在偏置切換期間功率放大器晶體管特性的穩定化的制作方法
【專利摘要】本發明涉及在偏置切換期間功率放大器晶體管特性的穩定化。一種裝置能夠包括功率放大器器件。所述裝置還能夠包括給所述功率放大器器件的電壓或者電流輸入。給所述電壓或者電流輸入的輸入電壓或者電流能夠被配置成根據時隙中所調度的傳輸而被控制。所述裝置還能夠包括在所述偏置輸入器件處提供的柵極偏置插入電路。所述柵極偏置插入電路能夠被配置成提供降低的輸入電壓或者電流作為功率放大器的偏置。所述降低的輸入電壓或者電流被配置成：當時隙中沒有傳輸被調度時，對應于所述功率放大器的所述晶體管的閾值。
【專利說明】在偏置切換期間功率放大器晶體管特性的穩定化
【技術領域】
[0001] 包括用于無線通信的通信裝置的通信裝置可以受益于具有穩定的特性的功率放 大器晶體管。例如，特定的功率放大器晶體管可以受益于在偏置切換期間使其特性穩定。
【背景技術】
[0002] 盡管存在試圖降低功率放大器能量消耗的各種技術，但是這些技術已經具有有限 的益處。例如，傳統的方法具有顯著的性能損失。例如，傳統的方法提供了完全不切換某些 級和/或在預期到需要時開啟級的折衷。在任一情況下，尤其在不規則使用的情況下，例 如，在第二代移動通信技術（2G)時分多址（TDMA)類型的系統（諸如，全球移動通信系統 (GSM))中的低通信量期間，所實現的節能效果小于可能的節能效果并且性能通常會被降級 到最小裕度。
【發明內容】
：
[0003] 根據第一實施例，一種方法，包括確定在時隙期間沒有傳輸被調度。所述方法進一 步包括在活動傳輸時段期間，將功率放大器偏置恢復為標稱。該方法進一步包括在該活動 傳輸時段的末尾降低所述功率放大器偏置。降低所述功率放大器偏置包括，將所述功率放 大器偏置降低到所述功率放大器的晶體管的閾值。
[0004] 在某些變化中，所述閾值是預定的固定閾值。
[0005] 在某些變化中，所述閾值是依賴于溫度的動態閾值。
[0006] 在某些變化中，所述閾值是依賴于過程的動態閾值。
[0007] 在某些變化中，所述方法進一步包括：在偏置源和晶體管之間提供串聯開關器件。 所述功率放大器偏置通過使用串聯開關器件來控制。
[0008] 在某些變化中，所述方法進一步包括：基于標稱偏置條件來控制所述功率放大器 偏置的關斷態（off-state)電壓。
[0009] 在某些變化中，所述控制跟蹤所述晶體管隨溫度的閾值變化。
[0010] 根據第二實施例，一種裝置包括功率放大器器件。所述裝置還包括給所述功率放 大器器件的電壓輸入，給所述電壓輸入的輸入電壓被配置成根據在時隙或某個其他活動傳 輸間隔中所調度的傳輸而被控制。所述裝置還包括在所述電壓輸入處提供的柵極偏置插入 電路。所述柵極偏置插入電路被配置成提供降低的輸入電壓（或者電流，取決于晶體管的 類型）作為功率放大器偏置，其中，所述降低的輸入電壓被配置成：當在時隙或活動傳輸間 隔中沒有傳輸被調度時，對應于所述功率放大器的晶體管的閾值。
[0011] 在某些變化中，所述柵極偏置插入電路包括在偏置源和所述晶體管之間的串聯開 關器件，其中，所述功率放大器偏置被配置成通過使用所述串聯開關器件的來控制。
[0012] 在某些變化中，所述串聯開關器件被提供有電阻分壓器（divider)，其被配置成對 所述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
[0013] 在某些變化中，所述串聯開關器件被提供有二極管電平轉換器（level shifter)， 其被配置成對所述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
[0014] 在某些變化中，所述串聯開關器件被提供有電流源電平轉換器，其被配置成對所 述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
[0015] 在某些變化中，所述串聯開關器件被提供有準獨立源，其中，所述串聯開關器件被 配置成在所述準獨立源中進行選擇。
[0016] 根據第三實施例，一種裝置包括確定設備，其用于確定在時隙或時間間隔期間沒 有傳輸被調度。該裝置還包括恢復設備，其用于在活動傳輸時段期間，將所述功率放大器偏 置恢復為標稱。該裝置進一步包括降低設備，其用于在活動傳輸時段的末尾降低功率放大 器偏置。降低所述功率放大器偏置包括：將所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器的 晶體管的閾值。
[0017] 在某些變化中，所述閾值是預定的固定閾值。
[0018] 在某些變化中，所述閾值是依賴于溫度的動態閾值。
[0019] 在某些變化中，所述閾值是依賴于過程的動態閾值。
[0020] 在某些變化中，所述裝置進一步包括用于控制功率放大器偏置的串聯開關器件。 所述串聯開關器件被提供在偏置源和所述晶體管之間。
[0021] 在某些變化中，所述裝置進一步包括控制設備，其用于基于標稱偏置條件而控制 所述功率放大器偏置的關斷態電壓。
[0022] 在某些變化中，所述控制設備進一步用于跟蹤所述晶體管隨溫度的閾值變化。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0023] 為了適當理解本發明，應當參考附圖，其中：
[0024] 圖1圖示根據某些實施例的包括電阻分壓器的裝置。
[0025] 圖2圖示根據某些實施例的包括二極管電平轉換器的裝置。
[0026] 圖3圖示根據某些實施例的包括電流源電平轉換的裝置。
[0027] 圖4圖示根據某些實施例的包括準獨立源的裝置。
[0028] 圖5圖示根據某些實施例的方法。
[0029] 圖6圖示根據某些實施例的系統。
【具體實施方式】：
[0030] 蜂窩運營商可能出于多種原因（諸如，成本和環境影響）而希望降低功率消耗。 在時分多址（TDMA)操作期間，可能會出現當在某些時隙期間沒有傳輸但線性功率放大器 (LPA)仍然消耗能量的時間。全球移動通信系統（GSM)是TDMA通信系統的一個示例，盡管 某些實施例能夠適用于其他通信系統。
[0031] 在這些（低通信量）時間期間降低功率放大器偏置能夠高效地降低能量消耗。此 類降低的結果可能是：當被重激活時線性功率放大器的行為不同并且線性化可能失敗。例 如，可能出現瞬態信號失真和假信號響應，特別是當采用LPA線性化時。
[0032] 然而，在某些實施例中，在將偏置僅降低到閾值的情況下，能夠在最小性能降級的 情況下實現能量節省。盡管由于過程和溫度而引起的器件變化，某些實施例提供不同的方 法和電路來執行該偏置轉換。
[0033] 線性化技術能夠與功率放大器一起使用，以獲得適度的失真性能而同時使效率最 大化，尤其當發射機必須支持具有相同或者不同調制的多個載波時。復雜度使得算法可以 基于相對緩慢的變化特性而進行操作和適配，其中的緩慢是相對于符號速率而言的。例如， 更新速率可以是大約60毫秒，而符號周期可以是大約幾納秒。
[0034] 這種緩慢適配的結果是：可以假定功率放大器在這種間隔期間是相對時不變的。 此外，此類假設對于高帶寬技術（諸如，與寬帶碼分多址（WCDMA)或者長期演進（LTE)關聯 的那些技術）來說可能是正確的。然而，該假設對于低通信量TDMA(特別是對全球移動通 信系統（GSM)類型的系統）來說可能是不成立的。
[0035] 在后者的情況下，在無通信量時段期間禁用功率放大器可能是有價值的。這些時 段可以與時隙一樣短，或者與多個巾貞一樣長。不管怎樣，在功率放大器關閉之后，有源器件 裸片（die)可以快速冷卻，并且到有源器件的內部電容（本征的和非本征的二者）可以放 電。例如，所述冷卻可以涉及在數百微秒中下降數十度。這能夠降低能量消耗。然而，如果 重激活該器件，該器件的特性可能與恰在將其關閉之前的性能大有不同。此外，隨著裸片再 次加熱和電容再充電，該特性將迅速改變。在該間隔期間，可能顯著違背功率放大器是相對 時不變的假設。因此，在該短時段期間，線性化可能失敗。
[0036] 相對地，某些實施例提供了可以極大地降低有源器件的行為變化的方法和電路。 確實，通過使用某些實施例，快速地開關功率放大器并且實質上沒有可辨別的性能降級是 可能的。因此，能夠在沒有性能損失的情況下節省能量。
[0037] 總之，某些實施例可以具有各種特性。例如，晶體管可以從溫度補償參考被偏置， 其中，所述參考優選地表現出與射頻（RF)晶體管類似的依賴于溫度的電壓。例如，美國專 利號US7, 095, 282和US7, 034, 618討論了溫度補償電路，通過引用的方式將其全部合并于 此。
[0038] 能夠將諸如場效應管（FET)之類的串聯開關器件置于偏置源和RF晶體管柵極之 間，以使得能夠選擇性地施加電壓。串聯開關與其附加電路結合可以被設計成使得串聯開 關將大體為閾值電壓的電壓施加到柵極而不是將偏置完全關斷。通過施加大體等于晶體管 閾值的電壓，可以使電流消耗最小化，同時不耗盡由有源器件和/或關聯的匹配與偏置電 路所存儲的電荷。因此，能夠快速地開啟該器件并且使特性的變化最小。
[0039] 此外，在某些實施例中，關斷態柵極偏置電壓能夠基于標稱偏置條件，以使得關斷 態柵極偏置電壓跟蹤隨溫度的閾值變化。此外，在某些實施例中，關斷態電壓能夠基于標稱 偏置條件，并且因此能夠本征地考慮器件到器件的變化。因而，某些實施例可以合并到所制 造的器件中。
[0040] 實際情況是，閾值電壓或者電流能夠由于過程和溫度效應而是可變的。因此，在某 些實施例中，能夠從開啟態（on-state)偏置而不是使用完全獨立的偏置源來得出關斷態 偏置。這種機制提供對于由器件的過程、電路或者環境所引起的器件變化的不敏感度。
[0041] 本文描述了使用橫向（laterally)擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（LDM0S) 技術的各種可能的實現方式。這僅是普通技術中的示例。然而，某些實施例同樣適用于任 何RF半導體，包括但不限于金屬氧化物半導體場效應晶體管（M0SFET)、雙極結型晶體管 (BJT)、異質結雙極型晶體管（HBT)、金屬半導體場效應晶體管（MESFET)。
[0042] 在圖1-4中，假設偏置生成器電壓被設置成獲得某個期望的靜態漏極電流。注意， 由于FET的閾值電壓的變化，需要在對每個器件的生產中對準電壓。然而，盡管絕對電壓可 能會變化，但是用于夾斷的電壓差通常可以是恒定的。相對恒定的電壓差對于器件到器件 的變化以及溫度來說可以是正確的。因此，通過設計串聯開關使得開啟態和關斷態之間的 電壓差恒定，無論絕對電壓如何，某些實施例能夠獨立于閾值電壓轉換。這種適應器件到器 件的變化的能力能有助于采用這些技術和電路的功率放大器電路的設計、實現和制造。
[0043] 圖1-4具有多個共同特征，包括漏極偏置變換器110、輸出RF匹配元件120、一個 或多個RF放大器器件130以及輸入RF匹配元件140。漏極偏置變換器110能夠供應電壓 Vdd到一個或多個RF放大器器件130,而輸出RF匹配元件120能夠提供用于一個或多個RF 放大器器件130的RF輸出。輸入RF匹配元件140能夠提供RF輸入到一個或多個RF放大 器器件130。同樣，柵極偏置變換器150能夠基于偏置生成器電路160的電壓Vgq而供應柵 極偏置電壓Vgs到一個或多個RF放大器器件130。在圖4中，代替地，通過"開啟"偏置生 成器電路160a和"關斷"偏置生成器電路160b能夠供應偏置電壓。PA使能170能夠提供 控制輸入到系統，并且其能夠基于諸如是否在時隙中調度傳輸之類的信息。
[0044] 圖1圖示作為電阻分壓器180來橋接串聯開關的電阻器。該電阻器能夠產生適于 多種應用的相對恒定的差。差的誤差因數可以表示如下：
[0045] dV -error =: (等式 1) ?V g
[0046] 在示例性LEM0S器件中，其中，期望的靜態柵極電壓為3. 2v，并且到關斷態的期望 的差低〇.6v，等式1將會導致&= (3/13)*Rg以及19%的誤差因數。假設跨過程的閾值 電壓轉換為例如+/_〇. 5v，那么電壓差將會落入到0. 5-0. 7v的范圍內，這是可以接受的。
[0047] 對于其中必須更加嚴格地控制所述差的更多高要求應用來說，可以使用可替換的 實現方式。例如，如圖2所示，串聯的二極管可用于二極管電平轉換器280。
[0048] 當期望具有隨溫度增加的偏置電壓時，圖2的布置可以是有用的。因為二極管正 向壓降能夠一般隨著溫度下降（對于硅結二極管來說大約為-2. 2mV/C)，所以能夠發生這 種增加的電壓。因此，關斷態電壓能夠增加。應當期望電壓隨著溫度的較小的變化，串聯電 阻器和分流電阻器的適當選擇能夠降低溫度斜率，如美國專利號7, 095, 282和7, 034, 618 中所討論的。
[0049] 可選的，如圖3所示，使用溫度補償電流源380能夠實現穩定的電壓轉換。在這種 情況下，電壓轉換可以簡單地為Rs*Ig。
[0050] 在圖4示出的布置中圖示更加復雜和通用的情況，其示出準獨立源160a和160b。 在這種情況下，能夠使用兩個獨立的偏置電壓生成器160a和160b，每一個都具有獨特的溫 度特性。另外，耦合它們之間的一個或多個信號480可用于包括任何常見的行為。
[0051] 不管所選擇的實現方式，為了使RF器件的特性變化最小而同時最大化功率節省， 將關斷態電壓維持為接近閾值電壓。如果保持高于閾值，可能會失去一些潛在的功率節省， 但是能夠降低RF晶體管的特性變化。如果保持低于所述閾值電壓，則可以實現最大的功率 節省，但是RF晶體管的特性變化也是更大。因此，能夠容易地實現特性變化和功率節省之 間的期望的平衡。
[0052] 某些實施例可以由柵極或者基極偏置電壓所表征。某些實施例可以產生以下結 果：關斷態電壓合理地與RF器件的閾值電壓緊密相關。
[0053] 圖5圖示根據某些實施例的方法。如圖5所示，方法可以包括，在510,確定在時隙 期間沒有傳輸被調度。該方法還可以包括，在520,在不活動時隙期間，降低功率放大器偏 置。該降低可以從活動時隙期間所使用的標稱電平降低。所述方法可以進一步包括，在530， 在非活動時隙的末尾，增加功率放大器偏置，該增加可以是例如將功率放大器偏置恢復為 標稱的。這里的標稱可以指用于活動傳輸的偏置電平。該增加可以在非活動時隙末尾的附 近開始，例如，被定時以使得在下一個活動時隙的開始處完成該增加。降低功率放大器偏置 可以包括：將功率放大器偏置降低到功率放大器的晶體管的閾值。在其期間功率較低但至 少為閾值量的時段可以與單個時隙一樣短，也可以跨越多個時隙，取決于通信量。因此，這 里的時隙僅是時間間隔或者時間段的一個示例，其實際上可以是多于一個連續的時隙。
[0054] 如何控制功率放大器偏置可以在不同的實施例中變化。例如，在場效應管（FET) 的情況下，能夠控制柵極電壓。相比之下，在雙極結型晶體管（BJT)的情況下，某些實施例 的電路能夠控制電流。
[0055] 閾值可以是預定的固定閾值。可替換地，閾值可以是依賴于溫度的動態閾值、依賴 于過程的動態閾值或者二者。
[0056] 該方法可以進一步包括，在540,提供在偏置源和晶體管之間的串聯開關器件。通 過使用串聯開關器件，能夠控制功率放大器偏置。所述方法可以附加地包括，在550，基于標 稱偏置條件而控制功率放大器偏置的關斷態電壓。所述控制能夠跟蹤晶體管隨著溫度的閾 值變化。
[0057] 上述方法可以與用于穩定功率放大器的特性的其他技術結合使用。例如，何時能 夠調整偏置電壓的時機能夠基于結合使用圖5以及本文其他位置所說明的方法的對需要 的預期。
[0058] 上述方法可以以各種方式來實現。例如，可以全部以硬件或者運行在硬件上的軟 件實現該方法。軟件可以是編碼有指令的非臨時計算機可讀介質，當在硬件中執行指令時 執行過程。所述過程可以是本文描述的任何方法。
[0059] 圖6圖示根據某些實施例的系統。如圖6所示，該系統可以包括功率放大器器件 610。該系統還可以包括去往功率放大器器件610的電壓輸入620。給電壓輸入620的輸入 電壓被配置成根據在時隙中所調度的傳輸來控制。可以在電壓輸入620處提供柵極偏置插 入電路630。柵極偏置插入電路630能夠被配置成提供降低的輸入電壓作為功率放大器偏 置。該降低的輸入電壓能夠被配置成當在時隙中沒有傳輸被調度時對應于功率放大器610 的晶體管的閾值。
[0060] 柵極偏置插入電路可以包括在偏置源和晶體管之間的串聯開關器件，其中，功率 放大器偏置被配置成通過使用串聯開關器件來控制。例如，該方法可見圖1-4。
[0061] 如圖1所示，串聯開關器件可以被提供有電阻分壓器，該電阻分壓器被配置成對 串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。可替換地或者附加地，如圖2所示，串聯開關器件可以 被提供有二極管電平轉換器，所述二極管電平轉換器被配置成對串聯開關器件兩端的電壓 進行分壓。可替換地或者附加地，如圖3所示，串聯開關器件可以被提供有電流源電平轉換 器，所述電流源電平轉換器被配置成對串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。可替換地或者 附加地，如圖4所示，串聯開關器件可以被提供有準獨立源，其中，所述串聯開關器件被配 置成在準獨立源之間進行選擇。如上文所提到的，晶體管可以是電壓控制的（例如FET)或 者電流控制的（例如BJT)。因此，源可以是電壓源或者電流源，取決于例如晶體管。
[0062] 本領域普通技術人員將會容易地理解，可以以不同次序的步驟和/或利用其配置 不同于所公開的配置的硬件元件，來實施以上所討論的發明。因此，盡管已經基于這些優選 實施例描述了本發明，但是對本領域技術人員來說顯而易見的是，在保持在本發明的精神 和范圍內的同時，某些修改、變化或者替換的結構將會是顯然的。為了確定本發明的界限和 范圍，因此應當參考附加的權利要求書。
[0063] 術語表
[0064] REM :射頻模塊或者無線電收發器單元
[0065] TX :發射機
[0066] PA :功率放大器
[0067] LPA :線性功率放大器
[0068] LDM0S :橫向擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管
[0069] M0SFET :金屬氧化物半導體場效應晶體管
[0070] BJT :雙極結型晶體管
[0071] HBT :異質結雙極型晶體管
[0072] MESFET :金屬半導體場效應晶體管
[0073] TDMA:時分多址
[0074] WCDMA:寬帶碼分多址
[0075] LTE :長期演進
[0076] GSM :全球移動通信系統
[0077] RF :射頻
[0078] FET :場效應晶體管
【權利要求】
1. 一種方法，包括： 確定沒有在時間段期間被調度的傳輸； 在不活動時間段期間降低功率放大器偏置；以及 在不活動時間段的末尾，將所述功率放大器偏置恢復為標稱的， 其中，降低所述功率放大器偏置包括，將所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器 的晶體管的閾值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述閾值是預定的固定閾值。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述閾值是依賴于溫度的動態閾值。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述閾值是依賴于過程的動態閾值。
5. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括： 在偏置源和所述晶體管之間提供串聯開關器件， 其中，所述功率放大器偏置通過使用串聯開關器件來控制。
6. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括： 基于標稱偏置條件而控制所述功率放大器偏置的關斷態電壓。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述控制跟蹤所述晶體管隨溫度的閾值變化。
8. -種裝置，包括： 功率放大器器件； 給所述功率放大器器件的電壓或者電流輸入，其中，給所述電壓或者電流輸入的輸入 電壓或者電流被配置成根據時隙中所調度的傳輸而被控制； 在所述電壓或者電流輸入處提供的柵極偏置插入電路，其中，所述柵極偏置插入電路 被配置成提供降低的輸入電壓或者電流作為功率放大器偏置，其中，所述降低的輸入電壓 或者電流被配置成：當時隙中沒有傳輸被調度時，對應于所述功率放大器的晶體管的閾值。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其中，所述柵極偏置插入電路包括在偏置源和所述晶 體管之間的串聯開關器件，其中，所述功率放大器偏置被配置成通過使用所述串聯開關器 件而被控制。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述串聯開關器件被提供有電阻分壓器，所述 電阻分壓器被配置成對所述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
11. 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述串聯開關器件被提供有二極管電平轉換 器，所述二極管電平轉換器被配置成對所述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
12. 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述串聯開關器件被提供有電流源電平轉換 器，所述電流源電平轉換器被配置成對所述串聯開關器件兩端的電壓進行分壓。
13. 根據權利要求9所述的裝置，其中，所述串聯開關器件被提供有準獨立源，其中，所 述串聯開關器件被配置成在所述準獨立源中進行選擇。
14. 一種裝置，包括： 確定設備，其用于確定沒有在時間段期間被調度的傳輸； 降低設備，其用于在不活動時段期間降低功率放大器偏置；以及 恢復設備，其用于在所述不活動時段的末尾，將所述功率放大器偏置恢復為標稱的， 其中，降低所述功率放大器偏置包括：將所述功率放大器偏置降低到所述功率放大器 的晶體管的閾值。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述閾值是預定的固定閾值。
16. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述閾值是依賴于溫度的動態閾值。
17. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述閾值是依賴于過程的動態閾值。
18. 根據權利要求14所述的裝置，進一步包括： 串聯開關設備，其用于控制功率放大器偏置， 其中，所述串聯開關設備被提供在偏置源和所述晶體管之間。
19. 根據權利要求14所述的裝置，進一步包括： 控制設備，其用于基于標稱偏置條件而控制所述功率放大器偏置的關斷態電壓。
20. 根據權利要求19所述的裝置，其中，所述控制設備進一步用于跟蹤所述晶體管隨 溫度的閾值變化。
【文檔編號】H03F1/30GK104124925SQ201410242107
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2013年4月29日
【發明者】D·巴拉巴什 申請人:諾基亞通信公司