功率電晶體的補償電路和方法
2023-05-07 05:24:31 2
專利名稱：功率電晶體的補償電路和方法
技術領域：
本發明涉及一種功率電晶體的補償電路，特別是涉及一種用於偏置功率電晶體來抵消運行特性中不利變化的補償電路。
背景技術：
多年來，功率電晶體用於許多市場中的應用，如音頻、視頻、消耗器件、多媒體和無線通訊等提供相當高的電流水平。對於無線通訊，功率電晶體通常被用於無線電基站放大器的放大級和其它的射頻(RF)的應用中。當用於高頻功率放大時，這種電晶體在特定的供電電壓和運行頻率下，需要滿足輸出功率、增益、魯棒性、效率、穩定性、帶寬等許多細節要求。
至少一種用於功率應用的功率電晶體是場效應管，特別是MOS電晶體(金屬氧化物電晶體)。與大多數電晶體的性能相類似，MOS功率電晶體的運行特性受到許多條件和/或環境的影響。溫度和工藝變化可能會導致功率電晶體運行特性的變化。此外，MOS電晶體，如徑向擴散MOS(LDMOS)電晶體，可能會出現柵極氧化物充電超時。尤其是，MOS電晶體的溝道區的電子可能被源-漏極電場加速，克服溝道區-柵極氧化物界面的勢壘，被俘獲在MOS電晶體的柵極氧化物區。被俘獲在柵極氧化物區的電子改變了MOS電晶體的器件特性，包括由此引起的閾值電壓漂移。對於加強模式的MOS電晶體，閾值電壓隨著柵極氧化物區的電荷數的增加而增加。MOS電晶體閾值電壓的漂移可能引起靜態電流水平的急劇變化。靜態電流水平的變化影響到MOS電晶體的整體線性性能和小信號增益。可見，需要考慮由多種現象所引起的MOS電晶體性能的變化。
發明簡介本發明克服了先前的電路和系統的缺點，滿足了對於功率電晶體的偏置電路的需要，在偏置功率電晶體時，該電路補償功率電晶體的一個或多個運行特性的變化。該偏置電路向功率電晶體的柵極端子加偏壓，以使電晶體按要求運行。該偏置電路包括一個校正電晶體，它具有一個與功率電晶體相似的器件結構。該校正電晶體可以與功率電晶體一樣在相同的半導體襯底上製造，或者在一個遵循與構造功率電晶體的半導體襯底相同的半導體製作技術的半導體襯底上製造。按照與偏置功率電晶體相類似的方式，來偏置該校正電晶體。結果，該校正電晶體的運行特性大致反映了功率電晶體的運行特性。通過將該偏移電路的輸出偏置電壓作為校正電晶體的運行特性的函數，施加於功率電晶體的輸出偏置電壓提供了一個校正量，來補償功率電晶體的運行特性中的不利變化。
本發明的一個優選實施方案包括一個運算放大器。該運算放大器的一個輸入端子與校正電晶體的輸出端子相連。運算放大器的輸出端與功率電晶體的控制端子相連。這樣，校正電晶體的運行特性的變化(發映了功率電晶體的運行特性)改變運算放大器的輸入，使得產生的施加於功率電晶體的控制端子的輸出信號補償功率電晶體的運行特性的變化。換句話說，即改變出現在功率電晶體控制端子上的電壓，來補償功率電晶體運行特性的不利變化。
附圖簡述結合附圖，通過下面的詳細描述，可以對本發明的系統和方法有一個較全面的了解，附圖中
圖1是本發明的一個優選實施方案的示意圖；圖2是本發明的另一個優選實施方案的示意圖。
優選實施方案的詳細說明現在將參考附圖對本發明進行更加全面的說明，附圖中示出了本發明的一個優選的實施方案。然而，本發明可以包含許多不同的形式，不應理解為局限於這裡所提出的實施方案。相反，提供該實施方案，是為了使發明的公開全面和完整，向本領域的熟練人員充分表述本發明的範圍。
參考圖1，公開了一個依照本發明的優選實施方案的偏置電路1。偏置電路1適用於為功率電晶體2的控制端子提供一個偏置電壓。下面說明功率電晶體2，在附圖中是採用一個用於放大RF輸入信號的射頻(RF)MOS功率電晶體來舉例說明的。應當清楚，在其它的應用中，功率電晶體2也可以與偏置電路1一同使用。還應當進一步明確，功率電晶體2可以是其它形式的功率電晶體。在射頻的應用中，一個RF信號被接收並通過電容C1傳送，電容阻斷直流信號。由一個或多個微波傳輸帶線和一個或多個電容組成的連接電容器C1和功率晶體2的匹配電路T1將功率電晶體2的柵極端子處的系統阻抗與其輸入阻抗相匹配。類似地，與功率電晶體2的漏極端子相連的匹配電路T3將功率電晶體2的漏極端子處的系統阻抗與輸出阻抗相匹配。與匹配電路T3串連的的電容C2阻斷由功率電晶體2的輸出信號產生的直流信號分量。
功率電晶體2的漏極通過傳輸線T4連接到參考電壓Vdd，該傳輸線可以是一條具有相當高阻抗的四分之一波長線，在運行頻率下，通過電容器C5短接，在較低頻率下，通過電容器C3和C11短接。從而，在所關注的頻率下，在提供參考電壓Vdd時，傳輸線T4對功率電晶體2沒什麼影響。
在參考電壓Vdd和傳輸線T4之間，連接一個由鐵氧體珠FB1和FB2，以及電容器C6、C9和C10組成的低通濾波器，將功率電晶體2和參考電壓Vdd隔離。
如上所示，偏置電路1產生一個施加於功率電晶體2的柵極端子的直流偏置電壓電平，以便補償器件運行特性的不利變化。特別是，偏置電路1採用了一個適合具有與功率電晶體2的運行/器件特性十分相似的運行特性和/或器件特性的校正電晶體3。校正電晶體3最好具有與功率電晶體2相同的器件結構。功率電晶體2和校正電晶體3可以是LDMOS電晶體。而且，為了緊密地匹配功率電晶體2的器件特性，校正電晶體3可以與功率電晶體製作在相同的半導體襯底上。另外一種情況下，可以採用與功率電晶體2相同的製作工藝，將校正電晶體3製作在不同的半導體襯底上。類似於偏置功率電晶體2，採用偏置電路1來偏置校正電晶體3，並利用校正電晶體3產生直流偏置電壓來偏置功率電晶體2，直流偏置電壓取決於校正電晶體3和功率電晶體2的運行特性的變化。
在本發明的一個優選實施方案中，校正電晶體3的一維或多維尺寸與功率電晶體2的相應尺寸成比例。例如，校正電晶體3的尺寸是與功率電晶體2的相應尺寸被比例為一個很小的分數。這樣，校正電晶體3無需佔用很大的矽間隔或消耗很大的功率就能夠基本反映功率電晶體的運行情況。
偏置電路1包括偏置校正電晶體3的柵極端子的電阻R9和R10。選擇R9和R10的電阻值為校正電晶體3產生一個漏極電流，以使得校正電晶體3的漏極電流與功率電晶體2的漏極電流的比例與校正電晶體3的尺寸與功率電晶體2的尺寸的比例大體相同。偏置電路1的電阻R11和R12的並聯組合更適宜用作校正電晶體3的上拉器件。可以看出，校正電晶體3的漏極輸出電壓根據運行特性的變化而變化。
根據本發明的第一個優選實施方案，偏置電路1包括一個運算放大器4。運算放大器4被配置為一個具有一個非反向閉環增益的放大器電路。電阻R5、R7和R8被連接到運算放大器4並由此設置閉環增益。電阻R5具有一個與運算放大器4的非反向輸入相連的第一端子。電阻R6具有一個與電阻R5的第二端子相連的第一端子，和一個與地電位相連的第二端子。電阻R7具有一個與運算放大器4的反向輸入相連的第一端子和與其輸出相連的第二端子。電容器C16(與電阻R7相連)和C18(與電阻R7並聯)充分消除了輸入偏置電路1的噪聲。連接運算放大器4參考電壓Vdd和地之間的電容器C17被用作一個旁路電路用來將所施加的電壓信號提供給運算放大器4。將電阻R1和R6用作分壓器來設置運算放大器4的非反向輸入的電壓電平。
偏置電路1還包括電阻R13，電阻R13連接於校正電晶體地漏極和電阻R5的第二端子之間。在校正電晶體3和運算放大器4的非反向輸入之間設置電阻R13，引起在運算放大器4的輸入端可見的校正電晶體的漏極電壓。
串連電阻R3和R4被連接到運算放大器4的一個輸出端。電阻R2、R3和R4組成一個分壓器，將運算放大器4的輸出電壓減小到所需的值。電阻器R3和傳輸電路T1的輸入之間的連接電感L1和傳輸電路T2為功率電晶體2提供了一個低阻抗的直流路徑，和一個在運行頻率下阻抗基本上很高的路徑，以便阻斷RF輸入信號。電容器C4被連接到電阻R3，將可能出現在電阻R3上的殘留信號短路。
依照上面描述的本發明的優選實施方案的偏置電路的一個優點是，由於運算放大器4具有一個相當高的輸入阻抗，所以具有一個很寬的電阻R6、R11、R12和R13的阻值選擇範圍。
可以看出，如果功率電晶體2和校正電晶體3是熱連接的，那麼偏置電路1能夠為功率電晶體2的柵極端子提供一個偏置信號，抵消或補償由功率電晶體2的運行溫度引起的功率電晶體2的運行特性的變化。
偏置電路1可以進一步包括一個調節器電路5，接收Vdd電壓並提供一個用於功率運算放大器4的調節的參考電壓電平。
類似地，在使用中，功率電晶體2的運行特性的變化也會出現在校正電晶體3的運行特性中。結果是，變化包括由於功率電晶體2和校正電晶體3的柵極氧化物區的俘獲電荷分別導致的功率電晶體2和校正電晶體3的閾值電壓向上漂移，功率電晶體2和校正電晶體3的漏極電流都將成比例減小。校正電晶體3的漏極電流的減小導致漏極電壓增加，由此增加了運算放大器的非反向輸入端出現的電壓。從而，運算放大器4的輸出增加，使功率電晶體2的柵極端子處的直流電壓增加。增加的柵極電壓導致功率電晶體2的漏極電流的增加。因為柵極電壓的增加是基於功率電晶體2和校正電晶體3的運行特性的改變，所以功率電晶體1的運行特性的變化(漏極電流減小)通過一個基本相等的量(漏極電流增量)來抵消和補償，以維持功率電晶體2的運行特性在一個所希望的水平。
圖2說明的是本發明的另一實施方案。在偏置電路10中，為偏置電路1中的運算放大器4提供一個初級偏置電壓的電阻R1通過電阻R3、電感L1和傳輸電路T2為功率電晶體2提供一個初級偏置電壓。分別連接到校正電晶體3的柵極和漏極的電容C14和C15消除了校正電晶體3中的雜散RF放大。並聯連接的上拉電阻R11和R12將校正電晶體3的漏極端子與Vdd參考電壓相連。通過電阻R4將校正電晶體3的漏極電壓提供給功率電晶體2的初級偏置電路。相對於功率電晶體2來確定校正電晶體3的大小和尺寸，使其呈比例的形式。由於採用了偏置電路1的校正電晶體3，偏置電路10中的校正電晶體的柵極端子通過電阻R9和R10偏置，以使得校正電晶體3的漏極電流與功率電晶體2的漏極電流的比例與電晶體3的尺寸與功率電晶體2的尺寸的比例大體相同。這樣，校正電晶體3的輸出(漏極)電壓提供一個補償或校正電壓，來解決校正電晶體3和功率電晶體2的運行性能的不利變化。通過電阻R1將這一補償或校正電壓增加到初級偏置電壓中，所得到的偏置電壓被施加到功率電晶體2的柵極端子上。因而，所得到的功率電晶體2的柵極端子上的電壓校正了功率電晶體2的運行性能中的不利變化，使得功率電晶體2能夠按需要運行。
這樣就對本發明進行了描述，很顯然可以在許多方面對其加以更改。這樣的更改不會被看作是背離本發明的宗旨和範圍，隨後的權利要求中包含了所有這些改動對於本領域的熟練人員來說是顯而易見的。
權利要求
1.一種用於功率電晶體的偏置電路，包括一個校正電晶體，具有一個與功率電晶體基本相同的器件結構；和一個電路，用於偏置校正電晶體的控制端子，以使得校正電晶體的運行特性與功率電晶體的運行特性基本上類似，校正電晶體的一個輸出連接到功率電晶體的柵極端子，以使得功率電晶體柵極端子上的信號補償功率電晶體的運行特性的變化。
2.依照權利要求1的偏置電路，其中功率電晶體和校正電晶體為MOS電晶體。
3.依照權利要求1的偏置電路，其中功率電晶體和校正電晶體為LMMOS電晶體。
4.依照權利要求1的偏置電路，該偏置電路進一步包括一個放大器電路，具有一個連接到校正電晶體的輸出端子的輸入，和一個連接到功率電晶體的控制端子的輸出。
5.依照權利要求4的偏置電路，該偏置電路進一步包括一個分壓器，連接在放大器電路的輸出和功率電晶體的控制端子之間。
6.依照權利要求5的偏置電路，該偏置電路進一步包括一個低通濾波器電路，連接在分壓器和功率電晶體的控制端子之間。
7.依照權利要求1的偏置電路，該偏置電路進一步包括至少一個上拉器件，連接在校正電晶體的漏極端子和一個電壓參考之間。
8.依照權利要求1的偏置電路，其中校正電晶體的一維和多維尺寸與功率電晶體的相應尺寸成比例。
9.依照權利要求8的偏置電路，其中校正電晶體的電流水平與功率電晶體電流水平的比例與校正電晶體的尺寸與功率電晶體的相應尺寸的比例基本相同。
10.依照權利要求1的偏置電路，其中功率電晶體在其控制端子處接收一個RF輸入信號，並由此產生一個RF輸出信號。
11.依照權利要求10的偏置電路，其中功率電晶體的一個漏極端子與一個參考電壓相連。
12.依照權利要求1的偏置電路，進一步包括一個分壓器，連接在放大器電路的輸出和功率電晶體的控制端子之間。
13.依照權利要求1的偏置電路，該偏置電路進一步包括一個運算放大器電路，具有一個連接到校正電晶體的輸出端子的輸入，和一個連接到功率電晶體的控制端子的輸出。
14.一種用於偏置一個功率電晶體的方法，該方法包括的步驟有基本反映功率電晶體的運行特性；根據所反映的運行特性產生一個偏置信號；和將該偏置信號耦合到功率電晶體的控制端子上，來補償功率電晶體的運行特性的變化。
15.依照權利要求14的方法，其中反映特性步驟所包括的步驟為產生一個大致反映功率電晶體的電流水平的電信號。
16.依照權利要求15的方法，其中產生偏置信號的步驟包括放大該電信號來產生一個放大的電信號的步驟；和耦合的步驟包括將所放大的電信號耦合到功率電晶體的控制端子的步驟。
17.依照權利要求15的方法，其中產生電信號的步驟進一步包括按比例確定該電信號的步驟。
18.依照權利要求14的方法，其中反映特性的步驟包括基本反映功率電晶體的閾值電壓漂移步驟；和產生偏置信號的步驟產生偏置信號來補償功率電晶體閾值電壓的漂移。
19.一個放大器電路，該電路包括一個第一電晶體，具有一個連接用來接收射頻輸入信號的控制端子，和根據射頻輸入信號來提供一個射頻輸出信號的輸出端子；一個上拉器件，連接到第一電晶體的輸出端子；和一個偏置電路，連接到第一電晶體的控制端子，用來產生一個偏置信號，偏置第一電晶體以放大射頻輸入信號，該偏置電路包括一個校正電晶體，具有能夠基本反映第一電晶體的運行特性的運行特性，該偏置信號取決於校正電晶體的運行特性，來補償第一電晶體的運行特性的變化。
20.依照權利要求19的放大器電路，其中校正電晶體的器件結構與第一電晶體的器件結構基本相同。
21.依照權利要求20的放大器電路，其中校正電晶體的至少一個尺寸與第一電晶體的相應尺寸成比例。
22.依照權利要求19的放大器電路，其中偏置電路包括一個運算放大器，具有一個與校正電晶體的輸出端子相連的輸入，和一個與第一電晶體的一個控制端子相連的輸出。
23.依照權利要求22的放大器電路，其中該運算放大器具有一個非反向閉環增益。
24.依照權利要求19的放大器電路，其中校正電晶體和第一電晶體為MOS電晶體。
25.依照權利要求24的放大器電路，其中校正電晶體和第一電晶體為LMMOS電晶體。
26.依照權利要求24的放大器電路，其中由偏置電路產生的偏置信號中，反映了由於柵極氧化物充電引起的校正電晶體的運行特性的變化，以便補償由於柵極氧化物充電引起的第一電晶體的運行特性的變化。
27.依照權利要求19的放大器電路，其中第一電晶體和校正電晶體具有基本相同的溫度特性；和由偏置電路產生的偏置信號中，反映了溫度導致的校正電晶體的運行特性的變化，以便補償溫度導致的第一電晶體的運行特性的變化。
全文摘要
公開了一種電路和方法，用於偏置一個功率電晶體，由此來補償運行特性中的不利變化。該電路包括一個校正電晶體，該校正電晶體具有與功率電晶體大體相同的器件特性。此外，該校正電晶體的至少一維尺寸與功率電晶體的相應尺寸成比例。偏置校正電晶體，使校正電晶體的漏極電流與功率電晶體的漏極電流的比例與尺寸的比例相同。這樣，校正電晶體的輸出信號是根據功率電晶體的運行特性的不利變化來決定的。校正電晶體的輸出信號被放大，並連接到功率電晶體的控制端子上，使得施加到控制端子的變化信號補償功率電晶體的運行特性中的不利變化。
文檔編號H03F1/30GK1409893SQ00816907
公開日2003年4月9日 申請日期2000年10月3日 優先權日1999年10月8日
發明者C·布萊爾, H·舒登 申請人:艾利森公司