专利名称：具有线性预失真器的射频功率放大器的制作方法
具有线性预失真器的射频功率放大器
背景技术：
射频(RF)发送器、诸如在移动无线电话手持机(也称为蜂窝电话机)和其他便携式无线电收发器中包括的那些发送器通常包括功率放大器。该功率放大器通常是发送器电路的最后级。在一些类型的发送器中，实现线性功率放大是很重要的。但是，各种因素可能妨碍线性操作。例如，在一些类型的移动无线电话手持机中通常包括的该类发送器中，其中，该功率放大器接收上变频混频器的输出，这种混频器通常输出的相对大的信号可以将功率放大器驱动到非线性操作中。增加功率放大器电流是用于促进在这种发送器中的线性操作的一个技术，但是其并非在所有情况下都工作得很好。如图1-2所示，在一些类型的移动无线电话手持机中通常包括的该类发送器中， 功率放大器10通常包括若干放大器驱动级或部分12、14、16等，这些中的至少一个、诸如放大器驱动级14包括响应于RF输入电压信号20 (V_IN)而输出射频(RF)电流信号18(I_0UT) 的跨导(Gm)放大器。可以控制经由RF扼流圈M提供的偏置电压信号22(V_BIAQ来控制功率放大器10的增益。(虽然为了清楚而未在图1-2中所示，但是在移动无线电话手持机中的电路响应于需要调整发送器输出功率的各种操作条件来生成偏置电压信号22。)如图 2所示，跨导放大器晶体管沈通常是在以共源配置的电路中布置的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。RF输入电压信号20经由耦合电容器观耦接于晶体管沈的栅极。为了清楚而未示出耦接于晶体管26的电流源电路，但用省略号(“...")符号来指示该电流源电路。这种MOSFET当由相对大的信号驱动时产生非线性电流信号18，作为诸如迁移率降低、速度饱和和输入电容的非线性的晶体管效应的结果。已知设计跨导放大器来以增加的电流电平操作，以试图满足噪声性能需求并一定程度上促进线性操作。但是，单独增加电流通常不能在栅极源极结处提供足够的过驱动电压，以呈现线性输出电流信号18。已知为退化的技术可以与上述增加的电流技术组合，以进一步促进线性，但该退化阻碍了作为放大器增益控制的偏置电压信号22的使用。而且，在移动无线电话手持机功率放大器中的增加的电流趋于更快地耗尽电池。将期望以不消耗过多电流、降级放大器噪声性能或牺牲偏置电压增益可控性的方式促进跨导放大器线性。
发明内容
本发明的实施例涉及一种功率放大器电路，包括放大器MOSFET和预失真器 MOSFET0该放大器MOSFET具有经由线性耦合电容器耦接于第一偏置电压且耦接于输入电压信号的栅极端。(在此使用的术语"耦接"意思是经由零个或更多中间元件连接。)提供放大器输出电流信号的放大器MOSFET源极和漏极端耦接于诸如地或电源电压的参考电压以及电流源或宿(sink)。所述预失真器MOSFET被连接在放大器MOSFET的栅极端和第二偏置电压信号之间。所述预失真器MOSFET的源极和漏极端被连接在一起，使得其在放大器 MOSFET的栅极端处提供非线性电容。放大器MOSFET的栅极-源极电压是在输入线性耦合电容和放大器MOSFET和预失真器MOSFET的组合非线性电容之间电容地划分的输入电压信号。因此，放大器MOSFET的栅极-源极电压是非线性的或预失真的。该预失真促进消除由放大器MOSFET造成的失真或非线性。基于浏览以下附图和详细描述，本发明的其他系统、方法、特征和优点将是或变得对本领域技术人员明显。
可以参考附图来更好地理解本发明。附图内的组件不一定是成比例的，而是强调为了清楚地图示本发明的原理来放置。另外，在图中，类似附图标记在不同视图中指定对应的部分。图1是具有至少一个跨导级的已知功率放大器系统的框图。图2是图1的功率放大器系统的跨导级的一部分的示意图。图3是根据本发明的示例实施例的功率放大器系统的跨导级的一部分的示意图。图4是根据本发明的另一示例实施例的功率放大器系统的跨导级的一部分的示意图。图5是根据本发明的另一示例实施例的功率放大器系统的跨导级的一部分的示意图。图6是根据本发明的另一示例实施例的功率放大器系统的跨导级的一部分的示意图。图7是示出在跨导放大器线性中的改进的图。图8是具有根据本发明的示例实施例的功率放大器系统的移动无线电话手持机的方框图。图9是图7的移动无线电话手持机的发送器部分的方框图。
具体实施例方式如图3所示，可以在例如一些类型的移动无线电话手持机中共同包括的该类RF功率放大器的跨导(gm)级中包括的放大器电路30响应于RF输入电压信号34(V_IN)而输出 RF电流信号32(I_0UT)。放大器电路30包括放大器MOSFET 36和预失真器MOSFET 38。在图3所示的实施例中，放大器MOSFET 36是η沟道(NMOS)器件，且预失真器MOSFET 38是 P沟道(PMOS)器件。放大器MOSFET 36的栅极端经由RF扼流圈42耦接于第一偏置电压信号40 (V_ BIAS)。放大器MOSFET 36的栅极端经由线性耦合电容器44也耦接于输入电压信号34。放大器MOSFET 36的源极端被连接到地。放大器MOSFET 36的漏极端连接到电流源电路，其为了清楚而未示出，但用省略号(“...")符号来指示该电流源电路。预失真器MOSFET 38的源极和漏极端连接到一起，由此有效地定义(非线性)电容。预失真器MOSFET 38被连接在放大器MOSFET 36的栅极端和第二偏置电压信号46 (V_ BIAS_PM0S)之间，以便预失真器MOSFET 38的栅极端连接到放大器MOSFET 36的栅极端， 且预失真器MOSFET 38的源极和漏极端连接到第二偏置电压信号46。预失真器MOSFET 38 的偏置使得其在放大器MOSFET 36的栅极端处提供非线性电容。
选择第二偏置电压信号46和预失真器MOSFET 38的尺寸，以使得预失真器MOSFET 38的非线性电容和放大器MOSFET 36的非线性电容的组合定义与放大器MOSFET 36的输入电容器单独行为的方式相反地行为的电容器。但是，注意，预失真器38的非线性电容不仅抵消放大器MOSFET 36的非线性电容。而是，放大器MOSFET 36的栅极-源极电压是在线性耦合电容44器以及预失真器MOSFET 38和放大器MOSFET 38的组合非线性电容之间电容地划分的输入电压信号34。因此，放大器MOSFET 36的栅极-源极电压是非线性的或预失真的。该预失真抵消放大器MOSFET 36的失真或非线性。可以参考以下公式来更好地理解该效果。在诸如图2所示的放大器驱动级14的现有跨导放大器电路中(1) V_GS26 = V_IN* [C28/ (C28+C26GG)]，其中，放大器MOSFET沈的栅极-源极电压，Q8是耦合电容器观的电容， 且C26 ；是放大器MOSFET 26在其栅极端的电容；(2) I_0UT = Gm26*V_GS26 = Gm26*V_IN* [C28/ (C28GG+C26GG)]，其中，Gm26是放大器MOSFET 26的跨导；以及。(3) Gmeff = Gm26* [C28gg/ (C28GG+C26GG)]，其中，Gmeff是放大器驱动级14的有效跨导。从公式(3)，可以看出，非线性跨导和非线性电容划分的乘积(其中，这些非线性彼此不相关)导致组合的非线性有效跨导(Gmrff)。相反，在上面参考图3所描述的示例跨导放大器电路30中(4) I_0UT = Gm36*V_GS36 = Gm36*V_IN* [C44/ (C44+C36GG+C38GG)]，其中Gm36是放大器MOSFET 36的跨导，是放大器MOSFET 36的栅极-源极电压，C44是耦合电容器44的线性电容，C36 ；是放大器MOSFET 36在其栅极端处的非线性电容，且C38ee是预失真器MOSFET 38在其栅极端处的非线性电容；以及(5) Gmeff = Gm36* [C44/ (C44+C36GG+C38GG)]，其中，Gmeff是放大器电路30的有效跨导。从公式(5)，可以看出，非线性跨导和非线性电容划分的乘积(其中，这些非线性被调整以彼此抵消)导致线性有效跨导(Gmeff)。可以通过选择MOSFET 38的尺寸和第二偏置电压46的值来调整预失真器MOSFET 38的非线性电容。预失真器38的总非线性电容和放大器MOSFET 36的总非线性电容应该被使得彼此类似，S卩，具有类似的非线性特征。可以通过经验或通过任何其他适当方式来确定导致放大器电路30的非线性操作的最大减小且导致预失真器MOSFET 38的总非线性电容与放大器MOSFET 36的总非线性电容彼此相类似的预失真器MOSFET 38的尺寸和第二偏置电压46的值的组合。可以通过电路仿真、即使用共同可用的仿真器软件、通过软件方式在适当工作站计算机(未示出)上对电路建模，来进行实验性估计。在仿真中，第二偏置电压46以及预失真器MOSFET 38的长度和宽度可以横扫彼此相关的值的范围，且可以观察到放大器电路30如何线性或非线性地动作，且注意到最佳值。通过这种方式，本发明涉及的本领域技术人员可以快速且容易地确定预失真器 MOSFET 38的尺寸和第二偏置电压46之一或两者的适当值。作为例子，放大器MOSFET 36 可以是4. 80微米宽且0. 24微米长；预失真器MOSFET 38可以是6. 72微米宽且0. 24微米长；且第二偏置电压46可以是650毫伏。第一偏置电压40可以是例如1. 1伏特。
图4中示出了替换的放大器电路48。可以在例如一些类型的移动无线电话手持机中共同包括的该类RF功率放大器的跨导(gm)级中包括的放大器电路48响应于RF输入电压信号52 (V_IN)而输出RF电流信号50 (I_0UT)。放大器电路48包括放大器MOSFET 54 和预失真器MOSFET 56。在图4所示的实施例中，放大器MOSFET M是ρ沟道(PMOS)器件， 且预失真器M0SFET56是η沟道(匪OS)器件。放大器MOSFET 54的栅极端经由RF扼流圈60耦接于第一偏置电压信号58 (V_ BIAS)。放大器MOSFET M的栅极端经由线性耦合电容器62也耦接于输入电压信号52。放大器MOSFET M的源极端被连接到电源电压(VCC)。放大器MOSFET M的漏极端连接到电流宿电路，其为了清楚而未示出，但用省略号(“...")符号来指示该电流宿电路。预失真器MOSFET 56的源极和漏极端被连接到一起，由此有效地定义(非线性) 电容。预失真器MOSFET 56被连接在放大器MOSFET M的栅极端和第二偏置电压信号64(V_ BIAS_NM0S)之间，以便预失真器MOSFET 56的栅极端被连接到放大器MOSFET M的栅极端， 且预失真器MOSFET 56的源极和漏极端连接到第二偏置电压信号64。预失真器MOSFET 56 的该偏置使得其在放大器MOSFET 54的栅极端处提供非线性电容。选择第二偏置电压信号64和预失真器MOSFET 56的尺寸，以使得预失真器MOSFET 56的非线性电容和放大器MOSFET M的非线性电容的组合定义与放大器MOSFET M的输入电容器单独行为的方式相反地行为的电容器。该预失真抵消放大器MOSFET M的失真或非线性。图5中示出了另一替换的放大器电路66。可以在例如一些移动无线电话手持机中共同包括的该类RF功率放大器的跨导(gm)级中包括的放大器电路66响应于RF输入电压信号70 (V_IN)而输出RF电流信号68 (I_0UT)。放大器电路66包括放大器MOSFET 72和预失真器MOSFET 74。在图5所示的实施例中，放大器MOSFET 72是η沟道(NMOS)器件，且预失真器M0SFET74是η沟道(NMOS)器件。放大器MOSFET 72的栅极端经由RF扼流圈78耦接于第一偏置电压信号76 (V_ BIAS)。放大器MOSFET 72的栅极端经由线性耦合电容器80也耦接于输入电压信号70。放大器MOSFET 72的源极端被连接到地。放大器MOSFET 72的漏极端连接到电流源电路，其为了清楚而未示出，但用省略号(“...")符号来指示该电流源电路。预失真器MOSFET 74的源极和漏极端被连接到一起，由此有效地定义(非线性) 电容。预失真器MOSFET 74被连接在放大器MOSFET 72的栅极端和第二偏置电压信号82 (V_ BIAS_NM0S)之间，以便预失真器MOSFET 74的栅极端连接到所述第二偏置电压信号82，且预失真器MOSFET 74的源极和漏极端连接到放大器MOSFET 72的栅极端。预失真器MOSFET 74的该偏置使得其在放大器MOSFET 72的栅极端处提供非线性电容。选择第二偏置电压信号82和预失真器MOSFET 74的尺寸，以使得预失真器MOSFET 74的非线性电容和放大器MOSFET 72的非线性电容的组合定义与放大器MOSFET 72的输入电容器单独行为的方式相反地行为的电容器。该预失真抵消放大器MOSFET 72的失真或非线性。以下公式应用于图5所示的实施例(6) I_0UT = Gm72*V_GS72 = Gm72*V_IN* [C80/ (C80+ {C72GG+ (C74DD+C74SS)})],其中Gm36是放大器MOSFET 36的跨导，是放大器MOSFET 36的栅极-源极电压，C44是耦合电容器44的线性电容，C72 ；是放大器MOSFET 72在其栅极端处的非线性电容，且C74dd是预失真器MOSFET 36在其漏极端处的非线性电容，且C74ss是预失真器MOSFET 38在其源极端处的非线性电容；以及(7) Gmeff = Gm72* [C80/ (C80+ {C72GG+ (C7 棚+C74ss)})],其中，Gmeff是放大器电路66的有效跨导。从公式(7)，可以看出，非线性跨导和非线性电容划分的乘积(其中，这些非线性被调整以彼此抵消)导致线性有效跨导(Gmeff)。可以通过选择MOSFET 74的尺寸和/或第二偏置电压82的值来调整预失真器MOSFET 74的非线性电容。图6中示出了另一替换的放大器电路84。可以在例如一些类型的移动无线电话手持机中共同包括的该类RF功率放大器的跨导(gm)级中包括的放大器电路84响应于RF输入电压信号88 (V_IN)而输出RF电流信号86 (I_0UT)。放大器电路84包括放大器MOSFET 90和预失真器MOSFET 92。在图6所示的实施例中，放大器MOSFET 90是ρ沟道(PMOS)器件，且预失真器MOSFET 92是ρ沟道(PMOS)器件。放大器MOSFET 90的栅极端经由RF扼流圈96耦接于第一偏置电压信号94 (V_ BIAS)。放大器MOSFET 90的栅极端经由线性耦合电容器98也耦接于输入电压信号88。放大器MOSFET 90的源极端被连接到电源电压(VCC)。放大器MOSFET 90的漏极端连接到电流漏(current drain)电路，其为了清楚而未示出，但用省略号(“...")符号来指示该电流源电路。预失真器MOSFET 92的源极和漏极端被连接到一起，由此有效地定义(非线性)电容。预失真器MOSFET 92被连接在放大器MOSFET 90的栅极端和第二偏置电压信号100(V_BIAS_PM0S)之间，以便预失真器MOSFET 92的栅极端连接到第二偏置电压信号 100，且预失真器MOSFET 92的源极和漏极端连接到放大器MOSFET 90的栅极端。预失真器 MOSFET 92的该偏置使得其在放大器MOSFET 90的栅极端处提供非线性电容。选择第二偏置电压信号100和预失真器MOSFET 92的尺寸，以使得预失真器 MOSFET 92的非线性电容和放大器MOSFET 90的非线性电容的组合定义与放大器MOSFET 90的输入电容器单独行为的方式相反地行为的电容器。该预失真抵消放大器MOSFET 90的失真或非线性。图7中图示了上述类型的跨导放大器的改进的线性。通常是图2所示的该类现有放大器电路的特征的跨导(Gm)99是非线性的，而通常是上述示例RF功率放大器电路30、 48,66和84或本发明涉及的其他这种放大器电路的特征的有效跨导(Gmeff) 101是更线性的。如图8和图9所示，上述示例RF功率放大器电路30、48、66和84或本发明涉及的其他这种放大器电路中的任何一个可以被包括在移动无线电信设备102、诸如蜂窝电话手持机中。设备102包括射频(RF)子系统104、天线106、基带子系统108和用户接口部分 110。RF子系统104包括发送器部分112和接收器部分114。发送器部分112的输出和接收器部分114的输入经由前端模块116被耦接于天线106，该前端模块116允许同时传送通过由发送器部分112产生的发送的RF信号和提供给接收器部分114的接收的RF信号。 但是对于发送器部分112的一部分来说，上述列出的元件可以是传统地包括在这种移动无线电信设备中的类型。作为传统元件，本领域普通技术人员将很好理解本发明所涉及的且因此在此不详细描述的。但是，不像这种移动无线电信设备的传统发送器部分，发送器部分 112包括具有具备上述示例放大器电路30、48、66和84(图7-8中未示出)或本发明涉及的其他这种放大器电路的一个或更多跨导级的功率放大器系统118。应该注意，虽然在涉及移动无线通信设备的示例实施例的背景下描述了本发明，但是本发明或者可以在包括RF 发送器的其他设备中实现。如图8所示，在发送器部分112中，功率放大器系统118接收上变频器120的输出， 该上变频器120进而接收调制器122的输出。可以通过调整一个或多个功率控制信号124 来控制功率放大器系统118的增益。功率控制电路1 可以响应于各种操作条件而以传统方式生成控制信号124，如本领域很理解的。功率放大器系统118中的偏置电压生成器电路 (为了清楚而未示出)可以响应于功率控制信号1 而产生上述第一和第二偏置电压信号。 如上所述，可以通过调整其第一偏置电压信号来控制示例放大器电路30、48、66和84中的任一个的增益。虽然在该示例实施例中，通过功率放大器系统118内的电路来生成第一和第二偏置电压控制信号，但是在其他实施例中，发送器部分112中的任何其他电路或移动无线通信设备102的任何其他适当部分可以生成第一和第二偏置电压信号。虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是本领域普通技术人员将明了更多实施例和实施方式在本发明的范围内是可能的。因此，不限制本发明，除了在所附权利要求中。
权利要求
1.一种用于射频(RF)发送器的功率放大器电路，包括放大器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，具有经由线性电容耦接于第一偏置电压且耦接于输入电压信号的栅极端，源极端和漏极端中的一个耦接于参考电压，源极端和漏极端中的另一个耦接于电流电路，其中，所述源极端和漏极端中的一个响应于输入电压信号而提供输出电流信号；以及预失真器M0SFET，连接在放大器MOSFET的栅极端和第二偏置电压信号之间，所述预失真器MOSFET的源极端连接到所述预失真器MOSFET的漏极端。
2.根据权利要求1的功率放大器电路，其中所述放大器MOSFET是η沟道(匪0幻器件，所述放大器MOSFET的源极端耦接于地参考电压，且所述放大器MOSFET的漏极端耦接于电流源电路；以及所述预失真器MOSFET是ρ沟道(PMOS)器件，所述预失真器MOSFET的源极端和漏极端连接到第二偏置电压信号，且所述预失真器MOSFET的栅极端连接到所述放大器MOSFET的栅极端。
3.根据权利要求1的功率放大器电路，其中所述放大器MOSFET是ρ沟道(PM0Q器件，所述放大器MOSFET的源极端耦接于电源参考电压，且所述放大器MOSFET的漏极端耦接于电流宿电路；以及所述预失真器MOSFET是η沟道(NMOS)器件，所述预失真器MOSFET的源极端和漏极端连接到第二偏置电压信号，且所述预失真器MOSFET的栅极端连接到所述放大器MOSFET的栅极端。
4.根据权利要求1的功率放大器电路，其中所述放大器MOSFET是η沟道(匪0幻器件，所述放大器MOSFET的源极端耦接于地参考电压，且所述放大器MOSFET的漏极端耦接于电流源电路；以及所述预失真器MOSFET是η沟道(NMOS)器件，所述预失真器MOSFET的源极端和漏极端连接到放大器MOSFET的栅极端，且所述预失真器MOSFET的栅极端连接到所述第二偏置电压信号。
5.根据权利要求1的功率放大器电路，其中所述放大器MOSFET是ρ沟道(PM0Q器件，所述放大器MOSFET的源极端耦接于电源参考电压，且所述放大器MOSFET的漏极端耦接于电流宿电路；以及所述预失真器MOSFET是ρ沟道(PMOS)器件，所述预失真器MOSFET的源极端和漏极端连接到所述预失真器MOSFET的栅极端，且所述预失真器MOSFET的栅极端连接到所述第二偏置电压信号。
6.根据权利要求1的功率放大器电路，其中，所述放大器MOSFET具有基本上等于所述预失真器MOSFET的非线性电容的非线性电容。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述预失真器MOSFET具有基本上类似于所述放大器 MOSFET的非线性电容的非线性电容。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述预失真器MOSFET尺寸和第二偏置电压信号值的组合定义了与所述放大器MOSFET的输入电容相反地行为的非线性电容。
9.根据权利要求1的功率放大器电路，其中，所述功率放大器电路被包括在移动无线通信设备中。
10.一种用于在射频(RF)发送器中线性地放大RF信号的方法，包括经由线性电容器向放大器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极端提供输入电压信号；向放大器MOSFET的栅极端提供第一偏置电压；向耦接于放大器MOSFET的源极端和漏极端中的一个提供参考电压；在源极端和漏极端的另一个中容纳电流，其中，所述源极端和漏极端中的一个响应于输入电压信号而提供输出电流信号；以及预矫正对在预矫正器MOSFET的栅极端和源极端之间的电压进行，预矫正器MOSFET连接在放大器MOSFET的栅极端和第二偏置电压信号之间、所述预矫正器MOSFET的源极端连接到所述预矫正器MOSFET的漏极端，其中，通过将预矫正器MOSFET的非线性电容与放大器 MOSFET的非线性电容组合来预矫正对在预矫正器MOSFET的栅极端和源极端之间的电压进行。
11.根据权利要求10的方法，其中，预失真电压包括向所述预失真器MOSFET提供类似于所述放大器MOSFET的非线性电容的非线性电容。
12.根据权利要求11的方法，其中，向所述预失真器MOSFET提供类似于所述放大器 MOSFET的非线性电容的非线性电容包括选择预失真器MOSFET尺寸和第二偏置电压信号值的组合。
13.根据权利要求12的方法，其中，所述预失真器MOSFET尺寸和第二偏置电压信号值的组合定义了与所述放大器MOSFET的输入电容相反地行为的非线性电容。
全文摘要
一种功率放大器电路包括放大器MOSFET和预失真器MOSFET。所述预失真器MOSFET源极和漏极被连接到一起，且所述预失真器MOSFET被连接在放大器MOSFET的栅极和第二偏置电压信号之间。所述预失真器MOSFET的该偏置使得其在放大器MOSFET的栅极处提供非线性电容。放大器MOSFET和预失真器MOSFET的组合的非线性电容提供促进消除单独由放大器MOSFET带来的失真或非线性的预失真。
文档编号H04B1/04GK102577136SQ200980161984
公开日2012年7月11日 申请日期2009年8月17日 优先权日2009年8月17日
发明者B.阿加瓦尔, H.R.阿米尔费罗兹库西, H.阿克约尔 申请人:天工方案公司