用于耗尽型放大器的偏置电路的制作方法

本公开内容总体上涉及偏置电路，具体而言，涉及用于耗尽型放大器的偏置电路。

背景技术：

如本领域已知的，使用耗尽型晶体管来放大输入射频信号的rf功率放大器通常使用固态“漏极”开关来打开和关闭dc供电。

漏极开关的替代方案是栅极开关，其中，将足够负的电压提供给功率放大器的晶体管栅极以将dc静态电流降低到零并且还在rf路径中提供足够的隔离。栅极开关方法的一个优点是使用rf放大器的系统在rf启用和关闭之间的切换时间更快。在发明人defalco于2003年7月29日发布的us6,600,301b1中示出了一个这样的电路(图1)，该专利被转让给与本发明相同的受让人。尽管已经发现这种电路在许多应用中是有效的，但是在温度和电源变化很大的应用中，必须对其施加足够的关断状态电压，以建立适当的静态偏置，用于适当rf放大器操作，包括过程、温度和电源变化。

如本领域中同样已知的，诸如氮化镓(gan)高电子迁移率晶体管(hemt)和碳化硅(sic)金属-半导体场效应晶体管(mesfet)之类的宽带隙晶体管由于其高电压摆幅、高击穿电压以及优异的导热性而是大射频(rf)功率器件。si互补硅氧化物半导体(cmos)技术提供了极大的复杂性和集成度水平。两种技术的异构集成可以实现高性能微波和毫米波系统的更多特性和能力。然而，宽带隙晶体管在数十(10s)到数百(100s)伏特范围内进行操作，亚微米sicmos电路的电源电压通常在2.5v以下。向高电压gan晶体管提供低电压cmos偏置控制电路是一个难题。之前，已经尝试用sipmos来控制ganhemt偏置，sipmos在高压电源下工作，如在kazior,t.e.；chelakara,r.；hoke,w.；bettencourt,j.；palacios,t.；lee,h.s.的标题为“highperformancemixedsignalandrfcircuitsenabledbythedirectmonolithicheterogeneousintegrationofganhemtsandsicmosonasiliconsubstrate”的论文(compoundsemiconductorintegratedcircuitsymposium(csics),2011ieeedoi:10.1109/csics.2011.6062443,page(s):1–4)中所述的在14伏下工作。

技术实现要素：

根据本公开内容，提供了一种电路，包括：放大器，所述放大器包括：耗尽型晶体管，具有源电极，耦合到参考电位；漏电极，耦合到比参考电位更正的电位；和栅电极，用于耦合到输入信号。该电路包括偏置电路，所述偏置电路包括：电流源；以及偏压电路，耦合到所述电流源以及比所述参考电位更正的电位和比所述参考电位更负的电位之间。控制电路连接到电流源，用于控制由电流源产生的至偏压电路的电流量。

在一个实施例中，控制电路包括由控制信号馈送的开关，以选择性地将开关置于“接通状态”以使得来自电流源的电流能够流到偏压电路从而在晶体管的栅电极处产生偏置电压，或者将开关置于“关断状态”以电气地禁止从电流源到偏压电路的电流从而去除来自偏置电路的偏置电压去除电流源和在晶体管的栅电极处的偏置电压。

在一个实施例中，控制电路根据被馈送到控制电路的控制信号来改变从电流源流到偏压电路的电流量，以相应地改变晶体管的栅电极处的偏置电压。

在一个实施例中，控制信号将由电流源根据控制信号产生的电流从偏压电路转移。

因此，通过使用该电流转移过程而不是电流注入过程，控制电路能够以相对低的电压供应来实现，并且能够利用在小于2.5v下工作的亚微米sicmos来控制gan偏置。

在附图和下面的描述中阐述了本公开内容的一个或多个实施例的细节。本公开内容的其它特征、目的和优点依据说明书和附图以及权利要求书将是显而易见的。

附图说明

图1是根据现有技术的电路；

图2是根据本公开内容的电路；

图3是根据本公开内容的替代实施例的电路；以及

图4示出了在图3的电路中使用的控制电路的实施方式。

在各个附图中相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

现在参考图2，电路10被示出为具有放大器11，此处是射频(rfamp)，包括：耗尽型晶体管q1，具有耦合到参考电位(此处为地)的源电极；通过电感器l2耦合到比参考电位更正的电位(此处(+vdd))的漏电极，如图所示，漏电极提供在通过电容器c1之后被放大的rf输出，如图所示；以及用于耦合到输入信号的栅电极，此处是通过电容器c2的rf输入，如图所示。要注意的是，晶体管q1的源电极连接到地，如图所示。

电路10包括偏置电路12，包括：电流镜，具有：电流源iref以及如图所示布置的偏压电路(耗尽型晶体管q2、q3和q4以及二极管dn)，其耦合到电流源iref以及比参考电位更正的电位(+vdd)和比参考电位更负的电位之间；耦合到比参考电位更负的电位(-vss)。应该注意的是，二极管dn是一系列的n个二极管，gan二极管dn，其中，n是根据所使用的电压选择的这一系列二极管中的二极管数量，此处例如vdd是24伏，并且-vss是-8.0伏。

电路10包括控制电路14，此处是耗尽型晶体管q5、q7和q8，其连接在比参考电位更正的电位(+vdd)与电流源iref之间，用于控制通过电流源iref到偏压电路12(耗尽型晶体管q2、q3和q4)的电流的量。此处，在图2中，控制电路14包括开关，此处是耗尽型晶体管q8、q7、q5，连接在比参考电位更正的电位(+vdd)与电流源iref之间。晶体管q8的漏极连接到晶体管q7的栅极、晶体管q7的源极和晶体管q5的栅极。此处，或者是逻辑1(此处是0伏)或逻辑0(此处是-3.3伏)的控制信号被馈送到晶体管q8的栅极，其中，q8的阈值电压在此处是-3.0伏。响应于逻辑0信号，晶体管q8被置于“截止”或不导通状态，因此晶体管q5处于“导通”或传导状态，因而开关14处于“接通”状态。相反，响应于馈送到晶体管q8的栅极的逻辑1，晶体管q8被置于“导通”或传导状态，晶体管q5处于“截止”或不导通状态，因此开关14处于“关断”状态。

更具体地，当开关14处于“接通”状态时，更具体地，当耗尽型晶体管q8的栅极响应于其栅极处的逻辑0信号而处于“截止”状态时，晶体管q5为处于“导通”状态，因此开关14将比参考电位更正的电位(+vdd)电连接到电流源iref，使得电流从电流源iref流到偏压电路耗尽型晶体管q2、q3和q4，在晶体管q1的栅电极处产生偏置电压。另一方面，当开关14处于“关断”状态时，更具体地，当耗尽型晶体管q8的栅极响应于其栅极处的逻辑1信号而处于“导通”状态时，晶体管q5处于“截止”状态，因此开关14将比参考电位更正的电位(+vdd)从偏置电路12电去耦，禁止或阻止电流从电流源iref流到偏压电路，去除电流源iref，因而从晶体管q1的栅电极去除偏置。

如图所示，偏置电路12的输出通过电感器l1被馈送到耗尽型晶体管的栅电极；注意到，如图所示，耗尽型晶体管q4是二极管连接的晶体管，并且将晶体管q1的栅电极连接到比参考电位更负的电位(-vss)。

因此，该电路是用于gan放大器的静态偏置控制的d模式电流镜电路，其中，q2是氮化镓(gan)镜fet，q1是在rf放大器中使用的ganhemt。被汲取至q2的参考电流源iref控制q1的静态电流id。电流源iref可以是如美国专利no.8,854,140中所述的饱和电阻器或者线性电阻器、晶体管或者如果需要的话来自芯片外参考。

晶体管q5的尺寸被设定为使其相对于iref保持线性操作，使得其适应电流源iref产生的电流量。因此，图2所示的电路具有以下特点：

1、耗尽型高功率放大器的开/关偏置控制。

2、第1项的单片集成，其中提供给放大器的dc电位小于地电位。

3、高功率放大器的所有耗尽型晶体管开/关控制电路。

现在参考图3，此处电路20被示出为具有控制电路22，其根据馈送到控制电路的控制信号选择性地改变从电流源q10(is)转移到偏压电路24的电流量ictrl，以相应地改变晶体管q1的栅电极处的偏置电压。此处，在图3中，控制电路22使用在硅芯片上形成的亚微米硅(si)cmos电流数模转换器(dac)来控制形成在iii-v族芯片(此处为gan芯片)上的ganhemt偏置电路24。因此，右侧的电路24采用ganhemt技术，其使用gan芯片形成。它是用于ganrf放大器26的静态偏置控制的类似的d模式电流镜电路。耗尽型晶体管q10提供恒定电流源is。耗尽型晶体管q2是gan镜fet，耗尽型晶体管q1是在rf放大器24中使用的ganhemt。参考电流is被汲取至晶体管q2中并控制晶体管q1的静态电流id。为了镜电路正常工作，晶体管q2需要处于饱和模式。对于典型的ganhemt，晶体管q2的漏极电压，电压vd2，应该大约为5v或更高。vd2由晶体管q3和一系列的n个二极管gan二极管dn设定，其中n是根据所使用的电压选择的这一系列二极管中的二极管数量，此处例如vdd是24伏，-vss是-8.0伏。n个二极管dn中的每一个两端的电压降由q11的电流源设定，如将显示的，其由馈送到数模转换器(dac)的控制信号cntlr控制。控制信号的来源可以是例如与gan芯片的温度有关的模拟信号。因此，通过二极管dm的电流量ictrl，即从电流源q10流出的电流量，is，是馈送到dac的控制信号cntlr的函数。

更具体地，图3中的左侧的电路22可以采用在硅芯片上形成的亚微米sicmos技术。控制电流22控制从电流源is流出或汲取的电流量ictrl。因此，控制信号ctrlr将由电流源(晶体管q10)根据控制信号产生的电流is从偏压电路转移。

假设在该分析中可以忽略晶体管q3的栅极电流，则参考电流是

iref＝is-ictrl(1)

其中，iref是由电流源q10产生并馈送到偏压电路25(此处为互连的晶体管q2、q3和二极管dn)的电流量，并且ictrl是由电流源q10产生并转移到控制电路22的电流量，控制电路22更具体地说是二极管dm和晶体管q11。因此，通过使用这种电流转移过程而不是电流注入过程，控制电路22能够以相对低的电压供应vcc来实现。

在cmos控制电路22中，ictrl因此由标准电流cmos数模转换器(dac)控制，该标准电流cmos数模转换器(dac)耦合在vcc和由二极管连接的nmos晶体管q12和nmos晶体管q11组成的电流镜之间，连接如图所示。cmos电路22由标准cmos电源电压vcc提供，通常为2.5v或更小。对于深亚微米cmos技术，电源电压可以是1.5v或更低。为了将nmosfetq11保持在安全工作电压范围内，使用一系列si二极管dm将nmosfetq11的漏极连接到ganhemtq2的漏极。si二极管dm可以使用在标准cmos工艺中提供的nmosfet或横向pnp晶体管容易地形成。这些二极管dm将vd2的电压(～>5v)降低到vd6的安全漏极电压，典型地高于0.5v且低于3v，这取决于所使用的cmos技术。

图4示出了以0.13μmsicmos工艺对控制电路的实现。输出电流由提供有1.5v的电流dac控制。此处，使用横向pnp或vpnp晶体管来形成si二极管dm以对输出电压进行电平移位。

因此，图3中所示的电路可以具有以下特点：

1、用标准亚微米sicmos电路控制宽带隙高压晶体管(如gan或sichemt)的偏置。

2、为了控制gan偏置中的参考电流，使用cmos电流dac来从gan电流源汲取电流。

3、使用一系列si二极管和一系列gan二极管来设定用于nmos电流源fet和ganhemt镜fet的安全和适当的操作电压。

4、直接集成cmos和gan电路，无需接口或适配器电路。

5、第1项、第2项和第3项的异构集成。

现在应该认识到，根据本公开内容的电路包括：放大器，所述放大器包括：耗尽型晶体管，具有源电极，耦合到参考电位；漏电极，耦合到比参考电位更正的电位；以及栅电极，用于耦合到输入信号；偏置电路，所述偏置电路包括：电流源；以及偏压电路，耦合到所述电流源以及比所述参考电位更正的电位和比所述参考电位更负的电位之间；及控制电路，连接到电流源，用于控制由电流源产生给偏压电路的电流量。该电路可以独立地或相结合地包括以下特征中的一个或多个，包括：其中，控制电路包括由控制信号馈送的开关，以选择性地将开关置于“接通状态”，以使得来自电流源的电流能够传递到偏压电路，在晶体管的栅电极处产生偏置电压，或者“关断状态”，以电气禁止从电流源到偏压电路的电流，去除来自偏置电路的偏置电压，去除电流源和在晶体管的栅电极处的偏置电压；其中，控制电路根据馈送到控制电路的控制信号来改变从电流源传送到偏压电路的电流量，以相应地改变晶体管的栅电极处的偏置电压；其中，所述开关包括第二耗尽型场效应晶体管，并且其中，所述第二耗尽型场效应晶体管的栅电极被馈送所述控制信号；其中，所述偏压电路包括多个附加的耗尽型场效应晶体管；其中，所述放大器和偏置电路形成在iii-v族芯片上，并且其中，所述控制电路形成在硅芯片上；或者其中，所述控制信号将由所述电流源根据所述控制信号产生的电流从所述偏置电路转移。

已经描述了本公开内容的多个实施例。然而，应该理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。