专利名称：用于doherty放大器偏置的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及放大电路的领域，更具体地，涉及放大器的自动偏置。
背景技术：
在功率放大器中，直流(DC)或者静态电流偏置点是关键的设计参数。静态电流对于性能特性具有重要的影响，例如，放大器的线性度、信号失真、功率效率等。放大器中晶体管的优化DC偏置点取决于放大器的应用和晶体管的特性，放大器的应用和晶体管的特性受到周围环境的影响，例如温度变化、工艺变化等。
一种功率放大器的示例是Doherty放大器。Doherty结构广泛地用于复杂的和高功率的应用。通常，Doherty放大器包括多个峰化放大器(peaking amplifier)，每一峰化放大器需要不同的偏置电平。然而，这些峰化放大器的静态条件并不容易测量。进一步地，放大器件公知具有变化的特性，这使得难于将所有级预设为预定值。
用于偏置这些峰化放大器的当前方法使用片外偏置(off-chipbias)，片外偏置是每一峰化放大器的厂家设置(factory set)。类似地，对于诸如Doherty放大器配置中射频集成电路(RFIC)的配置，需要两个集成电路来偏置载波放大器和峰化放大器件。在此配置中，集成电路的至少一个是片外的厂家偏置设置。然而，对于具有多个输出级的放大器结构，此方法是低效和昂贵的。
上述缺陷并未包含全部，它们往往损害针对放大器结构进行偏置的已知方法的有效性；然而，此处所述的缺陷足以表明，本领域出现的方法都不令人满意，并且存在对于此公开中说明和要求权利的技术的迫切需求。
可以包括伴随并形成本说明书一部分的附图来描述本发明的某些方面。参考一个或多个附图并参考此处提供的说明可更好地理解本发明。相同或类似的元件使用相同的元件标号。应当注意，图中所示的特征并不一定按照比例绘制。
图1A是根据本发明实施例的管芯的框图，包括偏置电路以及峰化放大器。
图1B是根据本发明实施例的耦合至峰化放大器的片上偏置电路的电路图。
图2是根据本发明实施例的用于RFIC放大器的片上偏置电路的电路图。
图3是表示根据本发明实施例的Doherty放大器增益相对于输入功率的曲线图。
图4是表示根据本发明实施例的Doherty放大器相位相对于输入功率的曲线图。
具体实施例方式
本公开的技术克服了常规放大器结构偏置的缺点。具体地，此公开的技术提供耦合至放大器的片上自动偏置电路。当与目前的片外厂家偏置方法相比较时，具有多个并行输出级放大器并利用本公开技术的放大器结构更加有效、更加稳定，并且节约成本。
一般地，本发明提供一种用于功率放大器的片上自动自偏置方案。在本发明的一个实施例中，半导体管芯可包括至少一个放大器、耦合至该至少一个放大器的偏置电路、耦合至该偏置电路的电压偏移电路，其中偏置电路和电压偏移电路适于偏置至少一个放大器。
根据本发明的一个实施例，一种偏置放大器的方法包括提供一种半导体，包括放大器，用于跟踪该放大器的器件参数的偏置电路以及电压偏移电路，该电压偏移电路用于确定放大器操作于何处，并且用于根据器件参数计算偏置电压。
根据本发明的另一实施例，一种方法包括提供半导体管芯，具有第一与第二放大器，用于向第二放大器提供参考电压的偏置电路，以及电压偏移电路，该电压偏移电路用于向第一放大器提供参考电压并且用于与第二放大器成比例地偏置第一放大器。
当结合下面的说明以及附图考虑时，可以更好地明白并理解本发明实施例的这些和其它特征。然而应当理解，当表示本发明各种实施例及其大量具体细节时，作为解释而不是限制给出下面的说明。可以在本发明的范围之内进行各种替换、修改、添加和/或重新构造，而不脱离本发明的精神，并且本发明包括所有这样的替换、修改、添加和/或重新构造。
根据本公开的一个实施例，提供偏置电路来偏置峰化放大器，其中该偏置电路与该峰化放大器制造在相同的管芯上，如图1A所示。管芯100可包括耦合至峰化放大器晶体管116的参考FET 112。在管芯100上的放大器的操作期间，诸如管芯温度的变化可引起峰化放大器晶体管116的器件特性发生变化。已经与晶体管116制造在相同管芯上的参考FET 112自动跟踪器件参数中的变化，例如峰化放大器晶体管116的阈值电压(Vth)或者跨导(gm)。因此，在本发明的一个实施例中，根据参考FET 112的静态条件偏置峰化放大器晶体管。进一步地，该方法包括根据温度、工艺变化或者负载条件动态调整偏移电压电路114。
具体地，根据参考FET 112的栅极电压设置峰化放大器晶体管116的栅极电压。偏置电路110耦合至参考FET 112的栅极端子，使得参考FET 112被偏置至希望的电流密度。例如，参考FET 112响应于大于阈值电压Vth的栅极电压Vg而操作在ON模式。参考FET 112的栅极电压还耦合至电压偏移电路114。电压偏移电路114适于确定将峰化放大器晶体管变为ON模式并且操作在Doherty模式的驱动电平。这样，电压偏移电路114耦合至峰化放大器晶体管116的栅极端子。在一个实施例中，电压偏移电路114利用参考FET 112的栅极电压减偏移电压118来确定峰化放大器晶体管116的操作模式。偏移电压118被设置为预定值，该值对应于使峰化放大器晶体管116以预定输入电压驱动电压操作于ON模式的栅极电压。或者，还可以调整偏移电压118，以考虑到不同的操作条件(例如，单载波或者多载波应用)。
如图1A所示，偏置电路110、参考FET 112、电压偏移电路114以及峰化放大器晶体管116都集成在相同的半导体管芯100上。
不同的电路实现方式适于提供峰化放大器晶体管的自动片上偏置。根据本发明的一个实施例，偏置电路120可包括但不限于适于将参考FET 122偏置至特定电流密度的电流镜，如图1B所示。参考FET122的栅极电压用于确定峰化放大器晶体管126的栅极电压。因此，电压偏移电路124包括耦合至缓冲器的两个并联电阻，以利用偏移电压128和参考FET 122的Vg确定峰化放大器晶体管126的栅极电压。在一个实施例中，使用分压器计算并确定峰化放大器晶体管126的栅极电压。此外，电压偏移电路可包括反馈放大器130来选择峰化放大器晶体管126的栅极电压。在一个实施例中，如果峰化放大器晶体管的器件参数已经改变，那么该峰化放大器晶体管操作于ON模式所需的栅极电压需要改变。因此，放大器126被提供有通过参考FET 122和电压偏移电路124确定的偏置电压。类似地，如果峰化放大器晶体管126正操作于正确的模式，那么管芯100上的反馈放大器130继续向峰化放大器晶体管126提供相同的栅极电压，如通向该放大器的反馈环路所示。
再一次地如图1B所示，偏置电路120、参考FET 122、电压偏移电路124以及峰化放大器晶体管126都集成在相同的半导体管芯100上。
此外，可使用其它电路元件实现峰化放大器晶体管的片上自偏置。在一个实施例中，参考FET 112包括偏置FET。在另一实施例中，参考FET 112包括但不限于载波放大器。该载波放大器可以是放大器电路的一部分，例如多芯片组合线性功率放大器(CLPA)多输出放大器。示例下面进一步通过非限定示例说明本发明的具体实施例，这些示例用于解释各个详细的方面。包括下面的示例，以便于理解实施本发明的方法。应当明白，下面的示例代表在本发明的实施中运转良好的实施例，并从而可考虑构成实施本发明的优选模式。然而应当明白，在公开的实施例中可进行很多变化，但是仍然获得相同或者类似的结果，而不脱离本发明的精神与范围。因此，这些示例不应解释为限制本发明。
示例1图2表示利用RFIC的Doherty放大器配置的一部分。具体地，管芯200包括与其集成的自偏置FET 202，具有输入204和205。管芯200还包括具有输入电路212的载波放大器晶体管206，该晶体管与输入电源210匹配并耦合至输出207。进一步地，管芯200可包括具有输入电路216的峰化放大器晶体管208，该晶体管与输入电源214匹配并耦合至输出209。在一个实施例中，输出207和209耦合至各自放大器206和208的负载，其中负载处于管芯200的外部。在Doherty放大器的集成放大器配置中，峰化放大器晶体管和载波放大器晶体管的特性通常将类似。这样，峰化放大器晶体管208的偏置与载波放大器晶体管206的偏置成比例。自偏置FET 202的栅极电压耦合至载波放大器晶体管206的栅极端子。为了确保峰化放大器晶体管208的偏置与载波放大器晶体管206的偏置成比例，载波放大器晶体管的栅极电压耦合至电阻分压器，该电阻分压器网络包括电阻218和220。来自网络分压器的电压被提供至峰化放大器晶体管208的栅极端子。
如图2所示，自偏置FET 202、载波放大器晶体管206、峰化放大器208、输入电路212和216以及包括电阻218和220的电阻分压网络都集成在相同的半导体管芯200上。
示例2图3和图4表示Doherty放大器配置中峰化放大器晶体管自动偏置的结果，其中参考FET与放大器处于相同的管芯上。具体地，图3表示相对于输入功率(dBm)的Doherty放大器增益(dB)以及针对该放大器操作期间器件参数变化的相应补偿。对于曲线302，约在23dBm处观察到最高的增益，对于峰化放大器晶体管的2.5伏特(V)栅极电压，该增益约为18.7dB。在2V的栅极电压，在约24dBm的输入功率处观察到最大增益，如曲线306所示。对于2.3V的栅极输入电压，在22dBm的输入功率处观察到峰化放大器晶体管的最大增益，如曲线304所示。
类似地，图4表示相对于输入功率的Doherty放大器相位(度)以及针对该放大器操作期间器件参数变化的相应补偿。曲线402表示向峰化放大器晶体管的栅极端子施加2.5V栅极电压。曲线406表示向峰化放大器晶体管的栅极端子施加2V栅极电压，并且曲线404表示向峰化放大器晶体管的栅极端子施加2.3V栅极电压。
根据本公开，可以无需过多的试验即可制造并使用此处公开的本发明的全部公开实施例。显然，可以对本发明的特征进行各种替换、修改、添加和/或重新构造，而不脱离潜在发明思路的精神和/或范围。潜在发明思路的精神和/或范围被认为由涵盖了所有这样的替换、修改、添加和/或重新构造的所附权利要求及其等效来定义。
权利要求
1.一种放大器电路，包括半导体管芯(100)；集成至所述半导体管芯上的Doherty放大器，该Doherty放大器包括峰化放大器(116)以及耦合至该峰化放大器的载波放大器(112)集成至所述半导体管芯上并且耦合至所述Doherty放大器的偏置电路(110)；以及集成至所述半导体管芯上并且耦合至所述偏置电路和所述Doherty放大器的电压偏移电路(114)，所述电压偏移电路以及所述偏置电路共同偏置所述Doherty放大器。
2.权利要求1所述的放大器电路，所述偏置电路(110)包括场效应晶体管。
3.权利要求1所述的放大器电路，所述电压偏移电路(114)确定将所述峰化放大器变为ON模式的驱动电平。
4.权利要求1所述的放大器电路，进一步包括集成至所述半导体管芯(200)上并且耦合至所述载波放大器(206)的电阻分压网络(218、220)，该电阻分压网络偏置所述峰化放大器(208)。
5.一种放大器电路，包括半导体管芯(200)；集成至所述半导体管芯上的至少一个放大器(202、206、208)；集成至所述半导体管芯上并且耦合至所述至少一个放大器的偏置电路(212)；以及集成至所述半导体管芯上并且耦合至所述偏置电路和所述至少一个放大器的电压偏移电路(216)，所述电压偏移电路和所述偏置电路共同偏置所述至少一个放大器。
6.权利要求5所述的放大器电路，所述至少一个放大器包括峰化放大器(208)。
7.权利要求6所述的放大器电路，所述至少一个放大器包括耦合至所述峰化放大器(208)的载波放大器(206)。
8.权利要求5所述的放大器电路，所述偏置电路(212)包括场效应晶体管。
9.权利要求5所述的放大器电路，所述电压偏移电路(216)确定将所述至少一个放大器变为ON模式的驱动电平。
10.权利要求9所述的放大器电路，所述ON模式包括以Doherty放大器配置进行操作。
11.权利要求5所述的放大器电路，所述至少一个放大器包括通过所述电压偏移电路(216)耦合至载波放大器(206)的峰化放大器(208)。
12.权利要求11所述的放大器电路，所述偏置电路(212)耦合至所述载波放大器(206)。
13.权利要求11所述的放大器电路，进一步包括集成至所述半导体管芯上并且耦合至所述载波放大器(206)的电阻分压网络(218、220)，该电阻分压网络用于偏置所述峰化放大器(208)。
14.权利要求5所述的放大器电路，所述至少一个放大器包括Doherty放大器。
15.一种方法，包括提供半导体管芯(100)，该半导体管芯具有集成至该半导体管芯上的放大器(116)、集成至该半导体管芯上的偏置电路(110)以及集成至该半导体管芯上的电压偏移电路(114)；操作所述偏置电路以跟踪所述放大器的器件参数；以及操作所述偏置电路和所述电压偏移电路，以根据跟踪的所述放大器的器件参数变化来偏置所述放大器。
16.权利要求15所述的方法，所述放大器(116)包括峰化放大器。
17.权利要求15所述的方法，所述放大器包括载波放大器(112)。
18.权利要求15所述的方法，所述偏置电路包括场效应晶体管。
19.权利要求15所述的方法，所述跟踪器件参数的步骤包括跟踪所述放大器的阈值电压以及跨导。
20.权利要求15所述的方法，还包括将所述电压偏移电路设置为固定电压。
21.权利要求15所述的方法，还包括根据管芯温度、工艺变化或者所述至少一个放大器上的负载条件来动态调整所述偏移电压电路。
22.一种方法，包括提供半导体管芯(100)，该半导体管芯具有集成至该半导体管芯上的第一和第二放大器、集成至该半导体管芯上的偏置电路(120)以及集成至该半导体管芯上的电压偏移电路(124)；操作所述偏置电路(120)，以向所述第二放大器(122)提供参考电压；以及操作所述电压偏移电路(124)，以与所述第二放大器(122)的参考电压成比例地自动偏置所述第一放大器(126)。
23.权利要求22所述的方法，所述第一放大器(126)包括峰化放大器，而所述第二放大器(122)包括载波放大器。
24.权利要求22所述的方法，所述电压偏移电路(124)包括电阻分压网络。
全文摘要
描述了一种用于偏置具有多个输出的放大器的装置和方法。半导体管芯(100)可包括集成至该半导体管芯上并且耦合至放大器(116)的场效应晶体管(FET)(112)，其中该放大器(116)集成至该半导体管芯上。电压偏移电路(114)还可集成至该半导体管芯(100)上，用于确定操作该放大器(116)所需的电压。
文档编号H03F1/30GK1965472SQ200580009120
公开日2007年5月16日 申请日期2005年1月26日 优先权日2004年3月24日
发明者恩维尔·克尔瓦瓦茨, 詹姆斯·E·米茨拉夫, 马克·I·冯霍恩 申请人:飞思卡尔半导体公司