专利名称：Tdma发射机的电源接口电路的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电源接口电路领域，更具体地涉及时分多址(TDMA)发射机的电源接口电路。
TDMA通信系统已广泛地用在当今的数字蜂窝式系统中，在多个便携式或移动收发机单元之间传送话音与数据。在这些系统中，将射频信道细分成收发机单元在其中互相传送TDMA消息的时隙的若干TDMA信道。各收发机单元包含在分配的发射信道期间发射消息脉冲串的TDMA发射机及在分配的接收信道期间接收消息的TDMA接收机。
为了减少便携式通信单元的关键资源的电池电流消耗，TDMA发射机与接收机的某些部件可以只在它们的分配的信道期间供电。此外，即使在分配的信道期间，在静寂时段中可以关掉发射机部件以更进一步减少消耗。例如，各发射机包含一射频功率放大器(RFPA)，在向它供电时它抽取相对可观的电池电流。因而，发射机装设有只在分配的发射信道期间有选择地将电源电压耦合到RFPA上的电源接口电路，以减少电池电流消耗。通常，这一电源接口电路包含在开关控制信号的控制下连通与断开去往与来自RFPA的电源电压的开关。
通常，将P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用作电源接口电路中的开关。
图1示出采用这种P沟道MOSFET12的一种传统电源接口电路10的示意图，它是通过电阻器11与13加偏置以便有选择地连通与断开在线路14上提供给RFPA16的电源电压。响应线路18上具有两种双态的电源控制信号，在一个双态期间将P沟道MOSFET连通而将电源电压连接到RFPA16上，在另一个双态中将其截止而断开来自RFPA16的电源电压。
为了导通P沟道MOSFET12，在跨接晶体管的栅到源极结加上负电压以提高(或增进)其P沟道的导电性。在图1的配置中，通过双极型晶体管20将负的栅电压(即地)加在P沟道MOSFET上，以导通P沟道MOSFET，而加正的栅电压(即Vsupply)以截止它。
由于希望减少便携式通信单元的尺寸与成本及提高它们的传输速度，制造商不断地搜寻减小这些单元中所用的电路尺寸同时提高它们的开关速度的方法。与P沟道MOSFET相比，n沟道MOSFET占用1/2至1/3的型腔并提供更快的开关速度。它们也能通过诸如在MOSFET的栅极上耦合齐纳二极管等简单的调节电路，来保护RFPA不受电压峰值。从而，在通信系统开关应用中，n沟道MOSFET是P沟道MOSFET的有吸引力的替代品。
尽管n沟道MOSFET提供这些优点，它们在便携式通信单元中的使用是受限制的，因为使用n沟道MOSFET作为开关，MOSFET必须加偏置以便在导通状态中操作。在导通状态中偏置n沟道MOSFET需要加上比电源电压更正的栅电压假定电源电压是通信单元中可获得的最高电压，这是不容易达到的任务。
因而，存在着能对n沟道MOSFET加偏置以提供在电源与TDMA发射机的RFPA之间的选择性转换的电源接口电路的需求。本发明致力于这一需求。
致力于这一需求的本发明是体现在使用n沟道MOSFET以控制电源所提供的电压对TDMA功率放大器的接入用的电源接口电路中。响应开关控制信号，开关控制电路控制n沟道MOSFET连通或断开到或自TDMA功率放大器的电源，该开关控制信号具有第一双态，在其中开关控制信号具有第一电压电平；及它具有第二双态，在其中开关控制信号具有第二电压电平。在第一双态期间开关控制电路截止n沟道MOSFET以断开来自功率放大器的电源，而在第二双态期间它连通n沟道MOSFET以连接对功率放大器的电源。
在本发明的示范性特征之一中，n沟道MOSFET具有耦合在电源上的漏极及连接在功率放大器上的源极。电源接口电路利用开关控制信号的第一与第二电压电平通过控制栅到源极电压电平来控制n沟道MOSFET的开关状态。在第一双态中，电源接口电路利用第一电压电平通过生成小于对应于MOSFET的夹断电压的阈值电压电平的栅到源极电压电平，将n沟道MOSFET置于截止状态。在第二双态期间，电源接口电路利用第二电压电平，通过生成大于阈值电压的栅到源极电压电平，将n沟道MOSFET置于导通状态。在这一配置下，N沟道MOSFET保护功率放大器不受电源电压波动。作为替代，可将齐纳二极管耦合在n沟道MOSFET的栅极上以调节栅电压，借此保护功率放大器。
按照本发明的其它示范性特征，该电源接口电路包含在耦合在n沟道MOSFET的栅极上的控制信号提供截止n沟道MOSFET的第一电压电平时的第一双态期间充电的电容器。随后，在第二双态期间，电容器连接在n沟道MOSFET的栅极上，以提供等于或大于导通MOSFET的阈值电压的第二电压电平。电容器所提供的第二电压电平实质上等于第二双态期间的控制信号的电压电平与在第一双态期间电容器充电到的电压电平之和。
按照本发明的另一示范性特征，电源接口电路包含生成基准电压电平的基准电压发生器及控制电容器连接的电容器开关电路。在第一双态期间，电容器开关电路将电容器连接在将电容器充电到基准电压电平的基准电压发生器上。在第二双态期间，该电容器开关电路将电容器连接在n沟道MOSFET的栅极上。耦合在电源控制信号上的电容器在第二双态期间提供基本上等于基准电压电平加控制信号的电平的栅极电压电平。在本发明的一个示范性实施例中电容器开关电路包含MOSFET，而在另一示范性实施例中则包含双极型晶体管。
从下面结合以示例方式展示本发明的原理的附图所作出的最佳实施例的描述，本发明的其它特征与优点将是显而易见的。
图1为传统电源接口电路的示意图。
图2为有利地采用按照本发明的示范性电源接口电路的TDMA通信系统的方框图。
图3为图2的TDMA通信系统所生成的电源控制信号的定时图。
图4为按照本发明的示范性实施例之一的电源接口电路的示意图。
图5为按照本发明的另一示范性实施例的电源接口电路的示意图。
熟悉本技术的人员会理解本发明能应用在其它环境中。例如，用在具有不同接入方法的其它系统中的发射机(如在频分多址(FDMA)上的码分多址(CDMA))也可按照下述技术控制。
对于图2，其中示出了包含通过中央控制台26互相通信的多个便携式TDMA收发机单元24的示范性TDMA通信系统22的方框图。便携式收发机单元与中央控制台在细分成TDMA信道的一或多条频道上互相通信，这些TDMA信道为在其中传递TDMA消息的时隙。中央台包含配置成按照预定的RF调制与解调技术与便携式收发机单元传递消息的中央TDMA收发机28。中央控制器30执行存储在中央存储器32中的中央控制程序来控制该TDMA通信系统的整体操作，其中包含分配TDMA信道及在系统内选择各种数据与控制信号的路由。
各便携式收发机单元24包含本机控制器34，它在存储在本机存储器36中的本机控制程序的控制下控制收发机单元的整体操作，其中包含在指定的TDMA信道期间传输与接收TDMA消息。收发机单元包含通过RX/TX开关44连接在公共天线42上的TDMA接收机部分38及TDMA发射机部分40，开关44在本机控制器的控制下在对应的发射与接收信道期间操作将天线耦合到发射机部分及接收机部分上。发射机部分发射消息脉冲串而接收机部分在指定的TDMA接收信道期间接收消息。此外，接收机部分也能用来在其它信道期间进行控制或业务信道测定。诸如电池等电源46在线路48上提供电源电压，它可以是诸如大约5伏来操作收发机单元的各部分。
接收机部分38包含解调在对应的接收信道期间通过天线42接收的TDMA消息的本机TDMA接收机50。TDMA解码器52解码接收的TDMA消息并将它们作为音频或文本消息投送给用户。发射机部分40包含适当地将来自用户的音频或文本消息编码成编码的TDMA消息并将它们传送给TDMA调制器56的TDMA编码器54。将调制的TDMA消息作用在RFPA58上，后者在对应的TDMA发射信道期间放大调制的消息并将它们通过TX/RX开关44耦合在天线上。按照特定收发机单元24的TDMA传输与接收信道分配，本机控制器34在线路60上生成电源控制信号来控制电源46与RFPA58的切换并在线路62上生成TX/RX开关控制信号来控制TX/RX开关44在接收机与发射机部分38与40之间的切换。TDMA发射机部分包含按照本发明配置的电源接口电路64以提供电源压与RFPA58之间的开关功能。
参见图3，示出了本机控制器34在线路60上生成的电源控制信号的图。在任何给定的时间上，电源控制信号是在两种双态之一上当电源从RFPA 58断开时的第一双态，及电源连接在RFPA58上时的第二双态。在第一双态期间，电源控制信号具有诸如零伏的第一电压电平V1，而在随后的第二双态期间，它具有诸如3.75伏的第二电压电平V2。如上所述，各第一双态期间对应于截止发射机部分40发射的时段，而各第二双态期间对应于启动发射机部分发射TDMA消息的时段。虽然图3描绘了其中的电源控制信号在大约50％的负载周期上触发RFPA开与关，熟悉本技术的人员会理解这一波形是为了讨论的目的理想化的，实践中，负载周期将根据诸如每一个TDMA帧中收发机单元正在发射的时隙数、是否应用不连续传输技术等而改变。
按照本发明，电源接口电路64使用n沟道MOSFET，它是在第一双态中截止而将电源电压从RFPA 58上断开的，并在第二双态中连通而将电源电压连接在RFPA58上的。n沟道MOSFET是通过偏置到截止状态而截止的，并且是通过偏置到连通状态而连通的。
电源接口电路64通过生成大于或比对应于MOSFET的夹断电压的阈值电压VT更正的栅到源极电压VGS(即跨接n沟道MOSFET的栅极与源极的电压)而将n沟道MOSFET偏置到连通状态中的。结果，在n型沟道中感生负电荷提高其导电性并允许漏电源ID流动，结果，连通n沟道MOSFET。在本技术的当前状态中，本发明所使用的n沟道MOSFET需要大约2.5伏的阈值电压VT来提供最大信道导电性。
反之，为了偏置n沟道MOSFET到具有最小信道导电性的截止状态，电源接口电路生成小于阈值电压VT的零伏的栅到源极电压VGS。这一电压将漏电流ID减少到可忽略的值，从而截止n沟道MOSFET。按照本发明的示范性特征之一，电源接口电路利用电源控制信号的第一电压电平(V1)与第二电压电平(V2)来提供n沟道MOSFET的偏压。更具体地，在第二-双态期间，电源接口电路用第二电压电平V2提供比阈值电压VT更正的栅到源极电压VGS。如下面详细描述的，第二双态期间的栅到源极电压VGS是通过在n沟道MOSFET的栅极上连接电容器提供的。在第一双态期间初始充电的电容器在第二双态期间利用电源控制信号的电压电平提供更正的栅到源极电压VGS。
图4示出本发明的电源接口电路64的一个示范性实施例的示意图。电源接口电路包含通过电源电压偏置的n沟道MOSFET、RFPA58及开关控制电路70。将n沟道MOSFET 66的漏极耦合在电源上，其源极耦合在RFPA58上及其栅极耦合在开关控制电路70上。
响应电源控制信号，开关控制电路提供控制n沟道MOSFET66的连通与截止状态的栅电压。假定电源提供的电源电压为5伏，开关控制电路提供大约7.5伏(即电池电源电压以上2.5伏的VT)的栅电压，它连通n沟道MOSFET66。开关控制电路70提供电源控制信号的双态控制n沟道MOSFET66的开关状态。在第一双态期间利用第一电压电平V1，开关控制电路通过将栅到源极电压VGS降低到小于阈值电压VT的零伏提供截止n沟道MOSFET的第一栅电压。利用第二电压电平V2，开关控制电路通过将栅到源极电压VGS提高到大于阈值电压VT的电压电平连通n沟道MOSFET。以这一方式，开关控制电路70在第一与第二双态期间响应电源控制信号的电压电平在连通与截止状态中操作n沟道MOSFET。
如图4中所示，按照本发明的这一实施例的开关控制电路70包含具有互相串联的P沟道MOSFET 72及n沟道MOSFET 74的互补MOSFET对、及跨接互补MOSFET对耦合的电容器76。P沟道MOSFET 72与n沟道MOSFET74具有在连接在n沟道MOSFE66的栅极上的它们的漏极上的公共结78以提供栅电压。在一个示范性实施例中，开关控制电路70包含在线路82上生成基本上等于在本实例中为大约3.75伏的第二电压电平V2的基准电压Vref的基准电压发生器80。在另一示范性实施例中，基准电压是由电源46提供的，如用虚线所示。从而，基准电压Vref也可等于电源电压。基准电压Vref耦合在P沟道MOSFET72与n沟道MOSFET74的栅极上。基准电压Vref还通过二极管84耦合在P沟道MPSFET72的源极及电容器的一端上。线路60上的电源控制信号耦合在电容器的另一端上并通过电阻器86耦合在n沟道MOSFET74的源极上。在这一配置下，P沟道与n沟道MOSFET72与74互相以互补方式工作。这便是，当P沟道MOSFET72连通时n沟道MOSFET74截止，反之亦然。
在电源控制信号是在0伏的第一电压电平V1时的第一双态期间，基准电压截止P沟道MOSFET72及连通n沟道MOSFET74。结果，将电容器76充电到基准电压电平Vref。结果，将零伏的第一电压电平V1作为栅电压作用在n沟道MOSFET66上，它将n沟道MOSFET66操作到截止状态中并从RFPA58上断开电源46。
在电源控制信号上升到3.75伏的第二电压电平V2的第二双态期间，截止n沟道MOSFET74。同时，耦合在电容器76上的电源控制信号在P沟道MOSFET 72上生成等于基准电压电平Vref加上第二电压电平V2的源电压。这一源电压连通P沟道MOSFET72将电容器76连接在n沟道MOSFET66的栅极上。结果，电容器在n沟道MOSFET66上作用等于基准电压电平Vref加上第二电压电平V2的栅电压。这样产生的栅电压保证开发出大约2.5伏(7.5伏栅电压减5伏源极上的电源电压)的正的栅到源极电压，将n沟道MOSFET操作到连通状态中。当在连通状态中操作时，n沟道MOSFET将电源电压连接到RFPA58上，它在第二双态中启动TDMA消息的传输。从而，互补MOSFET72与74构成响应电源控制信号在第一双态期间与第二双态期间控制电容器的充电的电容器开关电路。
用虚线示出的齐纳二极管73可耦合在n沟道MOSFET76的栅极上以调节栅电压。例如，具有7.5伏击穿电压的齐纳二极管当将电源电压用作基准电压时保证栅到源极电压大于或等于阈值电压VT。可以理解在图4中描述的配置下，保护RFPA58不受电源电压的电压变化。这主要是因为作用在RFPA58上的电压是由跟随与耦合在电源电压上的漏极上的变化无关的栅电压的源电压设定的。栅电压电平是由基准电压设定的，后者在一个示范性实施例中是由基准电压发生器80从电源电压独立地生成的。如在上述另一示范性实施例中，如果基准电压是由电源提供的，调节齐纳二极管73使栅电压与电源电压的电压变化无关。
参见图5，类似于图4的配置操作的本发明的第二示范性实施例采用PNP双极型晶体管90及NPN双极型晶体管92来替代MOSFET72与74来实现开关控制电路70。在第一双态期间，PNP晶体管90断开而NPN晶体管闭合，借此将电容器76充电到基准电压，同时将第一电压电平V1作用在n沟道MOSFET66的栅极上。结果，将n沟道MOSFET66截止，将电源46从RFPA58上断开。在NPN晶体管断开时的第二双态期间，PNP晶体管90闭合。结果，n沟道MOSFET上的栅到源极电压接通n沟道MOSFET66并将电源连接在RFPA上。
从上面的描述中会理解本发明提供了在TDMA发射机的电源接口电路中使用n沟道MOSFET的简单而有效的配置，从而减小了这种电路的尺寸并提高了其开关速度。本发明利用电源控制信号所提供的电压电平将跨接n沟道MOSFET的栅到源极电位升高到比收发机单元的电源所提供的更正的电平上。以这一方法，n沟道MOSFET有选择地在接通状态或截止状态中操作，以控制电源与RFPA之间的开关功能。
虽然只参照当前最佳的实施例详细描述了本发明，但熟悉本技术的人员会理解在不脱离本发明的情况下能作出各种修改。因而，本发明只由旨在包括其所有等效物的下述权利要求所来定义。
权利要求
1.一种功率放大器的电源接口电路，包括将电源电压加在功率放大器上的电源；耦合在电源与功率放大器之间有选择地将电源电压连接在功率放大器上的n沟道MOSFET；以及响应电源控制信号控制n沟道MOSFET的开关控制电路，该电源控制信号具有在其中截止n沟道MOSFET的第一双态及在其中接通n沟道MOSFET的第二双态。
2.根据权利要求1的电源接口电路，其中该电源控制信号在第一双态MOSFET期间具有第一电压电平而在第二双态期间具有第二电压电平，其中该n沟道MOSFET响应第一电压电平截止而响应第二电压电平接通。
3.根据权利要求2的电源接口电路，其中该n沟道MOSFET包含栅到源极结，及其中第一电压电平产生跨接该n沟道MOSFET的栅到源极结的第一栅电压，及第二电压电平产生跨接该n沟道MOSFET的栅到源极结的第二栅电压。
4.根据权利要求3的电源接口电路，其中该开关控制电路包含加工第二栅电压的电容器。
5.根据权利要求3的电源接口电路，其中该第一栅电压小于阈值电平。
6.根据权利要求3的电源接口电路，其中该第二栅电压大于或等于阈值电平。
7.根据权利要求4的电源接口电路，还包括生成基准电压的基准电压发生器；其中在第一双态期间，将电容器充电到基准电压电平，而在第二双态期间，通过电容器将电源控制信号耦合到n沟道MOSFET上。
8.根据权利要求7的电源接口电路，还包括响应电源控制信号控制在第一双态及第二双态期间电容器的连接的电容器开关电路。
9.根据权利要求8的电源接口电路，其中该电容器开关电路包含MOSFET。
10.根据权利要求8的电源接口电路，其中该电容器开关电路包含双极型晶体管。
11.根据权利要求7的电源接口电路，其中该基准电压是由电源提供的，及其中将一齐纳二极管耦合在n沟道MOSFET的栅极上以提供大于阈值电平的第二栅电压。
12.根据权利要求7的电源接口电路，其中该n沟道MOSFET具有耦合在电源上的漏极及耦合在功率放大器上的源极。
13.一种功率放大器的电源接口电路，包括供应电源电压给功率放大器的电源；耦合在电源与功率放大器之间在偏置在接通状态中时将电源电压连接到功率放大器上，而在偏置在截止状态中时从功率放大器上断开电源电压的n沟道MOSFET；以及响应在将n沟道MOSFET偏置在截止状态中的第一双态期间具有第一电压电平及在将n沟道MOSFET偏置在接通状态中的第二双态期间具有第二电压电平的电源控制信号，控制n沟道MOSFET的开关控制电路。
14.根据权利要求13的电源接口电路，其中第一电压电平产生跨接n沟道MOSFET的栅到源极结的第一栅电压，而第二电压电平产生第二栅电压。
15.根据权利要求14的电源接口电路，其中该开关控制电路包含加入第二栅电压的电容器。
16.根据权利要求14的电源接口电路，其中第一栅电压小于阈值电平。
17.根据权利要求14的电源接口电路，其中第二栅电压大于或等于阈值电平。
18.根据权利要求14的电源接口电路，其中将一齐纳二极管耦合在n沟道MOSFET的栅极上以提供大于阈值电平的第二栅电压。
19.根据权利要求13的电源接口电路，其中该n沟道MOSFET具有耦合在电源电压上的漏极及耦合在功率放大器上的源极。
20.一种时分多址发射机，包括功率放大器；提供电源电压给功率放大器的电源；耦合在电源与功率放大器之间在接通时将电源电压连接在功率放大器上及在截止时从功率放大器上断开电源电压的n沟道MOSFET；以及响应电源控制信号控制n沟道MOSFET的开关控制电路，该开关控制信号具有在其中截止n沟道MOSFET的第一双态及在其中接通n沟道MOSFET的第二双态。
21.根据权利要求20的时分多址发射机，其中该电源控制信号具有在截止n沟道MOSFET的第一双态期间的第一电源电平及在接通n沟道MOSFET的第二双态期间的第二电压电平。
22.根据权利要求21的时分多址发射机，其中该第一电压电平产生跨接n沟道MOSFET的栅到源极结的第一栅电压，及第二电压电平产生第二栅电压。
23.根据权利要求22的时分多址发射机，其中该开关控制电路包含在第二双态期间作用第二栅电压的电容器。
24.根据权利要求22的时分多址发射机，其中第一栅电压小于阈值电平。
25.根据权利要求22的时分多址发射机，其中第二栅电压大于或等于阈值电平。
26.根据权利要求23的时分多址发射机，还包含生成基准电压的基准电压发生器；其中在第一双态期间，将电容器充电到基准电压电平，而在第二双态期间通过电容器将电源控制信号耦合在n沟道MOSFET上。
27.根据权利要求26的时分多址发射机，还包含响应电源控制信号，用于在第一双态与第二双态期间控制电容器的连接的电容器开关电路。
28.根据权利要求27的时分多址发射机，其中该电容器开关电路包含MOSFET。
29.根据权利要求27的时分多址发射机，其中该电容器开关电路包含双极型晶体管。
30.根据权利要求26的电源接口电路，其中该基准电压是由电源提供的，及其中将一齐纳二极管耦合在n沟道MOSFET的栅极上以提供大于阈值电平的第二栅电压。
31.根据权利要求20时分多址发射机，其中该n沟道MOSFET具有耦合在电源电压上的漏极及耦合在功率放大器上的源极。
32.一种用于有选择地提供电源电压给功率放大器的方法，包括提供具有第一双态及第二双态的开关控制信号；在第一双态期间截止n沟道MOSFET，从功率放大器上断开电源电压；以及在第二双态期间接通n沟道MOSFET，将电源电压连接在功率放大器上。
33.根据权利要求32的方法，其中该开关控制信号在截止n沟道MOSFET的第一双态期间具有第一电压电平及在接通n沟道MOSFET的第二双态期间具有第二电压电平。
34.根据权利要求32的方法，其中第一电压电平产生小于阈值电平的跨接n沟道MOSFET的栅到源极结的第一栅电压，及第二电压电平产生大于阈值电平的第二栅电压。
全文摘要
提供了采用n沟道MOSFET(66)来控制电源(46)对TDMA功率放大器(58)的开关的电源接口电路(64)。接通时,n沟道MOSFET(66)将电源(46)连接在功率放大器(58)上,而在截止时,它将电源从功率放大器上断开。电源接口电路(64)包含响应开关控制信号控制n沟道MOSFET(66)的开关状态的开关控制电路(70)。开关控制信号具有在其中截止n沟道MOSFET(66)的第一双态及在其中接通n沟道MOSFET的第二双态。
文档编号H04B1/04GK1257622SQ98805240
公开日2000年6月21日 申请日期1998年3月17日 优先权日1997年3月18日
发明者P－O·M·勃兰特 申请人:艾利森电话股份有限公司