本發(fā)明的實施例涉及電子電路，更具體地涉及具有柵極偏置網(wǎng)絡的射頻(RF)放大器。

背景技術：

射頻(RF)放大器可以使用分布式放大器以具有改進的線性度來放大RF信號?？梢允褂脼楦哳l操作定制的場效應晶體管(FET)或雙極晶體管來形成分布式放大器。例如，可以使用GaAs高電子遷移率晶體管(HEMT)或SiC金屬半導體FET(MESFET)制造分布式放大器。

一種應用是功率放大。RF放大器可以用在通信系統(tǒng)中以放大RF信號以在天線或電纜處傳輸。

技術實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，一種裝置包括電子設備，功率檢測電路和控制路徑。該電子裝置至少具有第一端，第二端及第三端；并且所述電子設備是射頻(RF)功率放大器的輸出級的一部分。功率檢測電路耦合到輸出級的輸出節(jié)點；并且所述功率檢測電路被配置為在檢測節(jié)點處生成檢測輸出。控制路徑設置在電源檢測電路的檢測節(jié)點和電子設備的第一節(jié)點之間；并且控制路徑由無源低通濾波器網(wǎng)絡組成。此外，控制路徑被配置為對電子設備的偏置提供升壓以減少增益壓縮。

輸出級還可以包括用于分布式架構的多個并聯(lián)的電子設備。此外，功率檢測電路可以電容耦合到輸出級的輸出節(jié)點?；蛘吖β蕶z測電路可以通過耦合的線耦合器耦合到輸出級的輸出節(jié)點。此外，功率檢測電路可以包括整流器。

無源濾波器網(wǎng)絡可以包括具有至少第一電阻器，第二電阻器和電容器的低通濾波器網(wǎng)絡。電容器的電容量和與第一電阻器相關聯(lián)的第一電阻的量可以確定升壓對偏壓的沖擊速率。另外，與第二電阻器相關聯(lián)的電容量和第二電阻器的量可以確定對偏置的升壓的衰減速率。

電子器件可以經(jīng)由耦合到第二端子的電阻器自偏置。電子器件可以包括場效應晶體管，其中第一端子對應于柵極，第二端子對應于源極，第三端子對應于漏極。場效應晶體管可以是增強型場效應晶體管或耗盡型場效應晶體管。此外，場效應晶體管可以是n型或p型場效應晶體管。

電子器件還可以包括雙極結型晶體管，其具有對應于基極的第一端子，第二端子對應于發(fā)射極，第三端子對應于集電極。雙極結型晶體管可以是npn雙極結型晶體管或pnp雙極型結型晶體管。

在另一實施例中，一種裝置包括射頻(RF)功率放大器，功率檢測電路和控制路徑。RF功率放大器具有至少一個輸入節(jié)點和一個輸出節(jié)點。功率檢測電路耦合到輸出節(jié)點并且被配置為在檢測節(jié)點處產(chǎn)生檢測輸出。控制路徑設置在功率檢測電路的檢測節(jié)點和RF功率放大器的輸入節(jié)點之間；并且控制路徑由無源濾波器網(wǎng)絡組成。此外，控制路徑被配置為提供對RF功率放大器的偏置的升壓以減少增益壓縮。

RF功率放大器還可以包括用于分布式架構的多個并聯(lián)的放大器。此外，功率檢測電路可以電容耦合到輸出節(jié)點?；蛘吖β蕶z測電路可以通過耦合的線耦合器耦合到輸出節(jié)點。此外，功率檢測電路可以被配置為檢測輸出節(jié)點處的信號的包絡。

無源濾波器網(wǎng)絡可以包括具有電阻器和至少一個存儲元件(諸如電容器或電感器)的低通濾波器網(wǎng)絡。

在另一個實施例中，一種放大的方法包括：自偏置射頻(RF)功率放大器；檢測所述RF功率放大器的輸出功率電平以產(chǎn)生功率檢測信號；僅使用無源濾波器網(wǎng)絡處理所述功率檢測信號以產(chǎn)生控制信號；以及將所述控制信號施加到所述RF功率放大器的輸入以調整所述RF功率放大器的偏置。RF功率放大器至少具有輸入節(jié)點和輸出節(jié)點，并且RF功率放大器的偏置被調節(jié)以減小增益壓縮。

RF功率放大器還可以包括用于分布式架構的多個并聯(lián)的放大器。檢測RF功率放大器的輸出功率電平還可以包括包絡檢測；并且無源濾波器網(wǎng)絡可以包括低通濾波器網(wǎng)絡。

附圖說明

提供這些附圖和本文中的相關描述是為了說明本發(fā)明的具體實施例，而不是限制性的。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡的自偏置放大器的系統(tǒng)。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡的自偏置放大器的系統(tǒng)的場效應晶體管(FET)實現(xiàn)。

圖3A和3B示出根據(jù)實施例的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡的場效應晶體管自偏置放大器的柵極電壓和柵極到源極電壓與RF輸入功率的關系。

圖4A示出將1dB壓縮點(P1dB)相對于具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的頻率與P1dB相對于沒有柵極偏置的自偏置放大器的頻率的曲線圖進行比較的測量結果過濾。

圖4B示出將飽和功率電平Psat與具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的頻率的曲線與不具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的Psat與頻率的曲線的比較的測量結果。

具體實施方式

實施例的以下詳細描述呈現(xiàn)了本發(fā)明的具體實施例的各種描述。然而，本發(fā)明可以以由權利要求限定和涵蓋的多種不同方式來實施。在本說明書中，參考附圖，其中相同的附圖標記可以表示相同或功能相似的元件。

為了滿足現(xiàn)代電信系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，分布式放大器可以實現(xiàn)為增加帶寬的技術。使用諸如FET(場效應晶體管)或雙極晶體管的有源器件，分布式放大器可以級聯(lián)或分布兩個或更多個有源器件以增強帶寬。

使用有源器件形成的放大級使用穩(wěn)定的偏置技術來減輕施加在放大器上的非線性器件行為(例如增益)和環(huán)境(例如溫度)的變化。偏置有源器件和放大器級的一種方法是發(fā)射極或源極退化，其中有意地將阻抗與有源FET的源極或有源雙極晶體管的發(fā)射極串聯(lián)放置。例如，被配置為A類放大器的公共源極FET或共發(fā)射極雙極晶體管可以通過添加源極/發(fā)射極電阻器而被自偏置。

不幸的是，包括用于自偏置放大級的源極/發(fā)射極電阻器可以減小P1dB，當放大器處于1dB壓縮點時的輸出功率，以及Psat，當放大器飽和時的輸出功率，這是RF放大器的品質因數(shù)。此外，對于大輸入信號擺幅，源/射極電阻可導致壓縮，產(chǎn)生非線性效應。因此，需要一種電路方法來改進自偏置分布式放大器的P1dB和Psat特性，并減輕包括壓縮的非線性效應。

本文提出了用于具有柵極偏置網(wǎng)絡的功率增強自偏置分布式放大器的裝置和方法。通過采樣輸出功率，具有濾波器網(wǎng)絡的柵極偏置網(wǎng)絡可以調整柵極偏置，以便提高P1dB和Psat的品質因數(shù)，或者簡單地提高P1dB點和Psat。有利地，可以使用無源部件導出濾波器，從而使其成為改進線性和輸出功率的容易且成本有效的方法。

通過將網(wǎng)絡從輸出插入到柵極偏置，可以改進1dB壓縮(P1db)和自偏置分布式放大器的飽和功率Psat的功率。輸出功率被感測并轉換為DC信號，其被施加回柵極偏置。當驅動到P1dB點時，調節(jié)柵極偏置補償自偏置放大器的靜態(tài)電流降，并改進P1db和Psat。沒有調節(jié)柵極偏置補償?shù)淖云梅植际椒糯笃魍ㄟ^比較顯示出較低的P1dB和Psat。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108的自偏置放大器102的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括自偏置放大器102，耦合電路104，功率檢測器106和柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108.系統(tǒng)100接收RF輸入信號RFin并提供RF輸出信號RFout。自偏置放大器102從電源Vdd接收功率并接收RF輸入信號RFin。自偏置放大器102的輸出耦合到耦合電路104，耦合電路104從自偏置放大器102接收放大信號并提供RF輸出信號RFout。耦合電路耦合來自RF輸出信號RFout的相對小部分的功率，并將功率信號的樣本提供給功率檢測器106.功率檢測器106檢測采樣的功率信號的功率，以間接地估計功率電平RF輸出信號RFout。功率檢測器106向柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108提供檢測輸出；柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108然后對檢測輸出進行濾波，使得其可以作為偏置信號Vb施加在自偏置放大器102的標記為Vb的網(wǎng)絡端口。

自偏置放大器102可以表示單個有源元件，例如FET，或者可以表示來自具有多于一個有源元件的分布式放大器的多個放大單元，并且可以使用FET或雙極晶體管。此外，柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108可以將濾波的輸出信號提供給有源元件的一個或多個柵極。有源元件可以是耗盡型場效應晶體管或增強型場效應晶體管。另外，在使用雙極工藝實現(xiàn)的RF放大器的情況下，柵極可以是雙極晶體管的基極。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡的自偏置放大器202的系統(tǒng)100的場效應晶體管(FET)實現(xiàn)200的示例。如圖2所示，F(xiàn)ET實現(xiàn)200在輸入端口RFin處接收RF輸入信號RFin，并在輸出端口RFout處提供RF輸出信號RFout。自偏置放大器202具有FET 204，其具有被配置為A類放大器的柵極G，源極S和漏極。在該配置中，漏極提供施加到柵極G的RF輸入信號的放大。在柵極G處的RF輸入信號耦合到RF輸入信號RFin；此外，在某些實施例中，多于一級的有源器件可以插入在RF輸入信號RFin和柵極G之間，而多于一級的有源器件可以插入在FET 204的漏極和RF輸出信號RFout。

如圖2所示，F(xiàn)ET實現(xiàn)200具有電容器C1，二極管D1，電阻器R1，電容器C2，電阻器R2，電容器C3，自偏壓電阻器R3，電阻器R4和電阻器R5。電容器C1電連接在輸出端口RFout和二極管D1的陰極之間。二極管D1的陽極電連接到地。自偏壓通過電連接在源極S和地之間的自偏壓電阻器R3來實現(xiàn)；還通過與自偏壓電阻器R3并聯(lián)連接的電容器C3來提供耦合。在RF頻率下，電容器C3可以操作為相對低的阻抗或短路，以便改進分布式放大器的FET實現(xiàn)200的RF增益。如圖2所示，電阻R1在二極管D1的陰極和網(wǎng)絡端口Vb之間。電容器C2電連接在網(wǎng)絡端口Vb和DC電壓參考之間，在所示的示例中是接地。電阻R4電連接在柵極G和網(wǎng)絡端口Vb之間，而電阻R2電連接在網(wǎng)絡端口Vb和地之間。

如圖2的配置所示，電阻器R5電連接在FET 204的漏極和電源Vdd之間，以向自偏置放大器202提供負載。雖然負載是電阻器R5，但是其他配置也是可能的。例如，負載可以僅包括諸如電感器的電抗部件；或者除了具有電阻器R5之外，負載還可以包括諸如并聯(lián)和串聯(lián)連接的電感器的電抗部件。

在將圖1的系統(tǒng)100與圖2的FET實現(xiàn)進行比較時，電容器C1可以用作耦合電路104，而二極管D1可以用作功率檢測器106。電阻器R1，R2和R4形成具有電容器C3的低通網(wǎng)絡并且用作柵極偏置濾波器網(wǎng)絡108。

電容器C1對來自RF輸出信號RFout網(wǎng)絡的功率進行采樣，并且二極管D1對來自采樣功率的電壓進行整流以提供檢測到的信號或電壓。然后，濾波器網(wǎng)絡可以對檢測到的電壓進行低通濾波，以在網(wǎng)絡端口Vb處提供偏置信號Vb。

FET 204的漏極電流的DC分量可以隨著柵極G處的RF輸入功率而增加。因為漏極電流也流過自偏壓電阻器R3，所以由自偏壓電阻器產(chǎn)生的柵極-源極電壓R3將隨著RF輸入功率的增加而增加。例如，當FET 204的漏極電流增加并且圖2的FET實現(xiàn)200從低電平或小信號操作轉變到大信號操作時，柵源電壓降可以從0.53V變化到0.6V。當在柵極G處RF輸入功率存在大的信號擺幅時，自偏壓電阻器R3兩端的電壓增加，從而防止或減小漏極電流的增加。不幸的是，跨自偏壓電阻器R3的電壓的增加可能不期望地引起具有大信號的增益壓縮。通過使用柵極偏置濾波器網(wǎng)絡來提供偏置信號Vb以補充柵極偏置，可以減少或消除增益壓縮。

少量的RF輸出功率由二極管D1整流。經(jīng)整流的DC分量由電阻器R1和R2分壓并施加到用于偏置的柵極G.當在柵極G處沒有RF輸入功率時，則可以忽略柵極偏置濾波器網(wǎng)絡。以這種方式，僅具有包括電阻器和電容器的無源部件的柵極偏置濾波器網(wǎng)絡可以有利地用相對少的附加電路來實現(xiàn)，并且可以被配置為在工作靜態(tài)電流中引起很小或沒有變化。

當RF輸出信號RFout的功率電平達到某一電平時，柵極偏置濾波器網(wǎng)絡可以經(jīng)由網(wǎng)絡端口Vb向FET 204的柵極提供調整的DC電壓，以便補償增加的電壓降跨過自偏壓電阻器R3。這又可以改變FET 204的偏置電平，使得P1dB點和Psat增強。

有利地，由于通過無源組件實現(xiàn)柵極偏置濾波器網(wǎng)絡，圖2的FET實現(xiàn)200可以增加P1dB點和Psat的品質因數(shù)，而芯片面積幾乎沒有增加。根據(jù)應用，RF輸出功率RFout可以通過電容器C1或耦合的線耦合器耦合。此外，作為緊湊區(qū)域的優(yōu)點，二極管D1和電阻器R1可以被制造為集成電路的一部分，并且二極管和電阻器可以占據(jù)整個管芯面積的很小或可忽略的部分。

電阻器R1和電阻器R2還可以提供耦合因子，以方便地控制RF輸出信號RFout的檢測輸出的強度。這可以允許當RF輸出信號的輸出功率變化時的自由度。

圖2的FET實現(xiàn)200可以使用諸如CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝的FET工藝技術設計為單片集成電路(MMIC)。在某些配置中，F(xiàn)ET 204可以是耗盡型晶體管。二極管D1可以被選擇為具有適于在輸出功率電平范圍上對RF輸出信號RF進行整流的面積。在一個實施例中，電阻器R1和R2的電阻各自可以是在工藝公差內約1000歐姆。在其他實施例中，電阻器R1和R2的電阻可以具有不同的值。例如，電阻器R1的電阻可以是大約1000歐姆，電阻器R2的電阻可以是大約1250歐姆。電容器C1可以被選擇為具有相對小的電容，例如0.2pF，以便不加載RF輸出信號RFout?？梢赃x擇電容器C1的電容的大小以在沒有加載輸出的情況下檢測或耦合處于足夠電平的RF輸出信號RFout，并且其可以隨著二極管D1的尺寸而變化。此外，可以調節(jié)其尺寸和電容以調節(jié)耦合靈敏度。其它量的電阻和電容將是可應用的，并且將由本領域的普通技術人員容易地確定。

可以基于包括RF輸出負載和濾波器時間常數(shù)的設計約束來選擇電阻器R1，R2，R4和C2的電容和電阻值的選擇。如上所述，電阻器R1可以具有諸如1000歐姆的電阻值，使得其足夠大以不從RF輸出信號RFout吸取或加載大量功率，而不大到使得濾波器時間常數(shù)為大。通常，時間常數(shù)可以隨電阻值(例如電阻器R1的電阻)以及電容(例如電容器C2的電容)直接變化。

與電阻器R1和電容器C2相關聯(lián)的時間常數(shù)也被稱為攻擊時間常數(shù)。電阻R1的電阻直接影響攻擊時間常數(shù)。此外，與電阻器R2和電容器C2相關聯(lián)的時間常數(shù)與下降時間有關。隨著R2的電阻減小，下降時間減小。如上所述，其可以具有等于或不同于電阻器R1的電阻的電阻。

在一些實施例中，可以選擇低通濾波器時間常數(shù)以具有低值，意味著具有短的時間常數(shù)，以便跟隨信號包絡并響應于RF輸出信號RFout的峰值。在其他實施例中，可以選擇低通濾波器時間常數(shù)以具有更大的值，以便觸發(fā)RF輸出信號RFout的平均值。

有利地，二極管D1，電阻器R1，R2和R4以及電容器C1和C2可以集成在包括FET 204的分布式放大器的FET實現(xiàn)200內，芯片面積很少或沒有增加。此外，盡管圖2的實施例示出了一種配置，但是其他配置也是可能的。例如，電容器C1可以用耦合器代替。此外，在一些配置中，二極管D1可以由諸如晶體管或熱敏電阻的部件代替；并且FET 204可以是增強型FET。或者，F(xiàn)ET 204可以由雙極晶體管代替；或者代替使用CMOS工藝，可以使用諸如GaAs的HBT或III-V半導體工藝來實現(xiàn)具有柵極偏置反饋網(wǎng)絡的分布式放大器。

圖3A和3B示出根據(jù)實施例的模擬的具有柵極偏置濾波器網(wǎng)絡的場效應自偏置放大器的柵極電壓302和柵極到源極電壓304與RF輸入功率的關系。該實施例可以是具有如圖2所示的具有柵極G和源極S的FET 204的FET實現(xiàn)200.參考圖3A，3B和圖2，RF輸入功率可以是RF的RF輸入功率輸入信號RFin。柵極電壓302可以是由柵極偏置反饋網(wǎng)絡經(jīng)由偏置信號Vb提供的FET 204的柵極處的電壓。如圖3A所示，在RF輸入功率軸的對數(shù)標度上，對于小于-6dBm的相對較低的輸入功率值，柵極電壓為零或幾乎為零。隨著輸入功率從-6dBm增加，由于從柵極偏置反饋網(wǎng)絡提供的偏置信號Vb的增加，柵極G處的柵極電壓增加。如圖3B所示，對于RF輸入功率軸的對數(shù)標度，對于小于-6dBm的相對低的輸入功率值，由于自偏置電阻器R3兩端的電壓，F(xiàn)ET 204的柵極到源極電壓降低。然后，隨著輸入功率從-6dBm增加，由于從柵極偏置反饋網(wǎng)絡提供的偏置信號Vb的補償效應，F(xiàn)ET 204的柵極到源極電壓增加而不是減小。柵極電壓302的這種增加和柵極到源極電壓304的整體增加補償或抵消自偏壓電阻器R3上的上升電壓，以便減小增益壓縮并改進P1dB點和Psat。

圖4A示出了將1dB壓縮點P1dB對具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的頻率的曲線402與P1dB對沒有柵極偏置的自偏置放大器的頻率的曲線404進行比較的測量結果過濾。曲線402可以表示諸如圖2所示的FET實現(xiàn)200的實施例的P1dB，而曲線404可以表示諸如FET實現(xiàn)200但沒有柵極偏置濾波器的實施例的P1dB。例如，曲線404可以表示除了電容器C1和C2，電阻器R1，R2和R4以及二極管D1之外的分布式放大器的FET實現(xiàn)。曲線402與曲線404的比較示出當分布式放大器具有如圖2所示的柵極偏置濾波器時，P1dB點在整個頻帶上至少3dB。

圖4B示出將飽和功率電平Psat與具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的頻率的曲線406與不具有柵極偏置濾波器的自偏置放大器的Psat與頻率的曲線408進行比較的測量結果。圖4B示出當分布式放大器具有如圖2所示的柵極偏置濾波器時，在整個頻帶上的Psat也有改進。

應用

采用具有柵極偏置網(wǎng)絡的上述自偏置分布式放大器的設備可以實現(xiàn)在各種電子設備中。電子設備的示例可以包括但不限于消費電子產(chǎn)品，消費電子產(chǎn)品的部件，電子測試設備等。電子設備的示例還可以包括光網(wǎng)絡或其他通信網(wǎng)絡的電路。消費電子產(chǎn)品可以包括但不限于汽車，攝像機，照相機，數(shù)字照相機，便攜式存儲器芯片，洗衣機，烘干機，洗衣機/干衣機，復印機，傳真機，掃描儀，多功能外圍設備等。此外，電子設備可以包括未完成的產(chǎn)品，包括用于工業(yè)，醫(yī)療和汽車應用的產(chǎn)品。

前述描述和權利要求可以將元件或特征稱為“連接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非另有明確說明，“連接”是指一個元件/特征直接或間接連接到另一元件/特征，并且不一定機械地。同樣，除非另有明確說明，“耦合”是指一個元件/特征直接或間接耦合到另一元件/特征，并且不一定機械地耦合。因此，盡管圖中所示的各種示意圖描繪了元件和組件的示例布置，但是在實際實施例中可以存在額外的中間元件，設備，特征或組件(假設所描繪的電路的功能不受不利影響)。

盡管已經(jīng)根據(jù)某些實施例描述了本發(fā)明，但是本領域普通技術人員顯而易見的其它實施例(包括不提供本文所闡述的所有特征和優(yōu)點的實施例)也在本發(fā)明的范圍內。此外，上述各種實施例可以組合以提供另外的實施例。另外，在一個實施例的上下文中示出的某些特征也可以并入到其他實施例中。因此，本發(fā)明的范圍僅通過參考所附權利要求來限定。