专利名称：耗尽型晶体管的功率放大器偏置保护的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有耗尽型晶体管的放大器。此外，本发明涉及一种用于控制施加到放大器的耗尽型晶体管的栅极电压的方法。本发明还涉及一种用于例如支持单一标准操作或多标准操作的通信终端(移动电话)或宽带、多频带或宽频带基站的无线通信的终端。
背景技术：
本发明基于优先权申请EP 06290176.4，在此通过参考将其并入。
为了通过单个基站覆盖不同的频带和移动通信标准，需要支持高度线性的和有效率的多频带/多标准的放大器模块。当前基于硅的横向扩散金属氧化半导体LDMOS RF功率晶体管存在问题，其中所述晶体管通常形成功率放大器的基础。通过使用基于LDMOS的功率放大器，以成本有效率和容量有效率的2.5G和3G多频带/多标准应用需要的信号纯度级别，有效地取得RF功率，即宽带/宽频带性能是非常困难或不可能的。
基于III-V材料的化合物半导体远远超出硅的物理特性。氮化镓(GaN)具有最大动态特性之一，因此它是最有前途的化合物。实际上，它的诸如放大RF信号(具有较低的失真)、经受高温、发射蓝光和绿光的能力使得GaN理想地适合于广泛的电子和光电应用。
更具体地，未来的用于移动无线通信的复杂调制方案和空中接口要求极高线性的功率放大器，而这依赖于具有极高压缩点、高宽带能力、很好的热稳定性和愈加更高的频率响应的功率晶体管。这些要求对于LDMOS技术产生了严重的限制。但是如SiC-MESFET技术的金属半导体场效应晶体管以及如GaN-HEMT的更好的高电子迁移率晶体管能够缓解多个这些限制，原因是它们内在的较高的跨导(其有助于线性)、支持增加的晶体管阻抗水平以及因此较宽的带宽的高击穿电压、较好的热管理和较高的截止频率。因此，基于这些晶体管的技术看起来是非常有前途的，特别是用于支持多频带/多标准的放大器。
当前使用的LDMOS晶体管要求栅极电压＞0V，以便实现触发操作。因此如果例如栅极的电压是断开的，则所述晶体管不导通。这使得所述晶体管对于所施加的电压的任何扰动更加鲁棒。与此对比，SiC-MESFET或GaN-HEMT是耗尽型晶体管。它们对于零栅极电压是高度导通的。由于这样的事实，因此它们对于任何栅极电压扰动是非常敏感的并且需要适当的保护。
因此，在操作期间必须向耗尽型晶体管馈送适当的负栅极电压，以便避免例如由过高电流引起的破坏或故障。因此，当启动晶体管时，必须遵循严格的顺序。首先，必须施加充足的负栅极电压(VG)；此后，可以施加漏极电源电压(VD)。当关闭晶体管时，必须遵循相反的顺序。不考虑该顺序将引起功率晶体管的破坏或故障，因为其沟道是打开的，并且该器件消耗过高电流。
另外，在操作期间应该监视所施加的负栅极电压，以便避免如果栅极电压下降并离开所允许的栅极电压范围之内(例如0V)时晶体管的破坏或故障。这可能例如当栅极电压源变得有故障或栅极馈送电阻器(其通常例如为放大器的稳定而使用)变得有故障时发生。
硅LDMOS已经稳定地创造了基站功率放大器市场的最大共享，其代价是基于SiC-MESFET或GaN-HEMT的技术。在此部分中硅LDMOS提供了出色的性价比。但是，它在下一代系统中继续占据该市场的能力是值得怀疑的，原因是它的操作频率、击穿电压、功率密度和带宽限制。
发明内容
鉴于上面所述，本发明的一个目的是提供一种放大器，其适合于宽带、宽频带和多频带功率放大器应用，同时由于所述放大器对于通常的电流电扰动是鲁棒的，因此还是成本有效率的。
根据本发明，该目的通过以下实现具有耗尽型晶体管的放大器，同时阈值电压适配连接在漏极DC电源开关和耗尽型晶体管的栅极之间。该阈值电压适配控制用于耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关，当阈值电压适配测量出施加到该栅极的电压在可容许的预定义范围之外时，则其触发所述电源电压开关以断开漏极DC馈送线路。
在本发明的有利的实施例中，电源电压开关的输入连接到耗尽型晶体管的电压源。此外，电源电压开关的输出连接到漏极DC馈送线路。
根据本发明的可选方案，阈值电压适配经由RF块连接到射频栅极匹配网络。该栅极匹配网络自身连接到栅极DC馈送。根据另一可选方案，射频栅极匹配网络经由电阻器连接到栅极DC馈送。根据另外的可选方案，阈值电压适配连接在栅极DC馈送和栅极电压源之间，而没有RF块。
在本发明的有利的实施例中，具有提出的偏置电路控制原理的这种耗尽型晶体管构建该放大器的预放大器和/或驱动器和/或最终放大器级。根据本发明的一个实施例的放大器通常用作基站和/或通信终端的放大器模块。
在根据本发明的另外可选方案中，其目的还通过应用一种方法而实现，所述方法用于控制放大器的耗尽型晶体管的栅极电压，该方法包括以下步骤抽取该栅极电压以控制用于耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关。该方法包括以下进一步的步骤根据抽取的栅极电压触发该电源电压开关，使得当测量的栅极电压在可容许的预定义范围之外时电源电压开关切断DC漏极电源电压线路。最后，一旦测量的阈值栅极电压在所述容许的预定义范围内时，去除触发电源电压开关。根据本发明的有利的实施例，通过某一阈值电压适配来实现用于控制电源电压开关的栅极电压的测量。所述阈值电压适配用于监视栅极电压，从该栅极电压确定是否执行对电源电压开关的触发或去除触发。
在所附权利要求书、以下描述和附图中描述了本发明的有利发展。
将进一步参考以下附图解释本发明的示例性实施例，其中图1是根据本发明的具有提出的偏置保护原理的放大视图的放大器的示意图；图2是包括根据本发明的功率放大器模块的基站的示意图。
具体实施例方式
图1示出了一个功率放大器模块，依次包括预放大器、驱动器放大器、最终放大器，并且放大器级的偏置并联连接到所述预放大器、驱动器放大器、最终放大器各自的输入和输出。在图1所示的情况下，最终放大器由根据本发明的耗尽型晶体管制造。但是，这种选择不是限制性的，并且预放大器和/或驱动器放大器由根据本发明的耗尽型晶体管制造是完全可能的。
在图1的放大视图中示出了根据本发明的耗尽型晶体管的DC偏置保护原理。阈值电压适配连接到耗尽型晶体管的栅极(1)。可能有两种用于栅极电压监视的可选抽取a)阈值电压适配的输入经由RF块直接连接到栅极RF匹配网络(位置1a)。该RF块对应于RF匹配网络，并且能够例如由线圈很好地实现。RF匹配网络自身经由电阻器连接到栅极DC馈送。该电阻器是可选的，并且例如用于稳定作用。该解决方案考虑了电阻器可能发生故障并且引起晶体管的栅极的严重电压下降。由于在栅极DC馈送和栅极匹配网络之间使用的电阻器，特别需要直接在RF栅极匹配网络的这种栅极电压抽取，这是因为该电阻器还能够变得有故障并引起栅极电压扰动。
b)阈值电压适配的输入连接到栅极DC馈送和栅极电压源之间的栅极电压DC线路(位置1b)。栅极DC馈送自身直接连接到栅极匹配网络，而没有附加的电阻器。由于抽取位置在栅极DC馈送之后(从晶体管的角度)，因此不需要额外的RF块。
在对当前栅极电压进行抽取后，必须完成对于电源电压开关的阈值电压适配(例如由分压器实现)。如果当前栅极电压水平下降到过低的值，则电源电压开关断开DC漏极电源电压线路(2，3)并因此保护晶体管避免破坏或故障，直到再次达到允许的栅极电压水平为止。电源电压开关的输入连接到电压源(3)。电源电压开关的输出连接到漏极DC馈送(2)。
如图1所示，DC馈送和RF块能够例如通过使用λ/4线路和并联电容器(shunt capacitor)来实现。其用于将DC栅极电压和漏极电压施加到晶体管。另外，其用作RF块，这表示所使用的电容器将针对特定频率(范围)在RF-DC馈送节点被转换为电感行为，该特定频率将由λ/4线路的长度定义。
当根据本发明的实施例实现时，耗尽型晶体管被很好地保护从而避免栅极电压在预定义的保留的负偏置范围之外。这种保留的负偏置范围直接依赖于使用的半导体材料(例如GaN或SiC)，并依赖于供应者和他们的特定处理。用于特定的GaN处理的一个可能的范围(不是限制)可以是-8V＜VGS＜-2V。还要求该下限-8V以避免晶体管的任何破坏。但是通常，在特定电阻或电源的故障时达不到该下限。必须以以下方式选择阈值电压适配，即栅极电压限制与开关元件的阈值电压/电流相对应。例如栅极电压限制-2V，开关元件的阈值电压-4V；在该情况下，阈值电压适配必须将-2V的栅极电压适配至-4V。
在图2中描述了作为具有根据本发明的功率放大器模块的基站的用于无线通信的终端的示意性实施例。这种基站可以是支持使用1800MHz的GSM标准的通常的2G无线链路、使用2100MHz或2600MHz的UMTS标准的3G链路、或包括甚至3500MHz的WiMAX标准的任何其他可能的移动电话标准的基站。还可以是该相同的基站能够支持多个这样的标准，并且能够在不同的频率(宽带、多频带、宽频带、单一标准/多标准)下使用。这种基站(在图2中针对UMTS情况，但是本发明不局限于该例子)的发射机设备在图2所示的例子中包括发射机前端(TX前端)、放大器模块和控制单元。该放大器模块在上方的放大视图中描述。其除了包括多个放大器级(预放大器级、驱动器级和具有提出的用于耗尽型晶体管的偏置保护的最终级)之外，在输出处通常还包括例如具有反馈路径的检测器和一个或多个循环器或隔离器。这样，基站的放大器模块包括有利的偏置保护。可以在通信终端侧(例如移动电话)处在其发射机设备上实现相似的解决方案。
权利要求
1.一种具有耗尽型晶体管的放大器，其中阈值电压适配连接到所述耗尽型晶体管的栅极，该阈值电压适配控制用于所述耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关，当所述阈值电压适配测量出施加到该栅极的电压在可容许的预定义范围之外时，则其触发所述电源电压开关以断开漏极DC馈送线路。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中所述电源电压开关的输入连接到所述耗尽型晶体管的漏极电压源，并且其输出连接到所述漏极DC馈送线路。
3.根据权利要求1所述的放大器，其中所述阈值电压适配经由RF块连接到射频栅极匹配网络，而所述RF栅极匹配网络自身连接到栅极DC馈送。
4.根据权利要求3所述的放大器，其中所述RF栅极匹配网络经由电阻器连接到所述栅极DC馈送。
5.根据权利要求1所述的放大器，其中所述阈值电压适配连接在栅极DC馈送和栅极电压源之间。
6.根据权利要求1所述的放大器，其中所述阈值电压适配包括分压器。
7.根据权利要求1所述的放大器，其中具有所述阈值电压适配的这种耗尽型晶体管是该放大器的预放大器和/或驱动器和/或最终放大器级。
8.一种用于控制施加到放大器的耗尽型晶体管的栅极电压的方法，所述方法包括以下步骤抽取施加到该耗尽型晶体管的栅极电压；使用该抽取的栅极电压来控制用于所述耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关；根据所述抽取的栅极电压触发该电源电压开关，使得当栅极电压在可容许的预定义范围之外时所述电源电压开关切断DC漏极电源电压线路；一旦抽取的栅极电压在所述容许的预定义范围内，去除触发所述电源电压开关。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使用某一阈值电压适配来执行所述栅极电压的抽取，其中所述阈值电压适配根据所述测量的抽取的栅极电压来控制所述电源电压开关。
10.一种用于无线通信的终端，包括具有耗尽型晶体管的放大器，其中阈值电压适配连接到所述耗尽型晶体管的栅极，该阈值电压适配控制用于所述耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关，当所述阈值电压适配测量出施加到该栅极的电压在可容许的预定义范围之外时，则其触发所述电源电压开关以断开漏极DC馈送线路。
全文摘要
一种具有耗尽型晶体管的放大器，利用连接到耗尽型晶体管的栅极的阈值电压适配，实现了耗尽型晶体管的功率放大器偏置保护。该阈值电压适配控制用于耗尽型晶体管的漏极的电源电压开关，当阈值电压适配测量出施加到该栅极的电压在可容许的预定义范围之外时，则其触发电源电压开关以断开漏极DC馈送线路。电源电压开关的输入连接到耗尽型晶体管的漏极电压源，并且电源电压开关的输出连接到漏极DC馈送线路。
文档编号H03F3/16GK101030761SQ200710004329
公开日2007年9月5日 申请日期2007年1月23日 优先权日2006年1月24日
发明者U·赛弗里德, D·维格纳 申请人:阿尔卡特朗讯