CN101997495B - 用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可适性偏置电路，用以提供对输入功率更灵敏的可适性偏置电流给电子电路，可适性偏置电路包括第一晶体管耦接至供应电源，电压偏置电路耦接至该第一晶体管和该供应电源用以偏置该第一晶体管，和第一耦合模块耦接至该第一晶体管和该电子电路用以耦合输入信号能量的一部分至该第一晶体管。第二晶体管是耦接至该第一晶体管和该供应电源以增加该可适性偏置电路的电流增益，和第二耦合模块是耦接至该第二晶体管和该电子电路以提供可适性偏置电流至该电子电路。

Description

用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路
技术领域
本发明是有关于一种可适性偏置电路，尤指一种用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路。
背景技术
目前，电子装置随处可见，在任何可以想到的地方都可找到他们的踪迹，例如家里、工作场所、汽车内、甚至我们的口袋里。另外随着科技进步，在同样价格下，电子装置变的更加轻薄短小、更省电、却提供更多更强大的功能。部分原因是由于更小的电子组件唾手可得，像是晶体管、芯片电容等。然而，可改善规格的新颖电路架构也是提升上述电子装置效能的一部分原因。
放大器几乎是每一电子装置中的关键组件。放大器的电子特性变化范围非常广，像是增益、频宽、及线性度等；其应用范围也相当广泛，像是主动滤波器(active filter)、缓冲器、模拟信号转数字信号(analog-to-digital)的转换器、及RF收发器等。
目前，大部分使用在集成电路内的放大器是使用一个晶体管或多个晶体管以提供信号放大的功能。在一些应用当中，像是用在RF收发器的功率放大器，其中提供放大功能的晶体管的线性操作范围就是重要的设计考虑，为了要达到提供放大功能的晶体管的线性操作范围，将偏置电路耦接至功率放大器以提供偏置电流或偏置电压给提供放大功能的晶体管。一般来说，偏置电流或偏置电压的设计是要使提供放大功能的晶体管的线性操作范围最大，但电流消耗最少。
一种用以增加提供放大功能的晶体管的线性操作范围的技术是可适性偏置(adaptive biasing)，不像用固定的偏置电流或偏置电压来偏置提供放大功能的晶体管，可适性偏置电路(adaptive biasing circuit)基于输入信号的特性，像是振幅、相位、频率等调整偏置电流或偏置电压的大小。可适性偏置电路也可结合传统偏置电路，用以提供微调偏置电流或偏置电压的效果。
请参照图1，图1是现有技术的可适性偏置电路的示意图。在图1中，该可适性偏置电路偏置功率放大器晶体管Q1，而功率放大器晶体管Q1是通过输出匹配电路输出输出信号。该可适性偏置电路有偏置晶体管Q2、第一偏置电阻R1、第一偏置二极管D1、及第二偏置二极管D2。偏置晶体管Q2的集极是耦接至供应电压Vcc，偏置晶体管Q2的射极是耦接至功率放大器晶体管Q1的基极。第一偏置电阻R1是耦接在偏置电压Vbias和偏置晶体管Q2的基极之间。第一偏置二极管D1的正极是耦接至偏置晶体管Q2的基极，以及第一偏置二极管D1的负极是耦接至第二偏置二极管D2的正极。第二偏置二极管D2的负极是耦接至地。
当通过电容C1接收的输入信号的功率增加时，也就是在偏置晶体管Q2的射极的功率增加时，偏置晶体管Q2流出更多可适性偏置电流至功率放大器晶体管Q1的基极以维持功率放大器晶体管Q1操作在线性范围，让功率放大器晶体管维持操作在线性范围的可适性偏置电流取决于功率放大器晶体管本身的特性以及耦合至功率放大器的匹配电路。
在某些情况下，当输入功率增加时，由偏置晶体管Q2的射极所提供的可适性偏置电流无法大到足以使放大器操作在线性范围，因此，在上述情况下，将需要一种改善过的可适性偏置电路以提供对输入功率更敏感的可适性偏置电流。
请参照图4，图4是现有技术的偏置电路40的示意图。图4所示的偏置电路40是提供在美国专利案第6,859,103号，名称为“用以改善射频功率放大器的线性度的偏置电路”，偏置电路40包括被两个二极管401、402以及电阻偏置的偏置晶体管412，而偏置晶体管412提供偏置电流给功率放大器晶体管422。射频信号从功率放大器晶体管422的基极输入，该射频信号通过电感404和偏置晶体管412的射极部份隔离。电感406、电容405串接共振腔电路传导该射频信号的第二谐波至地。通过偏置晶体管412，偏置电路40随着输入信号功率增加而放出更多可适性偏置电流，但是却不能提供随该输入信号功率灵敏改变的可适性偏置电流。
请参照图5，图5是现有技术的还一偏置电路50的示意图。图5所示的偏置电路50是提供在美国专利案第6,744,321号，名称为“用以功率放大器的偏置控制电路”，偏置电路50包括初级偏置电路502，用以偏置功率放大器晶体管501。偏置电路50还包括额外的偏置电路504，偏置电路504是通过控制电压Vcom开启与关闭，以及提供额外的偏置电流给功率放大器晶体管501。偏置电路50仅顾及两种可能的功率模式：较低输出功率模式和高输出功率模式，但如果需要更多功率模式，则必需外加更多的晶体管。此外，该功率模式是通过控制电压Vcom所决定，也就是需要额外的电路来提供控制电压Vcom，并且决定何时切换控制电压Vcom。
发明内容
本发明提供一种用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路，该可适性偏置电路包括第一晶体管、偏置电路、第一耦合模块、第二晶体管及第二耦合模块。该第一晶体管具有第一端，第二端耦接至供应电源，和第三端；该偏置电路耦接至该第一晶体管的第一端和该供应电源，用以提供偏置至该第一晶体管；该第一耦合模块具有第一端耦接至该第一晶体管的第三端，和第二端是耦接至该通信***的电子电路的输入端，用以耦合输入信号能量的一部分至该第一晶体管的该第三端；该第二晶体管具有第一端耦接至该第一晶体管的第三端，第二端是耦接至该供应电源，和第三端；及该第二耦合模块具有第一端耦接至该第二晶体管的第三端，和第二端耦接至该电子电路的输入端。
根据本发明概念，本发明还提出一种用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路，该可适性偏置电路包括偏置二极管、偏置电路、第一耦合模块、第二晶体管及第二耦合模块。该偏置二极管具有第一端和第二端；该偏置电路耦接至该偏置二极管的第一端和供应电源，用以提供偏置给该偏置二极管；该第一耦合模块具有第一端耦接至该偏置二极管的第二端，和第二端耦接至该通信***的电子电路的输入端，用以耦合输入信号能量的一部分至该偏置二极管的第二端；该第二晶体管具有第一端耦接至该偏置二极管的第二端，第二端耦接至该供应电源，和第三端；及该第二耦合模块，具有第一端耦接至该第二晶体管的第三端，和第二端耦接至该电子电路的输入端。
附图说明
图1是现有技术的可适性偏置电路的示意图。
图2是本发明的可适性偏置电路的第一实施例的示意图。
图3是本发明的可适性偏置电路的第二实施例的示意图。
图4是现有技术的偏置电路的示意图。
图5是现有技术的还一偏置电路的示意图。
其中，附图标记说明如下：
40、50、207、504    偏置电路
200                 可适性偏置电路
202                 输入匹配电路
203                 输出匹配电路
204                 扼流圈
205                 第二耦合模块
206                 第一耦合模块
235、405、C1        电容
237、239            电阻
401、402            二极管
406、404         电感
502              初级偏置电路
D                偏置二极管
D1               第一偏置二极管
D2               第二偏置二极管
R1               第一偏置电阻
Q1、422、501     功率放大器晶体管
Q2、412          偏置晶体管
Q3               电流增益晶体管
Vbias            偏置电压
Vcc              供应电压
Vcom             控制电压
Vcc1             第一供应电压
Vcc2             第二供应电压
Vcc3             第三供应电压
Vcc4             第四供应电压
具体实施方式
请参照图2，图2是为本发明可适性偏置电路200的第一实施例的示意图。可适性偏置电路200偏置功率放大器晶体管Q1，功率放大器晶体管Q1通过扼流圈204耦合至第一供应电压Vcc1，以及通过输出匹配电路203输出输出信号。功率放大器晶体管Q1通过输入匹配电路202在功率放大器晶体管Q1的基极接收输入信号。功率放大器晶体管Q1的射极是耦接至参考电压。
可适性偏置电路200包括偏置晶体管(第一晶体管)Q2、电流增益晶体管(第二晶体管)Q3、偏置电路207、第一耦合模块206、以及第二耦合模块205。偏置晶体管Q2的集极是耦接至第二供应电压Vcc2，偏置晶体管Q2的射极是耦接至电流增益晶体管Q3的基极，电流增益晶体管Q3的集极是耦接至第四供应电压Vcc4。
偏置电路207偏置偏置晶体管Q2的基极。偏置电路207是耦接至第三供应电压Vcc3和参考电压，偏置电路207可能是镜像电源或一电压分压器(voltage divider)，两者都是广为人知且有许多不同的变化。例如，偏置电路207可通过耦接串联三个接成二极管形式的晶体管(diode-connected transistor)及电阻建立偏置电压Vbias来实现。或是可通过串联二个接成二极管形式的晶体管，或可通过串联二个接成二极管形式的晶体管以及电阻来实现偏置电路207。
第一耦合模块206的第一端是耦接至偏置晶体管Q2的射极，以及第一耦合模块206的第二端耦接至功率放大器晶体管Q1的基极。如图2所示，第一耦合模块206是由一电容235串联电阻237组成，并耦接至偏置晶体管Q2的射极。电容235和电阻237的串联顺序并不局限于图2。另外，电阻237是非必须的，也可由短路取代，在有串联电阻237的情况下，第一耦合模块206可包括并联电阻从电容235的第一端耦接至电阻237的第二端；或是在没有串联电阻237的情况下，第一耦合模块206可包括并联电阻从电容235的第一端耦接至电容235的第二端。除此之外，二极管电路，例如二极管或接成二极管形式的晶体管也可耦接在偏置晶体管Q2的射极和功率放大器晶体管Q1的基极之间作为第一耦合模块206。
第二耦合模块205的第一端是耦接至电流增益晶体管Q3的射极以及第二耦合模块205的第二端是耦接至功率放大器晶体管Q1的基极。第二耦合模块205包括电阻239，电阻239的第一端是耦接至电流增益晶体管Q3的射极以及电阻239的第二端是耦接至功率放大器晶体管Q1的基极。第二耦合模块205可还包括并联电容，其并联耦接电阻239，该并联电容的第一端是耦接至电流增益晶体管Q3的射极，以及该并联电容的第二端是耦接至功率放大器晶体管Q1的基极。另外亦可通过电感、电感串联耦接电阻、或短路实现第二耦合模块205。
请参照图3，图3是为说明可适性偏置电路200的第二实施例的示意图。该第二实施例类似于图2的第一实施例，所以以下仅说明在两实施例之间的差异。相较于图2的第一实施例，在该第二实施例中，偏置晶体管Q2由耦接在偏置电压Vbias和电流增益晶体管Q3的基极之间的偏置二极管D所取代。偏置二极管D可以是接成二极管形式的晶体管。
在图2的第一实施例的操作中，当输入信号的功率增加时，偏置晶体管Q2通过第一耦合模块206接收更多功率，以及产生更多可适性电流(adaptivecurrent)馈送至电流增益晶体管Q3的基极。然后通过电流增益晶体管Q3的电流增益放大可适性电流，并通过第二耦合模块205馈送至功率放大器晶体管Q1。同样地，在该第二实施例的操作中，当输入信号的功率增加时，偏置二极管D通过第一耦合模块206接收更多功率，以及产生更多可适性电流馈送至电流增益晶体管Q3的基极。然后通过电流增益晶体管Q3的电流增益放大可适性电流，并通过第二耦合模块205馈送至功率放大器晶体管Q1。
上述实施例也可应用在低噪声放大器(low noise amplifier)或混频器(mixer)。功率放大器晶体管Q1、偏置晶体管Q2、以及电流增益晶体管Q3可由金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)、金属半导体场效晶体管(metal-semiconductor field-effect transistor)、双极晶体管(bipolar junction transistor)、或异质结双极晶体管(heterojunction bipolartransistor)实现。电容可由金属-绝缘体-金属电容(metal-insulator-metalcapacitor)、金属-氧化物-金属电容(metal-oxide-metal capacitor)、金氧半晶体管-电容(MOSFET-capacitor)、叉指式电容(interdigital capacitor)、或结电容(junction capacitor)实现。二极管可由接成二极管形式的晶体管实现。另外，第一供应电源Vcc1、第二供应电源Vcc2、第三供应电源Vcc3、以及第四供应电源Vcc4可以独立设计，也可视需要结合至一或多个供应电源。
相较于现有技术，在图2和图3中的可适性偏置电路200，因为偏置晶体管Q2或偏置二极管D的可适性电流可通过电流增益晶体管Q3的电流增益而放大，所以可产生随输入功率增加而较灵敏的偏置电流。因此，功率放大器晶体管Q1的偏置点可随输入功率增加而较灵敏的从AB类放大器移至A类放大器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (30)

1.一种用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路，包括：
第一晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第一晶体管的第二端耦接至供应电源；
偏置单元，耦接至该第一晶体管的第一端和该供应电源，用以提供偏置至该第一晶体管；及
该可适性偏置电路的特征在于还包括：
第一耦合模块，具有第一端和第二端，其中该第一耦合模块的第一端耦接至该第一晶体管的第三端，该第一耦合模块的第二端耦接至该通信***的电子电路的输入端，用以耦合输入信号能量的一部分至该第一晶体管的第三端；
第二晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第二晶体管的第一端耦接至该第一晶体管的第三端，用以接收第一可适性信号，该第二晶体管的第二端耦接至该供应电源，其中该第二晶体管放大该第一可适性信号以产生第二可适性信号，且该第二可适性信号是由该第二晶体管的第三端馈出；及
第二耦合模块，具有第一端和第二端，其中该第二耦合模块的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该第二耦合模块的第二端耦接至该电子电路的输入端，用以馈送该第二可适性信号至该通信***的电子电路的输入端。
2.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括：
电容，具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该第一晶体管的第三端，该电容的第二端耦接至该电子电路的输入端。
3.如权利要求2所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块还包括并联电阻，从该电容的第一端耦接至该电容的第二端。
4.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括：
电容，具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该第一晶体管的第三端；及
第一电阻，具有第一端和第二端，其中该第一电阻的第一端耦接至该电容的第二端，该第一电阻的第二端耦接至该电子电路的输入端。
5.如权利要求4所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块还包括第二电阻，其中该第二电阻的两端分别耦接该电容的第一端以及该第一电阻的第二端。
6.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括二极管，该二极管具有阴极和正极，其中该二极管的阴极耦接至该第一晶体管的第三端，该二极管的正极耦接至该电子电路的输入端。
7.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括第三电阻，该第三电阻具有第一端和第二端，其中该第三电阻的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该第三电阻的第二端耦接至该电子电路的输入端。
8.如权利要求7所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块还包括电容，该电容具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该电容的第二端耦接至该电子电路的输入端。
9.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括电感，该电感具有第一端和第二端，其中该电感的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该电感的第二端耦接至该电子电路的输入端。
10.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括：
电感，具有第一端和第二端，其中该电感的第一端耦接至该第二晶体管的第三端；及
第四电阻，具有第一端和第二端，其中该第四电阻的第一端耦接至该电感的第二端，该第四电阻的第二端耦接至该电子电路的输入端。
11.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括短路，耦接在该第二晶体管的第三端和该电子电路的输入端之间。
12.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置单元包括镜像电源。
13.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置单元包括电压分压器。
14.如权利要求13所述的可适性偏置电路，其特征在于，该电压分压器电路包括：
第五电阻，具有第一端和第二端，其中该第五电阻的第一端耦接至偏置供应电源，该第五电阻的第二端耦接至该第一晶体管的第一端用以提供偏置给该第一晶体管的第一端；
第三晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第三晶体管的第一端耦接至该第五电阻的第二端，该第三晶体管的第二端耦接至该第五电阻的第二端，该第三晶体管是形成二极管连接形式的场效应晶体管；及
第四晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第四晶体管的第一端耦接至该第三晶体管的第三端，该第四晶体管的第二端耦接至该第三晶体管的第三端，该第四晶体管的第三端耦接至地端，该第四晶体管是形成二极管连接形式的场效应晶体管。
15.如权利要求1所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一晶体管和该第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)或双极晶体管。
16.一种用以适应性地偏置通信***的可适性偏置电路，包括：
偏置二极管，具有第一端和第二端；及
偏置单元，耦接至该偏置二极管的第一端和供应电源，用以提供偏置给该偏置二极管；
该可适性偏置电路的特征在于还包括：
第一耦合模块，具有第一端和第二端，其中该第一耦合模块的第一端耦接至该偏置二极管的第二端，该第一耦合模块的第二端耦接至该通信***的电子电路的输入端，用以耦合输入信号能量的一部分至该偏置二极管的第二端；
第二晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第二晶体管的第一端耦接至该偏置二极管的第二端，用以接收第一可适性信号，该第二晶体管的第二端耦接至该供应电源，其中该第二晶体管放大该第一可适性信号以产生第二可适性信号，且该第二可适性信号是由该第二晶体管的第三端馈出；及
第二耦合模块，具有第一端和第二端，其中该第二耦合模块的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该第二耦合模块的第二端耦接至该电子电路的输入端，用以馈送该第二可适性信号至该通信***的电子电路的输入端。
17.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括：
电容，具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该偏置二极管的第二端，该电容的第二端耦接至该电子电路的输入端。
18.如权利要求17所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块还包括第一电阻，其中该第一电阻的两端分别耦接该电容的第一端以及该电容的第二端。
19.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括：电容，具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该偏置二极管的第二端；及
第二电阻，具有第一端和第二端，其中该第二电阻的第一端耦接至该电容的第二端，该第二电阻的第二端耦接至该电子电路的输入端。
20.如权利要求19所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块还包括第三电阻，其中该第三电阻的两端分别耦接该电容的第一端以及该第二电阻的第二端。
21.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第一耦合模块包括二极管，具有阴极和正极，其中该二极管的阴极耦接至该偏置二极管的第二端，该二极管的正极耦接至该电子电路的输入端。
22.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括第四电阻，该第四电阻具有第一端和第二端，其中该第四电阻的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该第四电阻的第二端耦接至该电子电路的输入端。
23.如权利要求22所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块还包括电容，该电容具有第一端和第二端，其中该电容的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该电容的第二端耦接至该电子电路的输入端。
24.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括电感，该电感具有第一端和第二端，其中该电感的第一端耦接至该第二晶体管的第三端，该电感的第二端耦接至该电子电路的输入端。
25.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该第二耦合模块包括短路，耦接在该第二晶体管的第三端和该电子电路的输入端之间。
26.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置单元包括镜像电源。
27.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置单元包括电压分压器。
28.如权利要求27所述的可适性偏置电路，其特征在于，该电压分压器包括：
第五电阻，具有第一端和第二端，其中该第五电阻的第一端耦接至偏置供应电源，该第五电阻的第二端耦接至该偏置二极管的第一端，用以提供偏置给该偏置二极管的第一端；
第三晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第三晶体管的第一端耦接至该第五电阻的第二端，该第三晶体管的第二端耦接至该第五电阻的第二端，该第三晶体管是形成二极管连接形式的场效应晶体管；及
第四晶体管，具有第一端，第二端，和第三端，其中该第四晶体管的第一端耦接至该第三晶体管的第三端，该第四晶体管的第二端耦接至该第三晶体管的第三端，该第四晶体管的第三端耦接至地端，该第四晶体管是形成二极管连接形式的场效应晶体管。
29.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置二极管是接成二极管形式的晶体管。
30.如权利要求16所述的可适性偏置电路，其特征在于，该偏置二极管和该第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)或双极晶体管。
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