在偏置切换期间功率放大器晶体管特性的稳定化的制作方法

在偏置切换期间功率放大器晶体管特性的稳定化的制作方法
【专利摘要】本发明涉及在偏置切换期间功率放大器晶体管特性的稳定化。一种装置能够包括功率放大器器件。所述装置还能够包括给所述功率放大器器件的电压或者电流输入。给所述电压或者电流输入的输入电压或者电流能够被配置成根据时隙中所调度的传输而被控制。所述装置还能够包括在所述偏置输入器件处提供的栅极偏置插入电路。所述栅极偏置插入电路能够被配置成提供降低的输入电压或者电流作为功率放大器的偏置。所述降低的输入电压或者电流被配置成：当时隙中没有传输被调度时，对应于所述功率放大器的所述晶体管的阈值。
【专利说明】在偏置切换期间功率放大器晶体管特性的稳定化

【技术领域】
[0001] 包括用于无线通信的通信装置的通信装置可以受益于具有稳定的特性的功率放 大器晶体管。例如，特定的功率放大器晶体管可以受益于在偏置切换期间使其特性稳定。

【背景技术】
[0002] 尽管存在试图降低功率放大器能量消耗的各种技术，但是这些技术已经具有有限 的益处。例如，传统的方法具有显著的性能损失。例如，传统的方法提供了完全不切换某些 级和/或在预期到需要时开启级的折衷。在任一情况下，尤其在不规则使用的情况下，例 如，在第二代移动通信技术（2G)时分多址（TDMA)类型的系统（诸如，全球移动通信系统 (GSM))中的低通信量期间，所实现的节能效果小于可能的节能效果并且性能通常会被降级 到最小裕度。


【发明内容】
：
[0003] 根据第一实施例，一种方法，包括确定在时隙期间没有传输被调度。所述方法进一 步包括在活动传输时段期间，将功率放大器偏置恢复为标称。该方法进一步包括在该活动 传输时段的末尾降低所述功率放大器偏置。降低所述功率放大器偏置包括，将所述功率放 大器偏置降低到所述功率放大器的晶体管的阈值。
[0004] 在某些变化中，所述阈值是预定的固定阈值。
[0005] 在某些变化中，所述阈值是依赖于温度的动态阈值。
[0006] 在某些变化中，所述阈值是依赖于过程的动态阈值。
[0007] 在某些变化中，所述方法进一步包括：在偏置源和晶体管之间提供串联开关器件。 所述功率放大器偏置通过使用串联开关器件来控制。
[0008] 在某些变化中，所述方法进一步包括：基于标称偏置条件来控制所述功率放大器 偏置的关断态（off-state)电压。
[0009] 在某些变化中，所述控制跟踪所述晶体管随温度的阈值变化。
[0010] 根据第二实施例，一种装置包括功率放大器器件。所述装置还包括给所述功率放 大器器件的电压输入，给所述电压输入的输入电压被配置成根据在时隙或某个其他活动传 输间隔中所调度的传输而被控制。所述装置还包括在所述电压输入处提供的栅极偏置插入 电路。所述栅极偏置插入电路被配置成提供降低的输入电压（或者电流，取决于晶体管的 类型）作为功率放大器偏置，其中，所述降低的输入电压被配置成：当在时隙或活动传输间 隔中没有传输被调度时，对应于所述功率放大器的晶体管的阈值。
[0011] 在某些变化中，所述栅极偏置插入电路包括在偏置源和所述晶体管之间的串联开 关器件，其中，所述功率放大器偏置被配置成通过使用所述串联开关器件的来控制。
[0012] 在某些变化中，所述串联开关器件被提供有电阻分压器（divider)，其被配置成对 所述串联开关器件两端的电压进行分压。
[0013] 在某些变化中，所述串联开关器件被提供有二极管电平转换器（level shifter)， 其被配置成对所述串联开关器件两端的电压进行分压。
[0014] 在某些变化中，所述串联开关器件被提供有电流源电平转换器，其被配置成对所 述串联开关器件两端的电压进行分压。
[0015] 在某些变化中，所述串联开关器件被提供有准独立源，其中，所述串联开关器件被 配置成在所述准独立源中进行选择。
[0016] 根据第三实施例，一种装置包括确定设备，其用于确定在时隙或时间间隔期间没 有传输被调度。该装置还包括恢复设备，其用于在活动传输时段期间，将所述功率放大器偏 置恢复为标称。该装置进一步包括降低设备，其用于在活动传输时段的末尾降低功率放大 器偏置。降低所述功率放大器偏置包括：将所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器的 晶体管的阈值。
[0017] 在某些变化中，所述阈值是预定的固定阈值。
[0018] 在某些变化中，所述阈值是依赖于温度的动态阈值。
[0019] 在某些变化中，所述阈值是依赖于过程的动态阈值。
[0020] 在某些变化中，所述装置进一步包括用于控制功率放大器偏置的串联开关器件。 所述串联开关器件被提供在偏置源和所述晶体管之间。
[0021] 在某些变化中，所述装置进一步包括控制设备，其用于基于标称偏置条件而控制 所述功率放大器偏置的关断态电压。
[0022] 在某些变化中，所述控制设备进一步用于跟踪所述晶体管随温度的阈值变化。

【专利附图】

【附图说明】：
[0023] 为了适当理解本发明，应当参考附图，其中：
[0024] 图1图示根据某些实施例的包括电阻分压器的装置。
[0025] 图2图示根据某些实施例的包括二极管电平转换器的装置。
[0026] 图3图示根据某些实施例的包括电流源电平转换的装置。
[0027] 图4图示根据某些实施例的包括准独立源的装置。
[0028] 图5图示根据某些实施例的方法。
[0029] 图6图示根据某些实施例的系统。

【具体实施方式】：
[0030] 蜂窝运营商可能出于多种原因（诸如，成本和环境影响）而希望降低功率消耗。 在时分多址（TDMA)操作期间，可能会出现当在某些时隙期间没有传输但线性功率放大器 (LPA)仍然消耗能量的时间。全球移动通信系统（GSM)是TDMA通信系统的一个示例，尽管 某些实施例能够适用于其他通信系统。
[0031] 在这些（低通信量）时间期间降低功率放大器偏置能够高效地降低能量消耗。此 类降低的结果可能是：当被重激活时线性功率放大器的行为不同并且线性化可能失败。例 如，可能出现瞬态信号失真和假信号响应，特别是当采用LPA线性化时。
[0032] 然而，在某些实施例中，在将偏置仅降低到阈值的情况下，能够在最小性能降级的 情况下实现能量节省。尽管由于过程和温度而引起的器件变化，某些实施例提供不同的方 法和电路来执行该偏置转换。
[0033] 线性化技术能够与功率放大器一起使用，以获得适度的失真性能而同时使效率最 大化，尤其当发射机必须支持具有相同或者不同调制的多个载波时。复杂度使得算法可以 基于相对缓慢的变化特性而进行操作和适配，其中的缓慢是相对于符号速率而言的。例如， 更新速率可以是大约60毫秒，而符号周期可以是大约几纳秒。
[0034] 这种缓慢适配的结果是：可以假定功率放大器在这种间隔期间是相对时不变的。 此外，此类假设对于高带宽技术（诸如，与宽带码分多址（WCDMA)或者长期演进（LTE)关联 的那些技术）来说可能是正确的。然而，该假设对于低通信量TDMA(特别是对全球移动通 信系统（GSM)类型的系统）来说可能是不成立的。
[0035] 在后者的情况下，在无通信量时段期间禁用功率放大器可能是有价值的。这些时 段可以与时隙一样短，或者与多个巾贞一样长。不管怎样，在功率放大器关闭之后，有源器件 裸片（die)可以快速冷却，并且到有源器件的内部电容（本征的和非本征的二者）可以放 电。例如，所述冷却可以涉及在数百微秒中下降数十度。这能够降低能量消耗。然而，如果 重激活该器件，该器件的特性可能与恰在将其关闭之前的性能大有不同。此外，随着裸片再 次加热和电容再充电，该特性将迅速改变。在该间隔期间，可能显著违背功率放大器是相对 时不变的假设。因此，在该短时段期间，线性化可能失败。
[0036] 相对地，某些实施例提供了可以极大地降低有源器件的行为变化的方法和电路。 确实，通过使用某些实施例，快速地开关功率放大器并且实质上没有可辨别的性能降级是 可能的。因此，能够在没有性能损失的情况下节省能量。
[0037] 总之，某些实施例可以具有各种特性。例如，晶体管可以从温度补偿参考被偏置， 其中，所述参考优选地表现出与射频（RF)晶体管类似的依赖于温度的电压。例如，美国专 利号US7, 095, 282和US7, 034, 618讨论了温度补偿电路，通过引用的方式将其全部合并于 此。
[0038] 能够将诸如场效应管（FET)之类的串联开关器件置于偏置源和RF晶体管栅极之 间，以使得能够选择性地施加电压。串联开关与其附加电路结合可以被设计成使得串联开 关将大体为阈值电压的电压施加到栅极而不是将偏置完全关断。通过施加大体等于晶体管 阈值的电压，可以使电流消耗最小化，同时不耗尽由有源器件和/或关联的匹配与偏置电 路所存储的电荷。因此，能够快速地开启该器件并且使特性的变化最小。
[0039] 此外，在某些实施例中，关断态栅极偏置电压能够基于标称偏置条件，以使得关断 态栅极偏置电压跟踪随温度的阈值变化。此外，在某些实施例中，关断态电压能够基于标称 偏置条件，并且因此能够本征地考虑器件到器件的变化。因而，某些实施例可以合并到所制 造的器件中。
[0040] 实际情况是，阈值电压或者电流能够由于过程和温度效应而是可变的。因此，在某 些实施例中，能够从开启态（on-state)偏置而不是使用完全独立的偏置源来得出关断态 偏置。这种机制提供对于由器件的过程、电路或者环境所引起的器件变化的不敏感度。
[0041] 本文描述了使用横向（laterally)扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（LDM0S) 技术的各种可能的实现方式。这仅是普通技术中的示例。然而，某些实施例同样适用于任 何RF半导体，包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)、双极结型晶体管 (BJT)、异质结双极型晶体管（HBT)、金属半导体场效应晶体管（MESFET)。
[0042] 在图1-4中，假设偏置生成器电压被设置成获得某个期望的静态漏极电流。注意， 由于FET的阈值电压的变化，需要在对每个器件的生产中对准电压。然而，尽管绝对电压可 能会变化，但是用于夹断的电压差通常可以是恒定的。相对恒定的电压差对于器件到器件 的变化以及温度来说可以是正确的。因此，通过设计串联开关使得开启态和关断态之间的 电压差恒定，无论绝对电压如何，某些实施例能够独立于阈值电压转换。这种适应器件到器 件的变化的能力能有助于采用这些技术和电路的功率放大器电路的设计、实现和制造。
[0043] 图1-4具有多个共同特征，包括漏极偏置变换器110、输出RF匹配元件120、一个 或多个RF放大器器件130以及输入RF匹配元件140。漏极偏置变换器110能够供应电压 Vdd到一个或多个RF放大器器件130,而输出RF匹配元件120能够提供用于一个或多个RF 放大器器件130的RF输出。输入RF匹配元件140能够提供RF输入到一个或多个RF放大 器器件130。同样，栅极偏置变换器150能够基于偏置生成器电路160的电压Vgq而供应栅 极偏置电压Vgs到一个或多个RF放大器器件130。在图4中，代替地，通过"开启"偏置生 成器电路160a和"关断"偏置生成器电路160b能够供应偏置电压。PA使能170能够提供 控制输入到系统，并且其能够基于诸如是否在时隙中调度传输之类的信息。
[0044] 图1图示作为电阻分压器180来桥接串联开关的电阻器。该电阻器能够产生适于 多种应用的相对恒定的差。差的误差因数可以表示如下：
[0045] dV -error =: (等式 1) ?V g
[0046] 在示例性LEM0S器件中，其中，期望的静态栅极电压为3. 2v，并且到关断态的期望 的差低〇.6v，等式1将会导致&= (3/13)*Rg以及19%的误差因数。假设跨过程的阈值 电压转换为例如+/_〇. 5v，那么电压差将会落入到0. 5-0. 7v的范围内，这是可以接受的。
[0047] 对于其中必须更加严格地控制所述差的更多高要求应用来说，可以使用可替换的 实现方式。例如，如图2所示，串联的二极管可用于二极管电平转换器280。
[0048] 当期望具有随温度增加的偏置电压时，图2的布置可以是有用的。因为二极管正 向压降能够一般随着温度下降（对于硅结二极管来说大约为-2. 2mV/C)，所以能够发生这 种增加的电压。因此，关断态电压能够增加。应当期望电压随着温度的较小的变化，串联电 阻器和分流电阻器的适当选择能够降低温度斜率，如美国专利号7, 095, 282和7, 034, 618 中所讨论的。
[0049] 可选的，如图3所示，使用温度补偿电流源380能够实现稳定的电压转换。在这种 情况下，电压转换可以简单地为Rs*Ig。
[0050] 在图4示出的布置中图示更加复杂和通用的情况，其示出准独立源160a和160b。 在这种情况下，能够使用两个独立的偏置电压生成器160a和160b，每一个都具有独特的温 度特性。另外，耦合它们之间的一个或多个信号480可用于包括任何常见的行为。
[0051] 不管所选择的实现方式，为了使RF器件的特性变化最小而同时最大化功率节省， 将关断态电压维持为接近阈值电压。如果保持高于阈值，可能会失去一些潜在的功率节省， 但是能够降低RF晶体管的特性变化。如果保持低于所述阈值电压，则可以实现最大的功率 节省，但是RF晶体管的特性变化也是更大。因此，能够容易地实现特性变化和功率节省之 间的期望的平衡。
[0052] 某些实施例可以由栅极或者基极偏置电压所表征。某些实施例可以产生以下结 果：关断态电压合理地与RF器件的阈值电压紧密相关。
[0053] 图5图示根据某些实施例的方法。如图5所示，方法可以包括，在510,确定在时隙 期间没有传输被调度。该方法还可以包括，在520,在不活动时隙期间，降低功率放大器偏 置。该降低可以从活动时隙期间所使用的标称电平降低。所述方法可以进一步包括，在530， 在非活动时隙的末尾，增加功率放大器偏置，该增加可以是例如将功率放大器偏置恢复为 标称的。这里的标称可以指用于活动传输的偏置电平。该增加可以在非活动时隙末尾的附 近开始，例如，被定时以使得在下一个活动时隙的开始处完成该增加。降低功率放大器偏置 可以包括：将功率放大器偏置降低到功率放大器的晶体管的阈值。在其期间功率较低但至 少为阈值量的时段可以与单个时隙一样短，也可以跨越多个时隙，取决于通信量。因此，这 里的时隙仅是时间间隔或者时间段的一个示例，其实际上可以是多于一个连续的时隙。
[0054] 如何控制功率放大器偏置可以在不同的实施例中变化。例如，在场效应管（FET) 的情况下，能够控制栅极电压。相比之下，在双极结型晶体管（BJT)的情况下，某些实施例 的电路能够控制电流。
[0055] 阈值可以是预定的固定阈值。可替换地，阈值可以是依赖于温度的动态阈值、依赖 于过程的动态阈值或者二者。
[0056] 该方法可以进一步包括，在540,提供在偏置源和晶体管之间的串联开关器件。通 过使用串联开关器件，能够控制功率放大器偏置。所述方法可以附加地包括，在550，基于标 称偏置条件而控制功率放大器偏置的关断态电压。所述控制能够跟踪晶体管随着温度的阈 值变化。
[0057] 上述方法可以与用于稳定功率放大器的特性的其他技术结合使用。例如，何时能 够调整偏置电压的时机能够基于结合使用图5以及本文其他位置所说明的方法的对需要 的预期。
[0058] 上述方法可以以各种方式来实现。例如，可以全部以硬件或者运行在硬件上的软 件实现该方法。软件可以是编码有指令的非临时计算机可读介质，当在硬件中执行指令时 执行过程。所述过程可以是本文描述的任何方法。
[0059] 图6图示根据某些实施例的系统。如图6所示，该系统可以包括功率放大器器件 610。该系统还可以包括去往功率放大器器件610的电压输入620。给电压输入620的输入 电压被配置成根据在时隙中所调度的传输来控制。可以在电压输入620处提供栅极偏置插 入电路630。栅极偏置插入电路630能够被配置成提供降低的输入电压作为功率放大器偏 置。该降低的输入电压能够被配置成当在时隙中没有传输被调度时对应于功率放大器610 的晶体管的阈值。
[0060] 栅极偏置插入电路可以包括在偏置源和晶体管之间的串联开关器件，其中，功率 放大器偏置被配置成通过使用串联开关器件来控制。例如，该方法可见图1-4。
[0061] 如图1所示，串联开关器件可以被提供有电阻分压器，该电阻分压器被配置成对 串联开关器件两端的电压进行分压。可替换地或者附加地，如图2所示，串联开关器件可以 被提供有二极管电平转换器，所述二极管电平转换器被配置成对串联开关器件两端的电压 进行分压。可替换地或者附加地，如图3所示，串联开关器件可以被提供有电流源电平转换 器，所述电流源电平转换器被配置成对串联开关器件两端的电压进行分压。可替换地或者 附加地，如图4所示，串联开关器件可以被提供有准独立源，其中，所述串联开关器件被配 置成在准独立源之间进行选择。如上文所提到的，晶体管可以是电压控制的（例如FET)或 者电流控制的（例如BJT)。因此，源可以是电压源或者电流源，取决于例如晶体管。
[0062] 本领域普通技术人员将会容易地理解，可以以不同次序的步骤和/或利用其配置 不同于所公开的配置的硬件元件，来实施以上所讨论的发明。因此，尽管已经基于这些优选 实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员来说显而易见的是，在保持在本发明的精神 和范围内的同时，某些修改、变化或者替换的结构将会是显然的。为了确定本发明的界限和 范围，因此应当参考附加的权利要求书。
[0063] 术语表
[0064] REM :射频模块或者无线电收发器单元
[0065] TX :发射机
[0066] PA :功率放大器
[0067] LPA :线性功率放大器
[0068] LDM0S :横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管
[0069] M0SFET :金属氧化物半导体场效应晶体管
[0070] BJT :双极结型晶体管
[0071] HBT :异质结双极型晶体管
[0072] MESFET :金属半导体场效应晶体管
[0073] TDMA:时分多址
[0074] WCDMA:宽带码分多址
[0075] LTE :长期演进
[0076] GSM :全球移动通信系统
[0077] RF :射频
[0078] FET :场效应晶体管
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 确定没有在时间段期间被调度的传输； 在不活动时间段期间降低功率放大器偏置；以及 在不活动时间段的末尾，将所述功率放大器偏置恢复为标称的， 其中，降低所述功率放大器偏置包括，将所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器 的晶体管的阈值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值是预定的固定阈值。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值是依赖于温度的动态阈值。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值是依赖于过程的动态阈值。
5. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括： 在偏置源和所述晶体管之间提供串联开关器件， 其中，所述功率放大器偏置通过使用串联开关器件来控制。
6. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括： 基于标称偏置条件而控制所述功率放大器偏置的关断态电压。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述控制跟踪所述晶体管随温度的阈值变化。
8. -种装置，包括： 功率放大器器件； 给所述功率放大器器件的电压或者电流输入，其中，给所述电压或者电流输入的输入 电压或者电流被配置成根据时隙中所调度的传输而被控制； 在所述电压或者电流输入处提供的栅极偏置插入电路，其中，所述栅极偏置插入电路 被配置成提供降低的输入电压或者电流作为功率放大器偏置，其中，所述降低的输入电压 或者电流被配置成：当时隙中没有传输被调度时，对应于所述功率放大器的晶体管的阈值。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述栅极偏置插入电路包括在偏置源和所述晶 体管之间的串联开关器件，其中，所述功率放大器偏置被配置成通过使用所述串联开关器 件而被控制。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述串联开关器件被提供有电阻分压器，所述 电阻分压器被配置成对所述串联开关器件两端的电压进行分压。
11. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述串联开关器件被提供有二极管电平转换 器，所述二极管电平转换器被配置成对所述串联开关器件两端的电压进行分压。
12. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述串联开关器件被提供有电流源电平转换 器，所述电流源电平转换器被配置成对所述串联开关器件两端的电压进行分压。
13. 根据权利要求9所述的装置，其中，所述串联开关器件被提供有准独立源，其中，所 述串联开关器件被配置成在所述准独立源中进行选择。
14. 一种装置，包括： 确定设备，其用于确定没有在时间段期间被调度的传输； 降低设备，其用于在不活动时段期间降低功率放大器偏置；以及 恢复设备，其用于在所述不活动时段的末尾，将所述功率放大器偏置恢复为标称的， 其中，降低所述功率放大器偏置包括：将所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器 的晶体管的阈值。
15. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述阈值是预定的固定阈值。
16. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述阈值是依赖于温度的动态阈值。
17. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述阈值是依赖于过程的动态阈值。
18. 根据权利要求14所述的装置，进一步包括： 串联开关设备，其用于控制功率放大器偏置， 其中，所述串联开关设备被提供在偏置源和所述晶体管之间。
19. 根据权利要求14所述的装置，进一步包括： 控制设备，其用于基于标称偏置条件而控制所述功率放大器偏置的关断态电压。
20. 根据权利要求19所述的装置，其中，所述控制设备进一步用于跟踪所述晶体管随 温度的阈值变化。
【文档编号】H03F1/30GK104124925SQ201410242107
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2013年4月29日
【发明者】D·巴拉巴什 申请人:诺基亚通信公司