专利名称：用于无线手机的功率放大器驱动器系统的制作方法
I.本发明的背景本发明一般地涉及用于无线通信系统的手机领域，较具体地涉及设计用于这种手机的功率放大器驱动器。
许多蜂窝式手机的一个问题是电池的寿命有限，从而缩短了对话时间。目前采用甲类(A类)功率放大器驱动器的手机设计是对最大输出功率进行优化的，这时，为了减少互调制失真和信道泄漏，需要有高的线性度。较具体地说，是根据能够在最大输出功率下达到所需的线性度来选择驱动器电流级的。在B.Razavi的著作“RFMicroelectromics(射频微电子学)”(Prentice Hall，1998)的302-305页中，说明了蜂窝手机的甲类放大器，其全部内容在此引用作为参考。于是，在只需较低线性度的低、中功率大小的情形中，这种手机的驱动器中将出现多余的电流消耗。而多余的电池消耗将浪费电池的供电，从而缩短对话时间。
因此，存在对这样一种无线通信手机的需求，在这种手机中对于低、中输出功率情况能减小其中驱动器电路的电流消耗。
图2示出本发明的第二种示例性环境。
图3示出在图2示例性环境中本发明一个实施例的总图。
图4A-4C说明为了在低、中输出功率下避免超出某一程度的信道泄漏仅需较低线性度的原理。
图5示出本发明的第二个实施例。
图6A-6E示出本发明的一个实现例子。
图7A-7B说明通过采用本发明一个实施例能达到的电流节省。
图8是说明在根据本发明的一个实现例子中作为电流源中的差动对电路数目的函数的输出电流与差动输入电压之间的关系曲线。
图9说明本发明的一种操作方法。
在一个实施例中，驱动器系统是一个设计用于CDMA(码分多址)无线手机的发射系统的一部分。该发射系统还包括一个可变增益放大器(VGA)，该放大器含有第一和第二两个输入端和一个输出端。一个由VGA的输出导出的信号被输入给驱动器。控制信号被输入给VGA的第二输入端。VGA对提供给其第一输入端的信号进行放大。放大水平是根据提供给其第二输入端的控制信号来确定的。本实施例中的控制信号是由一个用于实现闭环功率控制的信号导出的。
在一个实施例中，发射系统还包括一个功率放大器。一个由驱动器的输出导出的信号被输入给该功率放大器。在一个实施例子中，该功率放大器是一个甲类功率放大器，并且驱动器是一个甲类功率放大器驱动器。
在第二个实施例中，电流源包括一个第一部分和一个第二部分，其中第一部分用于提供一个基本固定的电流，第二部分则能根据一个代表了希望的功率放大器输出功率的控制信号来提供一个可变的电流。该实施例中的基本固定的电流确定了电流源输出的基底电流。
在一个实施例中，电流源包括至少一个差动对电路，差动对电路的具体数目由能够达到输出电流随差动输入电压变化的希望斜率来选定。可以期望在各个实施例中将包含一个或几个差动对电路。
在该实施例中，第一差动对电路例如包括了一个基本固定的电流源，一个由两个NPN双极晶体管组成的差动对，以及第一和第二电流镜。两个晶体管的发射极都连接到电流源的一个端点上，电流源的另一端点则接地。差动模式(差模)的输入电压信号分别连接在两个晶体管的基极上。第一个晶体管的集电极连接在电源电压上，第二个晶体管的集电极连接在第一电流镜上。第二晶体管的集电极上将产生一个第一电流，该电流与差模输入信号的差模成分之差成指数关系。第一电流镜将产生一个正比于该电流的第二电流。该第二电流即是第一电流镜的输出。
第二电流镜的输入被耦合至第一电流镜的输出。第二电流镜将在第一与第二节点之间产生一个正比于第一电流镜输出电流的电流。
当存在第二个差动对电路时，其一个实施例包括了第一和第二电流镜，以及一个由两个NPN双极晶体管组成的差动对。这两个晶体管的发射极都连接在第一差动对电路中第二电流镜的第一节点上，而第二电流镜的第二节点则接地。第二差动对电路的第一电流镜的输出电流将正比于第一差动对电路的第二电流镜所产生的电流。差模输入电压信号分别连接在两个晶体管的基极上。第一个晶体管的集电极连接在电源电压上。第二个晶体管的集电极连接在第二差动对电路的第一电流镜上。第二晶体管的集电极上将产生一个第一电流，该电流与两个差模输入信号之间的差值成指数关系。第一电流镜将产生一个正比于该第一电流的第二电流。该第二电流即为第一电流镜的输出。
第二差动对电路的第二电流镜的输入被耦合至其第一电流镜的输出。在第二电流镜的第一与第二节点之间将提供一个正比于第一电流镜输出电流的电流。
如果存在第三个差动对电路，它将以相同于第二差动对电路连接在第一差动对电路上的方式连接在第二差动对电路上。对于每个可能存在的后续差动对电路，都以类似的方式连接。在最后一个差动对电路中，在其第二电流镜的第一与第二节点之间将提供电流。第二节点被连接在驱动器的偏置电流输入端上，而第一节点将连接在电源电压上。
在一个实施例中，若用Vctrl+和Vctrl-代表两个差模输入电压信号，用IEE代表第一差动对中的基本固定的电流源，用n代表所含的差动对数目，则输出电流In可由下式表示In=K1×...Kn×IEEen(Vctrl+-Vctrl-)/VT]]>其中VT＝kT/q，在25℃时VT约等于25mV。
还给出了相应的操作方法。
优选实施例的说明
图1示出本发明的第一种示例性环境。它代表一个无线通信手机中的发射系统1。如图所示，该系统包括一个可变增益放大器(VGA)2，用于对输入信号Vin进行放大。VGA2的放大水平由控制输入信号Vctrl(图中的代号“8”)所控制。该系统还包括一个或几个混频器3，用于在一个级中或几个级中把VGA2的输出信号混频成射频(RF)信号。为了实现这一功能，由一个本地振荡器(本振，LO)产生一个或几个信号(图中的代号“9”)，并把这些信号输入给混频器。
该系统还包括滤波及其他处理电路4，驱动器5，功率放大器6，和天线7。电路4对来自混频器3的信号执行频带限制和其他处理任务。驱动器5接收电路4的输出信号，并根据一个作为驱动器控制输入的偏置电流Ibias(图中的“10”)来为功率放大器6产生一个驱动信号。驱动器的输出被输入给功率放大器6。然后，功率放大器6的信号输出被提供给天线7，从而通过无线通信界面被发射给该无线通信系统中的另一个单元，例如发射给一个基站。
在一个实施例中，功率放大器6是一个甲类功率放大器，驱动器5是一个甲类功率放大器驱动器。在该实施例中，驱动器5的输出约为8dBm，功率放大器6的输出约为29dBm。
图2示出本发明的第二种示例性环境。图2与图1中各个相对应的单元用相同的代号表示。图2示出的是一个用于码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)无线系统中的无线通信手机的发射系统1，上述CDMA无线系统包括了，但不局限于，符合IS-95A、ANSI J-STD-008、IS-95B、IS-95C和TIA/EIA-05等标准的CDMA系统。
众所周知，CDMA系统目前采用了一种称之为闭环功率控制的技术，其中由移动手机所发射的功率大小被控制以避免“近/远问题”和能使系统的容量最大化。近/远问题是指，当一个第一手机比一个第二手机更靠近基站但两者的发射功率相同时，由于基站从第一手机接收到的功率较大，从而将淹没第二手机的信号。采用闭环功率控制的目的就是要调节各个手机的发射功率，使得基站从各个手机接收到的功率大致相同。
CDMA系统的容量可用能同时进行通话的数目N来表示，其表达式为N=WR(1-η)GNEhIo(1+f)υ]]>其中，W为系统的带宽，R为数据率，η为热噪声谱密度与干扰噪声谱密度Io之比值，Gs为分区增益，Eb为每比特的发射能量，Io为干扰噪声谱密度(代表由其他用户的发射所产生的噪声)，f为一个代表来自其他蜂窝区(cell)的干扰的因子，v为语音活性因子，从上述等式可见，如果能把因子Eb/Io保持为最小，则容量可被优化。闭环功率控制将调节Eb/Io使之不超过Eb/Io的某个目标值，而该目标值又是根据能够避免超过某个帧误差率(FER)的目标值来确定的。
在图2中，利用一个移动站(手机)调制解调器(MSM)信号(图中的代号“12”)来实现闭环功率控制。MSM信号是根据基地站所产生的闭环功率控制命令来产生的。一个电路11把MSM信号转换成差模信号Vctrl+和Vctrl-(图中的代号“13”)。这两个差模信号13被输入给VGA2，对其放大水平进行控制。关于电路11的其他细节可参见本申请受让人的另一项美国专利申请No.09/163,885，其递交日期为1998年9月30日，标题为“VARIABLE GAINAMPLIFIER WITH GAIN LINEAR WITH CONTROL VOLTAGE(增益与控制电压成线性关系的可变增益放大器)”，该专利申请的全部内容在此引用作为参考。
图3示出在图2示例性环境下的本发明的第一个实施例。如图3所示，驱动器系统包括驱动器5和用于向驱动器5提供偏置电流Ibias的电流源14。该驱动器系统是一个发射系统的一部分，后者还包括了功率放大器6、天线7、VGA2、混频器3、滤波和处理电路4、以及电路11。由电路11提供的Vctrl+和Vctrl-信号被输入给电流源14。电流源14根据Vctrl+和Vctrl-信号向驱动器5输出一个偏置电流Ibias。与普通系统中驱动器偏置电流固定并且对最大功率输出进行优化的情形不同，图3系统中的偏置电流被设计得至少是部分地随着希望的输出功率而变化的。其结果是在低、中输出功率下提供给功率放大器驱动器的偏置电流将减小。虽然典型地说偏置电流的减小将导致功率放大器线性度的降低，但假定在低、中功率输出时仅需较低的线性度，并且所提供的偏置电流能达到所需的线性度，则上述线性度的降低将是无关紧要的。在普通系统中通过施加固定的偏置电流虽然满足了最大输出功率下所需的高线性度，但对所有的输出功率大小也都有这样被提高了的线性度，而通过改变提供给功率放大器驱动器的偏置电流便可以在低、中功率下缓解这种高性度的要求。于是提供了一种可变线性度的驱动器，其中只有对确实需要高线性度的输出功率才提供高的线性度。
上述原理示于图4A-4C，其中相同的单元用相同的代号表示。这些图说明了两个相邻信道20与21之间发生的信道泄漏。图4A中的代号22表明当采用高线性度功率放大器时从信道20泄漏到信道21中的泄漏量。根据相应的适用标准，所示的泄漏量被假定不超过-42dBc。图4B中的代号22示出当线性度相对于图4A情况降低时泄漏量将增大。图4c示出相对于图4A和4C降低了功率大小但具有降低了的与图4B相同的线性度的发射情况。从图中可以看出，尽管降低了线性度，但基本上消除了从信道20到信道21的泄漏。这些图说明了这样一个原理在最大输出功率下为了把信道泄漏降低到一个可接受的水平而需要高的线性度，但在较低输出功率下不再需要这样高的线性度就可以达到同样程度的信道泄漏降低。
图5示出本发明驱动器系统的第二个实施例，其中有一个电流源90向功率放大器驱动器5提供偏置电流Ibias。电流源90含有一个第一部分91和一个第二部分92，前者提供一个作为Ibias的一个成份的基本固定的电流Ific；后者提供一个作为Ibias的一个成份的可变电流Ivar，该电流正比于功率放大器的希望输出功率(DOP)。在一个实现例子中，驱动器系统是一个含有一个被其驱动的功率放大器的发射系统的一部分。在一个实现例子中，功率放大器是一个甲类功率放大器，驱动器5是一个甲类功率放大器驱动器。
图6A-6C示出本发明驱动器系统一个实施例的实现例子，其中的电流源90包含至少一个差动对电路，差动对电路的数目是根据能达到输出电流随差动输入电压变化的希望斜率来选定的。显然可以预期含有一个或几个差动对电路的实现例子。
图6A-6C所示的实现例子包含了n个差动对电路，其中n是一个等于或大于1的整数。图6A示出第一个差动对电路的实现方式，它包括一个基本固定的电流源32，一个由两个NPN双极晶体管组成的差动对30、31，一个第一电流镜34，以及一个第二电流镜41。电流源32提供一个基本固定的电流IEE，该电流从电流源的第一端点流向第二端点。两个晶体管的发射极都连接在电流源32的第一端点，而电流源的第二端点则接地。两个差模输入电压信号Vctrl+和Vctrl-分别连接在两个晶体管各自的基极上。第一个晶体管31的集电极连接在电源电压上，第二个晶体管30的集电极连接在第一电流镜34上。在第二个晶体管30的集电极上将产生一个与两个差模输入信号的差成指数关系的电流I1。I1与两个差模输入电压信号Vctrl+、Vctrl-的关系式为I1=IEEe(Vctrl+-Vctrl-)VT]]>其中VT＝kT/q。在25℃下，VT为25mV。
第一电流镜34由两个PNP晶体管37、38和两个电阻35、36组成，它们的连接关系如图所示。本技术领域的熟练技术人员都知道电流镜，这里不必详细讨论，仅需指出，电流镜的作用是，根据电路中两个晶体管的匹配程度把输入电流镜像化以提供一个正比于输入电流的输出电流。在图6A的电路中，电流镜34将产生一个电流a1×I1，其中a1是一个大于或小于1的常数。电流a1×I1就是第一电流镜的输出。
第二电流镜41由两个NPN晶体管42、44和两个电阻43、45组成，它们的连接关系如图所示。第二电流镜41的输入端是晶体管42的集电极，该输入端被连接在第一电流镜34的输出上。在第二电流镜41的节点a与b之间形成了一个镜像电流K1×I1，其中K1是一个大于或小于1的常数，其大小可以相同于也可以不同于a1。
图6B示出差动对电路的第二个实现例子。该电路包括一个电流源52，一对NPN双极晶体管50和51，一个第一电流镜54，以及一个第二电流镜61。电流源52包括了图6A所示的第一差动对电路。图6A电路被连接到图6B电路中的方式是使两个图中的节点a和b分别对应起来。也就是说，图6A中的节点a与图6B中的节点a连接，图6A中的节点b与图6B中的节点b连接。
如图6B所示，两个晶体管50、51的发射极都连接在节点a上，而节点b接地。两个差模输入电压信号Vctrl+和Vctrl-分别连接在两晶体管50、51的基极上。其中一个晶体管51的集电极连接在电源电压上。另一个晶体管50的集电极连接在电流镜54上。在两晶体管的第二个晶体管58的集电极上将产生一个与两个差模输入电压信号Vctrl+和Vctrl-之差成指数关系的电流I2。具体的关系为I2=K1I1e(Vctrl+-Vctrl-)/VT]]>第一电流镜54由两个PNP晶体管57、58和两个电阻55、56组成，它们的连接关系如图所示。第一电流镜中将产生一个由代号59表示的电流a2×I2，其中a2是一个大于1或小于1的常数。该电流就是第一电流镜的输出。
第二电流镜61由两个NPN晶体管62、64和两个电阻63、65组成，它们的连接关系如图所示。第二电流镜的输入端连接在第一电流镜的输出上。当向第二电流镜输入电流a2×I2时，在图示的节点c与d之间将形成一个镜像电流k2×I2，其中k2是一个大于1或小于1的常数，可以相等于a2也可以不同于a2。
正如把图6B电路添加到图6A电路上一样，还可以用同样方式再在图6B电路上添加一个又一个的附加差动对电路，直到总共有n个差动对电路。图6C示出的是添加的第n个差动对电路的情况。从图中可以看出，该电路包括一个电流源72，一个由两个NPN双极晶体管70、71组成的差动对和第一电流镜74。这个差动对电路连接到第(n-1)个差动对电路上的方式相同于第二个差动对电路连接到第一个差动对电路上的方式。在节点e与f之间将产生一个输出电流Io＝KnIn，或者写成 。
电流源72是前一个差动对电路中的第二电流镜。对于提供3个差动对电路的情况，第三个电路即如图6C所示，第二个电路如图6B所示，而电流源72就是第二电流镜61。第二电流镜61连接到图6C电路中的方式是使两个图中的节点c和d分别对应起来。也就是说，图6B中的节点c与图6C中的节点c连接，图6B中的节点d与图6C中的节点d连接。
输出电流Io在图6C的第一电流镜74的节点e与f之间提供。图6D示出了该输出电流作为一个驱动器的偏置电流的准确提供方式。如图所示，驱动器200具有一个输入端、一个输出端、一个电流输入端和一个发射极节点。图6D中的组合电流源201和202是图6C中的第一电流镜74。较具体地说，图6C的节点e与图6D的节点e连接，图6C中的节点f与图6D中的节点f连接。图6E示出驱动器200的一个实现例子。
图8示出在n个不同的n值下Io与Vctre+-Vctre-的之间关系曲线的一般形状。从图中可以看出，n值愈大，曲线愈陡。于是，在最后的电路中需用多少个差动对构筑模块将取决于Io～Vctre+-Vctre-曲线的希望斜率。在一个商用化的实施例中，为了达到描述Io与MSM信号之间的关系的曲线的希望斜率，所选择的差分对电路数目为9。
这样便提供了一种可变线性度发射系统，该系统所提供的线性度正比于希望输出功率的大小而改变，使得当输出功率降低时线性度也随之降低，但是为了避免过大的信道泄漏仍始终保持着线性度不小于某个阈值。图9示出根据这一原理的一种发射系统操作方法。在步骤100，接收关于希望输出功率大小的指示信号。在步骤102，根据希望的输出功率大小来改变发射系统的线性度，以满足步骤103中所实现的条件，其中103所实现的条件是为了避免过大的信道泄漏和/或互调制失真而始终保持有足够高的线性度。在步骤104，使系统输出希望的功率。然后重复上述各步骤。
图7A-7B示出本发明的系统在减小电流消耗方面的优点。图7A是一条说明本发明发射系统的输出功率Pout与如前所述的代表希望输出功率级的MSM信号之间的关系的曲线。图中Pmaxout代表最大输出功率，MSM]max代表对应于该功率级的MSM信号值。
图7B是一条说明功率放大器驱动器偏置电流Ibias与MSM信号之间的关系的曲线。如图所示，该偏置电流始终不低于图中用Ifix表示的最小电流，并根据MSM信号的值在Ifix与Imax之间变化，其中的Imax与Pmaxout相对应。与无论输出功率为何偏置电流都固定为Imax的普通甲类功率放大器驱动器系统相比，本驱动器系统消耗的电流较少，从而消耗的功率较小。对于输出功率从低改变到最大值的情况，采用本发明可达到的电流节省量由图7B中的阴影线区域105表示。
与由于器件非线性特性所造成的电流随功率增大而增大的甲乙类(AB类)功率放大器驱动器相比，在本发明所提供的功率放大器驱动器中控制偏置电流的可预测程度要高得多。因此，在某种意义上来说，可以把本发明的驱动器系统称之为“伪甲乙类驱动器”。
尽管已示出和说明了本发明的各个具体实施例，实现方法和实现例子，但熟悉本技术领域的人们将会发现，其他一些实施例，实现方法和实现例子也都将属于本发明的范畴之内，所以除了权利要求书及其等效替换所阐明的范畴以外，本发明没有其他限制。
权利要求
1.一种用于无线通信手机的发射系统，它包括一个可变增益放大器，用于以响应于代表希望输出功率的信号所确定的一可变放大水平来放大一个输入信号并输出这个信号；一个电路，用于输出一个响应于该代表希望输出功率的信号所确定的可变偏置电流；一个驱动器，用于根据可变增益放大器的输出以响应于该偏置电流所确定的线性度来驱动一个功率放大器；以及一个被该驱动器所驱动的功率放大器。
2.根据权利要求1的系统，其中的电路含有第一部分和第二部分，其中第一部分输出一个基本固定的电流，第二部分输出一个正比于代表希望输出功率的信号的电流。
3.根据权利要求1的系统，其中该电路所输出的偏置电流与代表希望输出功率的信号成指数关系。
4.根据权利要求1的系统，其中该电路包括n个基本相似的构筑模块，其中n是一个整数。
5.根据权利要求4的系统，其中构筑模块的数目n被选择以使偏置电流与代表希望输出功率的信号之间的关系曲线达到一个希望的斜率。
6.根据权利要求4的系统，其中每个构筑模块都是一个差动对电路。
7.根据权利要求1的系统，其中的功率放大器是一个甲类功率放大器。
8.一种功率放大器驱动器系统，它包括一个驱动器，用于以响应于一个输入电流所确定的线性度来驱动一个功率放大器；以及一个电流源，用于提供输入电流，该电流源含有一个第一部分和一个第二部分，其中第一部分输出一个基本固定的电流，第二部分输出响应于希望输出功率所确定的可变电流。
9.根据权利要求8的驱动器系统，它还包括一个被构成以由该驱动系统驱动的功率放大器。
10.根据权利要求8的系统，其中的功率放大器是一个甲类功率放大器。
11.一种功率放大器驱动器系统，它包括一个驱动器，用于以响应于一个可变输入电流所确定的线性度来驱动一个功率放大器；以及一个电路，用于根据一个代表希望输出功率的差模信号对来提供可变输入电流，该电路包括n个差动对电路，其中n是一个被选择以使在该电路的电流输出与代表希望输出功率的信号之间达到一个希望的关系的整数。
12.根据权利要求1的系统，其中每个差动对电路都包括一个电流源、一对差动晶体管、一个第一电流镜和一个第二电流镜。
13.根据权利要求12的系统，其中第一个差动对电路的电流源是一个基本固定的电流源。
14.根据权利要求13的系统，其中第m个差动对电路的电流源是第(m-1)个差动对电路的第二电流镜的输出，其中m是一个整数。
15.一种驱动一个功率放大器的方法，它包括以下步骤接收一个代表希望输出功率的信号；根据希望输出功率来改变一个功率放大器驱动器的线性度；保持线性度在一个最低水平以避免过大的的信道泄漏；以及以希望的输出功率驱动功率放大器。
全文摘要
一种用于无线通信手机中的功率放大器的驱动器系统。该驱动器系统含有一个驱动器和一个电流源。驱动器以一个由电流源提供的一个可变输入偏置电流所确定的线性度来驱动功率放大器。电流源根据手机的希望输出功率来改变偏置电流,从而改变所提供的线性度。
文档编号H03G3/30GK1360753SQ00810127
公开日2002年7月24日 申请日期2000年6月8日 优先权日1999年6月9日
发明者萨巴赫·黑斯巴斯, 马杜卡·雷迪, 巴莫·皮里亚波科松布, 特雷沃尔·罗宾逊 申请人:科内森特系统公司