CN1790895A - 用于补偿温度和处理变化期间放大器输出的方法和装置 - Google Patents

用于补偿温度和处理变化期间放大器输出的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种放大器电路包括具有诸如数字电阻器(310)的可控电路元件的校准电路(300)。可控电路元件的一个或多个特性(例如，数字电阻器(310)中的电阻)通过数字校准字而改变，这样电阻器(310)两端的电压降与参考电压相匹配。还可使用校准字来控制形成功率放大器的部分的晶体管(420)的电阻，以补偿温度和处理变化。放大器可以是开关功率放大器，并且晶体管可以是具有被数字校准字控制的宽度(和因此的沟道电阻)的分段晶体管(420a－d)。

Description

用于补偿温度和处理变化期间放大器输出的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及电磁处理，更具体地说，涉及电磁波的放大。
背景技术
电磁波的受控放大具有多种用途。比如说，通过放大电磁波特性来随波传送信息，以便在通过媒体传输后能够在远处能察觉放大的波。在通信领域中经常使用功率放大器来提高调制的RF(射频)信号的功率，该RF信号随后被传送到天线以通过大气传输。一种广泛使用的功率放大器类型是开关式功率放大器，其中晶体管起到开关的作用。
开关式功率放大器的输出功率与开关的电阻成比例，而不管用什么方法实现所述开关(比如说，在三极管中作为开关电阻器的MOS晶体管)。在很多应用中，尤其是蜂窝通信***中，精确地控制功率放大器的输出功率是很重要的。但是，晶体管的电阻以及由此的开关式功率放大器的输出功率依据设备的运行温度而改变。而且，由于在设备生产过程中出现的处理变化，单个功率放大器的输出功率也从放大器到放大器而不同。当利用CMOS(互补金属氧化物半导体)处理将功率放大器生产为集成电路时，上述这种情况尤其存在。
因而需要一种技术，用于补偿温度和处理变化期间功率放大器的输出功率。
发明内容
通过用于校准放大器输出的方法来提供解决方案。所述方法包括提供放大器。放大器包括晶体管，所述晶体管含有具有数字可控沟道电阻的沟道。沟道电阻作为校准参数函数改变。产生校准字来控制数字可控电路元件的特性，以使特性保持在期望的水平。配置电路元件，所述特性作为校准参数的函数而改变一个数量，所述数量与晶体管电阻作为校准参数的函数而改变的数量成比例。基于校准字控制晶体管的沟道宽度，以便关于校准参数中的变化来校准晶体管电阻。
同样，通过放大器提供解决方案。放大器包括晶体管，所述晶体含有具有数字可控沟道电阻的沟道，所述沟道电阻作为校准参数函数而改变。放大器包括包含具有数字可控特性的电路元件的校准电路，所述数字可控特性作为校准参数的函数而改变一个数量，所述数量与晶体管电阻作为校准参数的函数而改变的数量成比例。校准电路被连接到晶体管。配置校准电路以产生在校准参数的改变期间将电路元件的特性保持在期望水平的校准字，并将所述校准字输出至晶体管以控制晶体管的沟道电阻，藉此对于校准参数中的改变而校准晶体管的沟道电阻。
附图说明
通过结合附图参照下列详细描述，将会更容易完全理解本发明及其众多附带特性和优点，并且它们将会变得更好理解，其中：
图1是常规功率放大器的电路图。
图2是图1功率放大器的作为时间函数的电压曲线。
图3是根据本发明第一实施例的校准电路的电路图。
图4是根据本发明实施例包括分段场效应晶体管的功率放大器的电路图，所述分段场效应晶体管可利用图3的校准电路的输出。
图5是根据本发明另一实施例的分段晶体管的电路图，所述分段晶体管可利用图3的校准电路输出而被控制。
具体实施方式
本发明实施例包括用于放大电磁波的制造条款、方法和装置。优选实施例使用具有诸如数字电阻器的可控电路元件的校准电路。可控电路元件(例如，数字电阻器中的电阻)的一个或多个特性通过数字校准字变化，以使电阻器两端的电压降与参考电压相匹配。然后使用校准字控制组成功率放大器部件的晶体管的沟道电阻，以补偿温度和处理变化。在优选实施例中，功率放大器是开关功率放大器，晶体管是具有由数字校准字控制的宽度(和因此的沟道电阻)的分段晶体管。
参照用于放大电磁波的制造条款、方法和装置的优选实施例来描述本发明。阐明具体细节以提供对本发明的彻底理解。在此描述的优选实施例不应被理解为限制发明。而且，为了易于理解，某些方法步骤将作为单独的步骤描绘；但是，这些步骤不应该被看作是有必然的区分或在其执行过程中有相关顺序。本发明的实施例可以由硬件或硬件和软件的组合组成。因此，正如为本领域普通技术人员所熟知的那样，附图中的单个块和块组合可以用多种方式实施。
应该注意，在此使用“信号”这个词来描述以某种方式调制过的电磁波，通常是通过在波上附加信息，比如说，通过将数据附加到载波上。还应该注意，因为发射器在其操作的正常过程中经常产生不止一个信号和/或波，所以对“信号”和“波”单数的使用包括复数的情况(或分别的多个信号和波)。同样应该注意，如下所述，本发明的实施例可用来输出波和信号。
图1说明了常规功率放大器100。来自信号源110的信号被连接到NFET120的栅极。NFET120的漏极通过RF扼流电感器130被连接到电压源Vdd。电阻性负载150也通过耦合/匹配电容器140而连接到NFET120的漏极。NFET 120的源极接地。当VGS是高时，NFET处于“截止”的状态。在“截止”状态中，没有电流从漏极流向源极(因此漏极-源极电压VDS是零)，并且Vdd驱动电容性负载140。当VGS是低时，NFET处于“导通”状态，并且电流流经NFET120的漏极和源极。理想地，NFET120的漏极-源极电阻是零，这样在NFET120不会有功率耗散。当然，这在实际的设备中不可能，而且流经NFET120的电流将提高漏极-源极电压VDS，所述VDS是此电流乘以NFET120的漏极-源极电阻的乘积。
图2是作为时间函数的漏极-源极电压VDS的三个不同的曲线211、212、213和栅极-源极电压VGS的曲线210(可以理解，图2描述了理想晶体管的曲线)。在漏极-源极电压VDS曲线211-213中的变化可以反映由设备操作温度中的变化引起的单个NFET120的漏极-源极电阻中的不同，或者反映不同NFET 120之间出现的处理变化引起的漏极-源极电阻的不同。在任一种情况中，由于来自开关式功率放大器的可用功率与NFET 120的漏极-源极电阻成比例，在漏极-源极电阻中的不同导致了输出功率的不同。
可以通过使用具有可控漏极-源极沟道电阻的FET补偿在以上论述的漏极-源极电阻中的不同。在优选实施例中，FET是分段FET，其中设备的沟道宽度(和因此的电阻)由数字校准字控制。
图3中说明了用于产生数字校准字的校准电路300。所述电路起到控制数字电阻器310的电阻的作用，以便参考电流和数字电阻器310的电阻的乘积与参考电压相匹配。参考电压和参考电流将在温度和处理变化期间保持恒定，但是数字电阻器310的电阻将会关于给定的校准字而改变。在某些方面，校准电路300与在1982年8月的IEEE MICRO，Vol.2，No.3的第50页中R.C.Jaeger的“Turorial：Analog Data Acquisition Technology，Part II-Analog-to-Digital Conversion(手册：模拟数据获得技术，第二部分--模拟-到-数字的转换)”文中所论述的跟踪模拟-数字转换器中使用的校准电路相类似。
数字电阻器310的一个端子310a被连接到参考电流源320而另一个端子310b接地。如上所述，参考电流源320被这样构造，以使其提供将在处理和温度变化期间保持恒定的参考电流。另一方面，数字电阻器310被这样设计和制造，使其电阻与将要被电路300校准的功率放大器中使用的FET(图3中没有示出)的电阻相匹配(或与其成比例地变化)。换句话说，数字电阻器310被这样设计和制造，以使其用于给定校准字的电阻随处理和/或温度以与功率放大器FET的电阻相同(或成比例的)的数量而变化。
数字电阻器端子310a还被连接到比较器330输入端子中的一个。比较器330的另一个输入端子被连接到参考电压源340，所述参考电压源340和参考电流源320一样，将在温度和处理变化期间保持恒定。在某些实施例中，从带隙电压参考导出参考电压。取决于数字电阻器310两端的电压降是多于还是少于来自电压源340的参考电压，比较器330的输出将是“1”或“0”。比较器输出被连接到n比特同步双向计数器350的上/下输入端(up/downinput)352。在某些实施例中，在输入至计数器350之前，比较器输出被可选滤波器345滤波，所述可选滤波器可能是本领域公知的众多适合滤波器中的任一个。
对于输入到计数器350的时钟输入端351的时钟信号的每个周期来说，根据比较器330的输出是高还是低，计数器350将递增或是递减，该比较器330的输出是高还是低是依赖于数字电阻器310两端的电压降是大于还是小于来自电压源340的参考电压。计数器350的n比特计数输出353形成校准字。计数器350输出的校准字被连接到数字电阻器310的控制输入端以控制其电阻，以便其两端的电压降与来自源极340的参考电压相匹配。
还使用计数器350输出的校准字来控制图4的功率放大器400中FET420的沟道电阻。FET420被分为具有沟道的多个分段FET 420a-d，所述沟道具有二进制加权的宽度。分段的FET，在例如1998年4月的IEEE Journal ofSolid-State Circuits，Vol.33，No.4中Rofougaran等人的“A single-Chip 900MhzSpread Spectrum Wireless Transceiver in 1-：m CMOS-Part 1：Architecture andTransmitter Design(在1-：m CMOS中单芯片900Mhz扩频无线收发器-第1部分：结构和发射器设计)”，以及1994Symposium on VLSI Circuits Digest ofTechnical Paper，PP.134-135的Rofougaran等人的“A 900Mhz CMOS RF PowerAmplifier with Programmable Output(具有可编程输出的900Mhz CMOS RF功率放大器)”中被充分描述。两个论文的内容在此结合作为参考。
FET420被分为分段FET的数目是依据期望控制漏极-源极电阻的精确度的。选择来自计数器350的校准字中的比特数目以与FET420被分为的段数目相匹配。在图4的实施例中，FET420被分为四个并行的段(当然，也可能被分为更大或更小数目的段)。第一分段FET422a具有宽度W，第二分段FET422b具有宽度W/2，第三分段FET 422c具有宽度W/4，第四分段FET422d具有宽度W/8。
连接每个段FET422a-d的栅极以接收要被放大的信号。每个分段FET422a-d的漏极通过数字控制开关424a-d可选地可连接到电压源VDD和电感器430。数字控制开关424a-d(可利用NFET阵列实现)由校准字(在本实施例中为从校准电路300输出的4比特字C3-C0，在校准字中的0指示开关将被关闭)控制。校准字300的最高有效比特用最宽宽度控制分段FET424a。由此，当校准字是0000时，关闭所有开关424a-d并将所有分段FET412a-d的漏极连接到VDD，这样FET420的漏极-源极电阻处于其最低而总沟道宽度处于其最宽。
图5示出了根据本发明另一实施例适合在RF功率放大器中使用的分段晶体管500。分段晶体管500包括十个段500a-j。段具有变化的宽度，最窄的段500j具有宽度w＝x，而最宽的段500b具有宽度w＝128*x，其中x代表总沟道宽度的1/640。如下所述，配置第一段510以使其不管校准字的值总是有源的，这样晶体管500的宽度将永远不会少于最小宽度128*x或128/640＝0.2W(其中W是整个沟道宽度)。这就减少了分段晶体管500的动态范围，但提高了用来调整沟道宽度的精确度。当然，也可能在没有这样的“最小宽度”晶体管的情况下来实践本发明，这样分段晶体管的宽度完全由校准字控制。
晶体管500的每个段都包括同样的基本结构。第一级PFET510a-j具有连接到电压源VDD的漏极和连接到数字输入端 B7的栅极，所述数字输入端代表将被功率放大器500放大并调制的数字信号。第一级PFET510a-j的源极被连接到第二级PFET520a-j的漏极。第一第二级520a的栅极被连接到恒压源VSS。这确保分段晶体管500总是具有如上所述的最小宽度。剩余第二级PFET 520b-j的栅极被连接到九比特校准字 C8-C0的相应比特，最低有效位C0被连接到最窄晶体管段500j的第二级晶体管520j，而最高有效位 C8被连接到最宽晶体管段500b的第二级晶体管520b。每个第二级晶体管520a-j的源极被连接到包括漏极被连接到NFET540a-j源极的PFET530a-j的三晶体管调制器/输出级，所述NFET540a-j的漏极被连接到NFET550a-j。NFET530a-j和PFET540a-j的栅极都被连接到CMOS级RF载体In，NFET550a-j的栅极被连接到PFET530a-j源极/NFET540a-j漏极。
在上述实施例中，校准字被用来校准关于处理和温度变化的功率放大器的输出。本领域技术人员应认识到多个数字“控制”字可被产生-第一校准字来校准关于处理和温度变化的功率输出，第二“功率”字来提供被第一字在温度和处理变化期间保持恒定的变化输出功率。在这样的***中，第二“功率”字可与第一“校准”字被数学地组合(比如，减法)以形成控制分段晶体管的宽度的第三字(例如，通过控制图4的“开关”415或图5的PFET 515)。
在本发明优选实施例中，利用具有分布(发射线)或集总配置的CMOS处理在集成电路中实现分段FET。但是，本领域技术人员应认识到分段FET的多种实现是可能的。而且，也可能以不同形式实现校准电路。
上述主要在开关式功率放大器的情况下论述了本发明。但是，可以理解本发明不限于此。比如，本发明也可与包括可变增益放大器、数字增益放大器和数字控制放大器的其他类型的放大器一同使用。
虽然通过示例性实施例描述了本发明，但其他优点和修改对本领域技术人员而言应该是可以想到的。所以，本发明具有更广阔的方面，不限于以上描述和示出的具体细节。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，本发明不限于具体示例的实施例，相反，本发明在所附权利要求及其等价结构的全部实质和范畴内被解释。

Claims (15)

1.一种用于校准放大器输出的方法，包括以下步骤：
提供放大器(400)，所述放大器(400)包括晶体管(420)，所述晶体管包括具有数字可控沟道电阻的沟道，所述沟道电阻作为校准参数的函数而改变；
产生校准字来控制数字可控电路元件的特性以使所述特性保持在期望的水平，配置所述电路元件以使所述特性作为校准参数的函数而改变一个数量，所述数量与晶体管(420)的电阻作为校准参数的函数改变的数量成比例；和
基于校准字控制晶体管(420)的沟道宽度，以便关于校准参数中的变化校准晶体管(420)的电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其中从包括晶体管的操作温度和晶体管的生产处理的组选择校准参数。
3.如权利要求1所述的方法，其中电路元件是数字电阻器(310)，所述特性是电阻。
4.如权利要求1所述的方法，其中放大器(400)是开关功率放大器，晶体管(420)包括分段晶体管(420a-d)。
5.如权利要求4所述的方法，其中分段晶体管(420a-d)包括多个FET(422a-d)，并且通过控制每个FET(422a-d)的沟道宽度来控制作为校准字函数的沟道电阻。
6.如权利要求5所述的方法，其中分段晶体管(420a-d)宽度的一部分被校准字控制，所述部分少于分段晶体管(420a-d)的整个宽度。
7.如权利要求1所述的方法，其中产生步骤包括步骤：
比较参考电压和电阻器(310)两端的电压降以产生比较值；和
输入比较值至双向计数器(350)来产生新计数值，所述新计数值与校准字相对应。
8.一种放大器(400)，包括：
晶体管(420)，所述晶体管包括具有数字可控沟道电阻的沟道，所述沟道电阻作为校准参数的函数而改变；和
校准电路(300)，包括具有数字可控特性的电路元件，所述数字可控特性作为校准参数的函数而改变一个数量，所述数量与晶体管(420)的电阻作为校准参数函数而改变的数量成比例，所述校准电路被连接到晶体管；
其中，配置校准电路(300)以产生将电路元件的特性在校准参数改变期间保持在期望水平的校准字，并将校准字输出到晶体管(420)以控制晶体管(420)的沟道电阻，藉此关于校准参数中的改变来校准晶体管的沟道电阻。
9.如权利要求8所述的放大器，其中从包括晶体管的操作温度和晶体管(420)的生产处理的组中选择校准参数。
10.如权利要求8所述的放大器，其中电路元件是数字电阻器(310)，所述特性是电阻。
11.如权利要求8所述的放大器，其中放大器(400)是开关功率放大器，所述晶体管(420)包括多个分段FET元件(420a-d)。
12.如权利要求8所述的放大器，其中晶体管(420)是包括具有二进制加权的沟道宽度的多个分段晶体管(422a-d)的分段晶体管(420a-d)。
13.如权利要求12所述的放大器，其中在校准字的控制下通过相应的开关(424a-d)来控制每个分段晶体管。
14.如权利要求13所述的放大器，其中每个开关包括一个晶体管。
15.如权利要求12所述的放大器，其中在校准字的控制下并非所有的分段晶体管(422a-d)由相应的开关控制。
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