专利名称：放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及放大器， 典型地，涉及射频(RF)放大器。
背景技术：
RF放大器用在各种应用中。示例性应用是IEEE802. 15.4。这规定来自射频模块的多个输出功率。例如，在较低功率模式中使用2. 5dBm的输出功率，而在中功率和高功率模式中使用IOdBm和18dBm的输出功率。典型地，通过设置用于提供2. 5dBm的输出功率的基本RF放大器模块以及用于将
2.5dBm的输出功率升高至IOdBm或18dBm的一个或两个附加功率放大器模块，实现多个输出功率。然而，这是相当麻烦的方法，在高功率模式中需要两个附加放大器。对于不同功率模式中的每一种也都需要单独的RF输出管脚。而且，难以采用这种方法在输出功率的范围内维持功率增益的精确控制。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种放大器，包括至少一个放大元件和用于以偏置电压偏置所述或每个放大元件的偏置电路，其中偏置电路适于改变偏置电压，使得所述或每个放大元件响应于偏置控制信号通过阈值在开关工作模式和非开关工作模式之间切换。因此，通过使放大元件能够在开关工作模式和非开关工作模式之间切换，放大器能够以较低效率(非开关)或较高效率(开关)操作。较低效率模式适合较低功率工作但使得能够更精确地控制功率增益，而较高效率模式更适合较高功率工作。以这种方式，能够在较大功率范围内操作，而不包括功率增益的控制精确度，并且上述低功率模式和种功率模式都可以由相同的放大器模块实现，这意味着低功率模式和种功率模式可以共享相同的RF输出管脚。对于上述高功率模式，仅需要一个外部放大器。我们已经发现，根据本发明的放大器能够在AB类和E类之间切换，可以在AB类中实现约10%的效率，在E类中实现约30%的效率。因此，在从AB类(即，较低功率模式)切换至E类(即，高功率模式)时，从电源提出的功率仅增加约为2的因子，而不管RF功率输出增加约为5. 6的因子的事实。典型的开关工作模式为D类和E类，E类是特别优选的。典型的非开关工作模式为A类，B类，AB类和C类，AB类是特别优选的。典型地，所述或每个放大元件经由无功负载网络(reactive load network) f禹接至负载，无功负载网络被配置为产生瞬态响应，从而在开关工作模式中避免在所述或每个放大元件上同时强加实质电压和实质电流，并且在非开关工作模式中表现出被调节至放大器的工作频率的负载。这种配置特别适合用于分别作为开关工作模式和非开关工作模式的E类和AB类。这种无功负载网络通常将包括一个或多个电感器和一个或多个电容器，并且在一种变型中包括并联的电容器和电感器。无功负载网络中的电容器的值可以被选择为在开关工作模式(例如，E类)中实现期望的瞬态响应，并在非开关(例如，AB类)工作模式中被调节至放大器的工作频率。 就“避免在所述或每个放大元件上同时强加实质电压和实质电流”来说，我们是指通过无功负载网络控制流经所述或每个放大元件的电流和在所述或每个放大元件上的电压，以确保在例如E类操作循环的切换间隔(S卩，当放大元件实际上接通或断开时)期间不存在明显的损失。优选地，所述或每个放大元件包括第一晶体管，第一晶体管由偏置电压偏置，以在开关工作模式中用作开关和在非开关工作模式中用作线性或近线性放大器。在一种实施例中，所述或每个放大元件还包括与第一晶体管串联的第二晶体管，第二晶体管能够响应于相应增益控制信号而作为开关工作，用于将放大元件选择性地耦接至负载。在开关工作模式中设置与第一晶体管串联的第二晶体管的优点在于，在缺少第二 晶体管时存在于第一晶体管的漏极处的高瞬态电压将在两个晶体管之间共享。因此，低压晶体管可以用于第一晶体管。因此，每个放大元件可以有效地通过其相应的增益控制信号启用和禁用。禁用放大元件的动作将第一晶体管从所述负载上断开耦接，而启用放大元件将第一晶体管耦接至所述负载。所述或每个放大元件通常如上文所述的那样经由无功负载网络耦接至负载。在该实施例中，第一晶体管和第二晶体管在处于非开关工作模式时通常形成级联(cascode)配置。在该实施例中，放大器还可以包括第三晶体管，第三晶体管能够切换用于将流过第一晶体管的电流的一部分转移至交流电(AC)接地节点。该第三晶体管通常将响应于相应的增益控制信号切换。它将流过第一晶体管的电流的一部分转移离开负载，转向交流接地节点。这允许比第二晶体管实现的简单地启用或禁用放大元件更高粒度地控制功率增益。典型地，至少两个放大元件并联耦接。在优选实施例中，放大器包括第一组放大元件和第二组放大元件，每组放大元件包括至少一个放大元件，其中第一组放大元件和第二组放大元件以差分配置耦接。本发明也可以用于单端配置。放大器通常还包括用于驱动所述或每个放大元件的预放大器，预放大器响应于偏置控制信号，以在所述或每个放大元件分别处于开关模式和非开关模式时在高增益模式和低增益模式之间切换。在第一变型中，预放大器包括并联的第一预放大元件和第二预放大元件，第二预放大元件在高增益模式中启用以及在低增益模式中禁用。第一预放大元件和第二预放大元件中的每一个都可以包括级联配置的输入晶体管和输出晶体管。因此，第一预放大元件和第二预放大元件中的每一个的输出晶体管在处于低增益模式时由偏置控制信号偏置成停用工作模式。这通常是通过将偏置控制信号耦合至输出晶体管的栅极使其断开并变为有效开路而实现的。
在优选实施例中，预放大器包括第一组预放大元件和第二组预放大元件，每组预放大元件具有如针对第一变型限定的第一预放大元件和第二预放大元件，其中第一组预放大元件和第二组预放大元件耦接成差分配置。本发明也可以用于单端配置。根据本发明的另一方面，提供了一种放大器，包括第一晶体管和与第一晶体管串联的第二晶体管，第二晶体管能够响应于增益控制信号而作为开关工作，用于将流过第一晶体管的电流的一部分选择性地转移至交流电接地节点。本发明的该方面实现比简单地接通或断开第一晶体管更高粒度的增益控制。典型地，第二晶体管能够操作为将流过第一晶体管电流的一部分从负载转移至交流电接地节点。根据本发明的又一方面，提供了一种收发器系统，包括耦接至天线的根据第一方面的放大器，以及耦接所述天线用于放大由所述天线接收到的信号的低噪声放大器。
本发明的该方面提供了采用根据第一方面的放大器作为发射器和采用单独的低噪声放大器作为接收器而实现收发器的简单方式。如果提供来自根据本发明的第一方面的放大器的差分输出，则可以经由平衡-不平衡转换器(balun)耦合至天线。类似地，天线可以经由平衡-不平衡转换器耦接至低噪声放大器，该平衡-不平衡转换器可以是与上述平衡-不平衡转换器相同的一个平衡-不平衡转换器。通常，根据本发明的第一方面的放大器将经由带通滤波器耦接至天线。这有助于控制输出信号的谐波含量，这可能是遵守法规需要的。根据本发明的第一方面的放大器和/或低噪声放大器可以经由相应的控制信号启用或禁用。低噪声放大器用来在接收模式中放大非常弱的信号。就“低噪声放大器”来说，我们是指具有低于5dB，优选低于3dB且甚至更优选低于IdB的噪声指数的放大器。
将参照附图详细描述本发明的实例，其中图I示出了根据本发明的放大器的框图；图2示出了根据本发明的放大器的预放大器级的电路图；图3示出了根据本发明的放大器的输出级的电路图；图4示出了图3的输出级的改进，用于更高粒度增益控制；以及图5示出了根据本发明的放大器与外部放大器的组合。
具体实施例方式图I示出了预放大器1，其接收RF输入信号并将它放大至合适的水平，用于驱动功率放大器输出级2。输出级2驱动负载3。偏置控制信号4用来在非开关(在该情况中为AB类)工作模式和切换(在该情况中为E类)工作模式之间切换预放大器I和输出级2。典型地，这将为数字控制信号，其中二进制O可以用来选择AB类，二进制I可以用来选择E类，反之亦然。在E类中来自输出级2的RF输出功率是通过如下将描述的调整电源5的电压进行的。在AB类中，功率控制是通过采用由功率控制电路6产生的一组单独的功率控制信号的不同机制实现的。在AB类操作中，输出级2的晶体管被偏置以在静止状态中稍微导通，并且它们在由输入信号驱动时进一步导通。在输入波形的任一个周期中，晶体管导通大于180°且小于360°。在E类操作中，采用开关技术，并且输出晶体管接通和断开。因此，对于AB类和E类工作模式中的每一种，要求来自预放大器I的不同驱动信号水平。预放大器I因此在偏置控制信号4的控制下能够在高增益模式和低增益模式之间切换。在低增益模式(针对AB类操作)中，由预放大器I产生具有约500mV峰值的输出信号，而在高增益模式(E类操作)中，输出信号为约2. 5V峰值。由于预放大器I的增益模式由偏置控制信号4选择，因 此预放大器I的增益模式随着输出级2的工作类型一起被切换。适合预放大器I的电路在图2中示出。这是具有级联输出的电感负载式差分放大器，调节为以输出级2加载时的工作频率谐振。如上所述，能够在针对AB类操作的低功率模式和针对E类操作的高功率模式之间切换。预放大器I包括第一对差分输入晶体管10a，IOb和第二对差分输入晶体管11a，lib。输入晶体管10a，Ila的栅极如同它们的源极一样彼此耦接。类似地，输入晶体管10b，Ilb的栅极如同它们的源极一样彼此耦接。差分输入信号12a，12b施加至输入晶体管10a，10b，11a，Ilb的栅极。因此，信号12a耦接至输入晶体管10a，Ila的栅极，信号12b耦接至输入晶体管10b，Ilb的栅极。所有输入晶体管的源极耦接至地。直流偏置电压施加至电阻器18a，18b的接合点，用于偏置晶体管10a，10b，11a，lib。信号12a，12b在输入晶体管10a，10b，11a，lib的栅极处叠加在该直流偏置电压上，假设驱动源具有比电阻器18a，18b的值低很多的电阻。提供晶体管19，其在接通时通过将电阻器18a，18b的接合点拉到直流偏置电压施加到地的位置而禁用预放大器。每个输入晶体管10a，10b，11a，Ilb的漏极耦接至相应的输出晶体管13a，13b，14a, 14b的源极。因此，每个输入晶体管10a，10b，11a，IIb与输出晶体管13a，13b，14a，14b中相应的一个形成级联对。输出晶体管13a，13b的栅极如同输出晶体管14a，14b的栅极一样耦接在一起。输出晶体管13a，14a的漏极耦接在一起并耦接至电感负载17的一端，而输出晶体管13b，14b的漏极耦接在一起并耦接至电感负载17的另一端。从电感负载17的两端获得差分输出信号15a，15b。如上所述，选择电感负载17的电感值，实现以输出级2加载时的工作频率谐振。在高增益模式中，输出晶体管13a，13b，14a，14b的栅极都偏置为每个晶体管的合适电压，以在激活区域(activate region)中工作(即，它们都响应以放大输入信号)。然而，在低增益模式中，输出晶体管14a，14b的栅极被拉低至适当低的电势，使得输出晶体管14a，14b和输入晶体管11a，Ilb在输入信号波形的任意部分期间不再导通。这是通过耦接由偏置控制信号4控制的增益选择端16实现的，以确保仅在选择E类工作模式时存在偏置。因此，仅仅输出晶体管13a，13b和输入晶体管10a，IOb在低增益模式中是激活的，并实现低增益。图2中示出的电路拓扑确保输入负载阻抗在高增益模式和低增益模式中是相似的，因为总是存在相同数量的输入晶体管10a，10b，11a，lib。因此，当由压控振荡器(VCO)直接驱动时，VCO将保持在一范围内而不针对高增益模式和低增益模式中的每一种使它返回。类似地，由于在高增益模式和低增益模式中在输出端处总是存在相同数量的级联输出晶体管13a，13b，14a，14b，因此输出阻抗对于高增益模式和低增益模式都保持在恒定值。这在预放大器I输出与输出级2的输入一起谐振时是需要的。图3示出了输出级2的电路图。在该图中，由附图标记20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a和23b提供如图所示的四对输入晶体管。每对输入晶体管20a，20b ;21a，21b ;22a，22b ；以及23a，23b形成至输出级2的差分输入。晶体管20a, 20b, 21a，21b，22a，22b，23a，23b的源极都耦接至地。晶体管20a，21a，22a，23a的栅极都耦接至输入管脚24a，而晶体管20b，21b，22b，23b的栅极都耦接至输入管脚24b。输入管脚24a，24b 一起形成差分输入，交流耦接至(经由电容器)预放大器I的差分输出信号15a，15b。每个输入晶体管20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a，23b经由其漏极耦接至相应的输出晶体管 25a, 25b, 26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b 的源极。输出晶体管 25a, 26a, 27a, 28a 的漏极耦接至包括电感器29和电容器30的并联组合的无功负载网络的一端。输出晶体管25b，26b，27b，28b的漏极耦接至无功负载网络的另一端。电感器29的中心抽头耦接至电源电压34。无功负载网络的两端耦接至负载31。选择电容器30的值，使得无功负载网络被配置为产生瞬态响应，从而在E类工作模式中避免了在输入晶体管20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a，23b上同时强加实质电压和实质电流，并且在AB类工作模式中表现出被调节至放大器的工作频率的负载。输入管脚24a，24b (并且因此输入晶体管 20a，20b, 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b 的栅极)经由电阻器32a，32b分别耦接至偏置端33，偏置端33处的电压由偏置控制信号4控制，使得在处于E类工作模式时不存在偏置或存在非常小的偏置。每个输出晶体管25a，25b，26a，26b，27a，27b，28a，28b的栅极耦接至相应的增益控制信号35a，35b，36a，36b，37a，37b，38a，38b，下文将说明这样耦接的目的。为了将输出级2置于E类模式，偏置控制信号4被驱动为在偏置端33不存在偏置或存在非常小的偏置。这使输入晶体管20a，20b, 21a，21b，22a，22b，23a，23b用作开关，如E类操作所需要的那样，在差分输入信号24a，24b变化时进行切换。采用增益控制信号35a，35b, 36a, 36b, 37a, 37b, 38a, 38b 偏置每个输出晶体管 25a, 25b, 26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b的栅极，以接通输出晶体管25a，25b，26a，26b，27a，27b，28a，28b，使得流过输入晶体管的电流直接流向无功负载网络。增益控制信号35a，35b，36a，36b，37a，37b，38a，38b根据所需要的输出功率由功率控制电路6产生。 E类模式中的输出功率的控制通过控制来自电源5的电源电压改变电源电压34而实现。这利用对于固定负载而言输出功率与电源电压的平方成比例的原理，并且能够以这种方式以IdB的台阶实现输出功率的控制。为了将输出级2置于AB类模式，偏置控制信号4驱动为在偏置端33上存在合适的偏置电压，以经由电阻器32a，32b将输入晶体管20a, 20b, 21a，21b，22a，22b，23a，23b偏置为处于线性激活工作区域。AB类模式中的输出功率的控制是通过选择输入晶体管20a，20b, 21a，21b，22a，22b, 23a, 23b中的哪一个将贡献于流过无功负载网络的电流实现的。这是通过采用增益控制信号 35a, 35b, 36a, 36b, 37a, 37b, 38a, 38b 选择性地控制输出晶体管 25a, 25b, 26a, 26b,27a，27b，28a，28b的接通或断开而控制的。因此，例如采用增益控制信号35a，35b断开输出晶体管25a，25b，将没有电流通过相关联的输入晶体管20a，20b流入无功负载网络，并且因此降低输出功率。为了简化输出晶体管25a，25b，26a，26b，27a，27b，28a，28b的切换，增益控制信号通常成对耦合在一起。因此，正如增益控制信号36a和36b、37a和37b、以及38a和38b —样，增益控制信号35a，35b耦合在一起。在AB类工作模式中，用于被接通的那些输出晶体管25a，25b，26a，26b，27a，27b，28a，28b的增益控制信号35a，35b，36a，36b，37a，37b，38a，38b用来偏置接通的输出晶体管 25a，25b，26a，26b，27a，27b，28a，28b 的栅极，使得它们与输入晶体管 20a, 20b, 21a，21b，22a, 22b, 23a, 23b 形成级联对。每个输入晶体管20a，20b, 21a，21b，22a，22b，23a，23b的尺寸形成为RF放大器的输出级中使用的常规晶体管的尺寸的四分之一。因此，输入晶体管20a，21a，22a，23a与输 入晶体管20b，21b，22b，23b的组合提供了与这种常规晶体管相同的增益(并且因此，相同的输出功率)。结果，禁用任意对输入晶体管20a和20b、2Ia和2lb、22a和22b、或者23a和23b将输出功率降低6dB。在替代实施例中，输入晶体管20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a，23b不是相等尺寸的，而是可将其尺寸选择为提供不同尺寸台阶的输出功率控制。例如，禁用输入晶体管对23a和23b可以引起3dB降低，而禁用输入晶体管对22a和22b可以引起6dB降低。输出级2的输入阻抗在输出功率变化时不明显地改变，因为输入晶体管20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a，23b 的数量保持相同。在希望以小于通过接通或断开单个晶体管而实际可行的台阶更小的台阶实现输出功率的控制的情况中，可以采用图4的技术。在图4中，图3的电路的一部分与与输入晶体管23a串联耦接的附加晶体管40 —起示出。然而，输出晶体管28a用来控制来自输入晶体管23a的电流是否流至无功负载网络，附加晶体管40用来将来自输入晶体管23a的电流的一部分转向电源或其它交流地。附加晶体管40由功率控制电路6控制，功率控制电路6提供向附加晶体管40的基极提供合适的偏压以接通或断开附加晶体管40，从而实现期望的输出功率。在附加晶体管40接通时由附加晶体管40转移的电流的比例取决于输出晶体管28a和附加晶体管40的相对尺寸。如果它们尺寸相等，则来自输入晶体管23a的电流的一半将被从无功负载网络转移至电源。因此与通过切换输出晶体管28a可以提供的控制相t匕，增益台阶尺寸的更高粒度的控制是可获得的。这种技术当然可以与输入晶体管20a，20b，21a，21b，22a，22b，23a，23b中的任一个一起使用，但为了便于说明，已经参照输入晶体管23a示出。任何这种附加晶体管的栅极耦接至相应的增益控制信号以控制所述附加晶体管的开关。上述放大器的应用在图5中示出，其中根据本发明的放大器50耦接至差分输入信号51以产生差分输出信号52。差分输出信号52能够如上所述在低功率模式和高功率模式之间切换。差分输出信号52耦接至中心抽头的平衡-不平衡转换器53 (中心抽头耦接至电源电压34)，平衡-不平衡转换器53又通过带通滤波器54耦接至诸如天线之类的负载55。设置了带通滤波器54，以防止耦合至负载55的信号的谐波含量过多。设置了附加的低噪声放大器56，用作接收器以放大在可以为天线的负载55处接收到的信号，并且由平衡-不平衡转换器53转换为差分信号52。因此,放大器56根据负载55接收到的差分信号52产生较高功率的差分信号57。因此，图5的系统为发射器和接收器。在发射模式中，放大器56将禁用且放大器50将启用，然而在接收模式中，放大器56将启用且放大器50将禁用。
本领域的技术人员在实现该要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。单个的处理器或单元可以 满足权利要求中所述的几个项目的功能。重要的是，在彼此不同的从属权利要求中所述的某些措施不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应理解为限制范围。
权利要求
1.一种放大器，包括至少一个放大元件(20a，25a)和用于以偏置电压偏置所述或每个放大元件的偏置电路(32a，32b)，其中偏置电路(32a，32b)适于改变偏置电压，使得所述或每个放大元件响应于偏置控制信号(4)通过阈值在开关工作模式和非开关工作模式之间切换。
2.根据权利要求I所述的放大器，其中所述或每个放大元件(20a，25a)经由无功负载网络(29，30)耦接至负载，无功负载网络(29，30)被配置为产生瞬态响应，从而在开关工作模式中避免在所述或每个放大元件(20a，25a)上同时强加实质电压和实质电流，并且在非开关工作模式中表现出被调节至放大器的工作频率的负载。
3.根据权利要求I或2所述的放大器，其中所述或每个放大元件(20a，25a)包括第一晶体管(20a)，第一晶体管(20a)由偏置电压偏置，以在开关工作模式中用作开关和在非开关工作模式中用作线性或近线性放大器。
4.根据权利要求3所述的放大器，其中所述或每个放大元件(20a，25a)还包括与第一晶体管(20a)串联的第二晶体管(25a)，第二晶体管(25a)能够响应于相应增益控制信号而作为开关工作，用于将放大元件(20a，25a)选择性地耦接至负载(31)。
5.根据权利要求4所述的放大器，其中第一晶体管(20a)和第二晶体管(25a)在处于非开关工作模式时形成级联配置。
6.根据权利要求4或5所述的放大器，还包括第三晶体管(40)，第三晶体管(40)能够切换用于将流过第一晶体管(20a)的电流的一部分转移至交流电接地节点。
7.根据前述权利要求中任一项所述的放大器，其中至少两个放大元件(20a，25a;21a，26a)并联耦接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的放大器，包括第一组放大元件(20a，25a)和第二组放大元件(20b, 25b),每组放大元件包括至少一个放大元件,其中第一组放大元件(20a,25a)和第二组放大元件(20b，25b)以差分配置耦接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的放大器，还包括用于驱动所述或每个放大元件(20a, 25a)的预放大器(I)，预放大器(I)响应于偏置控制信号(4)，以在所述或每个放大元件(20a，25a)分别处于开关模式和非开关模式时在高增益模式和低增益模式之间切换。
10.根据权利要求9所述的放大器，其中预放大器包括并联的第一预放大元件(10a，13a)和第二预放大元件(11a，14a)，第二预放大元件(11a，14a)在高增益模式中启用并且在低增益模式中禁用。
11.根据权利要求10所述的放大器，其中第一预放大元件(10a，13a)和第二预放大元件(11a，14a)中的每一个都包括级联配置的输入晶体管(10a，Ila)和输出晶体管(13a，14a)。
12.根据权利要求11所述的放大器，其中第一预放大元件(10a，13a)和第二预放大元件(11a, 14a)中的每一个的输出晶体管(13a, 14a)在处于低增益模式时由偏置控制信号(4)偏置成停用工作模式。
13.根据权利要求9所述的放大器，其中预放大器(I)包括第一组预放大元件(10a，13a ; I la, 14a)和第二组预放大元件(10b, 13b ; I lb, 14b),每组预放大元件具有权利要求10至12限定的第一预放大元件(10a, 13a ；lla, 14a)和第二预放大元件(10b, 13b ；llb, 14b)，其中第一组预放大元件(10a, 13a ；lla, 14a)和第二组预放大元件(10b, 13b ；llb, 14b)率禹接成差分配置。
14.一种放大器,包括第一晶体管(23a)和与第一晶体管串联的第二晶体管(40),第二晶体管(40)能够响应于增益控制信号而作为开关工作，用于将流过第一晶体管的电流的一部分选择性地转移至交流电接地节点。
15.一种收发器系统，包括耦接至天线(55)的根据权利要求1-13中任一项所述的放大器(50)，以及耦接至所述天线用于放大由所述天线接收到的信号的低噪声放大器(56)。
全文摘要
本申请公开了一种放大器，包括至少一个放大元件(20a，25a)和用于以偏置电压偏置所述或每个放大元件的偏置电路(32a，32b)。偏置电路(32a，32b)适于改变偏置电压，使得所述或每个放大元件响应于偏置控制信号(4)通过阈值在开关工作模式和非开关工作模式之间切换。
文档编号H03F3/189GK102684614SQ20121006300
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月12日 优先权日2011年3月15日
发明者西蒙·彼得·戈达德, 金·李 申请人:Nxp股份有限公司