优化偏置级联金属氧化物半导体场效应晶体管 射频器件的方法和装置 相关申请
本申请要求2000年4月21日提交的美国临时专利申请No.60/199372的利益(代理人档案号No.004700.P004Z)。领域
本发明一般涉及功率放大器系统，更具体地说，涉及一种改善射频功率放大器线性性能的方法和装置。发明背景
诸如蜂窝系统运营商的通信服务提供商必须服从联邦通信委员会(FCC)强制推行的非常严格的带宽使用频谱限制。FCC准许射频频谱中的传输信道并且要求将信号限制在某些发射限度屏蔽之内，从而防止由信号杂散或溢出到相邻传输信道而引起的干扰。“发射屏蔽”是一种功率谱密度包络。所允许的最大发射功率作为从标称分配中心频率的频偏的函数而变化。换句话说，发射屏蔽为信道分配中的各个频率确定可以特定频率发射的最大功率。这需要使边频带溢出、即准许信道之外的能量迅速地衰减。
当实现诸如码分多址(CDMA)或时分多址(TDMA)的基于数字的现代调制形式时，满足这些发射屏蔽的要求尤其困难。利用这种调制时，通过使边频带衰减来满足FCC要求需要完全线性的信号处理系统和组件。另外，这些数字调制形式一般要求相对于平均功率电平非常高的峰值功率。在几乎每种功率放大器设计中，都利用了某种线性增广。这样，设计射频上地线性组件，更确切地说，完成功率放大器的设计是昂贵并且具有挑战性的。
通常在数字蜂窝基站中利用包括多个RF功率晶体管的射频(RF)线性功率放大器(LPA)来放大发射信号的功率。蜂窝通信的RF功率放大器通常在兆赫(MHz)和千兆赫(GHz)频率范围内工作。放大发射信号一般要求具有高的峰值对平均值功率输出比(动态峰值储备)的LPA，一般至少10dB。挑战性在于设计能够在最小化边频带溢出并且放大信号不失真的同时提供这种动态峰值储备的LPA。
典型的蜂窝基站要求其LPA的总增益在45到60分贝(dB)范围内。增益中的一部分通过设计具有级联RF功率晶体管的LPA得到，其中每个串联的晶体管被称为“增益级”。设计线性RF功率放大器的基础问题在于功率放大器原本是非线性器件并生成不需要的互调失真(IMD)。
线性指的是功率放大器的一种特性，其中在输入信号和输出信号之间存在基本恒定的(线性)增益。一般来说，功率放大器只在输入信号电压电平的范围内呈现线性增益。这个范围经常被称为功率放大器的线性区域。如果输入信号电压低于线性区域的最小电压或高于线性区域的最大电压，则发生信号失真。
信号失真的另一种形式被称为互调失真，这种失真表现为放大RF输出信号中的寄生信号，与RF输入信号分开并且不同于RF输入信号。当混合来自输入信号的不同频率以产生总和并且在输入信号中不存在不同频率时，发生IMD。这是由放大器组件在线性区域之外工作的行为导致的结果。
众所周知，当射频LPA由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成时，与为高功率开关和较低频率应用而设计的MOSFET器件相对照，这些器件的跨导在中等漏极电流上表现出夹断或限制效应。这是由于以下事实：为了实现RF应用中所需的高频性能，必须大大减少MOSFET内各个单元的沟道宽度。这种沟道宽度减少使得器件的栅极电位增加时出现夹断效应。这种过早的限流作用产生了软压缩，该软压缩限制了基于MOSFET的LPA的线性功率输出。另外，限制之前跨导是非线性函数，使得器件的小信号增益受到偏流的强烈影响。
因此，需要这样一种RF线性功率放大器：与传统LPA相比，它具有基本线性的特性、最小化溢出边频带和互调失真并且不增加DC电流消耗。附图说明
图1示意了功率放大器的模拟非线性模型，其中增益为输入功率和栅压的函数。
图2是表示静态电流为图1所示的四个栅压中的三个栅压的函数的表。
图3是本发明的第一实施例的组件级示意图。
图4是本发明的第二实施例的组件级示意图。
图5是本发明的第三实施例的组件级示意图。
图6是多级RF功率放大器的输出信号功率谱的示意图。
图7是当用本发明补充时，多级RF功率放大器的输出信号功率谱的示意图。
图8是实践本发明的步骤的示意图。发明详述
根据本文所公开的最佳技术，本发明提供一种通过调整各个级来改善多级RF功率放大器的线性度的方法和装置，这种方式使得级联的级的线性度优于任一单独级本身。
图1示意了功率放大器的模拟非线性模型，它将增益(平均功率输出)对第三级IMD示意为输入功率和栅压的函数。在图2中，表格预测静态电流作为栅压的函数。图2中的三个值对应于图1所示的曲线。虽然为了说明本发明，图1和图2公开了一组值，但是本发明并不限于这些值。可以通过本文所公开的方法和装置利用可由本领域的普通技术人员获得的大量其它值来实践本发明。
如图1所示，取决于偏置设置，低功率上的放大器增益受到静态电流电平(图2所示)的极大影响，而对较高功率电平上的增益的影响程度较小。在更进一步的观察后，可以注意到，在某一特定静态电流上(图2所示)，放大器显示增益相对于输入功率在某种程度上为恒定(线性)的区域102。这应该是理论上最优线性度的最佳工作点。
但是，显而易见，恒定增益102的最佳区域并不是最大输出功率104的区域。在传统功率放大器实现中，不得不在最高输出功率和最佳线性度之间做出某种折衷。
图3示意了本发明的一个实施例，其中RF功率放大器包括连接到第二级(输出级)放大器308的第一级(激励器或输入级)放大器304。根据本发明的第一实施例，控制器312调整到第一级放大器304的偏压306以获得最佳线性度，并且调整到第二级放大器308的偏压310以获得最大峰值功率。如图1所示，通过向放大器提供使其在线性区域102内工作的偏压，可得到最佳线性度(图1)。类似的，通过向放大器提供使其在最高功率电平104内工作的偏压，可得到最大峰值功率(图1)。
这种技术实现了改进的线性度以及比放大器的任一级出现的IMD更低的IMD。这种改进的产生是因为之后在第二级中不再放大由第一级导致的失真。相反，由于一般由级到级而生成的相位和振幅失真的交叉对消效应而很大程度地消除了失真。也就是说，因为来自扩展级和压缩级的失真分量被180°取消，因此在包括扩展级和压缩级的级联级中将基本消除信号中的失真分量。
压缩被定义为减小增益，同时扩展被相对地定义为增加输出功率，其中增益随着功率输出的增加而增加。“软压缩”被定义为缓慢的减小增益同时增加输出功率。“硬压缩”被定义为基本恒定的增益直到达到饱和。
这样，在一种配置中，第一级的增益扩展补偿了第二级的增益压缩，从而基本取消了失真分量。第一级(激励级)在最低或次最低电平之间的偏压下工作，即图2中的3.0V DC(直流)和3.2V DC。这使得第一级在增益扩展区工作。第二级放大器在最高或次最高电平之间的偏压下工作，即图2中的3.6V DC和3.4V DC。第二放大器的结果功率传递函数应包括软压缩。
在另一配置中，第一级的增益压缩补偿了第二级的增益扩展。
根据本发明的一个实施例，功率放大器包括具有类似或相同芯片型式的RF MOSFET器件。例如，在图3中，第一级204和第二级208可包括相似芯片型式的RF MOSFET器件。在另一实施例中，功率放大器可由一个或多个RF横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管组成。
在图4所示本发明的另一实施例中，除了调整偏置电平之外，可以在第一级404和第二级408之间放置衰减器416，以允许设置第一级放大器404的RF工作点，以得到增强的最优总线性度。第二级放大器408可以偏置在相对低的静态电流上，以获得最高效率以及最高峰值功率输出。所得到的功率传递函数应包括低信号电平上的增益扩展和在高功率电平上的某种压缩。
一般来说，可以将激励级偏置在相对高的偏流上，从而在相当大的动态范围上产生增益压缩效应。相对于传统偏置技术，利用这种偏置线性化技术的总改进可以使相邻信道功率减少多达8到10dB。所有这种改进都在不牺牲放大器的峰值或平均输出功率的情况下获得。
根据本发明的一个实施例，一级可包括多个输出器件。图5示意了第一级504，其后是包括多个输出器件522、524、526以及528的第二级508。
为了进一步提高性能，输出器件522、524、526以及528的交错偏置可进一步改善相邻信道功率。各个输出器件522、524、526以及528可以被偏置在稍微不同的工作或静态点上。各个输出器件可包括至少一个放大器，其中该放大器可包括至少一个晶体管。因为输出器件522、524、526以及528不是全部在相同的功率电平上压缩的，因此这类操作趋向于使输出级508的增益线性化。交错调整输出器件的偏置可以另外增加1到3dB的相邻频带功率减小。
图6和图7说明本发明所实现的性能改进。图6是没有采用本发明的传统多级RF功率放大器的输出信号功率谱的示意图。注意，所测量的从中心频率604到第一边频带602的互调失真为-41.34dB。图7是采用包括扩展级和压缩级的级联级的多级RF功率放大器的输出信号功率谱的示意图。注意，所测量的从中心频率704到第一边频带702的互调失真为-56.27dB。输出信号的互调失真改善了将近15dB。
图8示意了可实践本发明的过程。第一级器件(激励级或输入级)被配置为在增益扩展区802中工作。连接到第一级器件的第二级器件(输出级)被配置为在增益压缩区804中工作。一种可以配置这些器件的方法是在将第二级器件的静态电流设置为相对高电平的同时，将第一级器件的静态电流设置为低电平，以获得相邻信道功率的减少。
可以通过相反地利用本偏置技术来实现本过程的另一实施例。也就是说，将第一级的静态电流设置为相对高电平以获得增益压缩。这样，第二级的静态电流应设置为相对低的电平。
在另一实施例中，第二级器件包括并联的多个输出器件，该输出器件可以是交错偏置的806(图8)。
由于MOSFET的VTO(接通阈值)随温度而变是非常确实的事实，并且以上技术很大程度上依赖于静态电流，因此有利的是通过监视放大器底板的温度并利用数字查表调整偏压来维持最优性能，从而在高达100摄氏度的温度变化中保持最优线性度。
数字功率放大器的要求一般规定利用至少10dB范围的功率电平的动态控制。经验显示，随着功率输出在大动态范围上变化，微小的偏置调整可以进一步优化这种线性化技术。
为了适应优化温度变化808(图8)以及功率变化810(图8)的工作偏置的需要，小型微处理器与查表(存储器)一起可容易地实现放大器的自适应控制。同一处理器可以执行诸如报告错误、状态报告以及模块接口通信等其他功能。
在另一实施例中，可通过利用数字调谐接收器来自适应地控制偏压调整过程。这种接收器在工作频带上进行扫描，以找到一个或多个载频。一旦确定载频，可以对接收机进行程序设计，以测量载波的相邻信道功率并选择最高的相邻信道功率。可以利用软件最小化算法来调整偏置电平从而将相邻信道功率减少到可接受水平812(图8)。
在本发明的一个实施例中，可以通过在第一和第二级的偏置电平之间保持固定关系来完成调整过程。例如，将第一级的偏置电平始终保持为大约第二级偏置电平的一半。在另一实施例中，可以将第二级的偏置电平保持为第一级偏置电平的大约百分之六十。这些关系仅仅为了说明而提供，并不是对本发明的限制，本发明可以通过功率放大器的第一级和第二级之间的其他偏置电平率实践。
虽然已详细地描述和说明了本发明，但是应该清楚地理解，这仅旨在说明和例示，并非限制，本发明的精神和范围仅由以下权利要求书的内容限制。