功率放大器的偏置调节的制作方法

专利名称：功率放大器的偏置调节的制作方法
背景领域本发明涉及电路。本发明尤其涉及新颖的和改进的技术，用于调节功率放大器(PA)的偏置以得到高性能和高效率。
背景由于各种设计考虑而使得高性能发射机的设计具有挑战性。首先，许多应用要求高性能，一般通过在发送信号路径中的有源器件(例如，放大器、混频器等等)的线性以及它们的噪声性能来给出特征。第二，对于诸如无线通信系统之类的某些应用，因为蜂窝电话或远程终端的便携性特点，低功率消耗是一个重要的设计目标。高性能和低功率损耗一般强加了有冲突的设计限制。
除了上述设计目标之外，还可能要求发射机在发射输出功率中提供宽的调节范围。需要这种宽功率调节的一个如此的应用是码分多址(CDMA)通信系统。在CDMA系统中，来自每个用户的信号在整个(例如，1.2288MHz)系统带宽上扩频。因此，来自每个发送用户的发送信号对于系统中的其它用户的发送信号的作用如同干扰。为了使干扰最小和增加系统容量，调节每个发送远程终端的输出功率，致使保持所要求的性能水平(例如，特定的比特误码率)同时使对于其它用户的干扰最小。
诸如路径损耗和衰落之类的各种传输现象会影响来自远程终端的发送信号。这些现象与控制发射功率的需求组合在一起会对所要求的发射功率调节范围产生艰难的技术要求。事实上，对于CDMA系统来说，可以要求每个远程终端发射机能够在接近85dB的范围内调节其输出功率。
对于某些CDMA系统来说还规定了远程终端发射机的线性度(间接地通过相邻功率抑制(ACPR)技术规范)。对于许多有源电路(例如，功率放大器)来说，部分地通过用于电路偏置的电流量来确定线性度。通常，可以通过使用更大的偏置电流量来得到更大的线性度。还有，为了保持大信号电平所要求的线性水平，一般需要更大的偏置电流量。
为了在所有(包括高的)输出功率电平处得到所要求的线性水平，可以用大电流量作为在发送信号路径中的有源电路的偏置。这种偏置方案将保证在所有发射功率电平处提供所要求的线性水平。然而，这种方案不论什么时候都消耗大量的偏置电流，甚至在低输出功率电平发送时，导致功率消耗的浪费。
通常包括多级的功率放大器(PA)一般在发送信号路径中是最后增益级，因此在路径中的最大信号电平上工作。为了在高输出功率电平处提供所要求的信号驱动，一般用大电流量(相对于发送路径中的其它有源电路)作为功率放大器的偏置。因此特别期望用于调节功率放大器偏置电流以提供高性能(例如，所要求的线性水平)以及高效率(即，功率消耗)的技术。
概述本发明的一些方面提供了一种具有偏置的功率放大器，所述偏置可以根据从功率放大器检测到的输出功率电平而进行调节。按得到的所要求的线性度而同时使功耗最小的方式来执行偏置调节。由于偏置调节是根据所检测到的输出功率电平而不是根据某些间接的功率电平指示(例如，功率放大器的增益设置)或输出功率来进行偏置的，所以可以进行准确的偏置控制。
本发明的一个特定实施例提供了一种偏置受控(功率)放大器，它包括耦合到控制单元的一个或多个放大级。放大级耦合在一起(例如，串联连接)，并接收和放大RF(射频)输入信号以提供RF输出信号。一般使用耦合器把一部分RF输出信号耦合到控制单元。
在一种设计中，控制单元包括功率检测器、调节单元以及偏置控制发生器。功率检测器根据所耦合的部分检测RF输入信号电平(或功率)，并提供表示所检测输出信号电平的经检测信号。调节单元调节经检测信号(例如，用特定的传递特性)，以提供至少一个调节信号。偏置控制发生器接收调节消耗，并提供至少一个偏置控制信号，使用每个偏置控制信号来调节各个放大级。
本发明进一步提供实施各个方面的方法、设备和单元、本发明的实施例以及本发明的特征，如下面更详细的描述。
附图简述从下面结合附图的详细描述中，对本发明的特性、目的和优点将更为明了，在所有的附图中，用相同的标记所表示的意义相同，其中

图1是实施本发明的某些方面的发射机的特定设计的方框图；图2是在发送信号路径中的有源电路中的CDMA扩频信号和由非线性产生的某些失真畸变分量的视图；图3是根据本发明的一个实施例中的功率放大器的视图，所述功率放大器具有根据所检测的RF输出功率电平调节的偏置；图4A和4B是偏置控制电路的两个实施例的视图，所述偏置控制电路用于产生功率放大器级的偏置控制信号；图5A和5B分别是功率放大器级和相关偏置电压发生器的特定设计的示意图；图6A和6B分别示出(1)放大器级的增益对特定偏置电流设置的RF输出功率电平的视图；以及(2)放大器级的偏置电流对所要求性能水平的RF输出功率电平的视图。
图7是功率检测器的实施例的示意图；以及图8是对数放大器的实施例的示意图。
详细说明图1是实施本发明的某些方面的发射机100的特定设计的方框图。数字处理器110产生数据，对数据进行编码和调制，并把经数字处理的数据转换成一个或多个模拟信号。模拟信号可以是同相(I)的或正交(Q)的基带信号，或可以是中频(IF)调制信号。如果模拟信号是基带信号(如在图1中所示)，则调制器(MOD)112接收基带信号和用载波信号(IF_LO)调制基带信号，以产生IF调制信号。
IF可变增益放大器(IF VGA)114接收和用通过增益控制电路140确定的第一增益放大IF调制信号。把经放大的IF信号提供给滤波器116，它对信号进行滤波，以滤除带外噪声和不需要的信号，滤波器116一般是带通滤波器(例如，SAW滤波器)。
然后把经滤波的信号提供给IF缓冲器118，它对信号进行缓冲，并把经缓冲的IF信号提供给混频器120。混频器120还接收射频处的其它载波信号(RF_LO)，并把经缓冲的IF信号用RF_LO进行上变频以产生RF(射频)信号。混频器120可以是单边带混频器或双边带混频器。
RF VGA(RF可变增益放大器)122接收RF信号，并用增益控制电路140确定的第二增益来放大该RF信号。然后把经放大的RF信号提供给功率放大器(PA)130，功率放大器对信号进行缓冲，并提供具有所要求的信号驱动的RF输出信号。功率放大器130通过，例如，诸如用于滤除图像和寄生信号的滤波器、隔离器以及双工器(为了简单起见在图1中未示出)之类的各种电路来驱动天线。
图1示出可以有利地使用这里描述的功率控制技术的特定的发射机设计。可以对图1示出的发射机设计作出各种修改。例如，在发送信号路径中可以提供几个或附加的滤波器、缓冲器以及放大器级。此外，可以按不同的配置来安排信号路径中的单元。此外，可以通过VGA(如在图1中所示)、可变衰减器、乘法器、其它可变增益单元或它们的组合提供在发送信号路径中的可变增益。在另一个发射机设计中，使用直接上变频结构，并且功率放大器直接接收经调制的RF信号。一般，可以把这里描述的功率控制技术用于功率放大器而不管如何产生经调制的RF信号。
在一个特定实施例中，在一个或多个集成电路中实施从调制器112到功率放大器130(可能包括滤波器116)的发送信号路径，虽然也可以使用分立元件。
对于某些应用，需要功率放大器来提供较宽信号电平范围上的输出信号。例如，对于某些CDMA系统，要求来自远程终端的发射输出功率在85dB的范围上是可调节的，并且把远程终端设计成在约-50dB到+23dB之间发射。
一般，操作在发送信号路径中的电路来放大或衰减信号，以致向功率放大器提供适当的信号电平。可以设计功率放大器使之具有固定增益，但是驱动能力是可变的。可以通过多个(串联耦合的)级来提供固定增益。
设计在发送信号路径中的有源电路，并且操作而提供所要求的线性水平。用作为电路偏置的电流量部分地确定了许多有源电路的线性。通过使用较大的偏置电流量一般可以得到较大的线性。还有，为了对于较大的信号电平保持所要求的线性水平，一般需要较大的偏置电流量。
一般，设计发送信号路径，以在最坏情况的(即，最大的)输出功率电平下提供所要求的性能水平(例如，线性)。通过用高偏置电流作为发送信号路径中的电路的偏置可以得到所要求的性能水平。然而，对于诸如在CDMA远程终端中的发射机那样的发射机，只在某些时间出现最大发射的情况。因此，根据本发明的一些方面，当不需要时(即，当按小于最大输出功率电平的功率发射时)，就降低功率放大器的偏置电流。
如在图1中所示，偏置控制电路150接收一部分RF输出信号，并且可以进一步接收来自增益控制电路140(未示出)的一个或多个增益控制信号。然后偏置控制电路150根据检测到的RF输出功率电平调节功率放大器130(以及可能是IF缓冲器118、混频器120以及RF VGA122)的偏置电流。一般在发送信号路径中的单元的偏置控制不是联结在一起的。根据来自处理器110的控制信号和/或检测到的RF输出功率，增益控制电路140可以调节VGA114和122以及可能功率放大器130的增益(如虚线所示)。下面进一步描述功率放大器的偏置电流的调节。
图2是CDMA扩频信号和由发送信号路径中的有源电路中的非线性产生的某些畸变分量的视图。诸如功率放大器之类的每个有源装置具有下列传递函数y(x)＝a1x+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+…更高次项 公式(1)其中x是输入信号，y(x)是输出信号，而a1，a2，a3，a4，a5以及依次类推是定义有源电路的线性的系数。在公式(1)中示出的Volterra序列(Volterraseries)可能对于功率放大器是不适当的，因为需要高次项来表示由于削波而引起的非线性。对于一个理想的有源电路，除了a1之外所有系数都是0.0，而输出信号y(x)简化成通过a1定标的输入信号x。然而，所有有源电路都经历通过系数a2，a3，a4，a5以及依次类推的值定量的某些非线性量。系数a2，a4以及依次类推定义偶次非线性量，而系数a3，a5以及依次类推定义奇次非线性量。偶次项落在带内频率处，因此确定线性。三次和五次项的作用多数是在感兴趣的频率偏移处对相邻信道功率的抑制(ACPR)。奇次项是带外的，并且可以更容易地把它滤除。然而，由于三次项包含二次项，所以偶次项确实也有某些带内效应(例如，2ω2-ω1)。
如在图2中所示，CDMA信号具有特定的带宽(例如，1.2288MHz)以及取决于系统的工作频带(例如，蜂窝或PCS)的特定的中心频率f1。由于在发送信号路径中的电路中的三次和更高次非线性，从CDMA信号本身产生畸变分量。畸变分量(有时把它称为频谱再生长(spectral regrowth))包括驻留在CDMA信号的频带中的带内分量以及驻留在相邻频带中的带外分量。对于CDMA信号和相邻频带中的信号，畸变分量的作用如同干扰。
对于三次非线性，在频率ωa和ωb处的信号分量产生在(2ωa-ωb)和(2ωb-ωa)处的互调产物。因此带内信号分量可以产生落在带内或近带的互调产物。这些产物可以导致CDMA信号本身和相邻频带中的信号的降质。为了综合问题，通过aa·ab2和aa2·ab来定标三次互调产物的幅度，其中aa和ab分别是在ωa和ωb处的信号分量的增益。因此，每个CDMA信号的幅度的加倍产生了三次产物幅度的8-倍增加。可以按相似方法来分析高次项。
对于CDMA系统，通过相邻信道功率抑制(ACPR)技术规格(例如，在IS-95-A、IS-98以及UNTS(W-CDMA)标准)来规定远程终端发射机的线性。ACPR技术规格一般应用于包括功率放大器的整个发送信号路径。在设计阶段期间，一般把ACPR技术规格“分配”给发送信号路径的不同部分，然后设计每个部分使之符合所分配的技术规格。例如，可以要求把发送信号路径从处理器110到功率放大器130，但是不包括功率放大器130的部分的畸变分量保持在CDMA中心频率偏移885Khz处的每30KHz带宽-42dBc处，以及在1.98MHz偏移处的每30KHz带宽的-56dBc处。
如上所述，有源电路的线性在一定种程度上取决于提供给电路的偏置电流量，并且较大偏置电流量可以得到较大的线性(即，对于a2，a3以及依次类推的较小值)。还有，一般，较大信号电平需要更多的偏置电流，因为使用偏置电流本身来产生输出信号。然而，对于移动发射机单元，极不希望消耗的电流比所需要的更多。
根据本发明的一些方面，为了得到所要求的线性水平和使功率消耗最小，根据从功率放大器检测到的输出功率电平来调节有源电路(例如，功率放大器)的偏置电流。
图3是根据本发明的一个实施例的功率放大器330的视图，功率放大器330具有根据检测到的RF输出功率电平调节的偏置电流。可以使用功率放大器330作为图1的功率放大器130，并包括级联耦合的许多(N)级332a到332n，其中N可以是一或更大的任何整数。每个级332接收功率放大器RF输入信号(RF_IN)或来自前面级的输出信号。然后每个级放大所接收的信号，并把信号提供给后面的级或提供RF输出信号(RF_OUT)。
把RF耦合器340可操作地耦合到功率放大器330的输出端，并把RF输出信号的一部分提供给控制单元350。例如，要耦合的RF功率量可以是-20dB、-30dB或RF输出信号的其它分数。
控制单元350接收从耦合器340来的耦合RF输出功率，并提供用于调节功率放大器330的偏置的一个或多个偏置控制信号。在图3中示出的实施例中，控制单元350包括耦合到偏置控制电路360的RF功率检测器352。RF功率检测器352接收耦合RF信号VRF，并提供经检测信号VDET，所述经检测信号VDET表示耦合RF信号的检测到的峰值RF电压。可以设计RF功率检测器352使之检测RF信号的包络，并且经检测信号可以具有与RF信号的功率电平有关的幅度(例如，VDET∝VRF∝POUT，其中POUT是RF输出功率)。在另外的实施例中，可以使用真实的RMS(有效值)功率检测器来提供与RF输出功率成比例(即，VDET∝RF功率)的、以有效值瓦为单位的经检测信号。
偏置控制电路360接收和调节(例如，滤波、放大和缓冲)经检测信号以提供一个或多个经调节信号。偏置控制电路360根据经调节信号提供供功率放大器330用的一个或多个控制信号。根据功率放大器330的特定设计，可以使用一个或多个偏置控制信号来控制/调节功率放大器的一个或多个级的偏置电流或偏置电压。
可以根据各种偏置调节方案来产生偏置控制信号。一般，可以调节功率放大器330的一级、数级或所有N级的偏置来得到所要求的结果。每一级的偏置电流量取决于级的特定设计、级输出功率电平(可以从检测到的RF输出功率电平推导)、要达到的性能以及其它可能因素。通过根据检测到的RF输出功率电平调节功率放大器级的偏置，得到所要求的线性水平同时使空闲电流减少或最小化。当要求功率放大器提供低RF输出功率电平以用于一般按低功率发射的发射机时，偏置调节特别有利。
图4A是RF功率检测器352a和偏置控制电路360a的实施例的视图，它们分别是图3中的RF功率检测器352和偏置控制电路360的一个实施。可以设计RF功率检测器352a作为检测RF信号中的峰值信号幅度的峰值检测器。因此，在RF功率检测器352a中，把耦合的RF信号提供给峰值检测器412，它检测在所接收信号上的峰值RF电压，并提供经检测信号VDET。
把来自峰值检测器412的经检测信号VDET提供给对数(log)放大器414，它根据对数传递函数来放大经滤波的信号，并提供所具有的幅度(例如，电压)是经检测信号VDET的对数的调节信号VCON。由于VDET∝VRF，VRF2∝POUT(线性)以及VDET2∝POUT(线性)，则2log VDET∝log POUT，以及2log VDET∝POUT(dBm)。对数放大器414的功能是提供一个经调节的信号VCON，它是RF输出功率的函数(即，VCON∝POUT(dBm))。然而，对数放大器414随温度而把误差引入该函数，并且在内部进行补偿。
把来自对数放大器414的经调节信号提供给低通滤波器(LPF)416，它滤除经检测信号中的RF包络，并提供经滤波的信号。某些发送的经调制信号展现时间-变化包络或AM(幅度调制)分量。例如，CDMA系统一般包括对应于应用于基带数据的有限脉冲响应(FIR)滤波器的接近1MHz的RF包络。低通滤波器416可以滤除整个包络和其它高频真实和寄生信号。可以实施低通滤波器416作为简单的(例如，一次的)RC滤波器，例如，具有10KHz到100KHz的带宽。
然后把来自低通滤波器416的经滤波信号提供给偏置控制发生器360a，它产生偏置控制信号VBIAS供给具有可调节偏置的每个功率放大器。根据功率放大器级的特定设计，偏置控制信号VBIAS可以是电压或电流。然后根据相关联的偏置信号调节每个可调节功率放大器级的偏置电流(或电压，取决于特定设计)。
偏置控制发生器360a的功能是把对数放大器414的输出转换成要求偏置电压或电流，设计所述要求偏置电压或电流作为RF输出功率和温度的函数而补偿功率放大器。如此，得到偏置电流IBIAS和经检测信号VDET之间的总的要求(线性)传递特性。可以在系统中的任何地方使用对数放大器414的输出，所以通过偏置控制发生器360a应用功率放大器的传递函数。
图4是偏置控制电路360b的另一个实施例的视图，偏置控制电路360b是也可以用于图3中的偏置控制电路360的数字实施。在电路360b中，把来自RF功率检测器352的经检测信号VDET提供给低通滤波器418，它滤除在经检测信号中的RF包络和提供经滤波的信号。然后模数转换器(ADC)424对经滤波的信号进行接收和数字化，并把取样提供给处理器426。
处理器426实施偏置控制算法和确定功率放大器级的恰当偏置，致使得到所要求的结果。处理器426根据经检测的RF功率电平和偏置控制算法提供用于一个或多个功率放大器级的一个或多个数字控制。把数字控制提供给各个数模转换器(DAC)428，它把数字控制转换成它们对应的、用于一个或多个功率放大器级的模拟偏置控制信号VBIAS。ADC 424、处理器426以及DAC428形成数字调节单元420，它提供用于功率放大器偏置调节的所要求的总特性。
使用处理器426的偏置控制电路360b的数字实施允许灵活和准确地实施用于要调节的每个功率放大器级的所要求传递特性。可以得到功率放大器级的偏置以及经检测信号VDET(或RF输出功率电平)之间所要求的总传递函数(例如，通过完全根据经验的测量或通过计算机模拟)。还可以对偏置调节回路中的每个电路的传递函数定出特性。然后可以设计处理器426使之实施与偏置调节回路中的其它电路的传递特性组合的特定的传递特性，提供所要求的总传递特性。例如，处理器426可以使用查找表或某些其它机构来实施每个可调节功率放大器级的传递函数。
图4A和4B是偏置控制电路360的两个实施例。还可以使用采用模拟和/或数字电路的其它设计，并且在本发明的范围内。下面描述偏置控制电路360a和功率放大器级中的某些单元的示例设计。
图5A是放大器332x的特定设计的示意图，可以把该放大器用于图3中级332a到332n中的任何一级。在放大器332x中，把级的RF输入RF_SIN提供给AC(交流)耦合电容器510的一端。把电容器510的另一端耦合到电容器512的一端和电感器514的一端。把电容器512的另一端耦合到AC地，而把电感器514的另一端耦合到电阻器516的一端和晶体管520的基极。
在实施例中，晶体管520是RF晶体管(例如，在本技术领域中普遍使用的、来自西门子的BFP420)。把晶体管520的发射极耦合到AC地，并把集电极耦合到电感器522和524的一端。把电感器522的另一端耦合到正电源VCC，并把电感器524的另一端耦合到电容器526和528的一端。把电容器526的另一端耦合到AC地，电容器528的另一端包括级的RF输出RF_SOUT。旁路电容器530耦合在VCC和AC地之间。
在放大器332x中，电容器510和528分别提供RF输入端和RF输出端的AC耦合。电容器512和电感器514提供放大器输入端的阻抗匹配，而电容器526和电感器524相应地提供放大器输出端的阻抗匹配。电感器522提供晶体管520的偏置电流的DC(直流)通路。
把偏置控制电压VBIAS提供给电阻器516，并用于设置晶体管520的直流偏置电流IBIAS。如果偏置控制电压VBIAS增加，则把更多电流提供给晶体管520的基极，并且相应地增加集电极电流。用于晶体管520的偏置电流量确定放大器332x的性能，一般，较高的RF输出功率电平需要较高的偏置电流。
放大器332x是可以用于图3中的功率放大器级332的许多设计中的一种。其它设计可以包括较少或更多数量的无源和有源元件。此外，还可以使用采用各种类型的有源元件(例如，双极型晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)以及等等或它们的组合)的放大器设计。例如，可以设计使用FET来模拟放大器332x的电路，并且使用了这里描述的偏置控制技术的这个模拟电路可以提供相同的优点。示出放大器332x作为放大器设计的一个例子，从而可以通过外部产生的偏置控制信号来调节偏置电流。
图5B是用于图5中的放大器332x的偏置电压发生器550的特定设计的示意图。偏置电压发生器550是图4A和4B中的偏置控制发生器416的一部分，并产生用于设置放大器332x的偏置电流的偏置控制电压VBIAS。可以使用其它设计来产生偏置控制电压，并且在本发明的范围内。
在偏置电压发生器550中，把电流源554耦合到晶体管556的集电极、晶体管560的基极以及电容器552的一端。把晶体管556的基极耦合到电阻器558的一端。晶体管560的发射极耦合到电阻器558的另一端和电容器562的一端，并提供偏置控制电压VBIAS。电容器552和562的另一端和晶体管556的发射极连接到AC地。晶体管560的集电极和电流源554耦合到电源VCC。
晶体管556与放大器332x的晶体管520匹配，但是在面积中定标。电阻器558与电阻器516也匹配，并通过晶体管520的大小对晶体管556的大小的比值而定标。因此，晶体管520和556有效地形成电流镜子，并且通过晶体管520的偏置电流与通过晶体管556的电流相关。特别，放大器332x的偏置电流IBIAS与电流源554的电流ICTRL的关系如下IBIAS＝K·ICTRL公式(2)其中K是因子，相关于(1)晶体管520的面积对晶体管556的面积的比值；(2)热接触和电阻接触的细节以及其它因素。对于一次近似，可以把K看成常数。调节电流ICTRL作为功率放大器RF输出功率的函数，以得到性能和功率损耗的优良组合。可以对电流ICTRL进行温度和电源变化的补偿，以提供所要求的放大器偏置电流。
在偏置电压发生器550中，电容器562提供RF耦合，而电容器552控制偏置电压发生器的稳定性。晶体管560(传统上已知为在双极型电流镜子中的“β帮助器”)改进偏置电压发生器的驱动能力(电流的)。晶体管560提供作为偏置控制电压VBIAS的信号驱动。
虽然为了简单起见在图5B中没有示出，但是偏置控制发生器416包括根据来自对数放大器414的经调节信号VCON产生或调节电流ICTRL的电路。可以按本技术领域中众知的方法来设计这个电路，因此这里不再描述。
图5A和5B示出放大器级和相关联的偏置电压发生器的特定设计，这里描述的偏置调节可以使用所述偏置电压发生器。通过示意来描述这个放大器设计，许多其它放大器设计可以与这里描述的偏置调节技术一起使用。
图6A是示出放大器级的增益对预定偏置电流设置的RF输出功率电平的视图。图5A中示出的放大器332x可以产生曲线610。对于这个曲线610，使放大器的偏置电流保持在特定电平，并当在特定范围上变化RF输入功率电平时测量RF输出功率电平。然后根据测量的RF输入和输出功率电平计算放大器增益G，并对RF输出功率电平POUT标绘出曲线。
如通过曲线610所示，对于特定的偏置电流设置IBIASx，当RF输出功率电平POUT增加到第一值POUT1(例如，+10dBm)时，放大器增益近似于常数。此后，放大器增益扩大，并且RF输出功率电平增加得比RF输入功率电平块，导致曲线610中更大的放大器增益和峰值。当RF输出功率进一步增加时，放大器最后压缩，并且RF输出功率渐近地到达第二值POUT2(例如，+32dB)。当RF输出功率达到渐近值POUT2时，放大器增益还突然下降。
对于CDMA系统，必须在从极低功率(例如，低于POUT1好多)到功率放大器能够保持器性能(线性)的最大功率电平的宽的POUT范围上操作功率放大器。对于该范围中的所有功率电平，可以选择最优化的偏置设置。在图6B中示出一个如此的偏置设置。
图6A示出对于单个偏置电流设置产生的曲线。可以产生对于一系列偏置电流设置的相似的曲线。然后可以使用这些曲线来识别各种RF输出功率电平中应该使用的偏置电流量。
还可以产生定出放大器的性能对偏置电流的特性的其它类型的曲线。例如，如在本技术领域中众知的，可以得到IIP3对偏置电流的曲线。
图6B是示出放大级的偏置电流对所要求性能水平的RF输出功率电平的视图。可以根据如上面相对于图6A所描述的一系列曲线来产生曲线620，或从用于定出放大器的性能的其它特性曲线来产生曲线620。对于一种偏置电流设置，确定可以通过放大器提供所要求性能的最大RF输出功率电平。然后使用偏置电流设置和它们相应的RF输出功率电平来产生曲线620。
在图6B中示出的实施例中，把偏置电流限制在IMIN和IMAX之间的范围内。在一个实施例中，把放大器的偏置电流保持在最小值IMIN处或以上，以保证即使当RF输出降低到较小值或截止(gate off)时放大器也能恰当地操作。相应地，把放大器的偏置电流保持在最大值IMAX处或下面以防止过电流使用。
对于单个放大器级产生曲线620。可以对于具有可调节偏置电流的每个放大器产生相似的曲线。然后可以使用这些曲线来提供相应放大器级的恰当的偏置电流，致使得到所要求的性能同时使功率消耗最小。
可以根据各种偏置调节方案来调节放大器级的偏置电流。一般，偏置电流和RF输出功率电平之间的传递函数取决于功率放大器级的特定设计、所要求的性能水平以及其它可能因素。在一种方案中，检测功率放大器RF输出功率电平。然后可以确定每个放大器级的增益(例如，根据级的以前的特性)。通过级的逆向的工作，可以根据从当前级(n)的RF输出功率电平和当前级的增益来确定前面级(n-1)的RF输出功率电平。对于每一级，可以根据该级的RF输出功率电平和为该级产生的曲线620来确定该级的偏置电流。
还可以实施产生功率放大器级的偏置电流的其它方案，并且在本发明的范围内。
可以使用各种技术对RF输出功率POUT取样，这些取样技术都在本发明的范围内。这种技术可以包括电阻耦合、耦合线以及其它。下面描述对RF输出功率取样的一个电路的示例设计。
图7是功率检测器412x的一个实施例的示意图，可以使用功率检测器412x来检测RF输出信号的功率电平。功率检测器412x是图3的峰值检测器412的一个特定实施。功率检测器412x接收RF输入RF_DET_IN以及参考电压RF_REF，并提供检测器差分信号VDETP和VDETN。检测器RF输入是功率放大器RF输出信号的一小部分，并且是通过耦合器340提供的。
在功率检测器412x中，把检测器RF输入提供给电容器708的一端，并把电容器的另一端耦合到晶体管710a的基极。晶体管710a和710b的基极分别接收检测器RF输入以及参考电压，并进一步分别耦合到电阻器714a和714b的一端。晶体管710a和710b的发射极分别耦合到电流源712a和712b，并包括测器差分信号VDETP和VDETN。晶体管710a和710b的集电极耦合到电源VCC。电阻器714a和714b的另一端一起耦合到电源716、二极管718的阳极以及电容器722的一端。二极管718的阴极耦合到电阻器720的一端。电阻器720和电容器722的另一端耦合到AC地。电容器724耦合到检测器输出VDETP和AC地。
电容器708提供检测器RF输入的AC耦合，并且通过晶体管710a得到检测器RF输入的整流。电源716在节点730处提供近似恒定的电压。在每个电流源712a和712b中的电流与电流源716中的电流相关(即，I2∝I1)。如果检测器RF输入电压增加，则晶体管710a的基极-发射极电压VBE增加，并且通过晶体管710a导入更多电流。由于电流源712a提供近似恒定的电流I2，附加的电流对电容器724充电和增加输出电压VDETP。相反，当RF输入电压降低时，通过晶体管710a的电流减少，电容器724放电，以致来自晶体管710a的发射极电流和来自电容器724的放电电流的总和满足电流源712a要求的恒定电流。晶体管710b和电流源712b产生输出电压VDETN，该电压跟踪与非信号有关的工作点。当从VDETP减去这个电压VDETN时，就排除了偏置点偏移(可能与温度和IC过程有关)。
图7示出可以用于确定RF信号的功率的功率检测器的特定设计。还可以使用许多其它设计，并在本发明的范围内。
图8是对数放大器414x的实施例的示意图，对数放大器414x是图4A中的对数放大器414的一个特定实施。对数放大器414x接收差分功率检测器输出VDETP和VDETN以及提供经调节的信号VCON。
在图8中示出的实施例中，对数放大器414x包括具有耦合到电阻器812a的一端、晶体管814的集电极以及电容器816a的一端的反相输入端的放大器810。电阻器812a的另一端接收检测器输出VDETP。把放大器810的非反相输入端耦合到电阻器812b的一端以及电容器816b的一端。电阻器812b的另一端接收检测器输出VDETN，并且把电容器816b的另一端耦合到AC地。把晶体管814的基极耦合到AC地，并给予偏置到所要求的偏置电压，致使晶体管814在整个输入电压(以及输出电压)范围上导通。把放大器810的输出耦合到晶体管814的发射极和电容器816a的另一端，并包括经调节的输出VCON。在本技术领域中众知对数放大器414x的操作，这里不再描述。
虽然为了简单起见在图8中没有示出，但是可以设计对数放大器414x以提供温度补偿。如在公式(2)中所示，在VBE和IDET之间的传递函数取决于与温度有关的项VT。通过耦合到晶体管814的基极、放大器810的输出端或两者的温度补偿电路可以得到温度补偿。在本技术领域中众知这种温度补偿电路的设计，这里不再描述。
如上所述，使用对数放大器414x把峰值检测器输出转换成与以dBm为单位的POUT成比例。也可以使用对数放大器的其它设计，并在本发明的范围内。此外，对于某些其它功率放大器和/或控制电路设计，可以实施其它补偿传递特性(代替对数传递特性)。
对于在图4B中示出的数字设计，可以通过处理器426数字地实施补偿传递函数(例如，用查找表)。这允许实施具有任何形状的补偿传递函数。此外，可以对于每个偏置可调节的功率放大器级实施不同的补偿传递函数(代替对于所有级都使用一个对数放大器)。因此，数字设计可以对级的偏置提供更准确的调节。
这里描述的偏置控制技术提供有效和准确的功率放大器偏置调节，以使功率消耗最小同时得到所要求的性能。偏置控制技术自动地调节功率放大器的偏置电流作为RF输出功率电平的函数。根据反馈回路连续地执行调节(并且不是根据增益设置中的改变而周期性地调节，如在某些冲突偏置控制方案中那样)。此外，根据检测到的RF输出功率电平来调节(不是根据诸如增益设置之类某些功率电平的直接指示)。这里描述的技术因此提供改进的RF性能和降低的电流消耗。
第二，这里描述的技术提供偏置电流的连续的模拟状的控制/调节。这可以大大地减少，或可能排除，当调节偏置电流时的RF输出中的相位不连续性的量。对比之下，当在分立步骤中调节偏置电流时，在(一般较大的)分立步骤中调节偏置电流的传统方案更可能产生相位不连续性(并具有较大的幅度)。特别在支持较新一代通信系统的高数据速率处，这种相位不连续性可以降低系统的性能。
在图3中，示出功率放大器330和控制单元350作为两个单元。可以在单个集成电路(IC)中、在独立的集成电路中或与其它电路组合而实施这些单元，例如，可以把功率放大器330集成在包括所有或一部分控制单元350(例如，功率检测器352、偏置控制发生器360a以及其它可能电路)的RF IC(射频集成电路)中。根据控制单元350的特定实施，可以在数字单元(例如，处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件等)中实施某些单元(例如，处理器426)。
提供所揭示实施例的上述描述，以使熟悉本领域技术的人员可以制造或使用本发明。熟悉本领域技术的人员将不费力地明了这些实施例的各种修改，可以把这里所定义的一般原理应用到其它的实施例而不需要用发明创造。因此，不打算把本发明限于这里所示出的实施例，而是和这里所揭示的原理和新颍特征符合的最宽广的范围相一致。
权利要求
1.一种偏置受控放大器，其特征在于，它包括耦合在一起和配置成接收和放大输入信号以提供输出信号的一个或多个放大器级；以及控制单元，用于可操作地耦合到所述一个或多个放大器级，并配置成检测所述输出信号的电平，以及根据检测到的输出信号电平，提供至少一个偏置控制信号，用于调节至少一个放大器级的偏置。
2.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述每个偏置控制信号调节相关放大器级的偏置电流。
3.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述控制单元包括功率检测器，配置成检测所述输出信号电平和提供表示所检测的输出信号电平的检测信号；调节单元，耦合到所述功率检测器以及配置成接收和调节所述检测信号，以提供至少一个经调节的信号；以及偏置控制发生器，耦合到所述调节单元以及配置成接收所述至少一个经调节的信号以及提供所述至少一个偏置控制信号。
4.如权利要求3所述的偏置受控放大器，其特征在于，配置所述调节单元以提供第一传递特性，可以选择所述第一传递特性来提供用于所述至少一个放大器级的偏置调节所要求的总的传递特性。
5.如权利要求4所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述第一传递特性近似于对数函数。
6.如权利要求4所述的偏置受控放大器，其特征在于，用数字电路来实施所述调节单元的至少一部分。
7.如权利要求6所述的偏置受控放大器，其特征在于，用查找表来实施所述第一传递特性。
8.如权利要求3所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述控制单元进一步包括低通滤波器，配置成对所述检测信号进行接收和滤波以提供经滤波的信号，以及其中，配置所述调节单元以接收和调节所述经滤波的信号。
9.如权利要求8所述的偏置受控放大器，其特征在于，配置所述低通滤波器以滤除所述检测信号中的包络。
10.如权利要求3所述的偏置受控放大器，其特征在于，配置所述功率检测器以检测所述输出信号的功率电平。
11.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，进一步包括耦合器，可操作地耦合到所述一个或多个放大器级的输出级，并配置成把所述输出信号的一部分耦合到所述控制单元。
12.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，配置所述控制单元以提供所述至少一个偏置控制信号的模拟状调节。
13.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，配置所述控制单元以连续地检测所述输出信号电平以及更新所述至少一个偏置控制信号。
14.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述每个偏置控制信号调节所述相关放大器级的偏置以得到特定的线性水平。
15.如权利要求14所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述每个偏置控制信号进一步调节所述相关放大器级的偏置以降低功耗。
16.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述每个偏置控制信号按减少所述输出信号中的相位不连续性的方式来调节所述相关放大器级的偏置。
17.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，根据偏置对所检测的所述输出信号电平的各个传递函数来调节所述至少一个放大器级中的每一个。
18.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，把每个偏置控制信号限制在值的一个范围中。
19.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，每个偏置控制信号具有一个最小值。
20.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述一个或多个放大器级是串联耦合的。
21.如权利要求1所述的偏置受控放大器，其特征在于，所述输入信号是CDMA调制信号。
22.一种偏置受控放大器，其特征在于，它包括串联耦合以及配置成接收和放大输入信号以提供输出信号的一个或多个放大器级；耦合器，可操作地耦合到所述一个或多个放大器级的输出级，并配置成耦合所述输出信号的一部分；功率检测器，耦合到所述耦合器以及配置成根据所述耦合部分来检测输出信号的电平和提供表示所检测的输出信号电平的检测信号；调节单元，耦合到所述功率检测器以及配置成接收和调节所述检测信号，以提供至少一个经调节的信号；以及偏置控制发生器，耦合到所述调节单元以及配置成接收所述至少一个经调节的信号以及提供所述至少一个偏置控制信号，用于调节所述至少一个放大器级的偏置。
23.一种调节多极放大器的偏置的方法，其特征在于，它包含用一个或多个放大器级接收和放大输入信号以提供输出信号；检测所述输出信号的电平；调节表示所述检测的输出信号电平的检测信号以提供至少一个经调节的信号；根据至少一个经调节的信号形成至少一个偏置控制信号；以及用至少一个偏置控制信号调节至少一个放大器级的偏置。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，用具有第一传递特性的模拟电路来执行所述调节，可以选择所述第一传递特性来提供用于所述至少一个放大器级的偏置调节所要求的总的传递特性。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，用数字电路执行所述调节，配置所述数字电路以实施第一传递特性，可以选择所述第一传递特性来提供用于所述至少一个放大器级的偏置调节所要求的总的传递特性。
全文摘要
具有偏置的功率放大器，可以根据检测到的输出功率电平自动调节所述偏置。放大器包括可操作地耦合到控制单元的一个或多个放大器级。放大器级耦合在一起(例如，串联地)，并接收和放大RF输入信号以提供RF输出信号。功率检测器检测RF输出信号电平(或功率)，并提供所要求的信号。控制单元调节所检测的信号(例如，用特定的传递特性)以提供至少一个经调节的信号。偏置控制发生器接收经调节的信号，并提供至少一个偏置控制信号，使用每个偏置控制信号来调节各个放大器级。按得到所要求的线性水平同时使功率消耗最小的一种方式来执行偏置调节。
文档编号H03G3/02GK1515069SQ02811193
公开日2004年7月21日 申请日期2002年3月25日 优先权日2001年4月4日
发明者C·佩尔西柯, J·克拉伦, V·阿帕林, , C 佩尔西柯, 亮 申请人:高通股份有限公司