專利名稱：耗盡型晶體管的功率放大器偏置保護(hù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有耗盡型晶體管的放大器。此外，本發(fā)明涉及一種用于控制施加到放大器的耗盡型晶體管的柵極電壓的方法。本發(fā)明還涉及一種用于例如支持單一標(biāo)準(zhǔn)操作或多標(biāo)準(zhǔn)操作的通信終端(移動(dòng)電話)或?qū)拵?、多頻帶或?qū)掝l帶基站的無(wú)線通信的終端。
背景技術(shù)：
本發(fā)明基于優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)EP 06290176.4，在此通過(guò)參考將其并入。
為了通過(guò)單個(gè)基站覆蓋不同的頻帶和移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，需要支持高度線性的和有效率的多頻帶/多標(biāo)準(zhǔn)的放大器模塊。當(dāng)前基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化半導(dǎo)體LDMOS RF功率晶體管存在問(wèn)題，其中所述晶體管通常形成功率放大器的基礎(chǔ)。通過(guò)使用基于LDMOS的功率放大器，以成本有效率和容量有效率的2.5G和3G多頻帶/多標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用需要的信號(hào)純度級(jí)別，有效地取得RF功率，即寬帶/寬頻帶性能是非常困難或不可能的。
基于III-V材料的化合物半導(dǎo)體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出硅的物理特性。氮化鎵(GaN)具有最大動(dòng)態(tài)特性之一，因此它是最有前途的化合物。實(shí)際上，它的諸如放大RF信號(hào)(具有較低的失真)、經(jīng)受高溫、發(fā)射藍(lán)光和綠光的能力使得GaN理想地適合于廣泛的電子和光電應(yīng)用。
更具體地，未來(lái)的用于移動(dòng)無(wú)線通信的復(fù)雜調(diào)制方案和空中接口要求極高線性的功率放大器，而這依賴于具有極高壓縮點(diǎn)、高寬帶能力、很好的熱穩(wěn)定性和愈加更高的頻率響應(yīng)的功率晶體管。這些要求對(duì)于LDMOS技術(shù)產(chǎn)生了嚴(yán)重的限制。但是如SiC-MESFET技術(shù)的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及如GaN-HEMT的更好的高電子遷移率晶體管能夠緩解多個(gè)這些限制，原因是它們內(nèi)在的較高的跨導(dǎo)(其有助于線性)、支持增加的晶體管阻抗水平以及因此較寬的帶寬的高擊穿電壓、較好的熱管理和較高的截止頻率。因此，基于這些晶體管的技術(shù)看起來(lái)是非常有前途的，特別是用于支持多頻帶/多標(biāo)準(zhǔn)的放大器。
當(dāng)前使用的LDMOS晶體管要求柵極電壓＞0V，以便實(shí)現(xiàn)觸發(fā)操作。因此如果例如柵極的電壓是斷開(kāi)的，則所述晶體管不導(dǎo)通。這使得所述晶體管對(duì)于所施加的電壓的任何擾動(dòng)更加魯棒。與此對(duì)比，SiC-MESFET或GaN-HEMT是耗盡型晶體管。它們對(duì)于零柵極電壓是高度導(dǎo)通的。由于這樣的事實(shí)，因此它們對(duì)于任何柵極電壓擾動(dòng)是非常敏感的并且需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。
因此，在操作期間必須向耗盡型晶體管饋送適當(dāng)?shù)呢?fù)柵極電壓，以便避免例如由過(guò)高電流引起的破壞或故障。因此，當(dāng)啟動(dòng)晶體管時(shí)，必須遵循嚴(yán)格的順序。首先，必須施加充足的負(fù)柵極電壓(VG)；此后，可以施加漏極電源電壓(VD)。當(dāng)關(guān)閉晶體管時(shí)，必須遵循相反的順序。不考慮該順序?qū)⒁鸸β示w管的破壞或故障，因?yàn)槠錅系朗谴蜷_(kāi)的，并且該器件消耗過(guò)高電流。
另外，在操作期間應(yīng)該監(jiān)視所施加的負(fù)柵極電壓，以便避免如果柵極電壓下降并離開(kāi)所允許的柵極電壓范圍之內(nèi)(例如0V)時(shí)晶體管的破壞或故障。這可能例如當(dāng)柵極電壓源變得有故障或柵極饋送電阻器(其通常例如為放大器的穩(wěn)定而使用)變得有故障時(shí)發(fā)生。
硅LDMOS已經(jīng)穩(wěn)定地創(chuàng)造了基站功率放大器市場(chǎng)的最大共享，其代價(jià)是基于SiC-MESFET或GaN-HEMT的技術(shù)。在此部分中硅LDMOS提供了出色的性價(jià)比。但是，它在下一代系統(tǒng)中繼續(xù)占據(jù)該市場(chǎng)的能力是值得懷疑的，原因是它的操作頻率、擊穿電壓、功率密度和帶寬限制。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上面所述，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種放大器，其適合于寬帶、寬頻帶和多頻帶功率放大器應(yīng)用，同時(shí)由于所述放大器對(duì)于通常的電流電擾動(dòng)是魯棒的，因此還是成本有效率的。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)具有耗盡型晶體管的放大器，同時(shí)閾值電壓適配連接在漏極DC電源開(kāi)關(guān)和耗盡型晶體管的柵極之間。該閾值電壓適配控制用于耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)，當(dāng)閾值電壓適配測(cè)量出施加到該柵極的電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)，則其觸發(fā)所述電源電壓開(kāi)關(guān)以斷開(kāi)漏極DC饋送線路。
在本發(fā)明的有利的實(shí)施例中，電源電壓開(kāi)關(guān)的輸入連接到耗盡型晶體管的電壓源。此外，電源電壓開(kāi)關(guān)的輸出連接到漏極DC饋送線路。
根據(jù)本發(fā)明的可選方案，閾值電壓適配經(jīng)由RF塊連接到射頻柵極匹配網(wǎng)絡(luò)。該柵極匹配網(wǎng)絡(luò)自身連接到柵極DC饋送。根據(jù)另一可選方案，射頻柵極匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由電阻器連接到柵極DC饋送。根據(jù)另外的可選方案，閾值電壓適配連接在柵極DC饋送和柵極電壓源之間，而沒(méi)有RF塊。
在本發(fā)明的有利的實(shí)施例中，具有提出的偏置電路控制原理的這種耗盡型晶體管構(gòu)建該放大器的預(yù)放大器和/或驅(qū)動(dòng)器和/或最終放大器級(jí)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的放大器通常用作基站和/或通信終端的放大器模塊。
在根據(jù)本發(fā)明的另外可選方案中，其目的還通過(guò)應(yīng)用一種方法而實(shí)現(xiàn)，所述方法用于控制放大器的耗盡型晶體管的柵極電壓，該方法包括以下步驟抽取該柵極電壓以控制用于耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)。該方法包括以下進(jìn)一步的步驟根據(jù)抽取的柵極電壓觸發(fā)該電源電壓開(kāi)關(guān)，使得當(dāng)測(cè)量的柵極電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)電源電壓開(kāi)關(guān)切斷DC漏極電源電壓線路。最后，一旦測(cè)量的閾值柵極電壓在所述容許的預(yù)定義范圍內(nèi)時(shí)，去除觸發(fā)電源電壓開(kāi)關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的有利的實(shí)施例，通過(guò)某一閾值電壓適配來(lái)實(shí)現(xiàn)用于控制電源電壓開(kāi)關(guān)的柵極電壓的測(cè)量。所述閾值電壓適配用于監(jiān)視柵極電壓，從該柵極電壓確定是否執(zhí)行對(duì)電源電壓開(kāi)關(guān)的觸發(fā)或去除觸發(fā)。
在所附權(quán)利要求書、以下描述和附圖中描述了本發(fā)明的有利發(fā)展。


將進(jìn)一步參考以下附圖解釋本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有提出的偏置保護(hù)原理的放大視圖的放大器的示意圖；圖2是包括根據(jù)本發(fā)明的功率放大器模塊的基站的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一個(gè)功率放大器模塊，依次包括預(yù)放大器、驅(qū)動(dòng)器放大器、最終放大器，并且放大器級(jí)的偏置并聯(lián)連接到所述預(yù)放大器、驅(qū)動(dòng)器放大器、最終放大器各自的輸入和輸出。在圖1所示的情況下，最終放大器由根據(jù)本發(fā)明的耗盡型晶體管制造。但是，這種選擇不是限制性的，并且預(yù)放大器和/或驅(qū)動(dòng)器放大器由根據(jù)本發(fā)明的耗盡型晶體管制造是完全可能的。
在圖1的放大視圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的耗盡型晶體管的DC偏置保護(hù)原理。閾值電壓適配連接到耗盡型晶體管的柵極(1)?？赡苡袃煞N用于柵極電壓監(jiān)視的可選抽取a)閾值電壓適配的輸入經(jīng)由RF塊直接連接到柵極RF匹配網(wǎng)絡(luò)(位置1a)。該RF塊對(duì)應(yīng)于RF匹配網(wǎng)絡(luò)，并且能夠例如由線圈很好地實(shí)現(xiàn)。RF匹配網(wǎng)絡(luò)自身經(jīng)由電阻器連接到柵極DC饋送。該電阻器是可選的，并且例如用于穩(wěn)定作用。該解決方案考慮了電阻器可能發(fā)生故障并且引起晶體管的柵極的嚴(yán)重電壓下降。由于在柵極DC饋送和柵極匹配網(wǎng)絡(luò)之間使用的電阻器，特別需要直接在RF柵極匹配網(wǎng)絡(luò)的這種柵極電壓抽取，這是因?yàn)樵撾娮杵鬟€能夠變得有故障并引起柵極電壓擾動(dòng)。
b)閾值電壓適配的輸入連接到柵極DC饋送和柵極電壓源之間的柵極電壓DC線路(位置1b)。柵極DC饋送自身直接連接到柵極匹配網(wǎng)絡(luò)，而沒(méi)有附加的電阻器。由于抽取位置在柵極DC饋送之后(從晶體管的角度)，因此不需要額外的RF塊。
在對(duì)當(dāng)前柵極電壓進(jìn)行抽取后，必須完成對(duì)于電源電壓開(kāi)關(guān)的閾值電壓適配(例如由分壓器實(shí)現(xiàn))。如果當(dāng)前柵極電壓水平下降到過(guò)低的值，則電源電壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)DC漏極電源電壓線路(2，3)并因此保護(hù)晶體管避免破壞或故障，直到再次達(dá)到允許的柵極電壓水平為止。電源電壓開(kāi)關(guān)的輸入連接到電壓源(3)。電源電壓開(kāi)關(guān)的輸出連接到漏極DC饋送(2)。
如圖1所示，DC饋送和RF塊能夠例如通過(guò)使用λ/4線路和并聯(lián)電容器(shunt capacitor)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其用于將DC柵極電壓和漏極電壓施加到晶體管。另外，其用作RF塊，這表示所使用的電容器將針對(duì)特定頻率(范圍)在RF-DC饋送節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)換為電感行為，該特定頻率將由λ/4線路的長(zhǎng)度定義。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)時(shí)，耗盡型晶體管被很好地保護(hù)從而避免柵極電壓在預(yù)定義的保留的負(fù)偏置范圍之外。這種保留的負(fù)偏置范圍直接依賴于使用的半導(dǎo)體材料(例如GaN或SiC)，并依賴于供應(yīng)者和他們的特定處理。用于特定的GaN處理的一個(gè)可能的范圍(不是限制)可以是-8V＜VGS＜-2V。還要求該下限-8V以避免晶體管的任何破壞。但是通常，在特定電阻或電源的故障時(shí)達(dá)不到該下限。必須以以下方式選擇閾值電壓適配，即柵極電壓限制與開(kāi)關(guān)元件的閾值電壓/電流相對(duì)應(yīng)。例如柵極電壓限制-2V，開(kāi)關(guān)元件的閾值電壓-4V；在該情況下，閾值電壓適配必須將-2V的柵極電壓適配至-4V。
在圖2中描述了作為具有根據(jù)本發(fā)明的功率放大器模塊的基站的用于無(wú)線通信的終端的示意性實(shí)施例。這種基站可以是支持使用1800MHz的GSM標(biāo)準(zhǔn)的通常的2G無(wú)線鏈路、使用2100MHz或2600MHz的UMTS標(biāo)準(zhǔn)的3G鏈路、或包括甚至3500MHz的WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的任何其他可能的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)的基站。還可以是該相同的基站能夠支持多個(gè)這樣的標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠在不同的頻率(寬帶、多頻帶、寬頻帶、單一標(biāo)準(zhǔn)/多標(biāo)準(zhǔn))下使用。這種基站(在圖2中針對(duì)UMTS情況，但是本發(fā)明不局限于該例子)的發(fā)射機(jī)設(shè)備在圖2所示的例子中包括發(fā)射機(jī)前端(TX前端)、放大器模塊和控制單元。該放大器模塊在上方的放大視圖中描述。其除了包括多個(gè)放大器級(jí)(預(yù)放大器級(jí)、驅(qū)動(dòng)器級(jí)和具有提出的用于耗盡型晶體管的偏置保護(hù)的最終級(jí))之外，在輸出處通常還包括例如具有反饋路徑的檢測(cè)器和一個(gè)或多個(gè)循環(huán)器或隔離器。這樣，基站的放大器模塊包括有利的偏置保護(hù)?？梢栽谕ㄐ沤K端側(cè)(例如移動(dòng)電話)處在其發(fā)射機(jī)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)相似的解決方案。
權(quán)利要求
1.一種具有耗盡型晶體管的放大器，其中閾值電壓適配連接到所述耗盡型晶體管的柵極，該閾值電壓適配控制用于所述耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)，當(dāng)所述閾值電壓適配測(cè)量出施加到該柵極的電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)，則其觸發(fā)所述電源電壓開(kāi)關(guān)以斷開(kāi)漏極DC饋送線路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述電源電壓開(kāi)關(guān)的輸入連接到所述耗盡型晶體管的漏極電壓源，并且其輸出連接到所述漏極DC饋送線路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述閾值電壓適配經(jīng)由RF塊連接到射頻柵極匹配網(wǎng)絡(luò)，而所述RF柵極匹配網(wǎng)絡(luò)自身連接到柵極DC饋送。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的放大器，其中所述RF柵極匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由電阻器連接到所述柵極DC饋送。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述閾值電壓適配連接在柵極DC饋送和柵極電壓源之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述閾值電壓適配包括分壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中具有所述閾值電壓適配的這種耗盡型晶體管是該放大器的預(yù)放大器和/或驅(qū)動(dòng)器和/或最終放大器級(jí)。
8.一種用于控制施加到放大器的耗盡型晶體管的柵極電壓的方法，所述方法包括以下步驟抽取施加到該耗盡型晶體管的柵極電壓；使用該抽取的柵極電壓來(lái)控制用于所述耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)；根據(jù)所述抽取的柵極電壓觸發(fā)該電源電壓開(kāi)關(guān)，使得當(dāng)柵極電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)所述電源電壓開(kāi)關(guān)切斷DC漏極電源電壓線路；一旦抽取的柵極電壓在所述容許的預(yù)定義范圍內(nèi)，去除觸發(fā)所述電源電壓開(kāi)關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用某一閾值電壓適配來(lái)執(zhí)行所述柵極電壓的抽取，其中所述閾值電壓適配根據(jù)所述測(cè)量的抽取的柵極電壓來(lái)控制所述電源電壓開(kāi)關(guān)。
10.一種用于無(wú)線通信的終端，包括具有耗盡型晶體管的放大器，其中閾值電壓適配連接到所述耗盡型晶體管的柵極，該閾值電壓適配控制用于所述耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)，當(dāng)所述閾值電壓適配測(cè)量出施加到該柵極的電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)，則其觸發(fā)所述電源電壓開(kāi)關(guān)以斷開(kāi)漏極DC饋送線路。
全文摘要
一種具有耗盡型晶體管的放大器，利用連接到耗盡型晶體管的柵極的閾值電壓適配，實(shí)現(xiàn)了耗盡型晶體管的功率放大器偏置保護(hù)。該閾值電壓適配控制用于耗盡型晶體管的漏極的電源電壓開(kāi)關(guān)，當(dāng)閾值電壓適配測(cè)量出施加到該柵極的電壓在可容許的預(yù)定義范圍之外時(shí)，則其觸發(fā)電源電壓開(kāi)關(guān)以斷開(kāi)漏極DC饋送線路。電源電壓開(kāi)關(guān)的輸入連接到耗盡型晶體管的漏極電壓源，并且電源電壓開(kāi)關(guān)的輸出連接到漏極DC饋送線路。
文檔編號(hào)H03F3/16GK101030761SQ200710004329
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者U·賽弗里德, D·維格納 申請(qǐng)人:阿爾卡特朗訊