流鏡電路的偏置機(jī)制需要額外的電阻才能精確地控制放大晶體管中的靜態(tài)電流(quiescent current)。由于堆棧二極管電路不會(huì)形成電流鏡電路，因此要充分地控制具有電容的堆棧二極管電路的靜態(tài)電流具有較高的難度。
因此，期望提出一種射頻放大器來克服現(xiàn)行射頻放大器的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)。因此，需要一種用以操作具有自我偏置增壓的放大晶體管的射頻放大器的方法與裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是揭露一種方法與裝置，適用于具有自我偏置增壓功率晶體管的射頻放大器，射頻放大器可以被設(shè)定為偏向AB類操作，例如應(yīng)用于碼分多址。在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，射頻放大器是根據(jù)復(fù)數(shù)個(gè)電流鏡而控制射頻放大器的功率晶體管中的靜態(tài)電流。
因此，本發(fā)明是提供一種用以放大輸入信號(hào)的射頻放大器，包括具有功率晶體管的放大晶體管電路、具有復(fù)數(shù)個(gè)電流鏡電路以及放電晶體管的直流偏壓電路，其中放電晶體管與功率晶體管是形成用以控制功率晶體管的靜態(tài)電流的組合電流鏡。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，組合電流鏡包括來自放大晶體管電路的第一電阻以及來自直流偏壓電路的第二電阻。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，直流偏壓電路包括用以提供偏壓電流的電流源以及通過第一電阻耦接至功率晶體管的控制節(jié)點(diǎn)的輸出節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，功率晶體管為共射極晶體管且控制節(jié)點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于功率晶體管的基極節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明另提供一種放大器電路，適用于放大一輸入信號(hào)，該放大器電路包括一放大晶體管電路，具有一功率晶體管；以及一直流偏壓電路，具有復(fù)數(shù)個(gè)電流鏡電路以及一放電晶體管，其中上述放電晶體管以及上述功率晶體管形成一組合電流鏡。
另外，本發(fā)明還提供一種放大器電路，適用于放大一輸入信號(hào)，該放大器電路包括一放大晶體管電路，具有一功率晶體管；以及一直流偏壓電路，具有至少一電流鏡電路以及一放電晶體管，通過設(shè)定上述放電晶體管可自我偏置上述放大晶體管電路，其中上述放電晶體管以及上述功率晶體管形成一組合電流鏡電路。
本發(fā)明的偏壓電路可作為串聯(lián)電流鏡、傳統(tǒng)電流鏡或是上述兩者的組合，因此，本發(fā)明具有適用于特定設(shè)計(jì)需求的彈性。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的具有自我偏置增壓的功率放大器。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的具有自我偏置增壓的經(jīng)過修改的威爾森電流鏡的功率放大器。
主要組件符號(hào)說明10、20～功率放大器電路 12～放大晶體管電路14～直流偏壓電路C0、C1、C2～電容L0～電感R0、R1～電阻Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5～晶體管Ibias～電流源 Input～輸入節(jié)點(diǎn)Output～輸出節(jié)點(diǎn)VCC～供應(yīng)電壓GND接地點(diǎn)具體實(shí)施方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。
實(shí)施例本發(fā)明是提供一種適用于輸出放大晶體管電路的自我偏置增壓的方法與裝置，其中上述輸出放大晶體管電路具有經(jīng)過修改的電流鏡電路。一般來說，本發(fā)明的射頻放大器裝置包括放大晶體管電路以及直流偏壓電路(dcbias circuit)。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，直流偏壓電路包括用以對(duì)輸出功率晶體管施加偏壓的具有電流增益的雙電流鏡。
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例所述的功率放大器電路10。本發(fā)明的射頻放大器電路通常包括放大晶體管電路12以及直流偏壓電路14。直流偏壓電路14包括經(jīng)過修正的電流鏡，作為放大晶體管電路12的自我偏置增壓電路。經(jīng)過修正的電流鏡是提供雙電流鏡，包括一傳統(tǒng)電流鏡以及一串聯(lián)電流鏡。功率晶體管Q0為一共射極(common-emitter)晶體管，其中射極耦接至作為共同端子的接地點(diǎn)GND。功率晶體管Q0的集極節(jié)點(diǎn)(collectornode)是提供一通過拉高電感L0電性連接至供應(yīng)電壓Vcc的輸出節(jié)點(diǎn)Output。射頻輸入功率是通過交流耦合電容(AC coupling capacitor)C0供應(yīng)至晶體管Q0的基極，并且提供一輸入節(jié)點(diǎn)Input或是控制端節(jié)點(diǎn)至放大晶體管電路12。
直流偏壓電路14包括串接于Vcc與共同端子GND之間的雙極晶體管(bipolar transistor)Q2與Q3，以及耦接于晶體管Q2的基極節(jié)點(diǎn)與共同端子之間的放電雙極晶體管Q1，其具有電阻R1，用以提供偏壓電路14的偏壓電路輸出節(jié)點(diǎn)，上述電阻R1耦接于晶體管Q1的基極節(jié)點(diǎn)與晶體管Q2、Q3的共同點(diǎn)之間。偏壓電容C1耦接于偏壓電路輸出節(jié)點(diǎn)與共同端子之間。功率晶體管Q0的基極節(jié)點(diǎn)通過電阻R0而耦接至偏壓電路輸出節(jié)點(diǎn)。晶體管Q5的集極節(jié)點(diǎn)以及基極節(jié)點(diǎn)耦接至放電晶體管Q1的集極節(jié)點(diǎn)，并且通過電容C2耦接至共同端子。晶體管Q4的集極節(jié)點(diǎn)以及基極節(jié)點(diǎn)耦接至晶體管Q3的基極節(jié)點(diǎn)，而晶體管Q4的射極節(jié)點(diǎn)與晶體管Q3的射極節(jié)點(diǎn)共同耦接。電流源Ibias耦接至晶體管Q5、Q1、Q2以及C2的共同點(diǎn)并且控制偏壓級(jí)(bias stage)的輸出驅(qū)動(dòng)電流以及功率晶體管Q0的靜態(tài)電流。
分析直流偏壓電路14，晶體管Q1、Q2與功率晶體管Q0以及電阻R0、R1共同形成一組合(combined)電流鏡電路。晶體管Q3、Q4以及Q5是用以修改電流鏡電路。在傳統(tǒng)電流鏡電路中，晶體管Q2的射極電流為晶體管Q0與Q1的基極電流的總和，通常是非常的微小的。在本發(fā)明的經(jīng)過修改的電流鏡電路中，晶體管Q2的射極電流可以非常的大，其為用以提供適用于功率晶體管Q0的偏置增壓的偏壓。另一方面(Viewd alternatively)，晶體管Q2、Q3、Q4以及Q5也可以形成串聯(lián)電流鏡電路。放電晶體管Q1是在射頻操作期間提供適用于基極-射極接面處的電荷的低阻抗釋放路徑。電容C1、C2為旁路電容(bypass capacitor)。然而，C1可以作為偏壓電容而用來調(diào)整功率晶體管Q0的偏置增壓。功率晶體管Q0的集極節(jié)點(diǎn)是通過拉高電感L0而電性連接至供應(yīng)電壓的輸出節(jié)點(diǎn)。射頻輸入端是通過耦合電容C0而將信號(hào)提供至功率晶體管Q0的基極，耦合電容C0為驅(qū)動(dòng)級(jí)(未圖標(biāo))的部分匹配電路(matching circuit)。
當(dāng)射頻輸入信號(hào)的頻率增加時(shí)，晶體管Q2是作為開關(guān)而為導(dǎo)通或不導(dǎo)通。例如，當(dāng)晶體管Q0的基極節(jié)點(diǎn)處所接收的射頻信號(hào)為正振幅(positiveswing)時(shí)，由于射頻信號(hào)的正振幅會(huì)引起晶體管Q2的基極-射極電壓小于導(dǎo)通電壓，因此晶體管Q2將會(huì)進(jìn)入不導(dǎo)通狀態(tài)。
相反的，當(dāng)晶體管Q0的基極節(jié)點(diǎn)處所接收的射頻信號(hào)為負(fù)振幅時(shí)，由于射頻信號(hào)的負(fù)振幅會(huì)引起晶體管Q3的集極-射極電壓在正常操作的情況下為較小，因此晶體管Q3將會(huì)具有較差的導(dǎo)電性或是不導(dǎo)通。在射頻信號(hào)的正振幅期間，當(dāng)晶體管Q2為不導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于晶體管Q0的基極節(jié)點(diǎn)處的射頻電位大于晶體管Q1的基極處以及晶體管Q3的集極處的射頻電位，因此晶體管Q1與Q3將會(huì)使功率晶體管Q0放電。相反的，當(dāng)晶體管Q2為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，晶體管Q2會(huì)對(duì)晶體管Q0、Q1以及Q3充電。當(dāng)功率晶體管Q0的充電速率大于放電速率時(shí)，橫跨于晶體管Q0的順向偏置PN接面的平均電壓會(huì)增加，因而達(dá)到功率晶體管Q0的自我偏置增壓。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，具有晶體管Q0、Q1以及Q2的電流鏡電路會(huì)被設(shè)定，如此一來電流源Ibias即可控制功率晶體管Q0中的靜態(tài)電流。因此，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整晶體管射極區(qū)以及電阻會(huì)使功率晶體管Q0中的靜態(tài)電流恰好正比于Ibias的值。本發(fā)明實(shí)施例是提供比例為48比1的Q0比Q1，比例為6比1的Q2與Q3比Q1，以及比例為1比1的Q4與Q5比Q1。
偏壓電路14是提供放電晶體管Q1對(duì)功率晶體管Q0放電的主要優(yōu)點(diǎn)。偏壓電路14的設(shè)定即為如此，因此晶體管Q3的集極節(jié)點(diǎn)具有較晶體管Q1的基極以及電阻R1更高的阻抗。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所述的功率放大器電路10可能不需要從偏壓電容C1來調(diào)整偏置增壓。
改變偏壓電容C1的值通?？捎靡哉{(diào)整充放電速率而提供可達(dá)到最佳輸出功率、增益、功率附加效率以及線性的期望偏置增壓。使用離線(off-chip)表面接著元件(surface mount component)為常見用以實(shí)現(xiàn)C1的方法，其是可彈性地改變C1的值。然而，其它方法包括使用芯片電容(on-chip capacitor)也可提供與外部表面接著元件同樣的效果。
為了達(dá)到較高的功率附加效率，線性功率放大器通常會(huì)偏向AB類操作，其中功率放大器具有大于180度的導(dǎo)電角(conduction angle)。對(duì)放大器來說，線性以及功率附加效率是兩種相斥的必要條件(requirement)。線性與功率附加效率之間的取舍是適用于一組既定的放大器規(guī)格(a givent set ofspecfication for the amplifier)。一般來說，在特定的線性條件下會(huì)選擇較好的功率附加效率，例如在通常需要控制放大器的靜態(tài)電流的碼分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA)的應(yīng)用中，相鄰頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)的線性需求。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例所述的直流偏壓電路14。在圖1以及圖2中，參考標(biāo)號(hào)是用以使圖式的定義更明顯易懂。在圖2中與上述圖1所描述的功率放大器電路相同的部分電路將不再詳細(xì)的描述。因此，圖2是顯示功率放大器電路20。
不同于圖1的是，圖1中由串聯(lián)晶體管Q2與Q5所形成的電流鏡電路在圖2中是以經(jīng)過修改的威爾森電流鏡電路來取代。必須注意的是，Ibias是電性連接至晶體管Q2的集極與基極節(jié)點(diǎn)以及晶體管Q5的基極節(jié)點(diǎn)。晶體管Q5的集極節(jié)點(diǎn)耦接至Vcc。圖2的實(shí)施例的操作與圖1的實(shí)施例的操作相同，并且顯示電流鏡電路的對(duì)稱性。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)設(shè)置于電流源Ibias以及Q1與Q5的集極(如圖1)之間或是Q1與Q2的集極(如圖2)之間時(shí)，圖1與圖2中偏壓電路的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)為電路可作為(work as)串聯(lián)電流鏡、傳統(tǒng)電流鏡或是上述兩者的組合。因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為具有適用于特定設(shè)計(jì)需求的彈性。一般IC工藝即可制造開關(guān)。
必須注意的是，雖然本發(fā)明實(shí)施例所示的電路中的主動(dòng)元件是顯示為雙極晶體管，然而在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，電路中的主動(dòng)元件也可以場(chǎng)效晶體管(field effective transistor，F(xiàn)ET)或是雙極晶體管與場(chǎng)效晶體管的組合來取代。再者，在圖1與圖2中所示的功率放大器電路12與偏壓電路14在形式上可有所不同。此外，可以設(shè)定或調(diào)整偏置增壓電路使得功率放大器電路操作于B類或是AB類模式。
本發(fā)明雖以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟習(xí)此項(xiàng)技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種放大器電路，適用于放大一輸入信號(hào)，其特征在于，該放大器電路包括一放大晶體管電路，具有一功率晶體管；以及一直流偏壓電路，具有復(fù)數(shù)個(gè)電流鏡電路以及一放電晶體管，其中上述放電晶體管以及上述功率晶體管形成一組合電流鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的放大器電路，其特征在于，上述組合電流鏡包括來自上述放大晶體管電路的一第一電阻，以及來自上述直流偏壓電路的一第二電阻。
3.如權(quán)利要求2所述的放大器電路，其特征在于，上述直流偏壓電路包括一電流源，通過設(shè)定該電流源來提供偏置電流；以及一輸出節(jié)點(diǎn)，通過上述第一電阻而耦接至上述功率晶體管的一控制節(jié)點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的放大器電路，其特征在于，上述功率晶體管為一共射極晶體管且上述控制節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于上述功率晶體管的一基極節(jié)點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求3所述的放大器電路，其特征在于，上述直流偏壓電路包括一第一鏡像晶體管對(duì)，具有一第一晶體管以及一第二晶體管；以及一第二鏡像晶體管對(duì)，具有一第三晶體管以及一第四晶體管，其中上述電流源耦接至上述第一晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)與一基極節(jié)點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的放大器電路，其特征在于上述第一晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第三晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)與一基極節(jié)點(diǎn)；以及上述第二晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第四晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)以提供上述輸出節(jié)點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求6所述的放大器電路，其特征在于，該放大器電路還包括一偏壓電容，耦接于上述輸出節(jié)點(diǎn)與一共同接地點(diǎn)之間，通過設(shè)定上述偏壓電容可調(diào)整上述功率晶體管的偏置增壓。
8.如權(quán)利要求6所述的放大器電路，其特征在于上述放電晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第一鏡像晶體管對(duì)的復(fù)數(shù)個(gè)基極節(jié)點(diǎn)；以及上述放電晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至一共同接地點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求8所述的放大器電路，其特征在于，上述輸出節(jié)點(diǎn)為上述第二晶體管與第四晶體管的一共同接面，上述第二晶體管被設(shè)定通過上述第一電阻以一充電速率對(duì)上述功率晶體管充電，而上述第四晶體管以及上述放電晶體管被設(shè)定通過上述第一電阻以一放電速率對(duì)上述功率晶體管放電，其中上述放電速率小于上述充電速率。
10.如權(quán)利要求1所述的放大器電路，其特征在于，上述電流鏡電路包括經(jīng)過修正的一威爾森電流鏡。
11.一種放大器電路，適用于放大一輸入信號(hào)，其特征在于，該放大器電路包括一放大晶體管電路，具有一功率晶體管；以及一直流偏壓電路，具有至少一電流鏡電路以及一放電晶體管，通過設(shè)定上述放電晶體管可自我偏置上述放大晶體管電路，其中上述放電晶體管以及上述功率晶體管形成一組合電流鏡電路。
12.如權(quán)利要求11所述的放大器電路，其特征在于，上述電流鏡電路包括經(jīng)過修正的一威爾森電流鏡。
13.如權(quán)利要求11所述的放大器電路，其特征在于，上述直流偏壓電路包括一第一鏡像晶體管對(duì)，具有一第一晶體管以及一第二晶體管；一第二鏡像晶體管對(duì)，具有一第三晶體管以及一第四晶體管；以及一電流源，耦接至上述第二晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)與一基極節(jié)點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求13所述的放大器電路，其特征在于上述第一晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第三晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)與一基極節(jié)點(diǎn)；上述第二晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第四晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)；上述放電晶體管的一集極節(jié)點(diǎn)耦接至上述第一鏡像晶體管對(duì)的復(fù)數(shù)個(gè)基極節(jié)點(diǎn)；以及上述放電晶體管的一射極節(jié)點(diǎn)耦接至一共同接地點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求14所述的放大器電路，其特征在于，上述第二晶體管與上述第四晶體管的一共同接面包括一輸出節(jié)點(diǎn)，上述第二晶體管被設(shè)定以一充電速率對(duì)上述功率晶體管充電，而上述第四晶體管與上述放電晶體管被設(shè)定以一放電速率對(duì)上述功率晶體管放電，其中上述放電速率小于上述充電速率。
16.一種放大器操作方法，適用于放大一輸入功率，具有一放大晶體管電路，上述放大晶體管電路包括一功率晶體管以及具有復(fù)數(shù)個(gè)晶體管的一自我增壓偏壓電路，其中上述放大晶體管電路的上述功率晶體管以及上述自我增壓偏壓電路的一晶體管形成一組合電流鏡電路，其特征在于，該方法包括當(dāng)上述輸入功率為一第一電平時(shí)，是以一充電速率對(duì)上述功率晶體管以及上述組合電流鏡電路充電；以及當(dāng)上述輸入功率為一第二電平時(shí)，是以一放電速率對(duì)上述功率晶體管以及上述組合電流鏡電路放電，其中當(dāng)上述輸入功率增加時(shí)，上述充電速率大于上述放電速率。
17.如權(quán)利要求16所述的放大器操作方法，其特征在于，該方法還包括在上述自我增壓偏壓電路中形成經(jīng)過修正的一威爾森電流鏡電路。
18.如權(quán)利要求16所述的放大器操作方法，其特征在于，該方法還包括在上述自我增壓偏壓電路中對(duì)上述功率晶體管以及一放電晶體管放電。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適用于放大輸入信號(hào)的射頻放大器電路及其操作方法。所述放大器電路包括具有功率晶體管的放大晶體管電路以及直流偏壓電路，其中上述直流偏壓電路具有復(fù)數(shù)個(gè)電流鏡電路以及放電晶體管，其中上述放電晶體管以及上述功率晶體管是形成用以控制上述功率晶體管中靜態(tài)電流的組合電流鏡電路。本發(fā)明的偏壓電路可作為串聯(lián)電流鏡、傳統(tǒng)電流鏡或是上述兩者的組合，因此，本發(fā)明具有適用于特定設(shè)計(jì)需求的彈性。
文檔編號(hào)H03K17/90GK1983802SQ20061016948
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者羅時(shí)峰, 范一平, 李虹宇, 趙介元 申請(qǐng)人:聯(lián)發(fā)科技股份有限公司