專利名稱：電壓升壓跟隨器的集成實現方式及其方法
技術領域：
例如，如在WO040086321中所描述，已知通過用DC至DC轉換器將供 電電壓改變為與的傳輸的信號的幅值成比例來改善功率放大器(PA)的功耗。較低的集電極電壓被用來實現較低的輸出功率而較高的集電極電壓被用 來處理待傳輸的信號的較高幅值部分。假設調節器處于高效率，通過開關模 式技術以低調制頻率實現非常低的功耗。當該調制的頻率增加時，設計越來 越快的開關模式調節器的難度變得太大并且需要多個線性功率處理級而不產 生效率增長。
006j該調節器方案是先有技術并且是通過變化放大晶體管上的集電極或漏極 電壓并且改變功率放大器的負載線來增加功率放大器效率的 一種有效方式。 然而，線性度的要求迫使增益/相位響應與電壓變化成線性，或者施加的預失 真。關于這一主題的其他變體試圖與一個可變的基極供電相結合在集電極上 使用一種非常快速的、包絡跟蹤電源。該調制幅值是通過變化供電電壓來實 現的而相位信息被注入射頻信號。包絡跟蹤要求比直流至直流轉換器方法甚 至要更復雜的電源并且仍有待以實用的方式得到證明。美國專利6，437, 641中 披露了這樣一個電路，其中使用一個過量包絡傳感器來檢測峰值電壓并且進 而提高反饋到該功率放大器上的輸出電壓。
008包含功率放大器的RF系統具有帶有大的峰值偏移的循環周期并且這些 峰值偏移需要進行處理，以便通過確保該功率放大器的線性度來改進這些系 統的效率。如在WO 01/67598中所討論的，在先有技術的應用中，用來處理 帶有大的峰值與平均值之比的信號的一種方法是控制到功率放大器的直流 (DC)電源。例如，在這種情況下，當該瞬時幅值低于一個希望的水平時， 將一組電壓電平提供給功率放大器，而當該瞬時幅值高于一個希望的水平時 提供另一組電壓電平。
在先有技術中，美國專利6,831,519披露了一種電路，該電路用于允許 功率放大器在不同的運行供電電壓下工作，以響應于不同的輸入信號。確切 地說，提供了電路來經由補充的供電路徑來控制供給一個功率放大器的電壓 水平。在這個電路中，提供了以場效應晶體管形式的兩個可控阻抗以及一個 電感器，用于在通過控制脈沖運行時引導電流并且當必要時為該放大器提供 增強電壓。然而，這樣一個電路的缺點是由于難以將電感和功率放大器集 成于相同的襯底上，在低成本的集成功率放大器中該電路是無法實現。進一步有利的是提供一種方法，該方法適合于在一個單一的集成電路 上的集成。
發明概述根據本發明的一個實施方案，提供了一種電路，該電路包括 一個放 大器電壓供應端口； 一個第一電壓供應輸入端口，用于接收一個第一電壓； 一個第二電壓供應輸入端口 ，用于接收一個第二的、其他的電壓；用于電連 接到一個RF放大器的一個輸出端口上的檢測器，該檢測器用于檢測由該RF 放大器提供的一個RF輸出信號的幅值；以及至少一個開關，該開關響應于該 指示信號，用于在第一運行模式與一個第二的、其他的運行模式之間進行切 換，在該第一運行模式中，該至少一個開關對該放大器電壓供應端口提供基 于該第一電壓的一個電壓而在該第二運行模式中，該至少一個開關用于對該 放大器電壓供應端口提供超過該第一電壓并且基于該第二電壓的另一個電壓, 該另 一個電壓跟隨被檢測的幅值。根據本發明的另一個方面，提供了改進一個功率放大器的線性度的一 種方法，該方法包括 一個電路，該電路根據功率放大器輸出端口上的一個 檢測器產生的電壓來控制到一個功率放大器的電壓供應，這樣，在一個第一 運行模式中，將一個第一電壓電勢提供給該放大器電壓輸入端口；在一個第 二的、其他的運行模式中，將一個升壓電壓電勢提供給該放大器電壓輸入端 口 ，該升壓電壓電勢是通過將來自一個電壓供應的一個第一電壓電勢與另一 個電壓電勢的至少一部分相加所形成的，該升壓電壓以一種連續的形式跟隨 檢測的幅值；并且根據該射頻(RF )信號內檢測的 一個峰值脈沖的存在，從 該第 一模式切換到該第二模式。根據本發明的一個實施方案，提供了一種存儲介質，該介質具有存儲 在其中的數據，該數據用于當該被執行時導致一個放大器設計，該放大器設 計包括 一個放大器電壓供應端口； 一個第一電壓供應輸入端口 ，用于接收 一個第一電壓； 一個第二電壓供應輸入端口 ，用于接收一個第二其他電壓； 檢測器，該檢測器電連接到一個RF放大器的一個輸出端口上，該檢測器用于 檢測由該RF放大器提供的一個RF輸出信號的幅值；以及至少一個開關，該 開關響應于該指示信號，用于在一個第一運行模式與一個第二的、其他的運 行模式之間進行切換，在該第一運行模式中，該至少一個開關用于對該放大 器電壓供應端口提供基于該第一電壓的一個電壓并且在該第二運行模式中， 該至少一個開關用于對該放大器電壓供應端口提供超過該第一電壓、并且基 于該第二電壓的另一個電壓，該另一個電壓跟隨檢測到的幅值。
附圖
簡要說明圖2a示出根據本發明的一個第一實施方案的一個電路的簡化框圖；
例如，假設該電壓源205是3.3V的電源并且可與標準的3.3伏集成電 路技術兼容。在不升壓的運行中，該功率放大器經由一個反向電流保護二極 管245由電壓源205供電。在升壓運行中，當該峰值檢測器(例如圖2a的負 峰值檢測器250 )探測到一個RF輸出端口 (圖2a的210)處的信號接近發 生截幅的幅值時，將該電荷存儲塊235連接提供一個升壓電壓，例如使用片 外升壓電容器。在升壓運行中，按需要增加施加到該RF放大器(圖2a的 230)上的電壓。可替代地，每當指示電壓升壓時，施加到該RF放大器(圖 2a的230)上的電壓從3.3伏升壓至高達6.6V。 一旦不再指示升壓運行，再 次經由該反向電流保護裝置245提供電力。 在設計時，V—DC2是正參考電壓302， V_DC3是負參考電壓303,并 且電阻器Rl 321、 R2 324、 R3 331、 R4 334的值確定晶體管Ql 305關斷并 且晶體管Q2 304開始跟隨的這些閾值點。典型地，V_DC2 302、 V_DC3 303、 Rl 321、 R2 324、 R3 331以及R4 334的值被選擇為使晶體管Q.l 305和 晶體管Q2 304不是同時導通；這確保了在;^文大器308的一個電壓供應端口上 產生的電壓適當地跟隨從而避免輸出射頻信號的截幅。圖4b示出一個真實的放大器(即不完美的)的射頻輸出端口 308b上 的集電極電壓，它沒有提供集電極升壓的電荷泵電路。圖中很明顯，當峰峰 電壓在一個預定的范圍之外時發生輸出信號的截幅。在這個實例中，該輸出 電壓被限制為使電壓不會降到近似地低于500mV (如圖4b所示，使用由 20MHz載波調制的一個2.5GHz的正弦波作為施加的RF輸入信號的一個實 例)。這是一個典型的射頻功率NPN晶體管裝置的非常典型的飽和特性。
[0052圖4c示出運行中該電流泵電路的效果， 一旦檢測器(圖3中的320和 圖2中的250)探測到射頻輸出端口 308b或210上的電壓接近幅值(其中發 生截幅/飽和)時，集電極電壓在運行中被升壓。在這里所示的實例中，該檢 測器參考電壓已經設置為在輸出階段飽和之前引起該檢測器觸發，從而允許 該檢測器和升壓電路的有限速度。這樣，圖4c示出了該電源軌電壓Vcc以一 種相對線性和按請求方式進行升壓的結果。在這里，響應與該射頻輸出端口 308b或210上探測的幅值按需要增該電壓加。在該圖的這些最高幅值部分中 直流電壓的增加(正弦波的平均值)是明顯的。當直流成分被去除時，該結 果與原始信號(圖4a)相同。[00531參見圖5,示出了與圖3類似的另一個實施方案，其中提供多個電源 V一ddl 512和V一dd2 513來取代先前的電荷泵340。當多個峰值幅值信號具有 長的持續時間時，這樣一個電路有效地工作。相比之下，當幅值大于閾值幅 值的信號很少發生并且沒有用于使電荷存儲電容器307放電的足夠的持續時 間時，圖3電路的運行不會截幅。典型地，幅值大于閾值幅值的信號很少發 生并且沒有足夠大的持續時間。盡管這樣說，仍存在著在較長持續時間上提 供峰值幅值信號的應用，在此雙電源電路是優選的。此外，存在著已經包括 具有兩個電源軌的多個電路，這些電源軌具有足夠用于圖5的電路的不同幅 值，其中圖5的電路是一種較簡單的實現方式。
[0054在圖5的電路中存在著放大器540、正值檢測器520以及負值檢測器 530。 一個開關電路510在兩個電源之間切換。有利地是，對該輸出射頻信號 進行監測，這樣通過合理的測試確保足夠早地開始跟隨從而在輸出上避免截 幅。此外，電路內的其他因素影響輸出幅值，對輸出幅值的監測使這些因素 同樣有效地被監測。有利地，可實現該電路而在放大器供電電壓中沒有中 斷，這樣該射頻放大器的供電電壓跟隨該輸出射頻信號的射頻包絡。進一步 有利地是，這里所說明的這些實施方案是高度可集成的。另外，它可以與該 功率放大器集成在同一管芯(die)內。
[00551本發明在一個典型地用于短暫間隔的功率放大器的一級的放大晶體管 上增加了集電極電壓。該增加的集電極電壓在一個峰值脈沖期間在輸入信號 中提供更高的峰值功率。集電極是通過用一個低于正常所需要的電壓的集電 極電壓進行偏置，并且這項技術被用來響應OFDM信號中的多個尖峰。處于 靜止態的較低的集電極電壓允許減少功耗。為了適當地提供一個非失真的輸 出信號，在正確的時間而沒有相對于該RF輸出信號的延遲地增加該集電極電 壓并且維持至少正確的 一段持續時間。集電極電壓在峰值脈沖期間的增加允 許一個放大的信號帶有比配備較低集電極電壓更少的失真。[0056有利地，如所說明的本發明支持完全集成，從而允許其低成本實施。
[0057雖然以上說明提到OFDM,本發明還可適用于其他高的峰值對平均值 之比的形式，例如多載體FDM和CDMA 。
[0058可以想象出眾多其他的實施方案而無需背離本發明的精神或范圍。
權利要求
1. 一種電路，包括一個電荷存儲部件；一個放大器電壓供應端口；一個電壓供應輸入端口，用于接收一個第一電壓；一個檢測器，該檢測器電連接到一個RF放大器的一個輸出端口上，該檢測器用于檢測由該RF放大器提供的一個RF輸出信號的幅值并且用于提供來自其中的一個指示信號；以及，至少一個開關，該開關響應于該指示信號用于在一個第一運行模式與一個第二的、其他的運行模式之間進行切換，在該第一運行模式中，該至少一個開關用于該電荷存儲部件的充電并且用于將該第一電壓提供給該放大器電壓供應端口，并且在該第二運行模式中，該至少一個開關用于對該放大器電壓供應端口提供一個超過該第一電壓的升壓電壓，該升壓電壓產生自該電荷存儲部件與該第一電壓的合作并且跟隨該檢測的幅值。
2. 如權利要求1所述的電路，其中，該電路包括BJT (雙極型晶體管)、FET (場效應晶體管)、電容器以 及電阻器中的至少一個。
3. 如權利要求1至2中任一項所述的電路，包括； 一個放大晶體管，該放大晶體管具有包括一個基極、 一個發射極以及一個集電極的一種配置以及包括一個柵極、一個源極以及一個漏極的一種配置 中的至少一種，其中該放大晶體管被連接以用于從該放大器電壓供應端口接 收一個供電電壓。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的電路，其中，該放大晶體管被偏置為用于A類、AB類、B類以及F類運行中的至少 一種。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的電路，包括；一個RF信號輸入端口 ，該輸入端口用于接收一個RF (射頻)信號并 且與該放大晶體管連接用于放大所述接收的RF信號。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的電路，其中，該檢測器是用于將由該RF放大器提供的輸出射頻信號幅值與 一個閾值 幅值進行比較并且用于提供相對于該閾值幅值的一個驅動信號，該驅動信號 用于直接在截幅將發生之前在該第一運行模式與該第二運行模式之間對該 電路進行切換。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的電路，其中， 將該驅動信號提供給一個晶體管以便在一個近似線性的運行范圍中驅動該晶體管。
8. 如權利要求1所述的電路，其中， 提供給該RF放大器供電電壓端口的該升壓電壓是平滑變化的。
9. 如權利要求1所述的電路，其中， 除該電荷存儲部件以外的這些電路部件被集成在一個單一的集成電路之內。
10. 如權利要求9所述的電路，其中， 除該電荷存儲裝置以外的該電路與該功率放大器集成在同一管芯之內。
11. 如權利要求l所述的電路，包括；一個電荷泵電路，該電荷泵電路包括以下情況中的至少一個彼此串聯 連接的兩個晶體管，用于對該電荷存儲部件進行充電并且用于響應于該驅動 信號而產生一個較高的漏極電壓，以及彼此串聯連接的一個第一晶體管和第二晶體管，用于該電荷存儲部件充電；連接到該第一晶體管的柵極上的一個 正檢測器電路；以及連接到該第二晶體管的柵極上的一個負檢測器電路。
12. 如權利要求11所述的電路，其中， 該第二晶體管正常地偏置為導通，該第二晶體管在導通時形成從一個第一電壓供應至地的一個電流路徑用于該電荷存儲部件的充電。
13. 如權利要求11至12中任一項所述的電路，其中，該電荷存儲部件包括一個電容器，并且其中該電流路徑與該電容器串聯。
14. 一個電路，包括 一個放大器電壓供應端口；一個第一電壓供應輸入端口，用于接收一個第一電壓； 一個第二電壓供應輸入端口，用于接收一個第二的、其他的電壓； 一個檢測器，該檢測器電連接到一個RF放大器的一個輸出端口上，該 檢測器用于檢測由該RF放大器提供的一個RF輸出信號的幅值并且用于提 供一個指示信號；以及，至少一個開關，該開關響應于該指示信號用于在一個第一運行模式與一 個第二的、其他的運行模式之間進行切換，在的第一運行模式中，該至少一 個開關用于對該放大器電壓供應端口提供一個基于該第一電壓的電壓，并且 在該第二運行模式中，該至少一個開關用于對該放大器電壓供應端口提供超 過該第 一 電壓并且基于該第二電壓的另 一個電壓，該另 一個電壓跟隨該檢測 的幅值。
15. 改進一個功率》丈大器的線性度的一種方法，包括放大一個RF信號以提供一個放大的RF信號，包括 提供包括一個放大器電壓輸入端口的一個放大器電路； 檢測在一個放大器輸出端口的一個信號的幅值；在一個第一運行模式中，將一個第一電壓電勢提供給該放大器電壓輸入 端口；在一個第二的、其他的運行模式中，將一個升壓的電壓電勢提供給該放 大器電壓輸入端口，該升壓的電壓電勢是通過將來自一個電壓源的一個第一 電壓電勢與另一個電壓電勢的至少一部分相加而形成，該升壓的電壓以一種連續的形式跟隨該檢測的幅值；并且，根據在該RF信號內檢測到的一個峰值脈沖的存在，從該第 一模式切換 到該第二模式。
16. 如權利要求15所述的方法，包括； 將該RF信號提供給該放大器電路；提供在該RF信號內存在一個峰值脈沖的 一個指示；在該指示的峰值脈沖的一段持續時間的過程中，切換一個正值檢測器電 路以便在一個線性運行范圍內驅動一個晶體管，從而維持該第二的、其他的 運行模式。
17. 如權利要求15至16中任一項所述的方法，其中，提供該RF信號包括提供一個RF信號，其特征為一個高的峰值對平均 功率之比。
18. 如權利要求15至17中任一項所述的方法，其中， 該峰值脈沖是在該放大器電路的一個輸出上檢測的。
19. 如權利要求15至18中任一項所述的方法，其中，從該第一模式到該第二模式的切換發生在一個檢測的峰值電壓處，該檢 測的峰值電壓低于一個電壓，在該電壓下將造成該放大器電路的過載以及該放大的RF信號的截幅。
20.—種存儲介質，具有存儲在其中的數據，該數據用于當被執行時產 生一種放大器設計，該放大器設計包括一個電荷存儲部件；一個放大器電壓供應端口；一個電壓供應輸入端口，用于接收一個第一電壓；一個檢測器，該檢測器連接到一個RF放大器的一個輸出端口上，該檢 測器用于檢測由該RF放大器提供的 一個RF輸出信號的幅值；以及，至少一個開關，該開關響應于用于在一個第一運行模式與一個第二的、 其他的運行模式之間進行切換的指示信號，在該第一運行模式中，該至少一 個開關用于對該電荷存儲電容器進行充電并且用于將該第一電壓提供給該 放大器電壓供應端口，并且在該第二運行模式中，該至少一個開關用于對該 放大器電壓供應端口提供超過該第一電壓的一個升壓電壓，該升壓電壓產生 自該電荷存儲電容器與該第 一 電壓的合作并且跟隨該檢測的幅值。
21. —個存儲介質，具有存儲在其中的數據，該數據用于當被執行時產生一 種放大器設計，該放大器設計包括 一個放大器電壓供應端口；一個第一電壓供應輸入端口，用于接收一個第一電壓； 一個第二電壓供應輸入端口，用于接收一個第二的、其他的電壓； 一個檢測器，該檢測器電連接到一個RF放大器的一個輸出端口，該檢 測器用于檢測由該RF放大器提供的一個RF輸出信號的幅值；以及，至少一個開關，該開關響應于用于在一個第一運行模式與一個第二的、 其他的運行模式之間進行切換的指示信號，在該第一運行模式中，該至少一 個開關用于對該放大器電壓供應端口提供基于該第一電壓的一個電壓，并且在該第二運行模式中，該至少一個開關用于對該放大器電壓供應端口提供超 過該第一電壓、并且基于該第二電壓的另一個電壓，該另一個電壓跟隨該檢 測的幅值。
全文摘要
披露了一種集電極升壓電路，該電路用于在第一運行模式中將一個第一電壓提供給功率放大器，并且在一個第二運行模式中將另一個電壓提供給功率放大器。該集電極升壓電路使用由一個射頻檢測器導出的一個指示信號以便在第一與第二運行模式之間進行切換。該另一個電壓是大于該第一電壓的一個升壓電壓、并且它是在峰值偏移過程中在要求時提供的，以避免放大器通過一個升壓電容器進行截幅。該另一個電壓是連續的并且根據檢測的峰值信號的幅值而變化。
文檔編號H03F3/189GK101473531SQ200780022646
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月21日 優先權日2006年6月22日
發明者E·J·W·惠特克, G·G·拉伯瓊, J·格拉丁 申請人:SiGe半導體公司