多尔蒂功率放大器的制作方法

多尔蒂功率放大器
1.相关申请
2.本技术要求2022年3月10日提交的第63/318,504号临时专利申请的权益，所述临时专利申请的公开内容特此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及用于最大化线性功率和功率回退效率的放大器结构。


背景技术：

4.峰值放大器(ppa)偏置在c类中的传统的基于双极结晶体管(bjt)的多尔蒂功率放大器无法仅基于射频(rf)自调节来在峰值功率范围中显著向上拉动其基极偏置电压。因此，由于ppa增益不足、ppa输出功率不足以及因此负载调制薄弱，与相同等效负载线处的常规差分功率放大器相比，基于bjt的多尔蒂放大器示出减小的p1db(在1db压缩下的输出功率)功率。尽管可以通过升高偏置来将传统多尔蒂ppa移动到b类或ab类而非c类来恢复功率损失，但偏置升高以明显的功率回退(pbo)效率损失成本出现。简单地说，当ppa具有传统的固定偏置时，实际的多尔蒂功率放大器设计需要权衡峰值输出功率与pbo效率。
5.使用管芯上或管芯外功率检测器方法的各种方法通常无法充分地减少性能权衡。除了增加的功率检测器之外，先前的方法还需要一些包络成形电路来优化偏置控制曲线。在不降低rf性能的情况下将所报告的管芯上方法与功率放大器管芯集成是具有挑战性的。此外，功率检测器通常需要长电阻-电容(rc)时间常数，这不适用于具有100mhz或更高rf带宽的现代信号。因此，需要一种新的多尔蒂放大器结构来提高峰值输出功率与pbo效率。


技术实现要素：

6.公开了一种放大器，所述放大器具有被配置为共发射极载波功率级的载波放大器和被配置为共发射极峰值功率级的峰值放大器。进一步包含功率自适应偏置电路系统，所述功率自适应偏置电路系统耦合在所述载波放大器与所述峰值放大器之间，其中所述功率自适应偏置电路系统被配置成感测所述共发射极载波功率级的直流基极电压，且响应于所述共发射极载波功率级的电流基极电压而生成使所述共发射极载波功率级解除偏置的控制电流。
7.在另一方面，可以单独地或一起地组合前述方面中的任一方面，和/或如本文所描述的各种单独方面和特征，以获得额外优点。除非本文相反指示，否则本文所公开的各种特征和元件中的任一者可以与一个或多个其它公开的特征和元件组合。
8.本领域技术人员在阅读以下对于优选实施例的具体说明以及相关的附图后，将会认识到本公开的范围并且了解其另外的方面。
附图说明
9.并入本说明书中并形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的几个方面，并且
连同说明书一起用于解释本公开的原理。
10.图1是示出在虚线框中展示功率自适应偏置(pab)的差分多尔蒂功率放大器架构的示意图。
11.图2a至2d是示出具有pab与不具有pab的差分多尔蒂功率放大器的曲线图，其中峰值放大器(ppa)偏置在c类中。常规差分功率放大器由细短虚线指示。fc＝2593mhz，vcc＝5v。
12.图2e至2h是示出具有pab与不具有pab的差分多尔蒂功率放大器的曲线图，ppa偏置在深ab类中。常规差分功率放大器由细短虚线指示。fc＝2593mhz，vcc＝5v。
13.图3是示出ppa的自动功率自适应偏置的简化共发射极双极结晶体管(bjt)装置的实施例的示意图。
14.图4是示出根据本公开的实施例的共发射极异质结双极晶体管(hbt)pab操作状况与输入功率驱动的曲线图。fc＝2593mhz，vcc＝5v。
15.图4a示出pab isense和idebias。
16.图4b示出多尔蒂功率放大器最终级调节的基极直流电压。
17.图4c示出多尔蒂功率放大器最终级调节的基极直流偏置电流。
18.图4d示出多尔蒂功率放大器最终级负载线。
19.图5是示出b30下的多尔蒂功率放大器专用rxnp的曲线图，vcc＝5v。
20.图6a和6b示出用keysight ads winslow稳定性探针(keysight ads winslow stability probe)模拟的返回差(pin＝-5dbm，t＝25℃，vswr＝6:1，fc＝2593mhz，vcc＝5v)。
21.图7a和7b是示出功率自适应偏置的多尔蒂功率放大器性能相对于温度的曲线图。fc＝2593mhz，vcc＝5v。
22.图8是示出ppa的自动功率自适应偏置的简化bjt电流镜的实施例的示意图。
23.图9a至9d是示出两个实施例的曲线图，其中pab展现类似连续波射频性能，但偏置状况在回退功率下略有不同。fc＝2593mhz，vcc＝5v。
24.图10是示出自动功率自适应偏置的运算放大器辅助实施例的示意图。
25.图11是示出具有ppa的自动功率自适应偏置的电阻器分布式共发射极bjt的实施例的示意图。
26.图12是示出具有ppa的自动功率自适应偏置的完全分布式共发射极bjt的实施例的示意图。
27.图13是示出具有不分布qmir的ppa的自动功率自适应偏置的分布式电流镜的实施例的示意图。
28.图14是示出具有带有分布式qmir的ppa的自动功率自适应偏置的分布式电流镜的实施例的示意图。
29.图15是示出所公开放大器可以如何与例如无线通信装置等用户元件交互的示意图。
具体实施方式
30.下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并说明实践实施例的
最优模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
31.应理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。
32.应理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到另一元件上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上方”或“在另一元件上方延伸”时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接在另一元件上方延伸”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
33.例如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图式所说明的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包括除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。
34.本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a、an)”和“所述”也旨在包含复数形式。还应理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprises、comprising)”和/或包含(includes、including)指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。
35.除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。
36.本文中参考本公开的实施例的示意性图示来描述实施例。这样，层和元件的实际尺寸可以不同，并且预期会由于例如制造技术和/或公差而与图示的形状不同。例如，说明或描述为正方形或矩形的区可以具有圆形或弯曲特征，并且示出为直线的区可以具有一些不规则性。因此，图中所说明的区是示意性的，并且其形状不旨在说明装置的区的精确形状，并且不旨在限制本公开的范围。另外，为了说明目的，结构或区的大小可以相对于其它结构或区放大，并且因此提供结构或区以说明本发明的一般结构，且可以按比例绘制或可以不按比例绘制。附图之间的共同元件在本文中可以用共同的元件标号示出，并且随后不再描述。
37.本公开涉及一种用于基于双极结晶体管的多尔蒂功率放大器的自动功率自适应偏置(pab)电路系统和方法。所述自适应pab电路系统和方法基于感测已经从射频调节且与信号基带包络成反比的载波放大器(cpa)直流基极电压。实施例包括用以导出和缩放遵循
信号基带包络的控制电流的导电电路。此控制电流接着用于在低到中动态功率区处将峰值放大器(ppa)解除偏置到深c类操作中，从而最小化功率回退(pbo)时多尔蒂功率放大器电流汲取。在峰值功率区操作处，自动pab电路系统将ppa偏置升高到浅c类或甚至ab类，以通过更强大的负载调制来提升ppa输出功率和cpa输出功率两者。根据本公开的自动pab电路系统和方法允许相同的多尔蒂功率放大器设计通过改造ppa斜升速率来实现最高pbo效率和最大线性输出功率两者。另一个重要益处是不再需要具有传统基于功率检测器的方法所需的大电容的电容器，且因此，多尔蒂功率放大器更快地对包络跟踪作出反应。多尔蒂功率放大器反应的当前时间常数《1纳秒，而24纳秒延迟对于传统的多尔蒂放大器反应时间可能是典型的。另外，根据本公开的实施例紧密集成到多尔蒂功率放大器中，且因此密切地跟踪多尔蒂功率放大器温度。
38.图1是描绘根据本公开构造的差分多尔蒂功率放大器10的示意图。多尔蒂功率放大器10被设计成用于使用砷化镓(gaas)异质结双极晶体管(hbt)工艺的n40和n41频带中的5g手持机传输(tx)系统。多尔蒂功率放大器10具有两个功率放大级，其中第一级12是单端的，且第二级14是差分端的。指定的连续波1-db增益压缩功率目标在标记为ant的天线端口16处为33.5dbm。根据本公开，添加在图1中示出为功率自适应偏置正(pabp)电路系统20和功率自适应偏置负(pabn)电路系统22的功率自适应偏置(pab)电路系统18，而不改变功率放大器单元传统偏置网络。
39.第一级12具有标记为rfin的射频(rf)信号输入24。90
°
分路器26被配置成将到达rf信号输入24的rf信号的第一部分引导到载波信号路径中，且将rf信号的第二部分引导到峰值信号路径中。载波信号路径包含载波驱动器晶体管q1和耦合在90
°
分路器26的载波分路器输出30与载波驱动器晶体管q1的第一驱动器基极32之间的载波输入匹配网络28。耦合到第一驱动器基极32的载波驱动器偏置发生器34被配置成为载波驱动器晶体管q1提供基本上固定的偏置。第一耦合电容器c1耦合在载波驱动器晶体管q1的第一驱动器集电极36与第一驱动器输出38之间。载波驱动器晶体管q1的第一驱动器发射极40耦合到固定电压节点g1，在此示例性实施例中，所述固定电压节点是接地的。峰值信号路径包含峰值驱动器晶体管q2和耦合在90
°
分路器26的峰值分路器输出44与峰值驱动器晶体管q2的第二驱动器基极46之间的峰值输入匹配网络42。耦合到第二驱动器基极46的峰值驱动器偏置发生器48被配置成为第二驱动器晶体管q2提供基本上固定的偏置。第二耦合电容器c2耦合在峰值驱动器晶体管q2的第二驱动器集电极50与第二驱动器输出52之间。峰值驱动器晶体管q2的第二驱动器发射极54耦合到固定电压节点g1。
40.第二级14包含第一载波功率晶体管q3，所述第一载波功率晶体管被配置成放大采用载波路径的rf信号的正部分。第三耦合电容器c3耦合在正载波输入56与正载波基极58之间。第一载波功率晶体管q3的正载波发射极60耦合到固定电压节点g1。正载波集电极62通过第一四分之一波长输入66耦合到四分之一波长变换器64。第二级14进一步包含第二载波功率晶体管q4，所述第二载波功率晶体管被配置成放大采用载波路径的rf信号的负部分。第四耦合电容器c4耦合在第二载波功率晶体管q4的负载波输入68与负载波基极70之间。负载波发射极72耦合到固定电压节点g1。负载波集电极74通过第二四分之一波长输入76耦合到四分之一波长变换器64。载波功率偏置发生器78耦合在正载波基极58与负载波基极70之间。载波偏置发生器78被配置成向第一载波功率晶体管q3和第二载波功率晶体管q4两者提
供基本上固定的偏置。载波信号变换器80在第一级12与第二级14之间耦合在载波信号路径内。载波信号变换器80具有耦合在第一驱动器输出38与固定电压节点g1之间的初级线圈82。载波信号变换器80具有耦合在正载波输入56与负载波输入68之间的次级线圈84。
41.第二级14进一步包含第一峰值功率晶体管q5，所述第一峰值功率晶体管被配置成放大采用峰值路径的rf信号的正部分。第五耦合电容器c5耦合在正峰值输入86与正峰值基极88之间。第一峰值功率晶体管q5的正峰值发射极90耦合到固定电压节点g1。正峰值集电极92耦合到正输出94，所述正输出进一步耦合到四分之一波长变换器64的第一四分之一波长输出98。来自正载波晶体管q3和正峰值晶体管q5的放大信号在正输出94处求和在一起。
42.第二级14进一步包含第二峰值功率晶体管q6，所述第二峰值功率晶体管被配置成放大采用峰值路径的rf信号的负部分。第六耦合电容器c6耦合在第二峰值功率晶体管q6的负峰值输入100与负峰值基极102之间。负峰值发射极104耦合到固定电压节点g1。负峰值集电极106耦合到负输出108，所述负输出进一步耦合到第二四分之一波长输出110。来自正峰值晶体管q5和负峰值晶体管q6的放大信号在负输出108处求和在一起。
43.峰值功率偏置发生器112耦合在正峰值基极88与负峰值基极102之间。峰值功率偏置发生器112被配置成向第一峰值功率晶体管q5和第二峰值功率晶体管q6两者提供基本上固定的偏置。峰值信号变换器114在第一级12与第二级14之间耦合在峰值信号路径内。峰值信号变换器114具有耦合在第二驱动器输出52与固定电压节点g1之间的初级线圈116。峰值信号变换器114具有耦合在正峰值输入86与负峰值输入100之间的次级线圈118。平衡-不平衡变换器(balun)120具有耦合在正输出94与负输出108之间的平衡侧线圈122。平衡侧线圈122具有耦合到电源电压源vcc的电源抽头124，所述电源电压源向正载波晶体管q3、负载波晶体管q4、正峰值晶体管q5和负峰值晶体管q6供电。旁路电容器c7耦合在电源抽头124与固定电压节点g1之间。不平衡侧线圈126耦合在天线端口16与固定电压节点g1之间。
44.在操作中，耦合在正载波晶体管q3的正载波基极58与正峰值晶体管q5的正峰值基极88之间的pabp电路系统20被配置成感测正载波晶体管q3的直流基极电压，且响应于正载波晶体管q3的直流基极电压而生成使正峰值晶体管q5解除偏置的第一控制电流。此外，耦合在负载波晶体管q4的负载波基极70与负峰值晶体管q6的负峰值基极102之间的pabn电路系统22被配置成感测负载波晶体管q4的直流基极电压，且响应于负载波晶体管q4的直流基极电压而生成使负峰值晶体管q6解除偏置的第二控制电流。
45.图2a至2d和图2e至2h示出在两个极端ppa偏置方案下pab(虚线)与传统多尔蒂功率放大器(实线)相比的益处。在图2a至2d中，ppa偏置在c类中的传统多尔蒂功率放大器无法在峰值功率范围中显著向上拉动其基极偏置电压。因此，由于ppa功率输出不足且因此负载调制较弱，与常规差分功率放大器(细短虚线)相比，传统多尔蒂功率放大器显示～2.5db p1db功率损失。借助于pab，多尔蒂功率放大器可以极少的功率回退(pbo)效率成本来恢复p1db功率。
46.图2e至2h采用与传统多尔蒂功率放大器偏置不同的方法。ppa偏置在深ab类中，而不是c类，从而提高ppa增益和总体输出功率。但这与自适应偏置的多尔蒂相比，以明显的pbo效率损失成本出现。总结图2a至2d和图2e至2h的情境，尽管ppa偏置可以被操控以最大化p1db或pbo效率，但同时实现这两者是不可能的。pab允许多尔蒂功率放大器在相同设计中实现这两者。由于复用许多通信频带的高损失，这对于满足现代4g/5g前端模块对功率和
最大效率的要求至关重要。
47.自动功率自适应偏置的关键在于在第一级12和第二级14内找到与调制信号驱动下的瞬时rf功率有关的调节直流(dc)信号。对于基于双极的功率放大器，调节基极电压与此rf功率成反比，如图2b和图2f中的载波功率放大器(cpa)调节的vbe曲线所示。当rf功率入射在晶体管的基极-发射极二极管上时，由于二极管的指数i/v曲线，随着rf功率增加，二极管dc偏置电流增加，但dc偏置电压减小。通过感测此基极-发射极电压，可构建根据本公开的电路以生成从较低功率区中的ppa偏置电路减去的电流。在较高功率区中，电流减去减少或停止，这有效地向上拉动ppa偏置。这加速相对于功率驱动的ppa斜升速率，而无需牺牲pbo的ppa电流消耗或总体效率。
48.如图3中所示，基于利用共发射极模式双极装置来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流的偏置适应方法应用于多尔蒂功率放大器10的差分端版本，所述差分端版本以硅(si)、gaas、锗化硅(sige)或磷化铟(inp)双极结晶体管制造工艺制造。构成多尔蒂放大器10的晶体管可以是双极互补金属氧化物半导体(bicmos)工艺中的n型金属氧化物半导体(ncmos)装置。所述晶体管也可以是双极场效应晶体管(bifet)工艺中的n型场效应晶体管(nfet)装置。
49.图3是根据本公开的多尔蒂功率放大器10的区段的示例性实施例的示意图。具体地说，图3描绘papb电路系统20的示例性实施例，所述papb电路系统具有带有传感器基极128、传感器集电极130和传感器发射极132的传感器晶体管qs1。感测电阻器r
sense1
耦合在正载波基极58与传感器基极128之间。滤波电容器c
filt1
耦合在传感器基极128与固定电压节点g1之间。隔离电阻器r
iso1
耦合在传感器集电极130与正峰值基极88之间。传感器发射极132耦合到固定电压节点g1。在示例性实施例中，传感器晶体管qs1是异质结双极晶体管。虽然图3描绘pabp电路系统20，但pabn电路系统22被构造成相同，其中感测电阻器r
sense1
耦合在负载波基极70与传感器基极128之间。而且，在pabn电路系统22中，隔离电阻器r
iso1
耦合在传感器集电极130与负峰值基极102之间。等式(1)、(2)和(3)控制ppa基极电流与所感测cpa基极电压之间的关系：
[0050][0051]idebias
＝β
·isense
ꢀꢀ
(2)
[0052][0053]
其中β为hbt装置正向电流增益(＝105)，q为单位电子电荷，n为晶体管理想性因子，k为boltzman常数，t为装置结温度，并且为传感器晶体管qs1的共发射极装置饱和电流。
[0054]
应注意，等式(3)为超值函数，它禁止两个变量的关系为干净封闭形式。感测电阻器r
sense1
和滤波电容器c
filt1
构成低通滤波器以拒绝rf功率注入到传感器晶体管qs1中。这有助于减少rf噪声并保持稳定性，因为它显著地减弱通过pab路径的rf增益。如所设计，基于模拟发现低通过滤时间常数＝r
sense1
(＝600欧姆)*c
filt1
(＝1pf)＝0.6ns是足够的。这种极短的延迟时间保证pab将有足够的速度来处理5g信号包络带宽，所述带宽在n41频带中可高达100mhz。隔离电阻器r
iso1
的目的为在rf下将晶体管qs1与ppa最终级隔离，使得晶体管不
会意外地解调ppa基极阻抗。取决于操作频率、感测晶体管qs1的大小和装置技术，可能不需要隔离电阻器r
iso1
。
[0055]
为了示出pab的作用，图4a示出pab内部的模拟电流汲取如何随着输入功率驱动增大而减小。idebias和isense以缩放系数β互相跟踪。图4b示出多尔蒂功率放大器10的第二级偏置电压，具有pab以虚线示出且没有pab以实线示出。由于自适应偏置，在高pin驱动区中，ppa调节的基极电压比没有pab的传统多尔蒂功率放大器更快地向上拉动。图4c示出第二级基极偏置电流(ibb)。因此，借助于pab，ppa偏置电流(ibb)向上拉动得更快得多。还应注意，cpa调节的偏置电流(ibb)也增加。这归因于来自pab的较强负载调制的较高cpa输出功率，如图4d中所示。在低功率区中，ppa在两个多尔蒂功率放大器中偏置在c类中。对于示例性实施方案中使用的gaas hbt，vbe接通阈值在tambient＝25℃下大约为1.2v。
[0056]
为了解决关于pab对噪声的影响的潜在问题，功率放大器专用频带30(b30)接收(rx)频带噪声功率由于其在频率上接近的tx-rx分离而被模拟为最差情况。图5示出pab的rxnp存在略微降低；然而，在功率放大器输出处，rxnp仅为1至1.5db。在拒绝略微改进多路复用器设计的情况下，b30接收频带噪声功率(rxnp)在天线端口16处应该类似。
[0057]
还在天线处电压驻波比(vswr)＝6:1的连续波大信号驱动下分析传输稳定性。在图6a和6b中，首先发现输入功率pin＝-5dbm是负载设置为50欧姆时输入功率扫描的最差值。接下来，在pin固定在-5dbm的情况下，将vswr设置为6:1，并且在天线处以30度步长从0度扫描到330度。winslow稳定性探针(winslow stability probe)被放置在多尔蒂功率放大器内部的五个不同位置以分析所有环路。图6a和6b中的不同单独曲线对应于来自每个探针位置的结果。两个电路都因为没有包围曲线起点的返回差迹线而满足稳定性准则。pab多尔蒂放大器展示稳定性裕度的略微降低。这归因于与峰值驱动区处的较高偏置电流相关联的较高本征晶体管装置增益，如图4c中所示。
[0058]
自适应偏置的多尔蒂功率放大器的温度扫描性能呈现在图7a和7b中。使用ads电热模拟器来模拟-20℃、25℃和85℃的温度，以检查rf性能漂移。如图7b中所示，多尔蒂功率放大器增益和pae相对于温度表现很好。这是使用根据本公开的简单功率自适应偏置并将其展开以使得其非常接近同一管芯上的cpa最终级的结果。由于物理接近，共发射极装置密切地跟踪cpa最终级温度。
[0059]
如图8中所示，基于利用电流镜来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流的偏置适应方法应用于si、gaas、sige或inp bjt工艺中的差分端多尔蒂功率放大器。电流镜可以用bicmos工艺中的nmos对或bifet工艺中的nfet对来实施。
[0060]
图8通过采用包含参考晶体管qref1和镜晶体管qmir1的电流镜134来示出根据本公开的替代实施例。使用电流镜134的益处在于，设计者可以用发射极面积比m来控制ibebias与isense缩放比率，这赋予了更多设计灵活性来优化功率放大器性能。等式(4)和超越等式(5)控制idebias与cpa基极电压关系：
[0061][0062][0063]
其中为参考二极管饱和电流，并且m为电流镜比＝发射极面积比。
[0064]
图9a至9d示出根据本公开的共发射极hbt实施例与电流镜实施例(m＝10.6)的多尔蒂功率放大器性能。由于在等式(2)中ibebias缩放因子mβ/(1+m+β)低于β，因此这个实施例显示不太陡的ppa偏置斜升速率。低功率区ppa偏置差异归因于优化每个功率放大器性能的不同偏置策略。总体而言，在峰值功率区中具有略微的增功率效率差异的两种方法之间，多尔蒂功率放大器性能是类似的。
[0065]
根据本公开的功率自适应偏置的运算放大器辅助实施例在图10中示出。运算放大器136驱动传感器晶体管qs1的基极以均衡v1和v2(等式6)，因为这具有几乎无限的电压增益。二极管连接的晶体管ds1耦合在感测电阻器r
sense1
与耦合到固定电压节点g1的第一发射极电阻器re1之间。运算放大器136的正输入耦合到二极管连接的晶体管ds1与感测电阻器r
sense1
之间的节点。第一电压v1由正输入感测。第二发射极电阻器re2耦合在传感器晶体管qs1的传感器发射极132与固定电压节点g1之间。运算放大器136的输出耦合到传感器晶体管qs1的传感器基极128。负输入耦合到传感器发射极132与第二发射极电阻器re2之间的节点。第二电压v2由负输入感测。第一发射极电阻器re1和第二发射极电阻器re2设置等式7中的电流缩放比。运算放大器可以在双极晶体管、互补金属氧化物半导体或场效应晶体管制造工艺中实施。
[0066]v1
≈v2ꢀꢀ
(6)
[0067][0068]
共发射极功率自适应偏置的分布式电阻器网络实施方案在图11中示出。由于每个级频繁使用多个单元，这种实施方案在功率放大器中是实用的。各自具有电阻值crsense的载波感测电阻器cr
sense1
到cr
sense-n
部分地或完全地集成到功率级中，其中有效rsense＝rsense1+crsense/n，其中n为功率级中的单位单元装置的数目。隔离电阻器pr
iso1
到pr
iso-n
各自具有pr
iso
的电阻值且被分布到功率级。有效总riso＝priso/n。
[0069]
第一载波偏置输入138通过第一载波基极电阻器cr
bb1
耦合到正载波基极58。第n载波偏置输入138-n耦合到第n载波基极58-n。载波功率偏置发生器78(图1)可以通过第n载波偏置输入138-n耦合到正载波基极58以偏置第一载波功率晶体管q3到q3-n。
[0070]
第一峰值偏置输入140通过第一峰值基极电阻器pr
bb1
耦合到正峰值基极88。第n峰值偏置输入140-n耦合到第n峰值基极88-n。峰值功率偏置发生器112(图1)可以通过第n峰值偏置输入140-n耦合到正峰值基极88以偏置第一峰值功率晶体管q5到q5-n。
[0071]
共发射极功率自适应偏置的完全分布式网络实施方案在图12中示出。感测电阻器r
sense1
、滤波电容器c
filt1
和传感器晶体管qs1集成到每个单元的cpa功率级中。rsio被分布到ppa功率级。
[0072]
电流镜功率自适应偏置的分布式电阻器网络实施方案在图13中示出。由于每个级频繁使用多个单元，这种实施方案在功率放大器中也是实用的。感测电阻器r
sense1
部分地或完全地集成到功率级中，其中有效rsense＝rsense1+crsense/n。rsio被分布到功率级：有效总riso＝priso/n。此实施例将镜晶体管qmir1保留为集总的，以节省功率单元布局占用面积。
[0073]
电流镜功率自适应偏置的另一实际分布式实施方案在图14中示出。感测电阻器r
sense1
部分地或完全地集成到功率级中，其中有效rsense＝rsense1+crsense/n。rsio被分
布到功率级，其中有效总riso＝priso/n。根据本公开的此实施例还将镜晶体管pqmir1到pqmir-n分布和集成到具有潜在较大实施面积的功率级布局中。当在rf频率下pqmir装置输出阻抗非常高时，可以消除priso。
[0074]
基于利用共发射极模式双极装置来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流的本偏置适应方法应用于硅、砷化镓、锗化硅或铟磷双极结晶体管制造工艺中的单端多尔蒂功率放大器。构成差分多尔蒂功率放大器10的每个晶体管可以是在bicmos工艺中制造的nmos装置。构成差分多尔蒂功率放大器10的每个晶体管也可以是在bifet工艺中制造的nfet装置。
[0075]
本通用功率适应方法还可基于利用共发射极模式双极装置来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流以用于除功率放大器偏置控制之外的应用。共发射极bjt可以替换为bicmos工艺中的nmos装置，或bifet工艺中的nfet装置。
[0076]
本偏置适应方法可进一步基于利用电流镜来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流，且应用于si、gaas、sige或inp hbt工艺中的单端多尔蒂功率放大器。电流镜可以用bicmos工艺中的nmos对或bifet工艺中的nfet对来实施。
[0077]
通用功率适应方法基于利用电流镜来感测功率放大器基极电压和缩放控制电流以用于除功率放大器偏置控制之外的应用。电流镜可以用bicmos工艺中的nmos对或bifet工艺中的nfet对来实施。
[0078]
参考图15，上文所描述的概念可以在支持例如蜂窝、无线局域网(wlan)、蓝牙和近场通信等无线通信的例如移动终端、智能手表、平板电脑、计算机、导航装置、接入点等各种类型的无线通信装置或用户元件142中实施。用户元件142通常将包含控制系统144、基带处理器146、包含多尔蒂功率放大器10的传输电路系统148、接收电路系统150、天线切换电路系统152、多个天线154和用户界面电路系统156。接收电路系统150经由天线154并通过天线切换电路系统152从一个或多个基站接收射频信号。低噪声放大器和滤波器(未示出)协作以放大和消除来自接收信号的宽带干扰以进行处理。然后，降频转换和数字化电路系统(未示出)会将滤波后的接收信号降频转换为中间或基带频率信号，接着将所述信号数字化为一个或多个数字流。
[0079]
基带处理器146处理数字化的接收信号以提取在接收信号中传达的信息或数据位。这种处理通常包括解调、解码和错误校正操作。基带处理器146通常在一个或多个数字信号处理器(dsp)和专用集成电路(asic)中实施。
[0080]
对于传输，基带处理器146从控制系统144接收可以表示语音、数据或控制信息的数字化数据，所述基带处理器对所述数字化数据进行编码以用于传输。编码数据输出到传输电路系统148，其中编码数据由调制器(未示出)用于调制处于一个或多个所需传输频率的载波信号。功率放大器(未示出)会将调制的载波信号放大到适于传输的水平，并且通过天线切换电路系统152将调制的载波信号递送到天线154。天线154以及复制的传输电路系统148和接收电路系统150可以提供空间分集。本领域技术人员将理解调制和处理细节。
[0081]
可以设想，可以组合前述方面中的任一方面，和/或如本文所描述的各种单独方面和特征以获得额外优点。除非本文相反指示，否则本文所公开的各种实施例中的任一实施例可以与一个或多个其它公开的实施例组合。
[0082]
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有此类改进和
修改都认为是在本文公开的概念和以下权利要求的范围内。

技术特征：
1.一种放大器，其包括：
●
载波放大器，所述载波放大器具有共发射极载波功率级；
●
峰值放大器，所述峰值放大器具有共发射极峰值功率级；以及
●
功率自适应偏置电路系统，所述功率自适应偏置电路系统耦合在所述载波放大器与所述峰值放大器之间，其中所述功率自适应偏置电路系统被配置成感测所述共发射极载波功率级的直流基极电压，且响应于所述共发射极载波功率级的电流基极电压而生成使所述共发射极载波功率级解除偏置的控制电流。2.根据权利要求1所述的放大器，其中所述共发射极载波功率级包括：
●
第一载波功率晶体管，所述第一载波功率晶体管具有耦合到固定电压节点的第一载波发射极、第一载波基极和第一载波集电极，以及耦合到所述固定电压节点的第二载波发射极、第二载波基极和第二载波集电极；以及
●
第一峰值功率晶体管，所述第一峰值功率晶体管具有耦合到所述固定电压节点的第一峰值发射极、第一峰值基极和第一峰值集电极。3.根据权利要求2所述的放大器，其中所述功率自适应偏置电路系统包括：
●
功率自适应偏置正(pabp)电路系统，所述pabp电路系统耦合在所述第一载波基极与所述第一峰值基极之间，其中所述pabp电路系统被配置成感测所述直流基极电压中作为所述第一载波功率晶体管的直流基极电压的一个直流基极电压，且作为响应生成所述控制电流中使所述第一峰值功率晶体管解除偏置的一个控制电流；以及
●
功率自适应偏置负(pabn)电路系统，所述pabn电路系统耦合在所述第二载波基极与所述第二峰值基极之间，其中所述pabn电路系统被配置成感测所述直流基极电压中作为所述第二载波功率晶体管的直流基极电压的一个直流基极电压，且作为响应生成所述控制电流中使所述第二峰值功率晶体管解除偏置的一个控制电流。4.根据权利要求3所述的放大器，其中所述pabp电路系统包括：
●
传感器晶体管，所述传感器晶体管具有耦合到所述固定电压节点的传感器发射极、传感器基极和传感器集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第一载波基极与所述传感器基极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述传感器集电极与所述第一峰值基极之间。5.根据权利要求4所述的放大器，其中所述pabp电路系统进一步包括耦合在所述传感器基极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。6.根据权利要求3所述的放大器，其中所述pabn电路系统包括：
●
传感器晶体管，所述传感器晶体管具有耦合到所述固定电压节点的传感器发射极、传感器基极和传感器集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第二载波基极与所述传感器基极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述传感器集电极与所述第二峰值基极之间。7.根据权利要求6所述的放大器，其中所述pabn电路系统进一步包括耦合在所述传感器基极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。8.根据权利要求3所述的放大器，其中所述pabp电路系统包括：
●
参考晶体管，所述参考晶体管具有耦合到所述固定电压节点的参考发射极、参考基极和耦合到所述参考基极的参考集电极；
●
镜晶体管，所述镜晶体管具有耦合到所述固定电压节点的镜发射极、耦合到所述参考基极的镜基极和镜集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第一载波基极与所述参考集电极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述镜集电极与所述第一峰值基极之间。9.根据权利要求8所述的放大器，其中所述pabp电路系统进一步包括耦合在所述参考集电极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。10.根据权利要求3所述的放大器，其中所述pabn电路系统包括：
●
参考晶体管，所述参考晶体管具有耦合到所述固定电压节点的参考发射极、参考基极和耦合到所述参考基极的参考集电极；
●
镜晶体管，所述镜晶体管具有耦合到所述固定电压节点的镜发射极、耦合到所述参考基极的镜基极和镜集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第二载波基极与所述参考集电极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述镜集电极与所述第二峰值基极之间。11.根据权利要求8所述的放大器，其中所述pabn电路系统进一步包括耦合在所述参考集电极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。12.根据权利要求1所述的放大器，其中所述固定电压节点是接地的。13.一种用于使用放大器放大信号的方法，所述放大器包括具有共发射极载波功率级的载波放大器、具有共发射极峰值功率级的峰值放大器和耦合在所述载波放大器与所述峰值放大器之间的功率自适应偏置电路系统，所述方法包括：
●
感测所述共发射极载波功率级的直流基极电压；以及
●
响应于所述共发射极载波功率级的电流基极电压而生成使所述共发射极载波功率级解除偏置的控制电流。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述功率自适应偏置电路系统包括耦合在第一载波基极与第一峰值基极之间的功率自适应偏置正(pabp)电路系统和耦合在第二载波基极与第二峰值基极之间的功率自适应偏置负(pabn)电路系统，所述方法进一步包括：
●
感测所述直流基极电压中作为第一载波功率晶体管的直流基极电压的一个直流基极电压；
●
响应于所述第一载波功率晶体管的所感测直流基极电压而生成所述控制电流中使第一峰值功率晶体管解除偏置的一个控制电流；
●
感测所述直流基极电压中作为第二载波功率晶体管的直流基极电压的另一直流基极电压；以及
●
响应于所述第二载波功率晶体管的所感测直流基极电压而生成所述控制电流中使第二峰值功率晶体管解除偏置的另一控制电流。15.根据权利要求13所述的方法，其中所述固定电压节点是接地的。16.一种无线通信装置，其包括：
●
基带处理器；
●
传输电路系统，所述传输电路系统被配置成从所述基带处理器接收编码数据并用所述编码数据调制载波信号，其中所述传输电路系统包括：
●
载波放大器，所述载波放大器具有共发射极载波功率级；
●
峰值放大器，所述峰值放大器具有共发射极峰值功率级；
●
功率自适应偏置电路系统，所述功率自适应偏置电路系统耦合在所述载波放大器与所述峰值放大器之间，其中所述功率自适应偏置电路系统被配置成感测所述共发射极载波功率级的直流基极电压，且响应于所述共发射极载波功率级的电流基极电压而生成使所述共发射极载波功率级解除偏置的控制电流；以及
●
至少一个天线，所述至少一个天线耦合到所述传输电路系统以传输所述载波信号。17.根据权利要求16所述的无线通信装置，其中所述共发射极载波功率级包括：
●
第一载波功率晶体管，所述第一载波功率晶体管具有耦合到固定电压节点的第一载波发射极、第一载波基极和第一载波集电极，以及耦合到所述固定电压节点的第二载波发射极、第二载波基极和第二载波集电极；以及
●
第一峰值功率晶体管，所述第一峰值功率晶体管具有耦合到所述固定电压节点的第一峰值发射极、第一峰值基极和第一峰值集电极。18.根据权利要求16所述的无线通信装置，其中所述功率自适应偏置电路系统包括：
●
功率自适应偏置正(pabp)电路系统，所述pabp电路系统耦合在所述第一载波基极与所述第一峰值基极之间，其中所述pabp电路系统被配置成感测所述直流基极电压中作为所述第一载波功率晶体管的直流基极电压的一个直流基极电压，且作为响应生成所述控制电流中使所述第一峰值功率晶体管解除偏置的一个控制电流；以及
●
功率自适应偏置负(pabn)电路系统，所述pabn电路系统耦合在所述第二载波基极与所述第二峰值基极之间，其中所述pabn电路系统被配置成感测所述直流基极电压中作为所述第二载波功率晶体管的直流基极电压的一个直流基极电压，且作为响应生成所述控制电流中使所述第二峰值功率晶体管解除偏置的一个控制电流。19.根据权利要求18所述的无线通信装置，其中所述pabp电路系统包括：
●
传感器晶体管，所述传感器晶体管具有耦合到所述固定电压节点的传感器发射极、传感器基极和传感器集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第一载波基极与所述传感器基极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述传感器集电极与所述第一峰值基极之间。20.根据权利要求19所述的无线通信装置，其中所述pabp电路系统进一步包括耦合在所述传感器基极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。21.根据权利要求18所述的无线通信装置，其中所述pabn电路系统包括：
●
传感器晶体管，所述传感器晶体管具有耦合到所述固定电压节点的传感器发射极、传感器基极和传感器集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第二载波基极与所述传感器基极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述传感器集电极与所述第二峰值基极之间。
22.根据权利要求21所述的无线通信装置，其中所述pabn电路系统进一步包括耦合在所述传感器基极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。23.根据权利要求18所述的放大器，其中所述pabp电路系统包括：
●
参考晶体管，所述参考晶体管具有耦合到所述固定电压节点的参考发射极、参考基极和耦合到所述参考基极的参考集电极；
●
镜晶体管，所述镜晶体管具有耦合到所述固定电压节点的镜发射极、耦合到所述参考基极的镜基极和镜集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第一载波基极与所述参考集电极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述镜集电极与所述第一峰值基极之间。24.根据权利要求23所述的无线通信装置，其中所述pabp电路系统进一步包括耦合在所述参考集电极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。25.根据权利要求18所述的无线通信装置，其中所述pabn电路系统包括：
●
参考晶体管，所述参考晶体管具有耦合到所述固定电压节点的参考发射极、参考基极和耦合到所述参考基极的参考集电极；
●
镜晶体管，所述镜晶体管具有耦合到所述固定电压节点的镜发射极、耦合到所述参考基极的镜基极和镜集电极；
●
感测电阻器，所述感测电阻器耦合在所述第二载波基极与所述参考集电极之间；以及
●
隔离电阻器，所述隔离电阻器耦合在所述镜集电极与所述第二峰值基极之间。26.根据权利要求18所述的无线通信装置，其中所述pabn电路系统进一步包括耦合在所述参考集电极与所述固定电压节点之间的滤波电容器。27.根据权利要求16所述的无线通信装置，其中所述固定电压节点是接地的。

技术总结
本公开涉及多尔蒂功率放大器。公开了一种放大器，所述放大器具有被配置为共发射极载波功率级的载波放大器和被配置为共发射极峰值功率级的峰值放大器。进一步包含功率自适应偏置电路系统，所述功率自适应偏置电路系统耦合在所述载波放大器与所述峰值放大器之间，其中所述功率自适应偏置电路系统被配置成感测所述共发射极载波功率级的直流基极电压，且响应于所述共发射极载波功率级的电流基极电压而生成使所述共发射极载波功率级解除偏置的控制电流。制电流。制电流。


技术研发人员：季明 D
受保护的技术使用者：QORVO美国公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/9/13