专利名称：低压晶体管的偏置的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如在功率放大器中使用的低压晶体管的偏置。
通过调节晶体管的栅-源电压(VGS)，功率放大器中的场效应晶体管(FET)可用于控制放大器的增益。有时，例如MESFET晶体管，需要用负电压偏置晶体管的栅极。然而，由于负电压要由有限的公用正电源电压例如电池产生，因此很难产生很高的负电压值。
在一些应用中，例如，在无线电话中，需要能够完全关断晶体管，以确保当假定电话不发射信号时，发射很小的射频能量。
这可以通过将晶体管的栅极偏置到能确保栅极的电压决不会达到晶体管的导通电压之上的DC电平实现。
DC偏置电压确定AC信号要放大多少，因此确定了在如功率放大器等的大信号情况中放大器的增益。由此，大的负偏置电压将确保晶体管保持截止状态。例如，对于+1.5V的输入AC信号，晶体管的导通电压为-1.5V，DC偏置电压需要为-3V以下。
要由公用的+3V电源电压获得-3V的DC偏置电压，以前使用的放大器使用了DC/DC转换器。最简单的DC/DC转换器(充电泵)包括一个电容器和一个产生负电压的开关。开关产生一些损耗和预计为-2.5V的合理转换的负电源电压。改善此的一个方式是增加另一个电容器，由产生的作为地的负电源反馈，产生-5V的合理的负电源。然而，额外的元件增加了成本，占用了空间，并且由于电容器很大，因此很难集成。
根据本发明的一个方案，提供一种场效应晶体管电路，包括具有连接到各电源线的漏极和源极端以及接收输入信号的栅极端的场效应晶体管，该电路还包括一个二极管，它的阳极连接到晶体管的栅极端，它的阴极连接到偏置电压源，其中设置二极管是使电路在使用时，场效应晶体管的栅极端的电压电平保持在预定的值或低于预定的值。
根据本发明的第二方案，提供一种偏置场效应晶体管的方法，所述场效应晶体管具有连接到各电源线的漏极和源极端以及接收输入信号的栅极端的场效应晶体管，该方法包括设置二极管以使它的阳极连接到晶体管的栅极端，它的阴极连接到偏置电压源，设置二极管以使电路使用时，场效应晶体管的栅极端的电压电平保持在预定的值或低于预定的值。
在优选实施例中，不需要现有技术电路中的许多附加部件，使用可得到的电源电压，可使晶体管容易截止。
图1示出了体现本发明的晶体管电路的电路图；图2示出了图1的晶体管栅极处的电压曲线图；图3示出了体现本发明的第二晶体管电路的电路图；图4示出了在图3的电路中产生的电压电平的曲线图；以及图5示出了体现本发明的电路的典型模拟结果。
图1示出了本发明第一实施例的电路图。具有栅极(G)、漏极(D)和源极(S)端的场效应晶体管(FET)1连接在电源电压(VSS)(漏极D)和地4(源极S)之间。该电路有一个AC信号输入2和一个信号输出3。在漏极端D提供输出阻抗5。当需要用负栅-源电压偏置晶体管1的栅极时，例如当晶体管为金属半导体FET(MESFET)时，本发明的电路特别有用。
为了使晶体管1的栅极端G偏置，二极管6连接在栅极G和偏置电压端7(Vb)之间。
当等于Vb+Vt的电路的点B的最大电压导通二极管6时，其中Vt为二极管的阈值电压(例如0.7V)。晶体管的栅极G处的最大电压由此限制为Vb+VtV。
在栅极G处的DC偏置的AC信号的最大峰值电压因此限制为所述最大电压电平，如图2所示。因此，AC信号浮动以找到的自己的平均电平，由此峰值电平Vb+Vt不超过最大允许电平。
因此，如果栅极电压VG要保持在确保晶体管保持OFF的电平，那么最大电压(VG)必须在晶体管的导通电压(VTON)以下VG≤VTON(方程1)由此，Vb+Vt≤VTON(方程2)在晶体管导通ON的极限，Vb+Vt=VTON(方程3)例如，对于阈值电压为0.7V的二极管，和导通电压为-1.5V的晶体管，外部偏置电压(Vb)必须为-2.2V以下。与需要-3V的外部电压的现有技术的器件相比，通过简单的DC/DC转换器可以容易地获得所述电平。
栅极电压表示为输入AC分量叠加其上的DC信号VG=VGDC+VAC(方程4)因此，根据以下由图2中可以清楚看出的关系，通过外部偏置电压Vb、二极管阈值电压Vt和AC信号峰值电压VAC可以设定栅极电压的DC偏置电压电平(VGDC)VGDC=Vb+Vt-VAC(方程5)由此可以看出，对于具有-1.5V导通电压(VTON)的晶体管，预料AC信号输入具有1.5V的峰值电压(VAC)，并具有上述二极管阈值电压和外部电压(分别为0.7V和-2.2V)，可产生-3V的DC偏置电压(VDC)。这符合以前介绍的防止晶体管导通的要求。
然而，如果AC峰值电压的摆动很小，那么由于二极管6不导通，图1的电路不会成功地偏置晶体管。为了克服该问题，可以使用阻抗转换电路。
体现了本发明进行所述变换的一个电路显示在图3中。由两个电感81和82以及一个电容器83形成了一个三极低通滤波器8。AC输入信号通过输入阻抗9加在输入端2。作为一个例子，7dBm的输入信号和50Ω的输入阻抗提供了0.7V峰-峰值的AC电压信号。
低通滤波器元件用于在电容器上产生大的电压摆动(Vc)，而不是输入到滤波器或从其输出。例如，如果在电容器83处(由电感和电容器产生)的阻抗为200欧姆，那么7dBm的信号将在电容器83上产生1.4V的峰-峰值的AC电压摆动。由此二极管6上的电压很大，足以使二极管导通，即使输入AC信号有低峰值电平。图3电路各点处的电压电平显示在图4中。
元件81、82以及83的选择取决于可以预料的输入AC信号的电平。对于给定的输入功率，选择这些值以便电压摆动的值足以导通二极管6。
例如，对于900MHz的输入信号，电感81和82可以每个为20nH，电容器83可以为2.6pF，对于0.7V峰值(=7dBm)的栅极电压VAC，晶体管的导通电压为-1.5V。一般来说，可以使用常规的电路模拟程序包选择这些元件的值。图5示出了电路模拟程序包的典型输出。
通过栅极电压的AC分量的峰值电平可以确定晶体管栅极G处要求的DC偏置。为了使晶体管保持截止VGAC+VGDC≤VTON(方程6)其中VGAC为AC分量的峰值电压，VGDC为DC偏置电平，VTON为晶体管的导通电压。
然后由以上的方程5确定外部偏置电压Vb，VAC为电容器83上的转换的电压信号VC。
例如，对于1.4V的VC，0.7V峰值的VGAC(1.4V的峰-峰值)，0.7V的二极管阈值电压，以及-1.5V的晶体管导通电压，栅极处需要的DC偏置电平为-2.2V(VTON-VGAC)。这意味着外部偏置电压Vb必须小于-1.5V。
所述负电压值显著小于以前需要的量级，因此更容易产生。
二极管6可以沿输入线、在输入线和偏置电压Vb之间的任何地方设置，但在电压摆动最大处最有效。
应该理解本发明的实施例允许使用较小值的负偏置电压(Vb)。这种电压较容易产生。
权利要求
1．一种场效应晶体管电路，包括具有连接到各电源线的漏极和源极端以及接收输入信号的栅极端的场效应晶体管，该电路还包括一个二极管，它的阳极连接到晶体管的栅极端，它的阴极连接到偏置电压源，其中设置二极管以使在电路使用时，场效应晶体管的栅极端的电压电平保持在预定的值或低于预定的值。
2．根据权利要求1的电路，其中所述偏置电压源为负。
3．根据权利要求1或2的电路，其中所述二极管的阳极直接连接到场效应晶体管的栅极端。
4．根据权利要求1或2的电路，包括连接到晶体管、二极管以及电路的输入端的阻抗转换电路。
5．根据权利要求4的电路，其中所述阻抗转换电路包括串联连接在晶体管电路的输入端和晶体管的栅极端之间的第一和第二感性元件、连接在地与第一和第二感性元件之间的公共接点之间的电容器，所述二极管以及通过第二感性元件连接到晶体管的栅极端。
6．根据以上任何一个权利要求的电路，其中所述晶体管为金属半导体场效应晶体管(MESFET)。
7．一种包括以上任何一个权利要求中的场效应晶体管电路的功率放大器。
8．一种偏置场效应晶体管的方法，所述场效应晶体管具有连接到各电源线的漏极和源极端以及接收输入信号的栅极端，该方法包括设置二极管以使它的阳极连接到晶体管的栅极端，它的阴极连接到偏置电压源，设置该二极管以使电路在使用时，场效应晶体管的栅极端的电压电平保持在预定的值或低于预定的值。
9．根据权利要求8的方法，其中所述偏置电压源为负。
10．根据权利要求8或9的方法，其中所述二极管的阳极直接连接到场效应晶体管的栅极端。
11．根据权利要求8或9的方法，包括设置连接到晶体管、二极管和电路输入端的阻抗转换电路。
12．根据权利要求11的方法，其中所述阻抗转换电路包括串联连接在晶体管电路的输入和晶体管的栅极端之间的第一和第二感性元件、连接在地与第一和第二感性元件之间的公共接点之间的电容器，所述二极管通过第二感性元件连接到晶体管栅极端。
13．根据以上任何一个权利要求的电路，其中所述晶体管为金属半导体场效应晶体管(MESFET)。
全文摘要
一种场效应晶体管电路,包括具有连接到各电源(V
文档编号H03F3/72GK1283327SQ98812521
公开日2001年2月7日 申请日期1998年12月17日 优先权日1997年12月22日
发明者P·-O·布兰德特 申请人:艾利森电话股份有限公司