专利名称：用于射频放大器的有源偏置网络电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式电话通信技术。特别地描述一种有源偏置网络电路，它给射频放大器提供一个稳定的参考电压。
便携式电话通信要求小型的和节约电池电源的送话器。另外，这些小功率送话器经受变化的电池电源电压，该电压在充电之后的高充电电平到电话机的电池放电时的较低的电压电平之间变化。由于当天线与放大器输出级阻抗不匹配时来自该天线的反射功率，电话送话器的功率放大器还经受热过载。在反射功率条件下，从该放大器的双极型晶体管产生电流，该电流能产生热击穿条件。另外，在操作期间，一定类型的调制诸如码分多址(CDMA)将产生基带调制分量，该基带调制分量进入用于该输出放大器的偏置网络。在这些条件下，进入该偏置网络电路的基带调制可能并且传递到其它电路，在输出功率频谱中产生不希望的杂散辐射分量。
为了保护电话送话器免于出现这些状况，必须提供一个偏置网络，它是与该功率放大级隔离的，并且必须保护该功率放大级避免产生热击穿条件的高压电流。另外，必须实现这些保护，以使该电话机的电池电源所负担的电流消耗是可接受的。
提供用于功率放大器的一个偏置网络，它是与基带信号和由该功率放大器产生的射频信号隔离的。一个电流源连接到频带隙电压源，它产生与频带隙电压成比例的电流。参考电压电路接收该电流并且产生与该电流和设备的温度成比例的电压。该电压作为偏压通过运算放大器加到功率放大器输出晶体管。运算放大器把该电流源、参考电压电路与从该功率放大器输出级发出的任何基带信号隔离。功率放大器击穿保护电路还连接到该功率放大器输出级以便转移在天线失配或者高电源电压条件期间由该功率放大器产生的雪崩电流。在这些条件下，电流的转移保持该功率放大器输出级的晶体管不会进入热击穿模式。
根据本发明的一个优选实施例，电压调节器电路还串联连接到该功率放大器输出级晶体管。在高电池电压条件期间，该电压调节器保持到功率放大器输出晶体管的电压基本上在恒定的电平。随着电源电压减小，调整器停止工作并且全部电源电压加到该输出晶体管。
图1说明两级便携式电话送话器输出放大器的方框图；图2说明根据本发明的一个优选实施例的偏置网络；图3是本发明的第二实施例的示意图，它控制雪崩电流的耗散；和图4说明一个电源保护电路，用于防止电池电源电压对该偏置电路网络的基带频率分量的产生的影响。
图1是说明用于便携式电话机的功率放大电路的方框图。信号发生器在输入10施加被放大的一个射频信号并且加到天线端子21。RF输入信号源是与到驱动器放大级11的阻抗匹配网络13阻抗匹配的。驱动器放大级11通过到输出功率放大级12的级间匹配网路14进行阻抗匹配。输出功率放大级12又通过到连接天线的输出端口21的输出匹配网路20阻抗匹配。功率放大级11和12连接到电源19，电源19是一个多单元的电池电源。电池电源19将工作电压提供到驱动器级11和功率放大级12以及提供用于频带隙电路17和偏置网络16的工作电压。频带隙电路17通常产生大约1.186伏特的参考电压，在本优选实施例中它由该偏置网络16用于建立该驱动器级11和功率放大级12的偏压。
图1的功率放大器遇到的普遍的问题之一是功率放大级12和连接到输出端口21的天线之间失配。在失配期间，由于天线的位置对它的环境频繁的改变，它导致便携式电话机在频繁的基准上，反射功率被加到功率放大级12。该反射功率产生一个电流，该电流流过集电极-基极结，因此通过基极-发射极结。该输出功率放大级12的晶体管的不稳定的热击穿条件引起该晶体管失效。另外，连接到该电话机的电源电压和其它电路的偏置网络16可从功率放大器电路传导基带信号，该基带信号包含在射频信号中。这些基带信号通过该电路传播，在输出射频信号中产生寄生的射频信号。
本发明提供一个偏置网络，它是与该功率放大级中的射频信号隔离的。另外，在功率放大级12和偏置网络16中设有保护以避免由于在功率放大级中接收反射功率时产生雪崩电流造成的热击穿条件。
图2说明提供这个目的的本发明的一个实施例。频带隙电路提供对温度和电池电源电压变化的稳定的电压基准，输出电压加到基准电阻器25。电流反射镜电路30具有两个场效应晶体管25和26，产生通过基准电阻器25的基准电流Iref1。电流反射镜晶体管25和26的共用源极连接和基准电阻器25的一端连接到该电池电源电压。
该电流反射镜产生一个电流Iref2，它与通过基准电阻器25的电流Iref1成比例。常规的电流反射镜电路中的Iref2电流与晶体管26和27的尺寸成比例。
基准电压电路34从电流Iref2中产生一个基准电压。基准电压电路34包括两个双极型晶体管32和33。晶体管32具有连接到晶体管33的基极的一个集电极。电话机的电源电压加到晶体管33的集电极和晶体管32的发射极两端。
基准电压电路34产生一个电压，它由Iref2控制，反过来由基准电阻器25两端的频带隙电压设置。由于温度常常变化，从基准电压电路34产生的电压也变化以便补偿功率放大级12的晶体管42的基极-发射极结电压的变化。
从基准电压电路34产生的偏压在运算放大器36和NFET驱动器37中提供。运算放大器36和NFET驱动器37产生d.c.单位增益，和有效地隔离该偏置网络16与从功率放大级12产生的任何电流。
图2的电路包括雪崩电流保护。由双极型晶体管40和电阻器41提供雪崩电流保护。如果由双极型晶体管42产生雪崩电流，晶体管40将提供用于该雪崩电流的对地的低阻抗，将该电流从晶体管42的基极-发射极结引出，因此有助于避免功率放大级12的双极型晶体管42的热击穿条件。另外，由于晶体管40的传导，从该功率放大级12流入偏置网络16的任何基带调制产物更有效地与基准电路34、电流反射镜30和频带隙电路17隔离。因此，能在输出信号频谱中产生寄生的射频信号分量的射频基带信号有效地与功率放大器电路的其余部分隔离。
图3表示用于产生偏压的本发明的另一个实施例，该偏压与输出放大级12中的基带信号分量隔离。图3和图2的实施例之间的区别在于雪崩电流保护的实现。图3的雪崩晶体管40具有连接到差动对电路44的一个基极连接。差动对电路44具有通过电阻器38和39连接到输出放大级晶体管42的基极和基准电压电路34的一对输入。由图3的实施例实现的优点是雪崩晶体管40可以设置为在它不经受来自输出放大级12的雪崩电流时，在电话机备用模式期间传导较小电流。通过雪崩晶体管40减少的电流有助于保存电池电源的寿命。当功率放大电路以补偿模式工作时这是特别地有利的，这在GSM模式中是普通的。因为补偿模式产生很少的基带信号分量和较低的反射功率条件，仅仅需要较小量的电流通过雪崩晶体管40耗散。
当来自输出放大级晶体管42的集电极-基极结的雪崩电流增加时，引起差动对电路44的输入之间的电压不平衡，雪崩晶体管40很难接通。因此，仅仅耗散小量的电流，直到产生雪崩电流增加量的时间为止。
当该电路的电源电压由于电池电源的充电而增大时，作为功率放大电路和天线之间不良匹配的结果，反射功率的结果加剧了。在完全地充电电池电源之后，该放大级的输出晶体管42两端的电池电源电压和由阻抗失配产生的反射功率一起产生晶体管42的高的雪崩电流条件。除了用于从晶体管42转移雪崩电流的保护电路外，在功率级放大级12中可以使用一个输出电压调节器。当电源电压超过基准电平时，该电压调节器级将限制加在输出功率放大级12的晶体管42两端的电压。
图4表示这个电压调节器的实施方案。电池电压通过负载阻抗53连接到功率放大级12的晶体管42。示出了一个比较器50，它比较负载阻抗53和晶体管42两端的电压与基准电势。在高充电条件下，其中电池电压充电到高值，比较器50比较该电压值与基准电压。当电池电压是高充电条件时，电容器52帮助重建负载53和晶体管42两端的稳定电压。
随着电池电压减小，由于电话机的电流消耗，FET 51不再调节电压电源，但是相反起将全部电源电压放置在晶体管42的负载阻抗两端的低损耗开关的作用。用这种方式，从反射功率产生的高压不由高充电电池电压的存在而复合。
当以超过基准电压的电池电压工作时，和当工作在低于该电压时，该电路稍微降低该电源和效率，PFET51作为一个开关工作。该放大级的电源和效率是在没有集电极电压调节电路的2％之内。因此，对电池寿命的影响是最小的，同时防止由于热击穿引起输出晶体管42的严重故障。补偿电容器52提供用于电压调节器的补偿。
本发明的前面的描述说明和描述了本发明。另外，本公开仅仅表示和描述本发明的优选实施例，但是正如上述的，应该理解的是本发明能够使用在各种其它组合、修改和环境，并且能在正如其中表明的本发明概念的范围中变化或者修改，其与上面的指导和/或者有关技术的技巧或者知识相当。上面描述的实施例还有意的说明实现本发明的已知的最好模式和能使其他的本专业技术人员在这样的或者其它实施例使用本发明，并且对于在本发明的特定应用或使用要求可以进行各种修改。因此，该描述不是有意的限制本发明为其中公开的形式。而且，所附的权利要求书解释为包括可替换的实施例。
权利要求
1.一种用于功率放大器的偏置网络，包括连接到频带隙电压源的一个电流反射镜电路，所述电流反射镜源产生与所述频带隙电压成比例的电流；一个基准电压电路，它接收所述电流，和产生与所述电流和温度成比例的电压；连接用于接收所述基准电压的一个运算放大器，具有连接到所述功率放大器的输出，所述运算放大器隔离所述基准电压电路与所述功率放大器；和连接到所述运算放大器输出的功率放大器击穿保护电路，用于将所述功率放大器产生的雪崩电流从所述运算放大器引开。
2.根据权利要求1的偏置网络，其中所述功率放大器保护电路包括一个差动对电路，具有连接到所述第一运算放大器输出和所述基准电压电路的第一和第二输入，并且具有允许所述雪崩电流从所述第一运算放大器传导开的一个输出。
3.根据权利要求2的偏置网络，其中所述差动对电路输入通过具有基本上相同值的第一和第二电阻器连接至所述第一运算放大器输出和所述基准电路。
4.根据权利要求2的偏置网络，其中所述差动对电路通过双极型晶体管将所述电流从所述第一运算放大器引开。
5.根据权利要求1根据偏置网络，其中所述基准电压电路包括第一双极型晶体管，具有连接用于接收所述基准电流的一个集电极-发射极电路，和具有连接到所述运算放大器输入的一个基极；第二双极型晶体管，具有连接在电压馈送和所述第一双极型晶体管基极之间的一个集电极-发射极电路，和具有连接到所述第一双极型晶体管的所述集电极的一个基极。
6.根据权利要求1的偏置网络，还包括与所述功率放大器串联的一个电压调节器电路，作为工作电压增加的结果，所述电压调节器将所述功率放大器的电压基本上保持在恒定的电平。
7.根据权利要求6的偏置网络，其中当所述工作电压低于阈值电压电平时，所述电压调节器停止将所述功率放大器的所述电压保持在所述恒定的电平。
8.根据权利要求6的偏置网络，其中所述电压调节器电路包括一个运算放大器，具有连接到基准电压源的第一输入，和连接到所述功率放大器的第二输入；和一个场效应晶体管，具有串联连接所述功率放大器和工作电压电源的一个源-漏极电路，并具有连接到所述运算放大器输出的一个栅极，当所述工作电压电源超过阈值电压时，所述场效应晶体管提供加到所述功率放大器的电压调节。
9.根据权利要求8的偏置网络，其中所述场效应晶体管是一个PFET，当栅极到源电压低于门限值时，它构成一个低损耗开关。
10.根据权利要求1的偏置网络，其中所述电流反射镜电路包括一个电阻器；与所述电阻器和电池电压电源串联连接的第一场效应晶体管；和与所述基准电压电路和所述电池电压电源串联连接的第二场效应晶体管，所述第一和第二场效应晶体管具有连接到所述电阻器一侧的共同的栅极连接。
全文摘要
公开了一种射频信号功率放大器的偏置网络。一个电流源连接到频带隙电压的源极并产生与该电压成比例的电流。基准电压电路接收该电流并产生与该电流及设备温度成比例的电压。运算放大器连接基准电压和该功率放大器,该功率放大器有效与基准电压电路和电流荷载电路隔离。功率放大器击穿保护电路连接在运算放大器输出的两端,当功率放大器输出失配时用于将功率放大器产生的雪崩电流从功率放大器引开,避免杂散辐射分量的产生。
文档编号G05F1/10GK1330458SQ0112202
公开日2002年1月9日 申请日期2001年6月22日 优先权日2000年6月23日
发明者菲利普·安东尼蒂, 吉姆·格里非斯, 戴维·海尔姆斯, 詹姆斯·莫尼兹, 斯科特·芒罗, 乔舒亚·帕克, 卡尔·斯图宾, 张向东 申请人:国际商业机器公司