本申請要求2014年04月09日提交的美國非臨時申請No.14/248,971的優(yōu)先權(quán)，針對所有目的以整體內(nèi)容通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

本公開涉及電子電路和方法，并且具體地涉及放大器偏置電路和方法。

無線系統(tǒng)通常包括耦合到天線的發(fā)射器和接收器來發(fā)送和接收RF信號。一般，基帶系統(tǒng)生成包括編碼的信息(數(shù)據(jù))的數(shù)字信號，并且數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換成模擬信號以用于傳輸。模擬信號被處理并且通常被調(diào)制(上變頻)到RF載波頻率。在上變頻之后，RF信號經(jīng)過功率放大器被耦合到天線。功率放大器增加信號功率以便RF信號可以與遠(yuǎn)程系統(tǒng)(諸如，例如基站)通信。

無線系統(tǒng)需要能夠發(fā)射具有相當(dāng)范圍的瞬時和平均信號功率級的RF信號的功率放大器。一般，功率放大器被定尺寸和設(shè)計以便最優(yōu)的效率僅在最大瞬時輸出功率處，導(dǎo)致對于動態(tài)信號的效率的明顯的下降。因為，尋求提供在除最大瞬時輸出功率以外的輸出功率級處提供更高效率的先進(jìn)的架構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開包括用于偏置功率放大器的電路和方法。本公開包括用于功率放大器的電路和方法。在一個實(shí)施例中，功率放大器的主放大器級和峰值放大器級接收調(diào)制的電源電壓。峰值放大器級被動態(tài)偏置以調(diào)整峰值級的偏置來對電源電壓中的改變作補(bǔ)償。偏置電壓可以隨著峰值級上的電源電壓降低而增加，并且偏置電壓可以隨著峰值級上的電源電壓增加而降低。因此，峰值級的偏置特性跨電源電壓變壓變化被維持，并且功率放大器的效率被改善。

以下的詳細(xì)描述和附圖提供對本公開的性質(zhì)和優(yōu)勢的更好的理解。

附圖說明

圖1圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的功率放大器和偏置電路。

圖2圖示了隨著電源電壓變化的到峰值放大器的偏置電壓的示例。

圖3A圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的另一示例功率放大器和偏置電路。

圖3B圖示了針對不同的電源電壓的到峰值放大器的輸入信號。

圖4A-圖4D圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的示例功率放大器的性能曲線。

圖5圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的具有電源電壓調(diào)制和峰值放大器的動態(tài)偏置的功率放大器的仿真的效率。

圖6圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的操作功率放大器的過程。

具體實(shí)施方式

本公開涉及偏置功率放大器。在以下的描述中，為了解釋的目的，闡述了各種示例和具體細(xì)節(jié)以便提供本公開的透徹的理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是如在權(quán)利要求中表述的本公開可以包括單獨(dú)在這些示例中的一些或所有特征或者與下文描述的其他特征組合的一些或所有特征，并且可以進(jìn)一步包括本文描述的特征和概念的修改和等價物。

圖1圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的功率放大器和偏置電路。本公開的實(shí)施例包括功率放大器100，功率放大器100包括主(或載波)放大器級101和峰值(或輔助)放大器級102。峰值放大器級102的輸出通過阻抗逆變電路104(例如，可以被實(shí)施成四分之一波長傳輸線)被耦合到主放大器級101的輸出。峰值放大器級102的輸出被耦合到功率放大器100的輸出端子。在主放大器級101的輸入接收RF輸入信號Vi。功率放大器100可以是被配置成驅(qū)動天線(未示出)的射頻(RF)功率放大器。RF輸入信號Vi例如通過四分之一波長相移電路103還被耦合到峰值放大器級102的輸入。功率放大器100在輸出端子上產(chǎn)生可以被耦合到天線的輸出電壓Vo。

根據(jù)圖1的示例實(shí)施例可以包括多爾蒂(Doherty)放大器。多爾蒂放大器在寬輸出功率范圍上呈現(xiàn)高效率。例如，在一些實(shí)施例中，主放大器級可以是A類、AB類或B類放大器，并且峰值放大器級可以是C類、F類或另一開關(guān)模式功率放大器。當(dāng)接收低于某個閾值的小的輸入信號時，開關(guān)模式功率放大器通常關(guān)閉，并且僅當(dāng)接收足夠高的輸入驅(qū)動水平時才產(chǎn)生輸出。峰值放大器級可以針對小信號幅度關(guān)閉并且可以針對更大的信號幅度開啟。例如，主放大器可以被偏置成A類或AB類，并且峰值放大器可以被偏置在C類以便當(dāng)輸入功率高于閾值時峰值放大器開啟(例如，剛好在主放大器開始進(jìn)入到壓縮中之前)。例如，本公開的特征和優(yōu)勢包括用于偏置峰值放大器級的偏置電路來改善放大器的效率。

主放大器級101和峰值放大器級102分別包括耦合到調(diào)制電源電路106的電源端子110和111。向主放大器和峰值放大器的電源端子提供的電源電壓可以隨著時間改變以改善功率放大器的效率。因此，這種變化的電源電壓被稱為動態(tài)電源電壓，并且可以在不同的分立電壓水平之間改變或連續(xù)變化。在2013年11月11日提交的、發(fā)明人為Joonhoi Hur和Paul J.Draxler的美國專利申請No.14/088,321中描述了在功率放大器中使用的動態(tài)電源電路的示例，其內(nèi)容通過引用在此處并入本文。

例如，電源106可以基于一個或多個控制信號Vctrl改變到主放大器和峰值放大器中的一個或兩個的電源電壓。如在圖1中圖示的，可以在諸如預(yù)失真塊的預(yù)處理塊105中接收輸入信號Si，并且控制信號Vctrl可以基于待被發(fā)射的信號(例如，Vo)的特性改變向主放大器和峰值放大器中的一個或兩個提供的電源電壓來改善放大器的效率。

本公開的實(shí)施例改善由動態(tài)電源驅(qū)動的峰值放大器級102的偏置。例如，主放大器101可以被偏置電路112偏置并且峰值放大器102可以被偏置電路113偏置。在該示例中，電源端子111被耦合到偏置電路113的輸入。偏置電路113的輸出被耦合到峰值放大器102的輸入。

本公開的實(shí)施例包括隨著到峰值放大器的電源電壓改變而改變偏置電壓的偏置電路。例如，峰值放大器102的電源端子111上的電源電壓可以隨著時間跨范圍變化。例如，范圍可以具有最高電壓值和最低電壓值。偏置電路113的示例實(shí)施例可以接收端子111上的電源電壓并且產(chǎn)生偏置電壓，偏置電壓在電源電壓為高時較低并且在電源電壓為低時較高。換句話說，偏置電路113產(chǎn)生到峰值放大器的偏置電壓，其隨著電源端子111上的電壓降低而增加。在一些示例實(shí)施例中，可以改變偏置電壓來維持峰值放大器的偏置點(diǎn)以便隨著電源電壓和最大輸出功率隨著時間改變而出現(xiàn)合適的峰值。盡管圖1中示出的配置圖示了其中偏置電路113被直接耦合到電源電壓的實(shí)施例，然而其他實(shí)施例可以使用由其他電路塊產(chǎn)生的信號控制偏置電路113。在一個實(shí)施例中，諸如預(yù)處理電路105的上游電路可以產(chǎn)生控制信號(使用虛線示出)到偏置電路113來調(diào)制如本文描述的峰值放大器102上的偏置電壓。

圖2是到峰值放大器的偏置電壓隨著電源電壓變化的繪圖200。圖2中的繪圖201圖示了在對應(yīng)于點(diǎn)220的特定電源電壓Vsupply和偏置電壓Vg處的多爾蒂放大器的功率放大器效率(PAE)對瞬時輸出信號功率(Po)。多爾蒂放大器的0dB的峰值效率通常出現(xiàn)在最大輸出信號功率Po。隨著歸一化的瞬時輸出信號功率在特定電源電壓和偏置電壓處降低，放大器的效率(例如，PAE)改變。如在繪圖201中圖示的，在最大輸出功率處有第一PAE峰值以及在低于最大功率的第二輸出功率(例如，在該示例中，在最大功率之下大約-6dB)處有第二PAE峰值。效率峰值之間的區(qū)域形成平臺，其中跨該范圍的功率放大器的效率對輸出功率非常高。在該示例中，PAE從在最大輸出功率處的第一PAE峰值下到距最大輸出功率大約-6dB處的第二PAE峰值近似平坦。低于最大輸出功率超過-6dB，效率隨著輸出功率降低而降低。

然而，如果電源電壓變化，那么峰值可能移動并且特征PAE曲線可以基于峰值放大器的偏置改變。具體地，在多爾蒂放大器中，對于特定電源電壓，需要使峰值放大器級在低于最大輸出功率6dB開啟。在不同的操作狀況下，一些應(yīng)用可以改變該6dB窗口，因此本文提及的6dB窗口應(yīng)當(dāng)被理解成只是被XdB分離的更一般的多爾蒂峰值的示例，其中X是任意數(shù)目的dB。

沒有合適的偏置，在低電源電壓，多爾蒂中的峰值放大器可能相對于6dB點(diǎn)開啟較晚(即，在過高的功率級)。例如，如果電源電壓下降，則C類放大器的導(dǎo)通角可能過小，這可能導(dǎo)致它在從最大輸出功率-5dB或-4dB(例如，相對于-6dB峰值過晚)開始。類似地，在高電源電壓水平，峰值放大器可能開啟較早(即，在過低的功率級)。例如，如果電源電壓增加，則C類放大器的導(dǎo)通角可能變得過大，這可能使它在距最大輸出功率-7dB、-8dB或-9dB開啟(例如，相對于-6dB峰值過早)。圖2中的繪圖200圖示了具有跨電源值范圍而恒定的偏置電壓的峰值放大器的多爾蒂PAE曲線。如果偏置保持恒定(如在直線230圖示的)，如在繪圖202中所示的，在多爾蒂PAE曲線中的最大輸出功率PAE峰值隨著電源電壓降低而下降。類似地，如在繪圖203中所示，多爾蒂PAE曲線中的-6dB PAE峰值隨著電源電壓增加而下降。

如上文提及的，本公開的實(shí)施例包括基于到峰值放大器的電源電壓而改變峰值放大器的偏置的偏置電路。圖2圖示了在其中偏置電壓Vg隨電源電壓降低而線性(在直線210)增加的示例。如在繪圖204和繪圖205中所示，可以通過在較低電源電壓增加偏置電壓(繪圖204對應(yīng)于在221的偏置電壓和電源電壓)以及在較高電源電壓降低偏置電壓(繪圖205對應(yīng)于在222的偏置電壓和電源電壓)維持特征多爾蒂PAE曲線。如在圖2中的繪圖200中進(jìn)一步圖示的，其他實(shí)施例可以根據(jù)不同的(非線性)函數(shù)基于電源電壓改變偏置電壓。圖2圖示了另一曲線211，曲線211形成電源電壓和峰值放大器偏置電壓之間的另一示例關(guān)系。示例曲線211圖示了到峰值放大器的偏置電壓隨著電源電壓降低而單調(diào)增加。閱讀了本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以基于峰值放大器的具體結(jié)構(gòu)和設(shè)計使用各種不同的偏置電壓/電源電壓曲線來維持多爾蒂放大器中的高效率。

圖3A圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的另一示例功率放大器300和偏置電路。功率放大器300包括電源調(diào)制器340以用于生成調(diào)制的電源Vsupply。功率放大器300進(jìn)一步包括具有晶體管301的主放大器，晶體管301具有被耦合以通過電容器302接收輸入信號的控制端子。例如，控制端子通過電感器303被基準(zhǔn)電壓偏置。晶體管301的源極被耦合到地并且漏極通過扼流電感器304被耦合到Vsupply。

功率放大器300進(jìn)一步包括具有晶體管305的峰值放大器級，晶體管305具有被耦合以經(jīng)過四分之一波長相移電路306和電容器307接收輸入信號。例如，控制端子通過電感器308被偏置電路偏置。晶體管305的源極被耦合到地并且漏極經(jīng)過扼流電感器309被耦合到Vsupply。在晶體管305的漏極的峰值級的輸出通過輸出負(fù)載(OL)310和阻抗逆變電路311被耦合到在晶體管301的漏極的主級的輸出。例如，峰值級的輸出還通過電容器312被耦合到負(fù)載313(例如，天線以及可能的其他電路裝置)。

在本示例中，晶體管301和晶體管305是MOS器件，但應(yīng)當(dāng)理解可以使用諸如GaAs(砷化鎵)、雙極型或其他器件類型的其他器件。

在一個實(shí)施例中，偏置電路包括減法器電路。在該示例實(shí)施方式中，減法器電路包括放大器320，放大器320具有通過電阻器R1和函數(shù)電路350(“F(Vs)”)耦合到Vsupply的負(fù)輸入端子。放大器320的輸出通過反饋電阻器R2被耦合到負(fù)輸入。正輸入端子通過電阻R3被耦合到基準(zhǔn)電壓Vref并且通過電阻R4被耦合到地。在一些實(shí)施例中，Vref也可以被調(diào)制(例如，根據(jù)與Vsupply相同的調(diào)制)。放大器在電容器321上產(chǎn)生偏置電壓Vg(peaking)并且到電感器308的一個端子。在低頻率，電感器308是短路，并且Vg(peaking)被耦合到晶體管305的柵極以在峰值級上設(shè)置偏置。

函數(shù)電路305可以被用來控制偏置電壓Vg(peaking)和Vsupply之間的關(guān)系。在一個示例中，電路350可以是短路以便偏置電壓與Vsupply近似線性相關(guān)。在其他實(shí)施例中，函數(shù)電路350可以產(chǎn)生Vsupply和V1之間的其他函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系被提供到減法器電路。例如，函數(shù)電路可以使V1是Vsupply的平方(例如，“V1＝(Vsupply)²”)。作為另一示例，函數(shù)電路350可以使V1是Vsupply的多項式(例如，“V1＝Vsupply+A(Vsupply)²”，其中A是常數(shù))。

對于線性的示例，偏置電路從與Vref成比例的另一值減去與Vsupply成比例的值。因此，當(dāng)Vsupply大時，輸出電壓為低，并且隨著Vsupply降低，從Vref減去的數(shù)量降低并且偏置電壓增加。在圖3中的偏置電路是可以被用來產(chǎn)生如在圖2中所示的線性改變的偏置電壓的一個示例實(shí)施方式?；诒竟_，應(yīng)當(dāng)理解，各種其他減法電路可以被用來改變峰值放大器上的偏置電壓來改善功率放大器的效率。

圖3B圖示了針對不同的電源電壓的到峰值放大器的輸入信號。晶體管305可以被偏置成剛好不導(dǎo)通(例如，關(guān)斷)以便只有具有高于特定閾值的電壓的輸入信號可以產(chǎn)生輸出。繪圖304A圖示了到第一電源電壓的峰值放大器的輸入電壓信號341以用于最大輸出功率以及到較低電源電壓的峰值放大器的輸入電壓信號342以用于較低的輸出功率。在最大功率，峰值放大器被偏置在第一偏置水平BIAS1以便當(dāng)輸入信號高于在390圖示的第一水平時，峰值放大器基于輸入信號產(chǎn)生輸出。對于正弦信號，峰值放大器可以被偏置成僅輸出輸入信號的一部分，由相位角“θ”表示(例如，生成輸出的輸入的相位)。然而，隨著輸出功率從最大回落，系統(tǒng)可以降低到峰值放大器的電源電壓和輸入電壓信號。對于相同的偏置電壓BIAS1，降低的輸入電壓信號342將導(dǎo)致輸入信號的更少的部分被耦合到輸出(例如，相位角“θ”減少)并且功率放大器將不那么有效率地操作。因此，隨著輸出功率降低，電源電壓和輸入電壓的對應(yīng)的降低可以被從BIAS1到BIAS2增加偏置電壓補(bǔ)償，例如，如在340B所示。這里，在較低的電源電壓處，利用較大的偏置電壓將輸入信號342DC上移以維持在輸出處放大的信號的近似恒定的部分(例如，跨電源電壓的變化維持相位角θ)。

圖4圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的示例功率放大器的仿真的性能曲線。繪圖401和繪圖402分別示出在峰值放大器的靜態(tài)柵極偏置的情況下跨一系列的輸出功率Po和電源電壓(這里被表示為Vhigh)的增益和PAE。繪圖403和繪圖404分別示出在如本文所描述的峰值放大器的動態(tài)柵極偏置的情況下跨一系列的輸出功率和電源電壓的增益和PAE。繪圖401和繪圖403圖示了利用峰值放大器的動態(tài)柵極偏置改善了系統(tǒng)的增益。同樣地，繪圖402和繪圖404圖示了利用峰值放大器的動態(tài)柵極偏置改善了多爾蒂峰值的完整性(integrity)。

圖5圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的具有電源電壓調(diào)制和峰值放大器的動態(tài)偏置的功率放大器的仿真的效率。該示例圖示了如應(yīng)用到兩個不同的無線協(xié)議的一個實(shí)例配置的PAE對輸出功率。繪圖501示出應(yīng)用于高速分組接入(HSPA)協(xié)議的放大器效率。曲線510示出了HSPA信號的概率分布函數(shù)，這示出了在給定平均發(fā)射功率的情況下信號在特定瞬時功率級的頻率。曲線511示出在如本文描述的峰值級的動態(tài)偏置的情況下多爾蒂功率放大器的PAE的包絡(luò)，其跨HSPA信號的整個頻譜表現(xiàn)出高效率。類似地，繪圖502示出了應(yīng)用于長期演進(jìn)(LTE)協(xié)議的放大器效率。曲線512示出了LTE信號的概率分布函數(shù)，這示出了在給定平均發(fā)射功率的情況下信號在特定瞬時功率級的頻率。曲線513示出在如本文描述的峰值級的動態(tài)偏置的情況下多爾蒂功率放大器的PAE的包絡(luò)，其跨LTE信號的整個頻率表現(xiàn)出高效率。應(yīng)當(dāng)理解，本文描述的技術(shù)可以應(yīng)用于許多其他協(xié)議并且以上示例僅僅是解釋性的。

圖6圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的操作功率放大器的過程。在601，可以生成到功率放大器的主放大器級和峰值放大器級的動態(tài)電源電壓。例如，功率放大器可以是多爾蒂功率放大器。在602，生成到峰值級的偏置電壓。偏置電壓可以根據(jù)到峰值級的電源電壓的變化而變化。例如，到峰值級的偏置電壓可以隨著峰值級的電源電壓降低而增加，并且到峰值級的偏置電壓可以隨著峰值級的電源電壓增加而降低。在603，可以從功率放大器生成輸出信號(例如，電壓)。功率放大器的輸出端子可以被耦合到天線以將由功率放大器接收的RF信號驅(qū)動到天線以用于在電波上廣播。

以上描述說明了本公開的各種實(shí)施例以及特定實(shí)施例的方面可以如何被實(shí)施的示例。以上示例不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是僅有的實(shí)施例，并且被呈現(xiàn)以解釋如有以下的權(quán)利要求限定的特定實(shí)施例的靈活性和優(yōu)勢?；谝陨瞎_和以下權(quán)利要求，在不脫離如由權(quán)利要求限定的本公開的范圍的情況下，可以采用其他布置、實(shí)施例、實(shí)施方式和等價物。