功率放大器的偏置調節的製作方法

2023-07-02 08:55:06

專利名稱：功率放大器的偏置調節的製作方法
背景領域本發明涉及電路。本發明尤其涉及新穎的和改進的技術，用於調節功率放大器(PA)的偏置以得到高性能和高效率。
背景由於各種設計考慮而使得高性能發射機的設計具有挑戰性。首先，許多應用要求高性能，一般通過在發送信號路徑中的有源器件(例如，放大器、混頻器等等)的線性以及它們的噪聲性能來給出特徵。第二，對於諸如無線通信系統之類的某些應用，因為蜂窩電話或遠程終端的便攜性特點，低功率消耗是一個重要的設計目標。高性能和低功率損耗一般強加了有衝突的設計限制。
除了上述設計目標之外，還可能要求發射機在發射輸出功率中提供寬的調節範圍。需要這種寬功率調節的一個如此的應用是碼分多址(CDMA)通信系統。在CDMA系統中，來自每個用戶的信號在整個(例如，1.2288MHz)系統帶寬上擴頻。因此，來自每個發送用戶的發送信號對於系統中的其它用戶的發送信號的作用如同幹擾。為了使幹擾最小和增加系統容量，調節每個發送遠程終端的輸出功率，致使保持所要求的性能水平(例如，特定的比特誤碼率)同時使對於其它用戶的幹擾最小。
諸如路徑損耗和衰落之類的各種傳輸現象會影響來自遠程終端的發送信號。這些現象與控制發射功率的需求組合在一起會對所要求的發射功率調節範圍產生艱難的技術要求。事實上，對於CDMA系統來說，可以要求每個遠程終端發射機能夠在接近85dB的範圍內調節其輸出功率。
對於某些CDMA系統來說還規定了遠程終端發射機的線性度(間接地通過相鄰功率抑制(ACPR)技術規範)。對於許多有源電路(例如，功率放大器)來說，部分地通過用於電路偏置的電流量來確定線性度。通常，可以通過使用更大的偏置電流量來得到更大的線性度。還有，為了保持大信號電平所要求的線性水平，一般需要更大的偏置電流量。
為了在所有(包括高的)輸出功率電平處得到所要求的線性水平，可以用大電流量作為在發送信號路徑中的有源電路的偏置。這種偏置方案將保證在所有發射功率電平處提供所要求的線性水平。然而，這種方案不論什麼時候都消耗大量的偏置電流，甚至在低輸出功率電平發送時，導致功率消耗的浪費。
通常包括多級的功率放大器(PA)一般在發送信號路徑中是最後增益級，因此在路徑中的最大信號電平上工作。為了在高輸出功率電平處提供所要求的信號驅動，一般用大電流量(相對於發送路徑中的其它有源電路)作為功率放大器的偏置。因此特別期望用於調節功率放大器偏置電流以提供高性能(例如，所要求的線性水平)以及高效率(即，功率消耗)的技術。
概述本發明的一些方面提供了一種具有偏置的功率放大器，所述偏置可以根據從功率放大器檢測到的輸出功率電平而進行調節。按得到的所要求的線性度而同時使功耗最小的方式來執行偏置調節。由於偏置調節是根據所檢測到的輸出功率電平而不是根據某些間接的功率電平指示(例如，功率放大器的增益設置)或輸出功率來進行偏置的，所以可以進行準確的偏置控制。
本發明的一個特定實施例提供了一種偏置受控(功率)放大器，它包括耦合到控制單元的一個或多個放大級。放大級耦合在一起(例如，串聯連接)，並接收和放大RF(射頻)輸入信號以提供RF輸出信號。一般使用耦合器把一部分RF輸出信號耦合到控制單元。
在一種設計中，控制單元包括功率檢測器、調節單元以及偏置控制發生器。功率檢測器根據所耦合的部分檢測RF輸入信號電平(或功率)，並提供表示所檢測輸出信號電平的經檢測信號。調節單元調節經檢測信號(例如，用特定的傳遞特性)，以提供至少一個調節信號。偏置控制發生器接收調節消耗，並提供至少一個偏置控制信號，使用每個偏置控制信號來調節各個放大級。
本發明進一步提供實施各個方面的方法、設備和單元、本發明的實施例以及本發明的特徵，如下面更詳細的描述。
附圖簡述從下面結合附圖的詳細描述中，對本發明的特性、目的和優點將更為明了，在所有的附圖中，用相同的標記所表示的意義相同，其中

圖1是實施本發明的某些方面的發射機的特定設計的方框圖；圖2是在發送信號路徑中的有源電路中的CDMA擴頻信號和由非線性產生的某些失真畸變分量的視圖；圖3是根據本發明的一個實施例中的功率放大器的視圖，所述功率放大器具有根據所檢測的RF輸出功率電平調節的偏置；圖4A和4B是偏置控制電路的兩個實施例的視圖，所述偏置控制電路用於產生功率放大器級的偏置控制信號；圖5A和5B分別是功率放大器級和相關偏置電壓發生器的特定設計的示意圖；圖6A和6B分別示出(1)放大器級的增益對特定偏置電流設置的RF輸出功率電平的視圖；以及(2)放大器級的偏置電流對所要求性能水平的RF輸出功率電平的視圖。
圖7是功率檢測器的實施例的示意圖；以及圖8是對數放大器的實施例的示意圖。
詳細說明圖1是實施本發明的某些方面的發射機100的特定設計的方框圖。數字處理器110產生數據，對數據進行編碼和調製，並把經數字處理的數據轉換成一個或多個模擬信號。模擬信號可以是同相(I)的或正交(Q)的基帶信號，或可以是中頻(IF)調製信號。如果模擬信號是基帶信號(如在圖1中所示)，則調製器(MOD)112接收基帶信號和用載波信號(IF_LO)調製基帶信號，以產生IF調製信號。
IF可變增益放大器(IF VGA)114接收和用通過增益控制電路140確定的第一增益放大IF調製信號。把經放大的IF信號提供給濾波器116，它對信號進行濾波，以濾除帶外噪聲和不需要的信號，濾波器116一般是帶通濾波器(例如，SAW濾波器)。
然後把經濾波的信號提供給IF緩衝器118，它對信號進行緩衝，並把經緩衝的IF信號提供給混頻器120。混頻器120還接收射頻處的其它載波信號(RF_LO)，並把經緩衝的IF信號用RF_LO進行上變頻以產生RF(射頻)信號。混頻器120可以是單邊帶混頻器或雙邊帶混頻器。
RF VGA(RF可變增益放大器)122接收RF信號，並用增益控制電路140確定的第二增益來放大該RF信號。然後把經放大的RF信號提供給功率放大器(PA)130，功率放大器對信號進行緩衝，並提供具有所要求的信號驅動的RF輸出信號。功率放大器130通過，例如，諸如用於濾除圖像和寄生信號的濾波器、隔離器以及雙工器(為了簡單起見在圖1中未示出)之類的各種電路來驅動天線。
圖1示出可以有利地使用這裡描述的功率控制技術的特定的發射機設計。可以對圖1示出的發射機設計作出各種修改。例如，在發送信號路徑中可以提供幾個或附加的濾波器、緩衝器以及放大器級。此外，可以按不同的配置來安排信號路徑中的單元。此外，可以通過VGA(如在圖1中所示)、可變衰減器、乘法器、其它可變增益單元或它們的組合提供在發送信號路徑中的可變增益。在另一個發射機設計中，使用直接上變頻結構，並且功率放大器直接接收經調製的RF信號。一般，可以把這裡描述的功率控制技術用於功率放大器而不管如何產生經調製的RF信號。
在一個特定實施例中，在一個或多個集成電路中實施從調製器112到功率放大器130(可能包括濾波器116)的發送信號路徑，雖然也可以使用分立元件。
對於某些應用，需要功率放大器來提供較寬信號電平範圍上的輸出信號。例如，對於某些CDMA系統，要求來自遠程終端的發射輸出功率在85dB的範圍上是可調節的，並且把遠程終端設計成在約-50dB到+23dB之間發射。
一般，操作在發送信號路徑中的電路來放大或衰減信號，以致向功率放大器提供適當的信號電平。可以設計功率放大器使之具有固定增益，但是驅動能力是可變的。可以通過多個(串聯耦合的)級來提供固定增益。
設計在發送信號路徑中的有源電路，並且操作而提供所要求的線性水平。用作為電路偏置的電流量部分地確定了許多有源電路的線性。通過使用較大的偏置電流量一般可以得到較大的線性。還有，為了對於較大的信號電平保持所要求的線性水平，一般需要較大的偏置電流量。
一般，設計發送信號路徑，以在最壞情況的(即，最大的)輸出功率電平下提供所要求的性能水平(例如，線性)。通過用高偏置電流作為發送信號路徑中的電路的偏置可以得到所要求的性能水平。然而，對於諸如在CDMA遠程終端中的發射機那樣的發射機，只在某些時間出現最大發射的情況。因此，根據本發明的一些方面，當不需要時(即，當按小於最大輸出功率電平的功率發射時)，就降低功率放大器的偏置電流。
如在圖1中所示，偏置控制電路150接收一部分RF輸出信號，並且可以進一步接收來自增益控制電路140(未示出)的一個或多個增益控制信號。然後偏置控制電路150根據檢測到的RF輸出功率電平調節功率放大器130(以及可能是IF緩衝器118、混頻器120以及RF VGA122)的偏置電流。一般在發送信號路徑中的單元的偏置控制不是聯結在一起的。根據來自處理器110的控制信號和/或檢測到的RF輸出功率，增益控制電路140可以調節VGA114和122以及可能功率放大器130的增益(如虛線所示)。下面進一步描述功率放大器的偏置電流的調節。
圖2是CDMA擴頻信號和由發送信號路徑中的有源電路中的非線性產生的某些畸變分量的視圖。諸如功率放大器之類的每個有源裝置具有下列傳遞函數y(x)＝a1x+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+…更高次項 公式(1)其中x是輸入信號，y(x)是輸出信號，而a1，a2，a3，a4，a5以及依次類推是定義有源電路的線性的係數。在公式(1)中示出的Volterra序列(Volterraseries)可能對於功率放大器是不適當的，因為需要高次項來表示由於削波而引起的非線性。對於一個理想的有源電路，除了a1之外所有係數都是0.0，而輸出信號y(x)簡化成通過a1定標的輸入信號x。然而，所有有源電路都經歷通過係數a2，a3，a4，a5以及依次類推的值定量的某些非線性量。係數a2，a4以及依次類推定義偶次非線性量，而係數a3，a5以及依次類推定義奇次非線性量。偶次項落在帶內頻率處，因此確定線性。三次和五次項的作用多數是在感興趣的頻率偏移處對相鄰信道功率的抑制(ACPR)。奇次項是帶外的，並且可以更容易地把它濾除。然而，由於三次項包含二次項，所以偶次項確實也有某些帶內效應(例如，2ω2-ω1)。
如在圖2中所示，CDMA信號具有特定的帶寬(例如，1.2288MHz)以及取決於系統的工作頻帶(例如，蜂窩或PCS)的特定的中心頻率f1。由於在發送信號路徑中的電路中的三次和更高次非線性，從CDMA信號本身產生畸變分量。畸變分量(有時把它稱為頻譜再生長(spectral regrowth))包括駐留在CDMA信號的頻帶中的帶內分量以及駐留在相鄰頻帶中的帶外分量。對於CDMA信號和相鄰頻帶中的信號，畸變分量的作用如同幹擾。
對於三次非線性，在頻率ωa和ωb處的信號分量產生在(2ωa-ωb)和(2ωb-ωa)處的互調產物。因此帶內信號分量可以產生落在帶內或近帶的互調產物。這些產物可以導致CDMA信號本身和相鄰頻帶中的信號的降質。為了綜合問題，通過aa·ab2和aa2·ab來定標三次互調產物的幅度，其中aa和ab分別是在ωa和ωb處的信號分量的增益。因此，每個CDMA信號的幅度的加倍產生了三次產物幅度的8-倍增加。可以按相似方法來分析高次項。
對於CDMA系統，通過相鄰信道功率抑制(ACPR)技術規格(例如，在IS-95-A、IS-98以及UNTS(W-CDMA)標準)來規定遠程終端發射機的線性。ACPR技術規格一般應用於包括功率放大器的整個發送信號路徑。在設計階段期間，一般把ACPR技術規格「分配」給發送信號路徑的不同部分，然後設計每個部分使之符合所分配的技術規格。例如，可以要求把發送信號路徑從處理器110到功率放大器130，但是不包括功率放大器130的部分的畸變分量保持在CDMA中心頻率偏移885Khz處的每30KHz帶寬-42dBc處，以及在1.98MHz偏移處的每30KHz帶寬的-56dBc處。
如上所述，有源電路的線性在一定種程度上取決於提供給電路的偏置電流量，並且較大偏置電流量可以得到較大的線性(即，對於a2，a3以及依次類推的較小值)。還有，一般，較大信號電平需要更多的偏置電流，因為使用偏置電流本身來產生輸出信號。然而，對於移動發射機單元，極不希望消耗的電流比所需要的更多。
根據本發明的一些方面，為了得到所要求的線性水平和使功率消耗最小，根據從功率放大器檢測到的輸出功率電平來調節有源電路(例如，功率放大器)的偏置電流。
圖3是根據本發明的一個實施例的功率放大器330的視圖，功率放大器330具有根據檢測到的RF輸出功率電平調節的偏置電流。可以使用功率放大器330作為圖1的功率放大器130，並包括級聯耦合的許多(N)級332a到332n，其中N可以是一或更大的任何整數。每個級332接收功率放大器RF輸入信號(RF_IN)或來自前面級的輸出信號。然後每個級放大所接收的信號，並把信號提供給後面的級或提供RF輸出信號(RF_OUT)。
把RF耦合器340可操作地耦合到功率放大器330的輸出端，並把RF輸出信號的一部分提供給控制單元350。例如，要耦合的RF功率量可以是-20dB、-30dB或RF輸出信號的其它分數。
控制單元350接收從耦合器340來的耦合RF輸出功率，並提供用於調節功率放大器330的偏置的一個或多個偏置控制信號。在圖3中示出的實施例中，控制單元350包括耦合到偏置控制電路360的RF功率檢測器352。RF功率檢測器352接收耦合RF信號VRF，並提供經檢測信號VDET，所述經檢測信號VDET表示耦合RF信號的檢測到的峰值RF電壓。可以設計RF功率檢測器352使之檢測RF信號的包絡，並且經檢測信號可以具有與RF信號的功率電平有關的幅度(例如，VDET∝VRF∝POUT，其中POUT是RF輸出功率)。在另外的實施例中，可以使用真實的RMS(有效值)功率檢測器來提供與RF輸出功率成比例(即，VDET∝RF功率)的、以有效值瓦為單位的經檢測信號。
偏置控制電路360接收和調節(例如，濾波、放大和緩衝)經檢測信號以提供一個或多個經調節信號。偏置控制電路360根據經調節信號提供供功率放大器330用的一個或多個控制信號。根據功率放大器330的特定設計，可以使用一個或多個偏置控制信號來控制/調節功率放大器的一個或多個級的偏置電流或偏置電壓。
可以根據各種偏置調節方案來產生偏置控制信號。一般，可以調節功率放大器330的一級、數級或所有N級的偏置來得到所要求的結果。每一級的偏置電流量取決於級的特定設計、級輸出功率電平(可以從檢測到的RF輸出功率電平推導)、要達到的性能以及其它可能因素。通過根據檢測到的RF輸出功率電平調節功率放大器級的偏置，得到所要求的線性水平同時使空閒電流減少或最小化。當要求功率放大器提供低RF輸出功率電平以用於一般按低功率發射的發射機時，偏置調節特別有利。
圖4A是RF功率檢測器352a和偏置控制電路360a的實施例的視圖，它們分別是圖3中的RF功率檢測器352和偏置控制電路360的一個實施。可以設計RF功率檢測器352a作為檢測RF信號中的峰值信號幅度的峰值檢測器。因此，在RF功率檢測器352a中，把耦合的RF信號提供給峰值檢測器412，它檢測在所接收信號上的峰值RF電壓，並提供經檢測信號VDET。
把來自峰值檢測器412的經檢測信號VDET提供給對數(log)放大器414，它根據對數傳遞函數來放大經濾波的信號，並提供所具有的幅度(例如，電壓)是經檢測信號VDET的對數的調節信號VCON。由於VDET∝VRF，VRF2∝POUT(線性)以及VDET2∝POUT(線性)，則2log VDET∝log POUT，以及2log VDET∝POUT(dBm)。對數放大器414的功能是提供一個經調節的信號VCON，它是RF輸出功率的函數(即，VCON∝POUT(dBm))。然而，對數放大器414隨溫度而把誤差引入該函數，並且在內部進行補償。
把來自對數放大器414的經調節信號提供給低通濾波器(LPF)416，它濾除經檢測信號中的RF包絡，並提供經濾波的信號。某些發送的經調製信號展現時間-變化包絡或AM(幅度調製)分量。例如，CDMA系統一般包括對應於應用於基帶數據的有限脈衝響應(FIR)濾波器的接近1MHz的RF包絡。低通濾波器416可以濾除整個包絡和其它高頻真實和寄生信號。可以實施低通濾波器416作為簡單的(例如，一次的)RC濾波器，例如，具有10KHz到100KHz的帶寬。
然後把來自低通濾波器416的經濾波信號提供給偏置控制發生器360a，它產生偏置控制信號VBIAS供給具有可調節偏置的每個功率放大器。根據功率放大器級的特定設計，偏置控制信號VBIAS可以是電壓或電流。然後根據相關聯的偏置信號調節每個可調節功率放大器級的偏置電流(或電壓，取決於特定設計)。
偏置控制發生器360a的功能是把對數放大器414的輸出轉換成要求偏置電壓或電流，設計所述要求偏置電壓或電流作為RF輸出功率和溫度的函數而補償功率放大器。如此，得到偏置電流IBIAS和經檢測信號VDET之間的總的要求(線性)傳遞特性。可以在系統中的任何地方使用對數放大器414的輸出，所以通過偏置控制發生器360a應用功率放大器的傳遞函數。
圖4是偏置控制電路360b的另一個實施例的視圖，偏置控制電路360b是也可以用於圖3中的偏置控制電路360的數字實施。在電路360b中，把來自RF功率檢測器352的經檢測信號VDET提供給低通濾波器418，它濾除在經檢測信號中的RF包絡和提供經濾波的信號。然後模數轉換器(ADC)424對經濾波的信號進行接收和數位化，並把取樣提供給處理器426。
處理器426實施偏置控制算法和確定功率放大器級的恰當偏置，致使得到所要求的結果。處理器426根據經檢測的RF功率電平和偏置控制算法提供用於一個或多個功率放大器級的一個或多個數字控制。把數字控制提供給各個數模轉換器(DAC)428，它把數字控制轉換成它們對應的、用於一個或多個功率放大器級的模擬偏置控制信號VBIAS。ADC 424、處理器426以及DAC428形成數字調節單元420，它提供用於功率放大器偏置調節的所要求的總特性。
使用處理器426的偏置控制電路360b的數字實施允許靈活和準確地實施用於要調節的每個功率放大器級的所要求傳遞特性。可以得到功率放大器級的偏置以及經檢測信號VDET(或RF輸出功率電平)之間所要求的總傳遞函數(例如，通過完全根據經驗的測量或通過計算機模擬)。還可以對偏置調節迴路中的每個電路的傳遞函數定出特性。然後可以設計處理器426使之實施與偏置調節迴路中的其它電路的傳遞特性組合的特定的傳遞特性，提供所要求的總傳遞特性。例如，處理器426可以使用查找表或某些其它機構來實施每個可調節功率放大器級的傳遞函數。
圖4A和4B是偏置控制電路360的兩個實施例。還可以使用採用模擬和/或數字電路的其它設計，並且在本發明的範圍內。下面描述偏置控制電路360a和功率放大器級中的某些單元的示例設計。
圖5A是放大器332x的特定設計的示意圖，可以把該放大器用於圖3中級332a到332n中的任何一級。在放大器332x中，把級的RF輸入RF_SIN提供給AC(交流)耦合電容器510的一端。把電容器510的另一端耦合到電容器512的一端和電感器514的一端。把電容器512的另一端耦合到AC地，而把電感器514的另一端耦合到電阻器516的一端和電晶體520的基極。
在實施例中，電晶體520是RF電晶體(例如，在本技術領域中普遍使用的、來自西門子的BFP420)。把電晶體520的發射極耦合到AC地，並把集電極耦合到電感器522和524的一端。把電感器522的另一端耦合到正電源VCC，並把電感器524的另一端耦合到電容器526和528的一端。把電容器526的另一端耦合到AC地，電容器528的另一端包括級的RF輸出RF_SOUT。旁路電容器530耦合在VCC和AC地之間。
在放大器332x中，電容器510和528分別提供RF輸入端和RF輸出端的AC耦合。電容器512和電感器514提供放大器輸入端的阻抗匹配，而電容器526和電感器524相應地提供放大器輸出端的阻抗匹配。電感器522提供電晶體520的偏置電流的DC(直流)通路。
把偏置控制電壓VBIAS提供給電阻器516，並用於設置電晶體520的直流偏置電流IBIAS。如果偏置控制電壓VBIAS增加，則把更多電流提供給電晶體520的基極，並且相應地增加集電極電流。用於電晶體520的偏置電流量確定放大器332x的性能，一般，較高的RF輸出功率電平需要較高的偏置電流。
放大器332x是可以用於圖3中的功率放大器級332的許多設計中的一種。其它設計可以包括較少或更多數量的無源和有源元件。此外，還可以使用採用各種類型的有源元件(例如，雙極型電晶體(BJT)、場效應電晶體(FET)以及等等或它們的組合)的放大器設計。例如，可以設計使用FET來模擬放大器332x的電路，並且使用了這裡描述的偏置控制技術的這個模擬電路可以提供相同的優點。示出放大器332x作為放大器設計的一個例子，從而可以通過外部產生的偏置控制信號來調節偏置電流。
圖5B是用於圖5中的放大器332x的偏置電壓發生器550的特定設計的示意圖。偏置電壓發生器550是圖4A和4B中的偏置控制發生器416的一部分，並產生用於設置放大器332x的偏置電流的偏置控制電壓VBIAS。可以使用其它設計來產生偏置控制電壓，並且在本發明的範圍內。
在偏置電壓發生器550中，把電流源554耦合到電晶體556的集電極、電晶體560的基極以及電容器552的一端。把電晶體556的基極耦合到電阻器558的一端。電晶體560的發射極耦合到電阻器558的另一端和電容器562的一端，並提供偏置控制電壓VBIAS。電容器552和562的另一端和電晶體556的發射極連接到AC地。電晶體560的集電極和電流源554耦合到電源VCC。
電晶體556與放大器332x的電晶體520匹配，但是在面積中定標。電阻器558與電阻器516也匹配，並通過電晶體520的大小對電晶體556的大小的比值而定標。因此，電晶體520和556有效地形成電流鏡子，並且通過電晶體520的偏置電流與通過電晶體556的電流相關。特別，放大器332x的偏置電流IBIAS與電流源554的電流ICTRL的關係如下IBIAS＝K·ICTRL公式(2)其中K是因子，相關於(1)電晶體520的面積對電晶體556的面積的比值；(2)熱接觸和電阻接觸的細節以及其它因素。對於一次近似，可以把K看成常數。調節電流ICTRL作為功率放大器RF輸出功率的函數，以得到性能和功率損耗的優良組合。可以對電流ICTRL進行溫度和電源變化的補償，以提供所要求的放大器偏置電流。
在偏置電壓發生器550中，電容器562提供RF耦合，而電容器552控制偏置電壓發生器的穩定性。電晶體560(傳統上已知為在雙極型電流鏡子中的「β幫助器」)改進偏置電壓發生器的驅動能力(電流的)。電晶體560提供作為偏置控制電壓VBIAS的信號驅動。
雖然為了簡單起見在圖5B中沒有示出，但是偏置控制發生器416包括根據來自對數放大器414的經調節信號VCON產生或調節電流ICTRL的電路。可以按本技術領域中眾知的方法來設計這個電路，因此這裡不再描述。
圖5A和5B示出放大器級和相關聯的偏置電壓發生器的特定設計，這裡描述的偏置調節可以使用所述偏置電壓發生器。通過示意來描述這個放大器設計，許多其它放大器設計可以與這裡描述的偏置調節技術一起使用。
圖6A是示出放大器級的增益對預定偏置電流設置的RF輸出功率電平的視圖。圖5A中示出的放大器332x可以產生曲線610。對於這個曲線610，使放大器的偏置電流保持在特定電平，並當在特定範圍上變化RF輸入功率電平時測量RF輸出功率電平。然後根據測量的RF輸入和輸出功率電平計算放大器增益G，並對RF輸出功率電平POUT標繪出曲線。
如通過曲線610所示，對於特定的偏置電流設置IBIASx，當RF輸出功率電平POUT增加到第一值POUT1(例如，+10dBm)時，放大器增益近似於常數。此後，放大器增益擴大，並且RF輸出功率電平增加得比RF輸入功率電平塊，導致曲線610中更大的放大器增益和峰值。當RF輸出功率進一步增加時，放大器最後壓縮，並且RF輸出功率漸近地到達第二值POUT2(例如，+32dB)。當RF輸出功率達到漸近值POUT2時，放大器增益還突然下降。
對於CDMA系統，必須在從極低功率(例如，低於POUT1好多)到功率放大器能夠保持器性能(線性)的最大功率電平的寬的POUT範圍上操作功率放大器。對於該範圍中的所有功率電平，可以選擇最優化的偏置設置。在圖6B中示出一個如此的偏置設置。
圖6A示出對於單個偏置電流設置產生的曲線。可以產生對於一系列偏置電流設置的相似的曲線。然後可以使用這些曲線來識別各種RF輸出功率電平中應該使用的偏置電流量。
還可以產生定出放大器的性能對偏置電流的特性的其它類型的曲線。例如，如在本技術領域中眾知的，可以得到IIP3對偏置電流的曲線。
圖6B是示出放大級的偏置電流對所要求性能水平的RF輸出功率電平的視圖。可以根據如上面相對於圖6A所描述的一系列曲線來產生曲線620，或從用於定出放大器的性能的其它特性曲線來產生曲線620。對於一種偏置電流設置，確定可以通過放大器提供所要求性能的最大RF輸出功率電平。然後使用偏置電流設置和它們相應的RF輸出功率電平來產生曲線620。
在圖6B中示出的實施例中，把偏置電流限制在IMIN和IMAX之間的範圍內。在一個實施例中，把放大器的偏置電流保持在最小值IMIN處或以上，以保證即使當RF輸出降低到較小值或截止(gate off)時放大器也能恰當地操作。相應地，把放大器的偏置電流保持在最大值IMAX處或下面以防止過電流使用。
對於單個放大器級產生曲線620。可以對於具有可調節偏置電流的每個放大器產生相似的曲線。然後可以使用這些曲線來提供相應放大器級的恰當的偏置電流，致使得到所要求的性能同時使功率消耗最小。
可以根據各種偏置調節方案來調節放大器級的偏置電流。一般，偏置電流和RF輸出功率電平之間的傳遞函數取決於功率放大器級的特定設計、所要求的性能水平以及其它可能因素。在一種方案中，檢測功率放大器RF輸出功率電平。然後可以確定每個放大器級的增益(例如，根據級的以前的特性)。通過級的逆向的工作，可以根據從當前級(n)的RF輸出功率電平和當前級的增益來確定前面級(n-1)的RF輸出功率電平。對於每一級，可以根據該級的RF輸出功率電平和為該級產生的曲線620來確定該級的偏置電流。
還可以實施產生功率放大器級的偏置電流的其它方案，並且在本發明的範圍內。
可以使用各種技術對RF輸出功率POUT取樣，這些取樣技術都在本發明的範圍內。這種技術可以包括電阻耦合、耦合線以及其它。下面描述對RF輸出功率取樣的一個電路的示例設計。
圖7是功率檢測器412x的一個實施例的示意圖，可以使用功率檢測器412x來檢測RF輸出信號的功率電平。功率檢測器412x是圖3的峰值檢測器412的一個特定實施。功率檢測器412x接收RF輸入RF_DET_IN以及參考電壓RF_REF，並提供檢測器差分信號VDETP和VDETN。檢測器RF輸入是功率放大器RF輸出信號的一小部分，並且是通過耦合器340提供的。
在功率檢測器412x中，把檢測器RF輸入提供給電容器708的一端，並把電容器的另一端耦合到電晶體710a的基極。電晶體710a和710b的基極分別接收檢測器RF輸入以及參考電壓，並進一步分別耦合到電阻器714a和714b的一端。電晶體710a和710b的發射極分別耦合到電流源712a和712b，並包括測器差分信號VDETP和VDETN。電晶體710a和710b的集電極耦合到電源VCC。電阻器714a和714b的另一端一起耦合到電源716、二極體718的陽極以及電容器722的一端。二極體718的陰極耦合到電阻器720的一端。電阻器720和電容器722的另一端耦合到AC地。電容器724耦合到檢測器輸出VDETP和AC地。
電容器708提供檢測器RF輸入的AC耦合，並且通過電晶體710a得到檢測器RF輸入的整流。電源716在節點730處提供近似恆定的電壓。在每個電流源712a和712b中的電流與電流源716中的電流相關(即，I2∝I1)。如果檢測器RF輸入電壓增加，則電晶體710a的基極-發射極電壓VBE增加，並且通過電晶體710a導入更多電流。由於電流源712a提供近似恆定的電流I2，附加的電流對電容器724充電和增加輸出電壓VDETP。相反，當RF輸入電壓降低時，通過電晶體710a的電流減少，電容器724放電，以致來自電晶體710a的發射極電流和來自電容器724的放電電流的總和滿足電流源712a要求的恆定電流。電晶體710b和電流源712b產生輸出電壓VDETN，該電壓跟蹤與非信號有關的工作點。當從VDETP減去這個電壓VDETN時，就排除了偏置點偏移(可能與溫度和IC過程有關)。
圖7示出可以用於確定RF信號的功率的功率檢測器的特定設計。還可以使用許多其它設計，並在本發明的範圍內。
圖8是對數放大器414x的實施例的示意圖，對數放大器414x是圖4A中的對數放大器414的一個特定實施。對數放大器414x接收差分功率檢測器輸出VDETP和VDETN以及提供經調節的信號VCON。
在圖8中示出的實施例中，對數放大器414x包括具有耦合到電阻器812a的一端、電晶體814的集電極以及電容器816a的一端的反相輸入端的放大器810。電阻器812a的另一端接收檢測器輸出VDETP。把放大器810的非反相輸入端耦合到電阻器812b的一端以及電容器816b的一端。電阻器812b的另一端接收檢測器輸出VDETN，並且把電容器816b的另一端耦合到AC地。把電晶體814的基極耦合到AC地，並給予偏置到所要求的偏置電壓，致使電晶體814在整個輸入電壓(以及輸出電壓)範圍上導通。把放大器810的輸出耦合到電晶體814的發射極和電容器816a的另一端，並包括經調節的輸出VCON。在本技術領域中眾知對數放大器414x的操作，這裡不再描述。
雖然為了簡單起見在圖8中沒有示出，但是可以設計對數放大器414x以提供溫度補償。如在公式(2)中所示，在VBE和IDET之間的傳遞函數取決於與溫度有關的項VT。通過耦合到電晶體814的基極、放大器810的輸出端或兩者的溫度補償電路可以得到溫度補償。在本技術領域中眾知這種溫度補償電路的設計，這裡不再描述。
如上所述，使用對數放大器414x把峰值檢測器輸出轉換成與以dBm為單位的POUT成比例。也可以使用對數放大器的其它設計，並在本發明的範圍內。此外，對於某些其它功率放大器和/或控制電路設計，可以實施其它補償傳遞特性(代替對數傳遞特性)。
對於在圖4B中示出的數字設計，可以通過處理器426數字地實施補償傳遞函數(例如，用查找表)。這允許實施具有任何形狀的補償傳遞函數。此外，可以對於每個偏置可調節的功率放大器級實施不同的補償傳遞函數(代替對於所有級都使用一個對數放大器)。因此，數字設計可以對級的偏置提供更準確的調節。
這裡描述的偏置控制技術提供有效和準確的功率放大器偏置調節，以使功率消耗最小同時得到所要求的性能。偏置控制技術自動地調節功率放大器的偏置電流作為RF輸出功率電平的函數。根據反饋迴路連續地執行調節(並且不是根據增益設置中的改變而周期性地調節，如在某些衝突偏置控制方案中那樣)。此外，根據檢測到的RF輸出功率電平來調節(不是根據諸如增益設置之類某些功率電平的直接指示)。這裡描述的技術因此提供改進的RF性能和降低的電流消耗。
第二，這裡描述的技術提供偏置電流的連續的模擬狀的控制/調節。這可以大大地減少，或可能排除，當調節偏置電流時的RF輸出中的相位不連續性的量。對比之下，當在分立步驟中調節偏置電流時，在(一般較大的)分立步驟中調節偏置電流的傳統方案更可能產生相位不連續性(並具有較大的幅度)。特別在支持較新一代通信系統的高數據速率處，這種相位不連續性可以降低系統的性能。
在圖3中，示出功率放大器330和控制單元350作為兩個單元。可以在單個集成電路(IC)中、在獨立的集成電路中或與其它電路組合而實施這些單元，例如，可以把功率放大器330集成在包括所有或一部分控制單元350(例如，功率檢測器352、偏置控制發生器360a以及其它可能電路)的RF IC(射頻集成電路)中。根據控制單元350的特定實施，可以在數字單元(例如，處理器、數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、控制器、現場可編程門陣列(FPGA)、可編程邏輯器件等)中實施某些單元(例如，處理器426)。
提供所揭示實施例的上述描述，以使熟悉本領域技術的人員可以製造或使用本發明。熟悉本領域技術的人員將不費力地明了這些實施例的各種修改，可以把這裡所定義的一般原理應用到其它的實施例而不需要用發明創造。因此，不打算把本發明限於這裡所示出的實施例，而是和這裡所揭示的原理和新潁特徵符合的最寬廣的範圍相一致。
權利要求
1.一種偏置受控放大器，其特徵在於，它包括耦合在一起和配置成接收和放大輸入信號以提供輸出信號的一個或多個放大器級；以及控制單元，用於可操作地耦合到所述一個或多個放大器級，並配置成檢測所述輸出信號的電平，以及根據檢測到的輸出信號電平，提供至少一個偏置控制信號，用於調節至少一個放大器級的偏置。
2.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述每個偏置控制信號調節相關放大器級的偏置電流。
3.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述控制單元包括功率檢測器，配置成檢測所述輸出信號電平和提供表示所檢測的輸出信號電平的檢測信號；調節單元，耦合到所述功率檢測器以及配置成接收和調節所述檢測信號，以提供至少一個經調節的信號；以及偏置控制發生器，耦合到所述調節單元以及配置成接收所述至少一個經調節的信號以及提供所述至少一個偏置控制信號。
4.如權利要求3所述的偏置受控放大器，其特徵在於，配置所述調節單元以提供第一傳遞特性，可以選擇所述第一傳遞特性來提供用於所述至少一個放大器級的偏置調節所要求的總的傳遞特性。
5.如權利要求4所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述第一傳遞特性近似於對數函數。
6.如權利要求4所述的偏置受控放大器，其特徵在於，用數字電路來實施所述調節單元的至少一部分。
7.如權利要求6所述的偏置受控放大器，其特徵在於，用查找表來實施所述第一傳遞特性。
8.如權利要求3所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述控制單元進一步包括低通濾波器，配置成對所述檢測信號進行接收和濾波以提供經濾波的信號，以及其中，配置所述調節單元以接收和調節所述經濾波的信號。
9.如權利要求8所述的偏置受控放大器，其特徵在於，配置所述低通濾波器以濾除所述檢測信號中的包絡。
10.如權利要求3所述的偏置受控放大器，其特徵在於，配置所述功率檢測器以檢測所述輸出信號的功率電平。
11.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，進一步包括耦合器，可操作地耦合到所述一個或多個放大器級的輸出級，並配置成把所述輸出信號的一部分耦合到所述控制單元。
12.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，配置所述控制單元以提供所述至少一個偏置控制信號的模擬狀調節。
13.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，配置所述控制單元以連續地檢測所述輸出信號電平以及更新所述至少一個偏置控制信號。
14.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述每個偏置控制信號調節所述相關放大器級的偏置以得到特定的線性水平。
15.如權利要求14所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述每個偏置控制信號進一步調節所述相關放大器級的偏置以降低功耗。
16.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述每個偏置控制信號按減少所述輸出信號中的相位不連續性的方式來調節所述相關放大器級的偏置。
17.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，根據偏置對所檢測的所述輸出信號電平的各個傳遞函數來調節所述至少一個放大器級中的每一個。
18.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，把每個偏置控制信號限制在值的一個範圍中。
19.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，每個偏置控制信號具有一個最小值。
20.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述一個或多個放大器級是串聯耦合的。
21.如權利要求1所述的偏置受控放大器，其特徵在於，所述輸入信號是CDMA調製信號。
22.一種偏置受控放大器，其特徵在於，它包括串聯耦合以及配置成接收和放大輸入信號以提供輸出信號的一個或多個放大器級；耦合器，可操作地耦合到所述一個或多個放大器級的輸出級，並配置成耦合所述輸出信號的一部分；功率檢測器，耦合到所述耦合器以及配置成根據所述耦合部分來檢測輸出信號的電平和提供表示所檢測的輸出信號電平的檢測信號；調節單元，耦合到所述功率檢測器以及配置成接收和調節所述檢測信號，以提供至少一個經調節的信號；以及偏置控制發生器，耦合到所述調節單元以及配置成接收所述至少一個經調節的信號以及提供所述至少一個偏置控制信號，用於調節所述至少一個放大器級的偏置。
23.一種調節多極放大器的偏置的方法，其特徵在於，它包含用一個或多個放大器級接收和放大輸入信號以提供輸出信號；檢測所述輸出信號的電平；調節表示所述檢測的輸出信號電平的檢測信號以提供至少一個經調節的信號；根據至少一個經調節的信號形成至少一個偏置控制信號；以及用至少一個偏置控制信號調節至少一個放大器級的偏置。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，用具有第一傳遞特性的模擬電路來執行所述調節，可以選擇所述第一傳遞特性來提供用於所述至少一個放大器級的偏置調節所要求的總的傳遞特性。
25.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，用數字電路執行所述調節，配置所述數字電路以實施第一傳遞特性，可以選擇所述第一傳遞特性來提供用於所述至少一個放大器級的偏置調節所要求的總的傳遞特性。
全文摘要
具有偏置的功率放大器，可以根據檢測到的輸出功率電平自動調節所述偏置。放大器包括可操作地耦合到控制單元的一個或多個放大器級。放大器級耦合在一起(例如，串聯地)，並接收和放大RF輸入信號以提供RF輸出信號。功率檢測器檢測RF輸出信號電平(或功率)，並提供所要求的信號。控制單元調節所檢測的信號(例如，用特定的傳遞特性)以提供至少一個經調節的信號。偏置控制發生器接收經調節的信號，並提供至少一個偏置控制信號，使用每個偏置控制信號來調節各個放大器級。按得到所要求的線性水平同時使功率消耗最小的一種方式來執行偏置調節。
文檔編號H03G3/02GK1515069SQ02811193
公開日2004年7月21日 申請日期2002年3月25日 優先權日2001年4月4日
發明者C·佩爾西柯, J·克拉倫, V·阿帕林, , C 佩爾西柯, 亮 申請人:高通股份有限公司