專利名稱：高頻功率放大器電路與用于高頻功率放大器的電子部件的制作方法
相關(guān)申請的交互參考本發(fā)明要求2003年10月16日遞交的申請?zhí)枮?003-356219的和2003年10月16日遞交的申請?zhí)枮?003-356218的日本專利申請的優(yōu)先權(quán)，在此將其內(nèi)容并入本申請以作參考。
背景技術(shù)：
(1)本發(fā)明涉及一種適用于高頻功率放大器電路的有效技術(shù)，以及一種并入了這一高頻功率放大器電路的高頻功率放大器的電子部件，具體地講，本發(fā)明涉及一種用于在使用一種電流鏡方法在高頻功率放大器電路中實現(xiàn)穩(wěn)定放大特性以向放大晶體管提供偏壓的技術(shù)。
(2)把一個使用諸如MOSFET(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)或GaAs-MESFET的高頻功率放大器電路(通常具有多級合成)并入一個諸如蜂窩電話的射頻通信系統(tǒng)(移動通信系統(tǒng))的發(fā)射側(cè)輸出單元中。
(3)通常，在大多數(shù)情況下，把這種高頻功率放大器電路構(gòu)造為一種單一的電子部件。在這一電子部件中，把一個包括一個放大晶體管及其偏置電路的半導(dǎo)體芯片與一個諸如另一個半導(dǎo)體芯片或電容器的離散的部件一起，安裝在一個絕緣的基片上，例如，安裝在其中表面或內(nèi)部施加了所印制的導(dǎo)線的陶瓷基片上，各部件通過所印制的導(dǎo)線或一條接合導(dǎo)線被耦合。把這種電子部件稱為RF功率模塊。
(4)順便提及，在用于蜂窩電話的RF功率模塊中使用半導(dǎo)體芯片的情況下，高度集成正在向能夠使這種模塊具有高性能和最小化的方向發(fā)展。而且，在最近幾年中，從高頻放大特性的穩(wěn)定化的角度，提出了一種與RF功率模塊相關(guān)的發(fā)明(例如，參考專利文檔1)。根據(jù)這一發(fā)明，如圖12中所示，提供了把柵極共連于其的一個放大FETQ0和一個偏置Q1。通過一個由FET Q3和Q4組成的電流鏡電路生成一個偏流Iin，其中把來自一個恒流源CI的電流傳送于該電流鏡電路。把這一偏流Iin施加于偏置FET Q1，并且使用一種電流鏡方法把一個偏壓提供于放大FET Q0，然后，根據(jù)Q1和Q0的寬度比，施加一個電流Iout。
(5)在一個通過這樣一種電流鏡方法向放大FET Q0提供偏壓的RF功率模塊中，即使FET臨界電壓(Vth)出現(xiàn)耗散(scatter)，施加于放大FET Q0的無功電流也不會發(fā)生變化。因此，作為一個優(yōu)點，不需要校正元件耗散，并且合格率得以提高。另外，在本說明書中，在其中未輸入一個高頻信號，即沒有信號的狀態(tài)下，當(dāng)通過電流鏡方法向放大晶體管提供偏壓時，把施加于放大晶體管的漏極電流稱為無功電流。
(6)而且，還提出了一個關(guān)于改進了高頻放大特性的高頻功率放大器電路(參考圖13)的發(fā)明(例如，參考專利文檔2)。根據(jù)這一發(fā)明，把一個具有雙柵極結(jié)構(gòu)的FET或兩個串行的FET用作RF功率模塊的一個第一級功率放大元件，以調(diào)整一個具有單側(cè)柵極電壓的互導(dǎo)(gm)的飽和點(最大電流)以及在飽和點附近操作RF功率模塊。公開號為2003-017954的日本未經(jīng)審查的專利申請。公開號為2004-193846的日本未經(jīng)審查的專利申請。

發(fā)明內(nèi)容
(6)為了提高RF功率模塊的高頻功率放大特性以及實現(xiàn)高度集成，有效的方法是減小放大FET的溝道長度。然而，一種人們所熟悉的現(xiàn)象是，在一個其中其溝道長度較短的FET的區(qū)域中，如圖13中所示，由于溝道長度的微小耗散，臨界電壓Vth和溝道長度調(diào)制系數(shù)λ出現(xiàn)明顯耗散。把這樣的一種現(xiàn)象稱為短溝道效應(yīng)。
(7)在一個使用一種電流鏡方法向放大FET提供偏壓的RF功率模塊中，當(dāng)FET臨界電壓Vth或溝道長度調(diào)制系數(shù)λ出現(xiàn)明顯耗散時，不能獲得一個所希望的電流鏡比(mirror ratio)。因此，放大FET的漏極電流(無功電流)自一個所希望的值偏移，從而不能獲得一個所希望的高頻功率放大特性，例如不能輸出需要的輸出功率，而且功耗增加。然而，在傳統(tǒng)的電流鏡方法以及先前發(fā)明的RF功率模塊中，不考慮因FET短溝道效應(yīng)而導(dǎo)致的一個偏壓點的偏移。因此，如果在使用具有短溝道長度的放大FET的RF功率模塊中不采取任何校正措施，模塊之間的高頻功率放大特性的耗散增大，以致達到耗散不能忽略的程度，從而存在著不能獲得穩(wěn)定放大特性的可能性。
(8)另外，假設(shè)還由一個外部電阻元件校正因FET短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的偏壓點的偏移。然而，在這一情況下，由于需要精確地測量FET特性和調(diào)整電阻元件的步驟，所以導(dǎo)致了成本的增加。
除此之外，在一個短溝道FET中，甚至是在一個飽和區(qū)中也不能忽略溝道調(diào)制系數(shù)λ，而且電源電壓隨著用戶系統(tǒng)的不同而稍有不同。因此，即使不通過調(diào)整外部電阻元件來校正偏壓點的偏移，顯然當(dāng)電源電壓隨將加以使用的用戶系統(tǒng)的不同而不同時，由于λ的影響，也不能把一個所希望大小的無功電流施加于一個放大FET。
(9)另外，還假設(shè)在圖12的電路中，高頻放大器電路使用雙極晶體管取代了FET Q0和Q1。由于使用了雙極晶體管，所以可以防止因短溝道效應(yīng)所產(chǎn)生的故障。然而，在雙極晶體管中，盡管在FET中不會出現(xiàn)短溝道效應(yīng)，但存在著早期效應(yīng)，即使保持基極發(fā)射極電壓不變，但當(dāng)集電極發(fā)射極電壓增大時，有效的基極寬度會減小，而且集電極電流也會增大。
(10)因此，在把雙極晶體管用作放大元件的高頻放大器電路中，當(dāng)放大晶體管的基極的度厚度比較薄時，由于每一芯片的制造耗散，元件大小(基極厚度)將出現(xiàn)耗散。在這一情況下，由于早期效應(yīng)的影響，每一芯片的基極的偏壓點發(fā)生耗散，而且集電極電流(無功電流)也會發(fā)生變化。因此，存在著不能獲得高頻功率放大特性的可能。
(10)而且，如圖27中所示，高頻功率放大器電路把兩個串行的FET Qa和FET Qb分別作為一個偏置元件和一個功率放大元件，以使用一種電流鏡方法向功率放大元件提供偏壓。在合成中，串行的兩個FET的一個柵極和另一個柵極之間的電位差的確定將依賴于把偏流Iin施加于電阻器R121或R122所生成的電壓。因此，如圖31所示，當(dāng)因溝道雜質(zhì)濃度的耗散導(dǎo)致臨界電壓Vth耗散時，顯然，即使漏極電流相等，gm也會變化，而且高頻功率放大特性將會耗散。而且，當(dāng)因短溝道效應(yīng)導(dǎo)致臨界電壓Vth和溝道長度調(diào)制系數(shù)λ出現(xiàn)明顯耗散時，顯然漏極電流和gm會變化，高頻功率放大特性會更進一步地耗散。在以下的例子中，還將詳細地描述這一問題。
(11)本發(fā)明的一個目的是，在使用一種電流鏡方法向放大FET提供偏壓的高頻功率放大器電路中，能夠自動校正因FET短溝道效應(yīng)所產(chǎn)生的一個偏壓點的偏移，并且能夠減小高頻功率放大器電路芯片之間高頻功率放大特性的耗散。
(12)本發(fā)明的一個目的是，在使用一種電流鏡方法向放大放大雙極晶體管提供偏壓的高頻功率放大器電路中，能夠自動校正因雙極晶體管的早期效應(yīng)所產(chǎn)生的一個偏壓點的偏移，并且能夠減小高頻功率放大器電路芯片之間高頻功率放大特性的耗散。
(13)本發(fā)明的另一個目的是，提供一種擁有高頻功率放大特性的較小耗散，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小化和高度集成的高頻功率放大器電路，以及一種用于其中建造了這種高頻功率放大器電路的高頻功率放大器的電子部件(RF功率模塊)。
(11)本發(fā)明的另一個目的是，在一種把雙柵極結(jié)構(gòu)或串行結(jié)構(gòu)的FET用作為一個第一級功率放大元件，以使用一種電流鏡方法向放大FET提供偏壓的高頻放大器電路中，能夠自動校正因FET短溝道效應(yīng)和溝道雜質(zhì)濃度的耗散所產(chǎn)生的偏壓點的偏移，并且能夠減小高頻功率放大器電路芯片之間高頻功率放大特性的耗散。
(12)本發(fā)明的另一個目的是，在一種在一第一級功率放大元件使用雙基極結(jié)構(gòu)或串行結(jié)構(gòu)的雙極晶體管，以使用一種電流鏡方法向放大晶體管提供偏壓的高頻功率放大器電路中，能夠自動校正因雙極晶體管早期效應(yīng)和溝道雜質(zhì)濃度的耗散所產(chǎn)生的偏壓點的偏移，并且能夠減小高頻功率放大器電路芯片之間高頻功率放大特性的耗散。
(13)本發(fā)明的另一個目的是，提供一種擁有高頻功率放大特性的較小耗散，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小化和高度集成的高頻功率放大器電路，以及一種用于并入了這種高頻功率放大器電路的高頻功率放大器的電子部件(RF功率模塊)。
(14)通過本說明書的描述以及所給出的附圖，本發(fā)明以上的和其它的目的、以及新的特性，將會變得十分明顯。
(15)以下將描述本申請中所公開的各發(fā)明中一個典型的發(fā)明的梗概。
即，在一種使用一種電流鏡方法向一個放大晶體管提供偏壓的高頻功率放大器電路中，本發(fā)明具有一個電流模擬晶體管，擁有與一放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并且按與放大晶體管相同的工藝加以形成；以及一個二極管連接的晶體管，串行地連接在該電流模擬晶體管上。本發(fā)明還具有一個向放大晶體管和電流模擬晶體管提供這樣一個偏壓的偏壓生成電路，該偏壓生成電路把一個根據(jù)施加于二極管連接的晶體管的電流所形成的一個電壓與一個由把來自恒流電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，抑制因短溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而導(dǎo)致的放大晶體管的無功電流的變化。
(16)更具體地講，本發(fā)明提供有一個偏壓生成電路，該偏壓生成電路包括一個電流模擬晶體管，該電流模擬晶體管擁有與一放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并以與放大晶體管相同的工藝加以形成；一個二極管連接的晶體管，串行地與電流模擬晶體管相連；一個晶體管，使用一種電流鏡方法連接于二極管連接的晶體管；一個第一電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，串行地連接于該晶體管；以及一個差分放大器電路，把從第一電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓與從第二電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，其中第二電流-電壓轉(zhuǎn)換元件把來自一個恒流電路的一個恒流轉(zhuǎn)換成一個電壓，并根據(jù)一個電位差輸出該電壓。差分放大器電路的操作旨在使第一電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓能夠與參考電壓相匹配，并且把差分放大器電路的一個輸出電壓施加于放大晶體管的一個控制引腳。
(17)根據(jù)以上所提到的裝置，即使放大晶體管的溝道長度或基極寬度耗散，也可以生成一個校正的偏置電壓，致使放大晶體管的放大特性自動成為一個所希望的特性，而無需測量放大晶體管的特性，以及無需調(diào)整一個電阻元件，并可將其提供于放大晶體管的一個控制引腳(柵極引腳或基極引腳)。
(18)此時，所希望的是，把電流模擬晶體管Tr1的基極寬度或發(fā)射極大小制造得小于放大晶體管的基極寬度或發(fā)射極大小。因此，可以抑制因提供放大晶體管所導(dǎo)致的功耗的增加。
(19)而且，所希望的是，電流模擬晶體管的溝道長度或基極寬為Lg(Tr1)或Lb(Tr1)，串行連接于Tr1的二極管連接的晶體管Tr2的溝道長度或基極寬為Lg(Tr2)或Lb(Tr2)。另外，電流-電壓轉(zhuǎn)換元件還具有一個二極管連接的晶體管。在這一情況下，當(dāng)把晶體管Tr3的溝道長度設(shè)置成Lg(Tr3)時，建立了一個滿足Lg(Tr3)＞(Tr1)或Lb(Tr3)＞Lb(Tr1)的關(guān)系。而且還建立了一個滿足Lg(Tr2)≥Lg(Tr3)＞Lg(Tr1)或Lb(Tr2)≥Lb(Tr3)＞Lb(Tr1)的關(guān)系。
(20)因此，可以把一個不依賴放大晶體管的溝道長度或基極寬度的耗散的參考電壓生成為輸入于差分電路的參考電壓，從而可以精確地把禁止放大晶體管的無功電流因溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而變化的這樣的一個偏壓提供給放大晶體管。
(21)另外，所希望的是，提供一個輸出功率檢測晶體管，其被連接，以致于可以把與施加于一個末級放大晶體管的柵極引腳或基極引腳的電壓相同的電壓施加于該柵極引腳或基極引腳，而且其中流動著一個與流向放大晶體管的電流成比例的電流。因此，通過把一個可由輸出功率檢測晶體管加以檢測的電流反饋到一個偏置電路，并控制偏置電壓，可以控制具有良好線性特性的輸出功率。
(15)另外，以下將描述的本申請中所公開的一個發(fā)明。
即，根據(jù)這一發(fā)明，高頻功率放大器電路使用了這樣一個雙柵極結(jié)構(gòu)或雙基極結(jié)構(gòu)晶體管在一個串行的第一級功率放大元件或晶體管中，具有兩個控制引腳，以使用一種電流鏡方法向一個放大晶體管提供偏壓。在這一高頻功率放大器電路中，可以獨立地設(shè)置放大晶體管的兩個控制引腳的偏置電壓，并且使兩個控制引腳的偏壓比為常數(shù)。本發(fā)明包括一個電流模擬晶體管，具有與放大晶體管相同的結(jié)構(gòu)和相同的溝道長度或基極寬度，并且按與放大晶體管相同的工藝加以形成；以及一個偏壓生成電路，向放大晶體管和電流模擬晶體管提供這樣的一個偏壓，以致于可以把根據(jù)施加于電流模擬晶體管的電流所形成的一個電壓與一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，其中電流-電壓轉(zhuǎn)換元件把一個參考電流(Iin)轉(zhuǎn)換成一個電壓；并禁止放大晶體管的無功電流因短溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而變化。
(16)更具體地講，本發(fā)明包括一個雙柵極或雙基極的電流模擬晶體管，具有與雙柵極或雙基極的放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并且按與雙柵極或雙基極的放大晶體管相同的工藝加以形成；以及一個二極管連接的晶體管，擁有一個使臨界電壓和溝道長度調(diào)制系數(shù)不因制造耗散而變化的溝道長度，以及使一個有效基極寬度不因制造耗散而隨集電極發(fā)射極電壓而變化的基極寬度。本發(fā)明包括一個第一偏壓生成電路，把一個根據(jù)施加于二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與把來自一個電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成一個電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，并且把禁止放大晶體管的無功電流因短溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而變化的這樣的一個偏壓提供給把放大晶體管的一個將加以放大的信號輸入于其的第一柵極或第一基極，以及電流模擬晶體管與其相對應(yīng)的第一柵極或第一基極；以及一個第二偏壓生成電路，把根據(jù)施加于二極管連接的晶體管的電流所形成的一個電壓與把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成一個電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，并向放大晶體管和電流模擬晶體管的第二柵極或第二基極提供偏壓。
(17)根據(jù)以上所提到的裝置，即使放大晶體管的溝道長度、基極寬度、以及溝道雜質(zhì)濃度耗散，也可以自動生成一個校正的偏置電壓，致使放大晶體管的放大特性可成為一個所希望的特性，并可將其提供于放大晶體管的柵極或基極，而無需測量放大晶體管的特性，以及無需調(diào)整一個電阻元件。
(18)此時，所希望的是，一個高頻功率放大器電路包括一個功率放大元件，具有級聯(lián)的多個放大器級，其中每一個放大器級分別放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓。在這一高頻功率放大器電路中，把一個相應(yīng)于電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓的電壓施加于功率放大元件的控制引腳，從而使一個與流向電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，在該高頻功率放大器電路中，把一個雙柵極的FET或一個雙基極的雙極晶體管用作為一個第一級放大器級的功率放大元件。因為擁有多個放大器級的高頻功率放大器電路在第一級放大器級中要求一個最佳線性特性的輸出功率控制特性，所以通過使用雙柵極的FET或雙基極的雙極晶體管，即使在一個低輸出功率電平的區(qū)域中，也能獲得線性輸出功率控制特性，并且能夠防止因制造耗散所導(dǎo)致的控制特性的惡化。
(19)另外，所希望的是，本發(fā)明配備有一個向其輸入一個輸出功率控制電壓的外部引腳和一個向其輸入預(yù)先確定的固定電位的外部引腳，以及一個從輸入于這兩個外部引腳的電壓中選擇其中之一，并且能夠?qū)⑵涮峁┯谄珘荷呻娐返拈_關(guān)。該開關(guān)裝置在一個其中把一個調(diào)頻高頻信號輸入于放大晶體管的第一模式中選擇輸入于第一外部引腳的電壓；以及在一個其中把一個調(diào)相的和調(diào)幅的高頻信號輸入于放大晶體管的第二模式中選擇輸入于第二外部引腳的電壓。因此，放大了多種調(diào)制方法所調(diào)制的高頻信號，并且通過單個電路或單個模塊將其輸出。
(22)以下將簡要描述從本申請中所公開的這些發(fā)明中一個典型發(fā)明所獲得的結(jié)果。
即根據(jù)本發(fā)明，在一個高頻功率放大器電路中，自動校正因FET短溝道效應(yīng)、雙極晶體管的早期效應(yīng)、以及溝道雜質(zhì)濃度的耗散所導(dǎo)致的偏壓點的偏移，并能夠減小芯片之間高頻功率放大特性的耗散。
(23)而且，根據(jù)本發(fā)明，甚至當(dāng)正向地把短溝道長度或薄基極寬度的FET的一個雙極晶體管用作高頻功率放大器電路的一個放大晶體管，以改進高頻功率放大器的特性，并實現(xiàn)最小化時，可以減小模塊之間的性能耗散。
(22)另外，根據(jù)本發(fā)明，還提高了高頻功率放大特性的可控性，并且可以改進高頻功率放大器電路和安裝了高頻功率放大器電路的模塊的通用性。


圖1是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第一實施例；圖2A和2B為特性圖，描述了高頻功率放大器電路中偏置電路的電流Iin和根據(jù)這一電流Iin施加于一個放大FET Q0的電流Iout之間的關(guān)系，其中圖2A示出了本發(fā)明的一實施例，圖2B說明一個傳統(tǒng)的例子；圖3是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第二實施例；圖4A是一個特性圖，描述了一個第三實施例的高頻功率放大器電路中偏置電路的輸出功率控制電壓Vapc和電流Iin之間的關(guān)系。圖4B是一個特性圖，描述了控制電壓Vapc和施加于放大FET Q0的電流Iout之間的關(guān)系；圖5是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第三實施例；圖6是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第四實施例；圖7是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第一種改型；圖8是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第二種改型；圖9是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第三種改型；圖10是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第四種改型；圖11是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第五種改型；圖12是一個電路方框圖，描述了傳統(tǒng)高頻功率放大器的一個例子；圖13描述了當(dāng)縮短FET溝道的長度時，溝道長度、臨界電壓Vth和溝道長度調(diào)制系數(shù)λ之間的關(guān)系；圖14A描述了高頻功率放大器電路中輸出功率控制電壓Vapc和無功電流Iout之間的關(guān)系；以及圖14B描述了圖12的傳統(tǒng)的高頻功率放大器電路中的輸出功率控制電壓Vapc和無功電流Iout。
圖15是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第五實施例；圖16是一個特性圖，描述了在這一實施例的高頻功率放大器電路圖27的傳統(tǒng)電路中，當(dāng)因把一個柵極長度較短的FET用作放大FETQb1而導(dǎo)致臨界電壓Vth和溝道調(diào)制系數(shù)λ耗散時，偏置電流(輸入電流)Iin2和無功電流Iin2之間的關(guān)系；圖17是一個特性圖，描述了在這一實施例的高頻功率放大器電路圖27的傳統(tǒng)電路中，當(dāng)因把長柵極的短FET用作放大FET Qb1而導(dǎo)致臨界電壓Vth耗散時，或當(dāng)因其中不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的一個區(qū)域中溝道雜質(zhì)濃度的耗散而導(dǎo)致Vth耗散時，或當(dāng)因這兩個組合效應(yīng)導(dǎo)致Vth耗散時，偏置電路(輸入電流)Iin和雙柵極的放大FET Q1和Qb2的第一柵極和第二柵極的偏壓比(ΔVgsb2/ΔVgsb1)之間的關(guān)系；圖18是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第六實施例；圖19是一個特性圖，描述了一個第六實施例的高頻功率放大器電路中控制電壓Vapc和施加于放大FET Qb的電流Iin1之間的關(guān)系；圖20是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第七實施例；圖21是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第五種改型；圖22是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第六種改型；圖23是一個電路方框圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第七種改型；圖24是一個結(jié)構(gòu)圖，描述了使用本實施例的高頻功率放大器電路的一個諸如蜂窩電話的射頻通信系統(tǒng)的一個合成實例；圖25是一個電路方框圖，描述了傳統(tǒng)高頻功率放大器電路的一個實例；圖26描述了當(dāng)FET溝道的長度較短時，溝道長度、臨界電壓Vth、以及溝道長度調(diào)制系數(shù)λ之間的關(guān)系；圖27是一個電路方框圖，描述了傳統(tǒng)高頻功率放大器電路的另一個例子；圖28是一個特性圖，描述了在圖27的傳統(tǒng)的高頻功率放大器電路中，當(dāng)把雙柵極的放大FET的上FET Qb2的柵極電壓Vgsb2設(shè)置成某一值時，下FET QB1的柵極電位Vgsb1和QB1或Qb2的漏極電流Ids之間關(guān)系；圖29是一個特性圖，描述了在圖27的傳統(tǒng)的高頻功率放大器電路中，當(dāng)把雙柵極的放大FET的上FET Qb2的柵極電壓Vgsb2設(shè)置成某一值時，下QB1的gm和漏極電流Ids之間關(guān)系；圖30是一個特性圖，描述了在圖27的傳統(tǒng)的高頻功率放大器電路中，當(dāng)雙柵極的FET的臨界電壓Vth耗散時的Ids-gm特性。
圖31是一個特性圖，描述了FET的臨界電壓Vth的溝道雜質(zhì)濃度依賴性。
具體實施例方式
(24)下將詳細描述本發(fā)明的各實施例。
(25)圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第一實施例粗略組成。盡管未特別加以限制，但例如把具有諸如圖1的實施例所示的這樣的組成的3個高頻功率放大器電路級聯(lián)地加以連接，并與一個外部電阻元件或一個電容元件一起將它們安裝在一個絕緣的基片上，例如安裝在一個陶瓷基片上，從而構(gòu)成一個RF功率模塊(參考圖9和圖10)。另外，級聯(lián)連接意味著把3個功率放大器電路這樣地加以連接把前一級高頻輸出輸入到下一級輸入引腳。從組成角度而言，每一級的高頻功率放大器電路分別與圖1的相同，但在放大FET的大小(柵極寬度)方面不盡相同。按第一級、第二級、以及第三級這樣的順序，使用越來越大尺寸的FET。在本實施例的FET中，因為溝道長度等于柵極長度，以及溝道寬度等于柵極寬度，所以以下把溝道長度和溝道寬度均描述為柵極長度和柵極寬度。
(26)本實施例的高頻功率放大器電路包括一個放大FET Q0，連接在一個輸出引腳(pad)P1和一個接地點GND之間；一個參考偏壓電路11，生成放大FET Q0的一個參考柵極偏壓；一個電流模擬電路12，模擬施加于放大FET Q0的電流Iout；以及一個偏壓校正電路13，根據(jù)通過電流模擬電路12所檢測的電流，通過校正通過參考偏壓電路11所生成的一個偏置電壓，校正放大FET Q0的偏壓狀態(tài)，并且把這一偏置電壓提供給放大FET Q0的柵極引腳。
(27)放大FET Q是一種FET(例如，Lg＝0.3μm)，其柵極長度Lg短于通常的FET。而且，作為一個整體的RF功率模塊，由于當(dāng)?shù)竭_后級放大器電路時，輸出功率增加，所以，例如，第一級放大器電路的放大FET Q0的基極寬度Wg為2mm。末級放大器電路的放大FET的基極寬度Wg為60mm。第二級放大器電路的放大FET Q0的基極寬度Wg為2mm和60mm之間的一個中間值。
(28)把每一個放大FET Q0的柵極引腳連接于一個向其輸入一個將加以放大的高頻信號RFin的外部引腳(pad)P2，并把放大FET Q0的漏極引腳連接于輸出引腳P1。通過一個電感器L1把輸出引腳P1連接于電源電壓引腳Vdd，用于截止高頻分量，并與一個阻抗相匹配，然后通過一個電容器C1將其連接于下一級放大器電路的一個高頻輸入引腳(未在圖中加以說明)。外部引腳P1和P2的電容器C1和電容器C2為截止高頻信號的直流分量的電容元件。這些電容元件C1和C2也可以為離散部件，但可以具有一對形成在構(gòu)成一個模塊基片的介電層的前與后上的導(dǎo)電層。甚至電感器L1還可具有形成在模塊基片上的微帶線。
(29)參考偏壓電路11擁有所謂的二極管連接的偏壓FET Q0，其中把柵極和漏極相耦合；一個P溝道型標準MOSFET Q4，串行地連接在偏置FET Q1的漏極引腳和電源電壓引腳Vdd之間的Q1；以及一個P溝道型標準MOSFET Q3，共柵極連接于MOSFET Q4。MOSFET Q3形成一個其中把柵極和漏極相耦合的二極管連接，Q3和Q4構(gòu)成一個電流鏡電路。在圖12中所示的傳統(tǒng)的電流鏡方法的偏壓電路中，偏壓FET Q1是一個相應(yīng)于這樣一個FET的FET其中經(jīng)由一個電阻器R2把柵極引腳連接于放大FET Q0的柵極引腳，并且把相同的符號Q1附在其上。
(30)經(jīng)由連接于一個外部引腳P3的一個電阻元件R1，把MOSFET Q3的漏極引腳連接于一個接地點，并且通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置這一電阻元件R1的電阻的值，可以把施加于Q3和Q1的電流設(shè)置成一個所希望的值。在這一例子中，一個恒流電路具有MOSFET Q3和Q4、以及電阻元件R1。把FET Q1以二極管形式連接，以把施加于恒流電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓。
(31)而且，盡管沒有特別加以限制，但在本實施例中按與放大FET Q0相同的工藝形成FET Q1。因此，可以減小元件大小，出于同樣原因，可以減小芯片的大小。具體地講，在按通常CMOS工藝形成的標準MOSFET Q3和Q4中，柵極長度為2μm，而在按一種不同工藝形成的FET Q1中，柵極長度Lg具有0.5μm這樣的值，因此不能夠產(chǎn)生如圖13所示的如此短的溝道效應(yīng)。
(32)電流模擬電路12具有一個模擬FET Q7，其中按與放大FETQ0相同的工藝形成的柵極長度Lg具有與Q0相同的0.3μm的值；以及一個標準MOSFET Q6，串行地與FET Q7相連。FET Q7把與施加于Q0的柵極的電壓相同的電壓施加于柵極，因此可以模擬放大FET Q0的漏極電流。然而，因為施加于放大FET Q0的電流偏高，所以當(dāng)相同大小的電流流向放大FET Q0和模擬FET Q7時，整個電路的功耗將增大。因此，Q7把基極寬度Wg設(shè)置為Q0的十分之幾～百分之幾。具體地講，對于第一級，模擬FET Q7的柵極寬度Wg大約為80μm，對于第二級，大約為160μm，對于相對放大FET Q0的第三級，具有一個2mm～60mm的柵極寬度。串行連接于這一模擬FET Q7的MOSFETQ6形成了二極管連接，其中把柵極和漏極相耦合，并且把電流轉(zhuǎn)換成電壓。
(33)偏壓校正電路13擁有一個MOSFET Q5，通過一種電流鏡方法，串行地連接于電流模擬電路12的MOSFET Q6；一個二級管連接的FET Q2，串行地連接于MOSFET Q5；以及一個差分放大器AMP，把FET Q2的漏極電壓與參考偏壓電路11的FET Q1的漏極電壓加以比較，并輸出一個相應(yīng)于一個電位差的電壓。接下來，通過電阻器R2～R4把這一差分放大器AMP的輸出電壓提供于放大FET Q0和模擬FETQ7的柵極引腳，并控制施加于柵極引腳的電流。電阻器R2～R4與電容器C3和C4防止輸入于外部引腳22的高頻信號RFin流入差分放大器AMP和模擬FET Q7，并防止差分放大器AMP的輸出過沖。
(34)在這一實施例中，偏壓校正電路13的MOSFET Q5與電流模擬電路12的MOSFET Q6的大小相同。把與模擬FET Q7所模擬的電流Idet相同的電流Iret施加于Q5，Q2把電流Iret轉(zhuǎn)換成電壓Vret，并將其輸入于差分放大器AMP。因為模擬FET Q7具有與放大FET Q0相同的特性，所以放大FET Q0允許臨界值因短溝道效應(yīng)和漏極電流而耗散以從一期望值偏移。此時，放大FET Q7的漏極電流也以相同的方式偏移。Q2把漏極電流轉(zhuǎn)換成電壓Vret，并將其輸入于差分放大器AMP。把電壓Vret與來自參考偏壓電路11的標準電壓Vref加以比較，并且把相應(yīng)于一個電位差的電壓提供于放大FET Q0和模擬FET Q7的柵極。Q2與Q1具有相同的特性和相同的大小。在這一實施例中，Q5與Q6的大小比為1比1?？梢詫0和Q7的大小比與Q5和Q6的大小比加以設(shè)置，以致于可以把電流Iret和電流Iin改變成相同數(shù)量級的電流。
(35)由于差分放大器AMP是這樣操作的(虛設(shè)地短路)一個非反相輸入引腳的電壓與一個反相輸入引腳的電壓相匹配，所以施加反饋，以致于非反相輸入引腳的電壓Vret與反相輸入引腳的參考電壓Rref相匹配。因此，校正因模擬FET Q7的短溝道效應(yīng)而導(dǎo)致的一個電流的偏移。由于提供了差分放大器AMP的輸出以均衡放大FET Q0，所以此時同時校正因放大FET Q0的短溝道效應(yīng)而導(dǎo)致的電流偏移。
(36)另外，在這一實施例中，在偏壓校正電路13中提供了一個把一個極低的電流Ioff施加于FET Q2的電流源CS1。當(dāng)一個差分放大器AMP的反相輸入引腳的電位漂移以及為接通電源輸出一個不穩(wěn)定的電壓時，這一電流源CS1可以防止施加于放大FET Q0的一個寄生電流。把電流Ioff設(shè)置成10μA大小，以致于與按正常操作施加于FETQ2的電流Iret相比，可以將該電流Ioff忽略。在輸入電流Iin變得穩(wěn)定時，可以切斷這一極低電流Ioff。
(37)將以與圖12中所示的傳統(tǒng)電流鏡偏壓方法的高頻功率放大器電路的動作相比較的方式，詳細地描述這一實施例的高頻功率放大器電路的動作。
在圖12的電路中，當(dāng)放大FET Q0和偏壓FET Q1的柵極長度為將不導(dǎo)致短溝道效應(yīng)的0.4μm或更長時，很難發(fā)現(xiàn)臨界值的偏移，甚至是在因工藝耗散而導(dǎo)致柵極長度耗散的情況下。而且，對電源電壓Vdd和臨界電壓Vth1進行設(shè)置，以致于偏壓FET Q1能夠操作于一個飽和區(qū)中。在這一狀態(tài)下，當(dāng)電流Iin從一個具有Q3、Q4以及電阻器R1的恒流電路流向偏壓FET Q1時，在Q1的柵極和源極之間生成如下列公式所表示的這樣的電壓Vgs1Iin＝K1(Vgs1-Vth1)2...(1)。
(38)另外，假設(shè)Q1的單位電導(dǎo)系數(shù)為K、偏壓FET Q1的柵極寬度為Wg1、以及偏壓FET Q1的柵極長度為Lg1，則K1為由K1＝K(Wg1/Lg1)所表示的一個常數(shù)。接下來，由于這一電壓Vgs1施加形成Q1和一個電流鏡的Q2柵極引腳，所以把由以下公式所表示的漏極電流(無功電流)Iout施加于放大FET Q0。
Iout＝K0(Vgs0-Vth0)2...(2)。
(39)而且，Vgs0為放大FET Q0的基極-源極電壓，Vth0為Q0的臨界電壓。另外，還假設(shè)放大FET Q0的柵極寬度為Wg0，放大FETQ0的柵極長度為Lg0，則K0為由K0＝K(Wg0/Lg0)所表示的一個常數(shù)。當(dāng)放大FET Q0和偏壓FET Q1為具有相同特性的元件，而且柵極長度為將不導(dǎo)致短溝道效應(yīng)的0.4μm或更長時，在以上所提到的兩個公式中，假設(shè)Vgs1＝Vgs0和Vth1＝Vth0。因此，在Q1的電流Iin和Q0的電流Iout輸出之間建立了一個由公式Iout＝(Wg0/Wg1)Iin ...(3)所表示的關(guān)系。即，輸入電流Iin和輸出電流Iout之比隨Q0和Q1的柵極寬度的比率Wg0/Wg1而確定。
(40)然而，在圖12的電路中，放大FET Q0和偏壓FET Q1的每一個柵極長度均為將導(dǎo)致短溝道效應(yīng)的0.3μm或更短。在這一情況下，當(dāng)因工藝耗散導(dǎo)致柵極長度耗散時，臨界電壓和溝道調(diào)制系數(shù)λ也將出現(xiàn)耗散。因此，假設(shè)放大FET Q0的漏極-源極電壓為Vds0，及偏壓FET Q1的漏極-源極電壓為Vds1，Q1的電流Iin和Q0的電流Iout建立了由下列公式表示的關(guān)系。
Iout＝(Wg0/Wg1)·{1+λVds0}/(1+λVds1)}·Iin ...(4)。
另外，在公式(4)中，Vds1＝Vgs1，但Vds0≠Vgs0。因此，證明輸入電流Iin和輸出電流Iout之比也依賴于溝道調(diào)制系數(shù)λ以及Q0和Q1的柵極寬度之比Wg0/Wg1。
(41)另一方面，在這一實施例的高頻功率放大器電路中，當(dāng)電流Iin從一個具有Q3、Q4、以及電阻器R1的一個恒流電路施加于偏壓FET Q1時，在Q1的柵極和源之間生成由下列公式所表示的電壓Vref。
Vref＝(Iin/K1)+Vth1...(5)。
(42)而且，假設(shè)Q0和Q7的溝道調(diào)制系數(shù)為λ，則由下列公式表示施加于FET Q7的電流Idet，即通過向柵極施加具有與放大FET Q0具有相同特性的相同電壓來模擬施加于Qo電流Iout的電流。
Idet＝(Wg7/Wg0)·{(1+λVds7)/(1+λVds0)}·Iout ...公式(6)其中，由于，Vds7＝Vdd-Vgs6，所以把公式(6)變換為下列公式。
Idet＝(Wg7/Wg0)·{(1+λ(Vdd+Vgs6)/(1+λVds0))·Iout...(7)，(43)其中，令Vdd充分大于Vgs6，從而建立了以上所提到的公式。
Idet＝(Wg7/Wg0)·{(1+λ(Vdd/(1+λVds0)))} ...(8)，通過一種電流鏡，把電流Idet轉(zhuǎn)換成MOSFET Q5，并將其施加于FETQ2。因此，施加于Q2的電流Iret＝(Wg5/Wg6)·Idet+Ioff。由于與Iret相比，Ioff太小，以致可以將其忽略，可以把Ioff視為Iret＝(Wg5/Wg6)·Idet。此時，當(dāng)電源電壓足夠高以致Q2可以在飽和區(qū)中操作時，在把Iret施加于Q2時，在漏極引腳中生成由下列公式表示的電壓Vret。
Vret＝(Iret/K2)+Vth2 ...(9)，其中，假設(shè)Q1和Q2為具有相同特性的元件，K2＝K1，以及Vth2＝Vth1。因此，公式9以Vret＝(Iret/K1)+Vth1的形式出現(xiàn)。
(44)在這一實施例的高頻功率放大器電路中，把生成在Q2的漏極中的電壓Vret和生成在FET Q1的漏極中的參考電壓Vref輸入于差分放大器AMP，并且施加反饋，以致于Vret能夠與參考電壓Vref相匹配。因此，即使Q1和Q7的柵極長度較短、因短溝道效應(yīng)而導(dǎo)致溝道調(diào)制系數(shù)λ耗散、以及Q0的電流Iout從一個所希望的值偏移，Q7和電流Idet也以同樣的方式偏移，并且把這樣的一個校正電流Idet的電壓從差分放大器AMP施加于Q0和Q7的柵極。因此，即使為了改進放大特性使放大FET Q0處于短溝道，也可以把不依賴于元件耗散的無功電流Iout施加于Q0。接下來，將在此時施加于放大FET Q0的電流Iout和施加于模擬FET Q7的電流Idet之間，建立由下列公式所示的關(guān)系Idet/Iout＝Weg7/Wg0，相應(yīng)于柵極寬度的比率Wg7/Wg0的電流流向Q0和Q7。
(45)而且，當(dāng)施加相應(yīng)于電流向其流動的二級管連接的FET Q1的柵極電壓Vref的電壓，以及Q3和Q4操作在飽和區(qū)中時，Iin將不變化，甚至是在電源電壓Vdd變化的情況下。因此，可以把不依賴于電源電壓Vdd的無功電流Iout施加于放大FET Q0。
(46)此時，提一下這一實施例的高頻功率放大器電路中的元件特性和大小。對于FET(構(gòu)成Q3、Q4、Q5和Q6的FET，以及放大器AMP)而不是以下所描述的FET來說，使用了一個按一般CMOS工藝所形成的元件。而且，關(guān)于柵極長度，當(dāng)短溝道效應(yīng)出現(xiàn)在這些FET Q3、Q4、Q5、以及Q6中時，目標反饋控制失效。因此，把柵極長度設(shè)置為0.5μm或更長(在這一實施例中為2μm)。
(47)在這一實施例的高頻功率放大器電路中，模擬FET Q7模擬放大FET Q0的輸出電流Iout。于是，柵極長度也與Q0相同(0.3μm)，因此可以按相同的工藝形成Q7，并且出現(xiàn)與Q0一樣的短溝道效應(yīng)。對于FET Q7的柵極寬度，由于當(dāng)Q7的柵極寬度與Q0相同時，電流消耗極度增大，所以根據(jù)Q0的柵極寬度選擇大約幾十μm或一百幾十μm的長度。
(48)把FET Q1和Q2的漏極中所生成的電壓Vref和Vret用作差分放大器AMP的差分輸入，并且把Vref作為參考，由放大FET Q0生成用于施加一個所希望的輸出電流Iout的柵極電壓Vgs0。因此，Q1和Q2具有將不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的柵極長度，而且Q1的柵極長度必須等于Q2的柵極長度。例如，作為這樣的一個柵極長度，假設(shè)0.5μm的值。另外，在考慮到輸出電流Iout的可控制性的情況下，確定Q1和Q2的柵極寬度。因此，例如，作為這樣的一個柵極寬度，假設(shè)100～200μm這樣的一個值。
(49)另外，在這一例子中，F(xiàn)ET Q1和Q2使用一個按與放大FET相同工藝形成的元件(功率MOS)，但可以具有一個標準的N溝道MOSFET。然而，當(dāng)Q1和Q2具有標準的N溝道MOSFET時，與功率MOS相比，柵極長度增加。因此，為了施加所希望的電流，必須把柵極寬度設(shè)計得遠遠大于Q1和Q2具有功率MOS時的柵極寬度。于是，所希望的是，從減少功耗以及減少芯片面積的角度，Q1和Q2應(yīng)具有功率MOS，如這一實施例中描述的。
(50)圖2A描述了在這一實施例中施加于放大FET Q1的輸入電流Iin和因此施加于放大FET Q0的輸出電流Iout之間的關(guān)系，其中把輸入電流Iin作為水平軸，把鏡像比(Iout/Iin)作為垂直軸。在圖2A中，分別以粗線描述當(dāng)Q1和Q2的柵極長度Lg為0.3μm時Iin和Iout之間的關(guān)系，以細線描述當(dāng)Q1和Q0的柵極長度為0.34μm時Iin和Iout之間的關(guān)系。而且，作為比較，圖2B描述了在通過圖12的傳統(tǒng)的電流鏡方法提供偏壓的高頻功率放大器電路中，當(dāng)柵極長度Lg從0.3μm偏移到0.34μm時輸入電流Iin和輸出電流Iout之間的關(guān)系，其中把輸入電流Iin作為水平軸，把鏡像比(Iout/Iin)作為垂直軸。在圖2B中，分別以粗線描述當(dāng)Q1和Q0的柵極長度Lg為0.3μm時Iin和Iout之間的關(guān)系，以細線描述當(dāng)Q1和Q0的柵極長度為0.34μm時Iin和Iout之間的關(guān)系。
(51)把圖2A和圖2B加以比較，在傳統(tǒng)電路中，當(dāng)因制造耗散導(dǎo)致柵極長度Lg耗散時，由于短溝道效應(yīng)，Iin和Iout的比率(Iout/Iin)隨Iin的大小而變化。然而，在這一實施例的高頻功率放大器中，即使因制造耗散導(dǎo)致柵極長度Lg耗散，也證明Iin和Iout之間的關(guān)系很難變化，而且，在一個其中電流Iin為0.2mA或更大的區(qū)域中，Iin和Iout之間的關(guān)系幾乎為線性的，根據(jù)圖1的實施例的電路格式，可以證明Iout可以線性地隨Iin而變化。然而，在圖1的實施例的高頻功率放大器電路中，對一個外部電阻器R1進行調(diào)整，以致于施加于FET Q1的電流Iin可以處于0.4～1mA范圍內(nèi)，而且Iout在一個固定的狀態(tài)下進行放大操作。
(52)另外，由于圖1的這一實施例的高頻功率放大器電路是一個不具有功率控制引腳的固定偏壓高頻功率放大器電路，所以向系統(tǒng)施加功率控制是有效的。在功率控制過程中，系統(tǒng)使用可根據(jù)輸出控制電壓Vapc改變輸入于放大Q0的柵極引腳的高頻信號RFin的振幅的固定偏壓/可變輸入方法，控制輸出功率，例如在比外部引腳P2較前的一級中進行這一控制。作為這樣的系統(tǒng)，有實現(xiàn)DEGE(針對GSM發(fā)展的加強的數(shù)據(jù)速率)方法或WCDMA(寬帶碼分多路存取)方法進行通信的蜂窩電話。
(53)以下，將參考圖3描述根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個第二實施例。
對GSM(用于移動通信的全球系統(tǒng))方法的蜂窩電話加以構(gòu)造，以致于可以通過輸出控制電壓Vapc對高頻功率放大器電路的輸出功率加以控制。圖3是一個其中能夠通過這樣一個Vapc實現(xiàn)輸出功率控制的高頻功率放大器的一個實施例。圖3與圖1的實施例的高頻功率放大器的不同之處在于，通過把從構(gòu)成參考電路11的恒流電路(Q3和Q4)施加給放大FETQ1的電流Iin規(guī)定為一預(yù)定的電流值(固定的)，使施加于放大FET Q0的偏流保持不變。與此相反，在這一實施例(圖3)中，通過允許參考偏壓電路11把相應(yīng)于輸出控制電壓Vapc的電流Iin施加于FET Q1，使施加于放大FET Q0的無功電流Iout變化。
(54)因此，這一實施例具有這樣的一個電流控制電路14包括一個電壓-電流轉(zhuǎn)換電路141，用于轉(zhuǎn)換輸入一個外部引腳P4的輸出控制電壓Vapc；以及一個可變電流源142，用于根據(jù)來自電壓-電流轉(zhuǎn)換電路141的電流改變施加于FET Q1的電流Iin。圖4描述了輸入/輸出特性，即電流控制電路14的輸出控制電壓Vapc和施加于FET Q0的電流Iin之間的關(guān)系。
(55)如圖4中所示，在這一實施例中，根據(jù)輸出控制電壓Vapc，電流Iin從某一電壓(開始點)Vsp幾乎線性地增加。而且，對電流控制電路14進行構(gòu)造，以致于根據(jù)外部電阻器R1的電阻值能夠確定電流Iin從其開始增加的開始點。
(56)根據(jù)輸出控制電壓Vapc，使用傳統(tǒng)的技術(shù)，可以相對容易地設(shè)計一個用于輸出按4A所示特性變化的電流Iin的電路，并假設(shè)使用各種電路形式。因此，不對某一具體的電路實例加以說明，但是，例如，假定把一個其中把輸出功率控制電壓Vapc施加于柵極引腳的FET設(shè)置在參考偏壓生成電路11的FET Q3和外部引腳P3之間。這一電流Iin根據(jù)輸出控制電壓Vapc按圖4中所示的特性變化。于是，在這一實施例的高頻放大器電路中，施加于放大FET Q0的無功電流Iout將根據(jù)輸出功率控制電壓Vapc按圖4B所示的相同的特性變化。
(57)圖14A描述了通過模擬所獲得的輸出功率控制電壓Vapc和無功電流Iout之間的關(guān)系的一個結(jié)果。此時，在這一實施例的高頻功率放大器電路中，把放大FET Q0的柵極寬度Wg設(shè)置為16mm，從而電源電壓Vdd改變?yōu)?.8V、3.5V、以及4.8V。作為比較，圖14B描述了當(dāng)電源電壓Vdd按與使用圖12的傳統(tǒng)的電流鏡方法提供偏壓的高頻功率放大器電路中相同的方式變化時，輸出功率控制電壓Vapc和無功電流Iout之間的關(guān)系。如圖14中所示，可以證明傳統(tǒng)的(圖12)高頻功率放大器電路允許無功電流Iout具有電源電壓依賴性，而這一實施例的高頻功率放大器電路不具有電源電壓依賴性。
(58)接下來，將參考圖5描述根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個第三實施例。
這一實施例允許圖3的實例的高頻功率放大器電路擁有兩個半導(dǎo)體芯片，并允許提供一個用于檢測輸出功率(Power)的檢測電路(電流感測電路)。這一實施例的輸出功率檢測電路具有一個檢測FET Q9，其中通過一個電阻器R5把與輸入于放大FET Q0的電壓相同的電壓輸入于柵極引腳；一個電流鏡電路15，轉(zhuǎn)換施加于FET Q9的漏極電流；以及一個外部電阻器R6，把傳輸自電流鏡電路15的電流轉(zhuǎn)換成電壓。
(59)用于檢測輸出功率的FET Q9是一種具有按與放大FET Q0的相同的工藝形成的相同柵極長度的相同特性的元件。且被如此形成以使具有小于Q0的柵極寬度，從而一個減小了的與柵極寬度和Qo電流的比率成比例的電流流向Q9。對于采用這樣一種電流檢測方法的輸出功率檢測電路來說，本申請人已經(jīng)提交了多個專利申請，但沒有對詳細的操作進行描述，因為詳細的操作不是本發(fā)明的范圍。
(60)在這一實施例中，把放大FET Q0、模擬FET Q7以及輸出功率檢測FET Q9形成在一個半導(dǎo)體芯片12上，半導(dǎo)體芯片12獨立于在其上形成另一個FET(FET Q1、Q2、Q5、Q6、以及具有電流控制電路14和放大器AMP的FET)的半導(dǎo)體芯片110。另外，還在半導(dǎo)體芯片110上，隨構(gòu)成一個偏壓電路的FET Q1和Q2一起，形成具有對施加于FET Q9的漏極電流進行傳送的電流鏡電路15的FET。
(61)把一個外部電阻元件用作為電阻器R6，電阻器R6把電流鏡電路15所傳送的電流轉(zhuǎn)換成電壓，以提高輸出電壓Vsns的精度。對電流鏡電路15的鏡像比和電阻器R6的電阻值進行設(shè)置，以致于與將放大FET Q0的漏極引腳連接于其的輸出引腳P1的電壓相匹配的一個電壓，能夠出現(xiàn)在把電阻器R6連接于其的一個外部引腳P5中。
(62)把這一電阻器R6所轉(zhuǎn)換的檢測電壓Vsns輸入于一個誤差放大器16，根據(jù)距離基站的距離，把從一個未圖示的基帶電路所提供的一個輸出電平指令信號輸入于誤差放大器16。誤差放大器16輸出一個電壓，該電壓相應(yīng)于檢測電壓Vsns和輸出電平指令信號Vramp之間的電位差，并且把這一電壓提供于偏壓電路側(cè)上的半導(dǎo)體110的外部引腳P4，作為輸出控制電壓Vapc。因此，形成一個控制放大FET Q0的偏流的反饋控制回路，以致于檢測電壓Vsns能夠與輸出電平指令信號Vramp相匹配，并進行操作，以使輸出功率根據(jù)輸出電平指令信號Vramp變化。
(63)在這一實施例中，由于把放大FET Q0、模擬FET Q7、以及輸出功率檢測FET Q9形成在一個分離的半導(dǎo)體芯片上，所以可以分別通過一個分離的最佳工藝形成兩個半導(dǎo)體芯片，優(yōu)化每一元件的特性，與把兩個半導(dǎo)體形成在一個單一的半導(dǎo)體芯片上的情況相比，可以簡化工藝。因此，作為一個優(yōu)點，可以降低整個芯片的成本。
(64)圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個第四實施例。
這一實施例允許圖1的實施例的高頻功率放大器電路的放大晶體管Q0和模擬晶體管Q7具有一個雙極晶體管而不是FET，而且允許整個電路具有兩個與圖5的實施例相同方式的半導(dǎo)體芯片。
(65)雙極晶體管不具有FET那樣的短溝道效應(yīng)。然而，使用其基極厚度與放大晶體管Q0一樣薄的雙極晶體管，是為了改進高頻功率放大器的特性，即使是在保持基極-發(fā)射極電壓不變的情況下，一個隨集電極-發(fā)射極電壓增加而有效基極寬度減少和集電極電流增大的早期效應(yīng)。因此，如果因制造耗散導(dǎo)致放大晶體管Q0的基極厚度耗散，則早期效應(yīng)的影響會使基極偏壓點耗散每一芯片，從而存在著不能獲得穩(wěn)定的高頻功率放大特性的可能。
(66)此時，按與圖1的實施例相同的方式，這一實施例具有通過二極管連接的晶體管Q1生成參考電壓Vref的參考偏壓電路11；電流模擬電路12，包括具有放大晶體管Q0的相同特性并施加一個成比例的電流的放大晶體管Q7，；以及校正電路13，生成一個偏置電壓，以致于可以把一個所檢測的電流轉(zhuǎn)換成一個電壓，并且把該電壓與參考電壓Vref加以比較，然后校正因放大晶體管Q0的基極厚度的耗散所產(chǎn)生的電流偏移。因此，即使為改進把雙極晶體管用作放大晶體管Q0的高頻放大功率放大特性，使放大晶體管Q0的基極厚度較薄，也可以減小因早期效應(yīng)所導(dǎo)致的基極偏壓點的耗散，并且可以提高高頻功率放大特性的穩(wěn)定性。
(67)另外，在這一實施例中，還由于把擁有一個雙極晶體管的放大晶體管Q0和模擬晶體管Q7形成在與其上形成Q1～Q6的半導(dǎo)體芯片110分離的半導(dǎo)體芯片120上，所以與把Q0和Q7均形成在一個單一的半導(dǎo)體芯片上的情況相比，通過一個分離的最佳工藝分別形成兩個半導(dǎo)體芯片，簡化了工藝。因此，作為一個優(yōu)點，可以降低芯片成本。而且，也可以把用于這一實例中的雙極晶體管形成在一個硅芯片上，但所希望的是，雙極晶體管應(yīng)具有一個擁有更好的放大特性的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。
(68)以下，將描述對根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個改型。
圖7說明了一個第一種改型，取代二極管連接的FET，這一改型把電阻器R7和R8用作為構(gòu)成參考偏壓電路11的電流-電壓轉(zhuǎn)換FETQ1和構(gòu)成偏壓校正電路13的電流-電壓轉(zhuǎn)換FET Q2。這些電阻器R7和R8可以為片上元件，但所希望的是，應(yīng)該把電阻器R7和R8設(shè)置為外部元件，以補償生產(chǎn)工藝所導(dǎo)致的放大FET Q0的特性的耗散。圖7描述了在圖3的第二實施例中用電阻器R7和R8取代FET Q1和Q2的情況。然而，在圖1、圖5、以及圖6的實施例中，其中把Q1和Q2替換為電阻器R7和R8的改型，也是可行的。
(69)圖8描述了一個第二種改型。取代二極管連接的FET，這一改型把PN結(jié)二極管D1和D2用作為構(gòu)成參考偏壓電路11的電流-電壓轉(zhuǎn)換FET Q1和構(gòu)成偏壓校正電路13的電流-電壓轉(zhuǎn)換FET Q2。為了補償生產(chǎn)工藝所導(dǎo)致的放大FET Q0的特性的耗散，這些二極管D1和D2可以為片上元件，但所希望的是，應(yīng)該把這些二極管設(shè)置為外部元件。
(70)圖8描述了在圖3的第二實施例中用二極管D1和D2取代FET Q1和Q2的情況。在圖1、圖5、以及圖6的實施例中，其中把FETQ1和Q2替換為二極管D1和D2的改型，也是可行的。
(71)如以上所描述的，取代二極管連接的FET，把一個外部電阻元件或二極管元件用作向其施加電流Iref和Iret的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件。因此，即使因制造耗散導(dǎo)致Q0和Q1的特性耗散，也可以通過選擇和連接具有最佳電阻值的電阻元件R7和R8或擁有最佳正向電壓值的二極管元件D1和D2，減小特性偏移。
(72)圖9描述了一個第三種改型。在這一改型中，把一個三級組成的高頻功率放大器電路作為一個半導(dǎo)體集成電路形成在一個單一的半導(dǎo)體芯片上。通過一個電容器C11和一個阻抗匹配電路MN1，把一個第一級放大器級10A的輸出引腳P11連接于一個第二級放大器級10B的輸出引腳P22上。通過一個電容器C12和一個阻抗匹配電路MN2，把一個第二級放大器級10B的輸出引腳P12連接于一個第三級放大器級10C的輸入引腳P23上。相應(yīng)于第三級放大器級10C，提供構(gòu)成一個輸出功率檢測電路的FET Q9和電流鏡電路15。
(73)把這一實施例的半導(dǎo)體集成電路與用于截止直流的電容器C2、C11、C12以及C13、外部電阻器R11～R13、電感器L1～L3、以及阻抗匹配電路MN0～MN4，一起安裝在一個絕緣基片上，例如安裝在一個陶瓷絕緣基片上，并將其構(gòu)造為一個模塊?？梢允褂眯纬稍谠撃K的絕緣基片上的一條微帶線，構(gòu)造電感器L1～L3或阻抗匹配電路MN0～MN4。電容器C2和C11～C13也可以為離散部件。然而，當(dāng)使用其中多個介電層被疊壓作為該模塊的絕緣基片的部件時，該部件還可以為使用形成在任何介電層的前和后上的一個導(dǎo)電層的電容器，以分別相對地成為一個電極。每一級的放大器級把圖4的實施例作為一個例子，但也可以使用圖1的實施例或者使用圖7或8的改型。
(74)這一實施例的高頻功率放大器電路允許把擁有第一級、第二級、以及第三級放大器級的FET形成在一個半導(dǎo)體芯片上。因此，作為一個優(yōu)點，與另一實施例相比，可以使模塊最小化。
(75)圖10描述了一個第四種改型。這一改型允許把一個三級組成的高頻功率放大器電路形成在作為半導(dǎo)體集成電路的兩個半導(dǎo)體芯片110和120上。具體地講，把第一級放大器級10A和第二級放大器級10B形成在第一半導(dǎo)體芯片110上，把第三級放大器級10C、具有一個輸出功率檢測電路的FET Q9、以及電流鏡電路15形成在第二半導(dǎo)體芯片120上。其它部件與圖9的改型相同。
(76)這一實施例的高頻功率放大器電路允許把一個擁有第一級和第二級放大器級的FET形成在一個半導(dǎo)體芯片110上。因此，作為一個優(yōu)點，與除圖9的實施例之外的另一實例相比，可以使模塊最小化。而且，圖10的實施例不如圖9的實施例的地方在于最小化方面，但總體上講，作為一個優(yōu)點，通過形成在第一級、第二級以及第三級中各自具有不同特性的放大FET Q0，可以實現(xiàn)整體具有比圖9的實例更好放大特性的高頻功率放大器電路。
(77)圖11描述了一個第五種改型。這一改型允許把一個三級組成的高頻功率放大器電路形成在3個半導(dǎo)體芯片上作為一個半導(dǎo)體集成電路。具體地講，把每一級的電流控制電路14形成在第一半導(dǎo)體芯片130作為一個公共電流控制電路，除電流控制電路14之外，把第一級放大器級10A和第二級放大器級10B形成在第二半導(dǎo)體芯片110上。具體地講，把三級放大器級10C、構(gòu)成一個輸出功率檢測電路的FET Q9以及電流鏡電路15形成在第三半導(dǎo)體芯片120上。其它的部件圖9的改型相同。
(78)這一實施例的高頻功率放大器電路允許把每一級的電流控制電路14作為一個公共電流控制電路形成在獨立的半導(dǎo)體芯片130上。因此，作為一個優(yōu)點，與圖10的實施例相比，能夠最小化其中一個FET構(gòu)成一個放大器級的第二和第三半導(dǎo)體芯片110和120。
(24)圖15描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器的一個第一實施例粗略組成。盡管未特別加以限制，但例如把具有諸如圖15的實施例所示的這樣的組成的3個高頻功率放大器電路級聯(lián)地加以連接，并與一個外部電阻元件或一個電容元件一起將它們安裝在一個絕緣的基片上，例如安裝在一個陶瓷基片上，從而構(gòu)成一個RF功率模塊(圖21～23)。另外，級聯(lián)意味著把每一個高頻功率放大器這樣地加以連接可以把前一級高頻輸出輸入到下一級輸入引腳。從組成角度而言，每一級的高頻功率放大器電路分別與圖15的相同，但在放大FET的大小(柵極寬度)方面不盡相同。按第一級、第二級、以及第三級這樣的順序，使用越來越大尺寸的放大FET。在本實施例的FET中，因為溝道長度等于柵極長度，以及溝道寬度等于柵極寬度，所以以下把溝道長度和溝道寬度均描述為柵極長度和柵極寬度。
(25)本實施例的高頻功率放大器電路包括一個放大FET Qb1和放大FET Qb2，串連連接在一個輸出引腳(pad)P201和一個接地點GND之間；一個參考偏壓電路211，生成FET Qb1和Qb2的一個參考柵極偏壓。這一高頻功率放大器電路還包括一個電流模擬電路212，模擬施加于放大FET Qb1和Qb2的電流Iout2；以及一個偏壓校正電路213，根據(jù)通過電流模擬電路212所檢測的電流Idet2，通過校正自參考偏壓電路211所生成的一個偏置電壓并且把所校正的偏置電壓提供給FET Qb1和Qb2的柵極引腳，校正放大FET Qb1和Qb2的偏壓狀態(tài)，。FET Qb1允許把偏置電壓Vgsb1和高頻信號RFin2施加于柵極引腳，并作為一個放大FET進行工作。FET Qb2允許偏置電壓Vgsb2不同于將被施加的Qb1的偏置電壓Vgsb1，并作為一個控制放大FET Qb1的一個偏壓點的偏壓控制FET Qb2進行工作。
(26)在這一實施例中，放大FET Qb1是一種FET(例如，Lg＝0.3μm)，其中，柵極長度Lg短于通常的FET，以改進高頻功率放大特性。偏壓控制FET Qb2允許把柵極長度Lg設(shè)置成0.5μm的值，以致于將不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)。而且，作為RF功率模塊整體，當(dāng)?shù)竭_后級放大器電路時，輸出功率增加。因此，例如，把第一級放大器電路FET的基極寬度Wg設(shè)置為幾mm。把末級放大器電路的放大FET的柵極寬度Wg設(shè)置為幾十mm，把第二級放大器電路的放大FET的柵極寬度Wg設(shè)置為它們的中間值。
(27)把放大FET Qb1的柵極引腳連接于一個向其輸入一個將加以放大的高頻信號RFin2的外部引腳(pad)P202，并把偏壓控制放大FET Qb2的漏極引腳連接于外部輸出引腳P201。通過一個電感器L21把輸出引腳P201連接于電源電壓引腳Vdd，用于截止高頻分量，并與一個阻抗相匹配，然后將引腳P201連接于下一級放大器電路的高頻輸入引腳(未在圖中加以說明)。在芯片之外的連接于外部引腳P201和P202的電容器C21和電容器C22為截止高頻信號的直流分量的電容元件。這些電容元件C21和C22也可以為離散部件，但可以具有一對形成在構(gòu)成一個模塊基片的介電層的前與后上的導(dǎo)電層。甚至電感器L21還可具有形成在模塊基片上的微帶線。
(28)參考偏壓電路211具有所謂的二極管連接的偏壓FET Qa1，其中把柵極和漏極相耦合；一個P溝道型參考MOSFET Qd1，串行地連接在偏置FET Qa1的漏極引腳和電源電壓引腳Vdd之間的Qa1。這一參考偏壓電路還具有一個P溝道型參考MOSFET Qc，共柵極連接于MOSFET Qd1；一個參考MOSFETQ d2，其中，把與Qd1相同的電壓施加于柵極；以及一個具有與FET Qa1相同特性和相同大小的FETQa2，串行地連接于Qd2。MOSFET Qc形成一個其中把柵極和漏極相耦合的二極管連接，因此Qc、Qd1和Qd2構(gòu)成一個電流鏡電路。
(29)在圖25中所示的傳統(tǒng)的電流鏡方法的偏壓電路中，偏壓FETQa1是一個相應(yīng)于這樣一個FETQ21的FET其中把柵極共連于放大FET Q20的柵極引腳。在這一實施例中，MOSFET Qc、Qd1、Qd2以及電阻元件R1構(gòu)成一個電流控制電路。而且，盡管沒有特別加以限制，Qd2的柵極寬度為Qd1的兩倍寬。因此，電流Iin2(＝2Iin1)兩倍于從Qd1施加到Qa1的電流Iin1并流向Qd2。
(30)經(jīng)由連接于一個外部引腳P203的一個電阻元件R21，把以上所提到的MOSFET Qc的漏極引腳連接于一個接地點，并且通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置這一電阻元件R21的電阻的值，可以把施加于Qa1和Q1b的電流Iin1和Iin2設(shè)置成一個所希望的值。FET Qa1和Qa2形成二極管連接，以把施加于Qa1和Qa2的電流轉(zhuǎn)換成電壓。而且，盡管沒有特別加以限制，但在本實施例中按與放大FET Qb1相同的工藝形成FET Qa1和Qa2。因此，可以減小元件大小，出于同樣原因，可以減小芯片的大小。具體地講，在按通常CMOS工藝形成的參考MOSFET Qc、Qd1、Qd2，允許柵極長度為2μm，而在按一種不同工藝形成的FET Qa1和Qa2中，柵極長度Lg被允許具有0.5μm這樣的值，因此不能夠產(chǎn)生如圖26所示的短溝道效應(yīng)。因為在施加于Qa1和Q1b的電流Iin1和Iin2中FET Qa1和Qa2具有雙倍的差以及相同的特性，所以所生成的漏極電壓具有√雙倍的差。在該例中，F(xiàn)ETQa1和Qa2的漏極電壓被提供給偏壓校正電路213作為參考電壓Vref1和Vref2。
(31)電流模擬電路212具有一個第一模擬FET Qg1，其中把按與放大FET Qb1相同的工藝形成的柵極長度Lg設(shè)置與Qb1的值相同的0.3μm的值；一個第二模擬FET Qg2，串行地與FET Qg1相連，并擁有與偏壓控制FET Qg1相同的特性、與Qb2相同的0.5μm的柵極長度；以及一個串行地連接于FET Qg2的參考MOSFET Qf。
(32)在FET Qg1中，把與Qb1的柵極的電壓相同的電壓施加于柵極，因此可以模擬放大FET Qb1和FETQb2的漏極電流。在FET Qg2中，施加與施加于FETQb2的柵極的電壓相同的電壓，因此可以相應(yīng)地模擬偏壓控制Qb2的偏置狀態(tài)。然而，施加于放大FET Qb1的電流偏高。因此，當(dāng)把具有相同大小的電流施加于放大FET Qb1和模擬FETQg1時，整個電路的功耗將增大。因此，對于基極寬度Wg，把Qg1和Qg2設(shè)置為Qb1和Qb2的十分之幾～百分之幾。具體地講，相對具有幾mm基極寬度的FET Qb1和Qb2，模擬FET Qg1和Qg2的基極寬度Wg為幾十～一百幾十μm。串行連接于這些模擬FET Qg1和Qg2的MOSFET Qf形成了二極管連接，其中把柵極和漏極相耦合，并且把電流轉(zhuǎn)換成電壓。
(33)偏壓校正電路213具有差分放大器AMP1和AMP2，根據(jù)一個電位差，使用一種電流鏡方法，通過比較連接于以上所提到的電流模擬電路212的MOSFET Qe1和Qw2，串行連接于MOSFET Qe1和Qe2的二極管連接的FET Qa1′和Qa2′；FET Qa1′和Qa2′的漏極電壓與以上所提到的參考偏壓電路211的FET Qa1和Qa2的漏極電壓Vref1和Vref2，輸出一電壓。接下來，通過電阻器R22和R24，把這一差分放大器AMP1輸出電壓提供于放大FET Qb1和模擬FETQg1的柵極引腳，并且經(jīng)由電阻器R23和R25把差分放大器AMP2的輸出電壓提供于偏壓控制FET Qb2和模擬FET Qg2的柵極引腳，以控制施加于柵極引腳的電流。電阻器R22～R25以及電容器C23和C24防止輸入于外部引腳P202的高頻信號Rfin流入差分放大器AMP1或模擬FET Qg1，并防止控制回路的振蕩。
(34)把偏壓校正電路213的MOSFET Qe1和Qe2設(shè)置成一個預(yù)先確定的與電流模擬電路12的MOSFET Qf的大小比率。與通過模擬FET Qg1和Qg2所所模擬的電流Idet2成比例的電流Iret1和Iret2流向Qe1和Qe2。Qa1′和Qa2′把這些電流轉(zhuǎn)換成電壓Vret1和Vret2，并將它們輸入于差分放大器AMP1和AMP2。模擬FET Qg1具有與放大FET Qb1相同的特性。因此，在放大FET Qb1中，當(dāng)臨界值耗散以及漏極電流偏移一個所希望的值時，模擬FET Qg1的漏極電流也以相同的方式偏移。Qa1′和Qa2′把這些電流轉(zhuǎn)換成電壓Vret1和Vret2，以將它們輸入到差分放大器AMP1和AMP2，并且把這些電壓與來自參考偏壓電路211的作為參考的電壓Vref1和Vref2加以比較，然后把遵從于它們的電位差的電壓分別提供于放大FET Qb1和模擬FET Qg1的柵極以及偏壓控制FET Qb2和模擬FET Qg2的柵極。
(35)在這一實施例中，Qa1′具有與和Qa1相同的特性與相同的大小，Qa2′具有與和Qa2相同的特性與相同的大小。而且對Qb1和Qg1的大小比率以及Qe1和Qe2的大小比率及Qf進行設(shè)置，以致于電流Iret1和Iret2以及Iin1和Iin2可以為相同數(shù)量級的電流。盡管未特別加以限制，但在這一實施例中，根據(jù)參考偏壓電路211的FET Qd1和Qd2的柵極寬度的比率，把FET Qe1和Qe2的柵極寬度的比率設(shè)置成1∶2。
(36)由于差分放大器AMP1的操作(虛構(gòu)地短路)致使非反相輸入引腳的電壓能夠與反相輸入引腳的電壓相匹配，施加反饋，以致于進入非反相輸入引腳的參考電壓Vref1能夠與反相輸入引腳的電壓Vret1相匹配。因此，也校正了因模擬FET Qg1的短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的電流漂移。由于也把差分放大器AMP1的輸出提供于放大FET Qb1，所以此時也同時校正了因放大FET Qb1的短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的電流漂移。相類似，由于差分放大器AMP2的操作也致使非反相輸入引腳的電壓能夠與反相輸入引腳的電壓相匹配，施加反饋，以致于進入非反相輸入引腳的參考電壓Vref2能夠與反相輸入引腳的參考電壓Vret2相匹配。因此，校正了因Qg1的短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的相對模擬FET Qg2的Qg1的偏壓狀態(tài)的偏移。由于也把差分放大器AMP2的輸出提供于偏壓控制FET Qb2，所以同時校正了Qb1的短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的相對Qb1的Qb2的偏壓狀態(tài)的偏移。
(37)在這一實施例中，由分離的差分放大器AMP1和AMP2對放大FET Qb1和偏壓控制FET Qb2的柵極電壓獨立地加以控制。因此，即使因放大FET Qb1的短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的無功電流點偏移，功率放大FET Qb1的柵極電壓也隨差分放大器AMP1的輸出而變化，而且功率放大FET Qb1調(diào)整無功電流。同時，根據(jù)差分放大器AMP2的輸出調(diào)整因短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的所偏移的gm的飽和點，并且可以自動地對偏壓狀態(tài)(偏壓點)加以校正，以在飽和點上加以操作。
(38)另外，在這一實施例中，在偏壓校正電路213中，提供了向FET Qa1′和Qa2′施加極低電流Ioff1和Ioff2的電流源CS21和CS22。提供這些電流源CS21和CS22是為了防止這樣一種狀態(tài)在接通電源時，差分放大器AMP1和AMP2的反相輸入引腳的電位處于漂移狀態(tài)，從而輸出不穩(wěn)定的電壓，并使一寄生電流流向FET Qb1和Qb2或FET Qg1和Qg2。例如，把極低電流Ioff1和Ioff2設(shè)置成10μA，以致于與在正常操作期間分別施加于FET Qa1′和Qa2′的電流Iret1和Iret2相比，可以將其忽略。在輸入電流Iin1和Iin2變得穩(wěn)定之后，也可以切斷這些極低電流Ioff1和Ioff2。
(39)以下，將與圖27中所示的傳統(tǒng)電流鏡偏壓方法的高頻功率放大器電路相比較，詳細描述這一實施例的高頻功率放大器電路的動作。
對圖27的高頻功率放大器電路進行控制，以致于可以使用一種指示EDGE(用于GSM發(fā)展的加強的數(shù)據(jù)率)模式的或GSM(用于移動通信的全球系統(tǒng))模式的控制信號MODE，轉(zhuǎn)換一個開關(guān)SW1，并且把一個偏流Iin20施加于電阻器R121或R122，然后使上FET和下FET的柵極電位差處于EDGE模式和GSM模式。與此同時，對該電路進行控制，以轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2，并且根據(jù)在GSM模式中一個輸出功率控制電壓Vapc20改變電壓偏流Iin20，根據(jù)在EDGE模式中一個固定偏置電壓Vbias施加恒偏流Iin20，然后按電阻器R121或R122中所生成的一個電位差把一個所希望的偏壓施加于上FET和下FET。
(40)在其中通過把電阻器R121和R122設(shè)置成R121＞R122把偏流Iin20施加于R121的GSM模式中，其中具有足夠電流Iout20的柵極電位Vgsb2可以流向放大FET Qb。在EDGE模式中，與GSM模式相比，通過減小柵極電位Vgsb2獲得一個所希望的增益。由于GSM模式中的操作幾乎與一個單一的柵極相同，所以對這一操作不再加以描述。以下，將詳細描述EDGE模式中的放大器電路操作。
(41)首先，應(yīng)關(guān)注放大FET Qb1和Qb2，對上側(cè)上的FET Qb2的柵極電位Vgsb2的調(diào)整等于對Qb1和Qb2的最大電流的控制。圖28描述了下側(cè)上FET Qb1的柵極電位Vgsb1與Qb1和Qb2的漏極電流Ids之間的關(guān)系。另外，圖29描述了下側(cè)上的FET Qb1的gm和漏極電流Ids之間的關(guān)系。
(42)當(dāng)對串行的FET Qb1和Qb2的電流Ids和柵極電位Vgsb2進行調(diào)整時，從這一圖可以證明能夠按任何比率對gm進行調(diào)整。而且，由于向其輸入一個高頻小信號電平的第一級放大器電路的增益具有與一個放大FET的gm的很強的相關(guān)性，所以可以通過調(diào)整放大FET的gm，調(diào)整一個所希望的增益。另外，對電流Ids和柵極電位Vgsb2的調(diào)整等于對gm的飽和點的調(diào)整。因此，能夠在所希望的電流點中執(zhí)行Qb1的A類操作。從減小波形失真或可以提高效率的角度而言，可以證明，這一操作是高效的。
(43)另外，以上的描述不僅適用于其中放大元件具有圖27中所示的串行的兩個FET Qb1和Qb2的情況，而且還適合于沿相對一個溝道的一個溝道方向中一起配置兩個柵極電極的狹義的雙柵極FET的情況。此時，把狹義的雙柵極FET和其中串行地連接兩個FET Qb1和Qb2的情況，稱為雙柵極FET，并將在以下加以描述。
(44)在圖27的其中通過使用一種雙柵極FET的電流鏡方法向放大FET施加偏壓的放大器電路中，即使雙柵極的臨界電壓Vth隨溫度波動而變化，也可以主要根據(jù)輸入電流Iin20對輸出電流Iout20(無功電流Idle)進行設(shè)置。而且，通過使用外部電阻器作為電阻器R121和R121，調(diào)整它們的電阻值，可以調(diào)整施加于雙柵極FET的柵極引腳的電壓，以使其操作在一個所希望的操作點(gm)上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)獲得所希望的增益的設(shè)置。因此，加強了第一級放大單元的特性。
(45)然而，在圖27的放大器電路中，當(dāng)因制造耗散(溝道雜質(zhì)濃度)導(dǎo)致雙柵極FET的臨界電壓Vth耗散時，Ids-gm特性會發(fā)生變化，如圖30中所示。如從這一圖中所看到的，當(dāng)Vth耗散時，gm將變化，而且將產(chǎn)生增益耗散，甚至是在電流點不變的情況下。
(46)另一方面，在gm的最大點中，在與一個單一的柵極相同的方式中，最大電流(Idsmax)和電流(Idle)的比率是重要的。即，由于一個第二柵極的電位Vgsb2確定了Idsmax，以及一個第一柵極的電位Vgsb1決定了Idle，所以最終對于gm來說，Vgsb1和Vgsb2的比率是重要的。以下可以通過使用Vgsb1和Vgsb2的比率來描述gm。
(47)首先，假設(shè)雙柵極FET Qb1和Qb2的臨界電壓為Vth1和Vth2，而且ΔVgsb1＝Vgsb2-Vth2和ΔVgsb2＝Vgsb2-Vth2，建立了Vth1Vth2的關(guān)系，而且實際上ΔVgsb1和ΔVgsb2確定了一個電流。因此，假設(shè)規(guī)格化，即通過Vth，Vth1＝Vth2＝0，導(dǎo)出下列公式。
gm≌Idle∶Idsmax＝Vgsb1∶Vgsb2＝ΔVgsb1∶ΔVgsb2因此，為了使gm保持不變，假設(shè)每一規(guī)格化的柵極電位的比率是重要的。
(48)考慮到以上所描述的先決條件，在圖27的電路中，當(dāng)考慮到Vth耗散時，通過一個電流鏡電路，一個指定的電流點變得穩(wěn)定，而且不依賴于芯片的耗散。然而，由于在R122和Iin20中生成ΔVgsb1和ΔVgsb2的比率的ΔVgsb1和ΔVgsb是不變的，所以差是相等的，即ΔVgsb2-ΔVgsb1＝ΔVgsb2-ΔVgsb1。一個依賴于Vtha1并將不會變?yōu)槌?shù)的比率，由公式(13)加以表示。
ΔVgsb2/ΔVgsb1＝(Vgsb2-Vthb2)/(Vgsb1-Vthb1)...公式(11-1)ΔVgsb2/ΔVgsb1＝(Vgsb2-Vtha2)/(Vgsa1-Vtha1)...公式(11-2)(49)此時，由于Qa1、Qa2、Qb1以及Qb2為具有相同特性和相同大小的元件，所以可以認為具有Vtha1Vtha2Vthb1Vthb2這樣一個關(guān)系。
假設(shè)這一關(guān)系為一個先決條件，則以上所提到的公式可以變換如下。
ΔVgsb2/ΔVgsb1(ΔVgsa2/ΔVgsa1＝Vgsa2/Vgsa1＝1+R122·Iin20/Vdsa...公式(12)接下來，由于把Qa1的柵極和Qa2的漏極加以耦合，所以建立了Vdsa＝Vgsa1和Vgsa1∝Vtha1的關(guān)系。因此，得到以下的公式。
ΔVgsb2/ΔVgsb1∝(1+R122·Iin20/Vtha1) ...公式(13)(50)于是，ΔVgsb2/ΔVgsb1依賴于Vtha1的耗散，而且本身也耗散，在沒有獲得一個所希望的操作點的情況下，Qb側(cè)上的操作點變化，而且高頻功率放大器電路的增益和放大特性變化。
(51)而且，在圖27的放大器電路中，為了改進高頻功率放大特性，假設(shè)把一個把其溝道長度Lg縮小了的FET(Lg＝0.3μm)用于下FET Qb1作為一個放大元件，如從圖26所看到的，當(dāng)因工藝耗散而導(dǎo)致柵極長度耗散時，臨界電壓Vth和溝道調(diào)制系數(shù)λ均將耗散。因此，假設(shè)放大FET Qb1的漏極-源極電壓為Vdsb1、偏壓FET Qa1的漏極-源極電壓為Vdsa1、Qa1的柵極寬度為Wag、以及Qb1的柵極寬度為Wgb，則Qa1的電流Iin和Qb1的電流Iout建立了由下列公式所表示的一個關(guān)系。
Iout20＝(Wgb/Wag)·{(1+λVdsb1)/(1+λVdsa1)}*Iin20...公式(14)另外，在公式(14)中，Vdsa1Vgsa1，但Vdsb1≠Vgsb1，即Vdsa1≠Vdsb1，兩者均受到臨界電壓Vth的耗散的影響。而且，對于每一芯片，溝道長度調(diào)制系數(shù)λ也將耗散。因此，輸入電流Iin20和輸出電流Iout20的比率隨溝道調(diào)制系數(shù)λ和Vth以及Qb1和Qa1的柵極寬度比Wgb/Wag而變化。因此，證明電流點變得不穩(wěn)定。
(52)根據(jù)以上的描述，在圖27的放大器電路中，在一個其中不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的區(qū)域中，收到了臨界電壓Vth耗散的影響，例如受到溝道雜質(zhì)濃度的影響，而且gm飽和點發(fā)生變化。另外，在其中產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的區(qū)域中，甚至電流點(Idle)也在變化。因此，不能獲得一個所希望的穩(wěn)定的操作點，而且還會出現(xiàn)依賴于元件特性耗散的不穩(wěn)定的高頻功率放大特性。
(53)因此，圖27的高頻功率放大器電路要求這樣一個復(fù)雜的調(diào)諧為了穩(wěn)定放大特性，對高頻功率放大器電路進行設(shè)置，以致于能夠精細地調(diào)整構(gòu)成恒流電路的一個電阻器R111的常數(shù)，并且能夠獲得一個所希望的電流點，另外，還能夠精細地調(diào)整電阻器R122的常數(shù)，并且可獲得一個所希望的柵極電壓比率。作為一個缺點，這一調(diào)諧導(dǎo)致了成本的增加。
(54)另一方面，在這一實施例的高頻功率放大器電路中，假設(shè)，在一個擁有Qc、Qd1以及Qd2的恒流電路中，施加于Qc的電流為Iin0，Qc、Qd1以及Qd2的柵極寬度為Wgc、Wgd1以及Wgd2，則施加于Qa1和Qa2的電流Iin1和Iin2變?yōu)橄鄳?yīng)于如下列公式所表示的柵極寬度的比率的電流。
Iin1＝(Wgd1/Wgc)·Iin0 ...公式(15-1)Iin2＝(Wgd2/Wgc)·Iin0 ...公式(15-2)(55)接下來，當(dāng)這些電流Iin1和Iin2流向偏壓FET Qa1和Qa2時，在Q1的柵極和源極之間生成了由下列公式表示的這樣的電壓Vref1和Vref2。
Vref1＝Vgsa1＝(Iin1/Ka1)+Vtha1) ...公式(16-1)Vref2＝Vgsa2＝(Iin2/Ka2)+Vtha2) ...公式(16-2)(56)此時，Ka1和Ka2為常數(shù)，使用一個工藝常數(shù)K0，由Ka1＝K0(Wag1/Lga1)以及Ka2＝K0(Wga2/Lga2)加以表示。在這一實施例中，由于FET Qa1和Qa2為形成在同一芯片上的相同的元件，所以在以上所提到的公式中，Ka1＝Ka2和Vtha1＝Vtha2成立。此時，假設(shè)它們的值為K和Vth，則產(chǎn)生以上所提到的公式。
Vref1＝Vgas1＝(Iin1/K)+Vth ...公式(17-1)Vref2＝Vgas2＝(Iin2/K)+Vth ...公式(17-2)此時，假設(shè)ΔVgsa1＝Vgsa1-Vth和ΔVgsa2＝Vgsa2-Vth，則建立了以上所提到的公式。
ΔVgsa2＝ΔVgsa1＝(Iin2/K)/(Iin1/K)＝(Iin2/Iin1)...公式(18)(57)由于FET Qa1、Qa2、Qb1以及Qb2為具有相同特性的元件，所以ΔVgsb2/Δvgsb1＝ΔVgsa2/ΔVgsa1成立。根據(jù)這一公式以及以上所提到的公式(18)、公式(15-1)和(15-2)，可以得到公式；ΔVgsb2/ΔVgsb1＝(Wgd1/Wgd2)。
根據(jù)這一公式，證明可以把放大FET Qb1和Qb2的柵極電壓ΔVgsa1(＝Vgsb1-Vth)和ΔVgsa2(＝Vgsb2-Vth)的比率設(shè)置成FETQde1和Qd2的柵極寬度比率的平方根。
(58)在這一實施例的放大器電路中，作為參考電壓Vref1和Vref2，通過運算放大器AMP1和AMP2，把FET Qa1和Qa2所生成的漏極參考電壓Vgsa1和Vgsa2，提供于放大FET Qb1和Qb2以及Qg1和Qg2的柵極，以驅(qū)動這些部件。因此，Iout2流向Qb1和Qb2，以下公式(19)的模擬電流Idet2流向模擬FET Qg1和Qg2。
Idet2＝(Wgg/Wgb)·{(1+λVdsg)/(1+λVdd)}*Iout2...公式(19)(59)在以上所提到的公式中，Wgg為放大FET Qb1和Qb2的柵極寬度，Wgb為模擬FET Qg1和Qg2的柵極寬度。λ是溝道長度調(diào)制系數(shù)及Vdd是電源電壓。
(60)在公式(19)中，由于Vdd為常數(shù)，而且對于Qf的Vf，因從Vdd所下降的電位，Vdsg也變?yōu)槌?shù)，所以模擬電流Idet2隨λ而變化。接下來，通過Qf、Qe1和Qe2的電流鏡電路，把模擬電流Idet2作為其中保存所希望的比率Vgsb2∶Vgsb1的一個電流加以反饋，以下公式(20-1)和(20-1)中所描述的Iret1和Iret2流向Qa1′和Qa2′Iret1＝(Wge1/Wgf)·Idet2...公式(20-1)Iret2＝(Wge2/Wgf)·Idet2...公式(20-2)(61)如果電源電壓Vdd足夠高，足以能夠在一個飽和區(qū)中操作FET Qa1′和Qa2′，則反饋電流Iret1和Iret2流向FET Qa1′和Qa2′。此時，在Qa1′和Qa2′的漏極引腳中生成由下列公式所表示的電壓Vret1和Vret2。
Vgsa1′＝Vret1＝{(Iret1+Ioff1)/Ka1′}+Vtha1′ ...公式(21-1)Vgsa2′＝Vret2＝{(Iret2+Ioff2)/Ka2′}+Vtha2′ ...公式(21-2)
(62)Ka1′和Ka2′為常數(shù)，由Ka1′＝K0(Wag1′/Lga1′/Lga1′)和Ka2′＝K0(Wag2′/Lga2′)加以表示。由于Qa1′和Qa2′為具有相同特性的元件，所以Ka1′＝Ka2′和Vtha1′＝Vtha2′成立，而且與Iret1和Iret2相比，Ioff1和Ioff2充分小，從而可以將其忽略。公式(21-1和21-2)以下列公式的形式出現(xiàn)。
Vgsa1′＝Vret1＝(lret1/K)+Vth ...公式(22-1)Vgsa2′＝Vret2＝(lret2/K)+Vth ...公式(22-2)(63)此時，假設(shè)Vgsa1′-Vth為ΔVgsa1′和Vgsa2′-Vth為ΔVgsa2′，則可以得到以下的公式。
ΔVgsa2′/ΔVgsa1′＝(Iret2/K)/(Iret1/K)＝(Iret2/Iret1)...公式(23)(64)由于FET Qa1′、Qa2′、Qb1以及Qb2為具有相同特性的元件，所以可得到下列公式。
ΔVgsb2/ΔVgsb1＝ΔVgsa2′/ΔVgsa1′根據(jù)這一公式、以上所提到的公式(23)以及公式(20-1)和(20-2)，可以得到下列公式ΔVgsb2/ΔVgsb1＝(Wge1/Wge2)。
根據(jù)這一公式，證明可以通過一均方根設(shè)置放大FET Qb1和Qb2的柵極電壓ΔVgsb1(＝Vgsb1-Vth)和ΔVgsb2(＝Vgsb2-Vth)的比率。因此，如果Qe1和Qe2的柵極寬度的比率和Qd1和Qd2的柵極寬度的比率互相匹配，則功率放大FET的偏壓比ΔVgsb2/ΔVgsb1將不會破壞，此時，在這一實施例中，例如，如上所描述的，把每一個比率設(shè)置成1∶2(1 to 2)。
(65)在這一實施例的高頻功率放大器電路中，把由FET Qa1′和Qa2′根據(jù)反饋電流Iret1和Iret2所生成的電壓Vret1和Vret2以及在FET Qa1和Qa2的漏極中所生成的參考電壓Vref1和Vref2輸入到差分放大器AMP1和AMP2，施加反饋，以致于Vret1和Vret2能夠與參考電壓Vref1和Vref2相匹配。因此，把Qb1和Qg2的柵極長度設(shè)置得較短，并且因短溝道效應(yīng)所造成的柵極長度的耗散導(dǎo)致溝道調(diào)制系數(shù)λ耗散。所以，甚至Qb1的電流Iout2偏移一個所希望的值，Qg1的電流Idet2也以同樣的方式偏移，并且把校正電流Idet的這樣的一個電壓從差分放大器AMP1和AMP2施加于Qb1和Qg1以及Qb2和Qg2的柵極。因此，即使為了改進放大特性使放大FET Qb1處于短溝道狀態(tài)，不依賴于元件耗散的無功電流Iout2也可以流向Qb1。接下來，在施加于放大FET Qb1的電流Iout2和施加于模擬FET Qg1的電流Idet2之間建立了由下列公式所表示的這樣的一個關(guān)系Idet2/Iout2＝Wgg/Wgb，相應(yīng)于柵極寬度的比率Wgg/Wgb的電流流向Qb1和Qg1。
(66)主要根據(jù)Iin0確定Idet2，因為Qg1、Qg2、Qa1、Qa2、Qa1′以及Qa2′全都具有相同的特性和相同的大小，Qc和Qf、Qd1和Qe1、以及Qd2和Qe2也全都具有相同的特性和相同的大小。因此，可以從以上的公式推導(dǎo)以下的公式。
Iout2＝(Wgb/Wgg)·Iin0因此，由于主要根據(jù)Iin0確定Iout2的電流，所以可以保存一個固定的值。
(67)而且，甚至是當(dāng)因短溝道效應(yīng)導(dǎo)致Vth變化，也可以根據(jù)Wgd1∶Wgd2＝Wge1∶Wge2的關(guān)系使ΔVgsb2/ΔVgsb1的比例保持為一個固定的值。
(68)現(xiàn)在，描述這一實施例的高頻功率放大器電路的元件特性和大小。另外，以下所描述的除FET之外的FET(構(gòu)成Qc、Qd、Qe、Qf以及放大器AMP1和AMP2的FET)，均使用了一個按通常CMOS工藝所形成的元件。而且，對于柵極長度，當(dāng)在這些FET Qe和Qf中產(chǎn)生短溝道效應(yīng)時，所希望的反饋也能夠控制其不出現(xiàn)問題。因此，柵極長度為0.5μm或更長(在本實施例中為2μm)。
(69)在這一實施例的高頻功率放大器電路中，由于模擬FET Qg1模擬放大FET Qb1的輸出電流Iout2，所以按與Qb1相同的工藝形成一個元件，而且柵極長度與Qb1的相同(0.3μm)，以致于可以產(chǎn)生與Qb1相同的短溝道效應(yīng)。如果FET Qg1的柵極寬度與Qb1的相同。則電流消耗極度增加。因此，為了獲得所希望的電流值，選擇充分低于Qb1的柵極寬度的柵極寬度，例如幾十μm或一百幾十μm。
(70)把FET Qa1和Qa2的漏極中所生成的電壓Vref1和Vref2以及FET Qa1′和Qa2′的漏極中所生成的電壓Vret1和Vret2輸入到差分放大器AMP1和AMP2中，并且把Vref1和Vref2作為標準，生成用于通過放大FET Qb1和Qb2施加一個所希望的輸出電流Iout2的柵極電壓Vb1和Vb2。因此，Qa1、Qa2、Qa1′以及Qa2′必須具有將不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的柵極長度。例如，假設(shè)值0.5μm為這樣的一個柵極長度。而且，在考慮到輸出電流Iout2的可控性情況下確定Qa1、Qa2、Qa1′以及Qa2′的柵極寬度。例如，把值100～200μm考慮為這樣的一個柵極寬度。
(71)而且，在這一實施例中，F(xiàn)ET Qa1、Qa2、Qa1′以及Qa2′均使用一個按與放大FET Qb1相同的工藝形成的元件(功率MOS)，但這些FET也可以具有一個標準N-溝道MOSFET。然而，當(dāng)FET具有標準N-溝道MOSFET時，與功率MOS相比，柵極長度增加。因此，為了施加一個所希望的電流，必須以比FET具有功率MOS時更寬的尺度設(shè)計柵極寬度。所以，所希望的是，以降低功耗和減小芯片面積的角度，F(xiàn)ET應(yīng)采用功率MOS。
(72)圖16描述了這一實施例的高頻功率放大器電路和圖27的傳統(tǒng)的電路中，當(dāng)因短溝道效應(yīng)而把具有短柵極長度放大FET用作放大FET Qb1的臨界電壓Vth和溝道調(diào)制系數(shù)λ耗散時，偏流(輸入電流)Iin20和無功電流Iout20之間的關(guān)系。圖16分別以實線描述了這一實施例的高頻功率放大器電路的特性，以虛線描述了圖27的傳統(tǒng)的高頻放大器電路的特性。從圖16可以證明在輸入/輸出電流特性的線性特性方面，這一實施例的高頻功率放大器電路性能更佳。
(73)圖17描述了這一實施例的高頻功率放大器電路和圖27的傳統(tǒng)電路中偏流(輸入電流)Iin20的第一柵極和第二柵極的偏壓比(ΔVgsb2/ΔVgsb1)與雙柵極放大FET Qb1和Qb2之間的關(guān)系。這一圖描述了當(dāng)由于把短柵極長度用于放大FET Qb1而短溝道效應(yīng)導(dǎo)致臨界電壓Vth耗散時、當(dāng)因一個其中不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)的區(qū)域中的溝道雜質(zhì)濃度的耗散導(dǎo)致Vth耗散時，以及當(dāng)因這兩種情況的組合效應(yīng)導(dǎo)致Vth耗散時的情況。圖18分別以實踐描述了這一實施例的高頻功率放大器電路的特性，以虛線描述了圖17的傳統(tǒng)高頻功率放大器電路的特性。
(74)根據(jù)圖17，在傳統(tǒng)的高頻功率放大器電路中，當(dāng)輸入電流Iin20增加時，偏壓比增加，而且，當(dāng)臨界電壓Vth耗散時，偏壓比的傾向也發(fā)生變化。然而，在這一實施例的高頻功率放大器電路中，不管輸入電流Iin20的大小如何以及臨界電壓Vth是否耗散，也可使偏壓比穩(wěn)定，從而可證明偏壓比將不改變。
(75)另外，由于圖15的高頻功率放大器電路是一個不具有功率控制引腳的固定偏壓高頻功率放大器電路，所以對于使用固定偏壓/可變輸入方法控制輸出功率的系統(tǒng)來說，利用功率控制是十分有效的，其中固定偏壓/可變輸入方法根據(jù)輸出功率控制電壓Vapc，改變輸入于比外部引腳P201較前一級電路中的放大FET Qb1的柵極引腳的高頻信號RFin2的振幅。例如，這樣的系統(tǒng)有能夠采用DEGE(用于GSM發(fā)展的加強的數(shù)據(jù)速率)方法或WCDMA(寬帶碼分多路存取)方法進行通信的蜂窩電話。
(76)接下來，參考圖18描述根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個第六實施例。圖18與圖15的實施例的高頻功率放大器電路的不同之處在于，作為一個放大晶體管和一個電流模擬晶體管，使用兩個雙柵極FET Qb和Qg取代了串行的兩個FET Qb1和Qb2以及Qg1和Qg2。而且，不同之處還在于，這一高頻功率放大器電路可用于支持GSM方法和EDGE方法之一的通信的系統(tǒng)。
(77)對一個GSM方法的蜂窩電話加以構(gòu)造，以致于可以通過輸出功率控制電壓Vapc20控制高頻功率放大器電路的輸出功率。在EDGE模式中，可以通過使用如以上所提到的實施例所示的固定偏壓/可變輸入方法控制輸出功率，來改進輸出功率控制的線性特性。這一實施例的高頻功率放大器是這樣一個實施例其中這樣一個EDGE模式中的固定偏壓/可變輸出功率控制和GSM模式中的固定輸入/可變偏壓輸出功率控制均可得以實現(xiàn)。
(78)因此，這一實施例具有連接在參考偏壓電路211的FET Qc和把外部電阻器R23連接至其的外部引腳P203之間的一個電壓-電流轉(zhuǎn)換FET Qh；轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2，用于有選擇地提供在GSM模式下從外部提供的輸出控制電壓Vapc20或在EDGE模式下從外部提供的固定偏置電壓Vbias；一個外部引腳P204，用于從外部提供輸出功率控制電壓Vapc20；一個外部引腳P205，用于從外部提供固定偏置電壓Vbias；以及一個外部引腳P206，用于施加一個轉(zhuǎn)換和控制以上所提到的轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2的模式信號MODE。在GSM模式中，通過根據(jù)輸出功率控制電壓Vapc20改變FET Qc和Qh的電流Iin0，所以從參考偏壓電路211施加于FET Q1a和Q2a的參考電流Iin1和Iin2改變，從而施加于放大FET Qb1和Qb2的無功電流Iout2也變化。
(79)另外，還可以在轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2和電壓-電流轉(zhuǎn)換FET Qh的柵極引腳之間提供一個用于改進輸出功率控制電壓Vapc20以及電流Iin1和Iin2的線性特性的適當(dāng)?shù)碾妷恨D(zhuǎn)換電路。
(80)圖19描述了GSM模式中的參考偏壓電路211的輸入/輸出特性，即輸出功率控制電壓Vapc20和施加于FET Qa1的電流Iin1之間的關(guān)系。如圖19中所示，在這一例子中，電流Iin1根據(jù)輸出功率控制電壓Vapc20從某一電壓(開始點)Vsp幾乎線性地增加。而且，在參考偏壓電路211中，確定其中通過外部電阻器R21的電阻值，電流Iin1開始增加的開始點Vsp。
(81)圖20描述了根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個第七實施例。
在這一實施例中，圖15的實施例的高頻功率放大器電路的放大晶體管Qb1和Qb2和模擬晶體管Qg1和Qg2由一個雙極晶體管而不是一個FET加以構(gòu)造，并且整個電路由兩個半導(dǎo)體芯片構(gòu)成。另外，電流-電壓轉(zhuǎn)換晶體管Qa1、Qa1′、Qa2以及Qa2′也由雙極晶體管而不是FET構(gòu)成(82)雙極晶體管不具有象FET中那樣的短溝道效應(yīng)。但使用了其基極厚度象放大晶體管Qb1一樣薄的雙極晶體管，以改進高頻功率放大特性。在這一情況下，即使使基極-發(fā)射極電壓保持不變，也會出現(xiàn)早期效應(yīng)，其中，當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓增加時，有效基極寬度減小以及集電極電流增加。因此，當(dāng)因制造耗散導(dǎo)致每一芯片的放大晶體管Qb1的基極厚度耗散時，則因早期效應(yīng)的影響導(dǎo)致每一芯片的基極偏壓點耗散。因此，存在著不能獲得穩(wěn)定的高頻功率放大特性的可能。
(83)此時，以與圖15的實施例相同的方式，這一實施例具有參考偏壓電路211，由二極管連接的晶體管Qa1和Qa2生成參考電壓Vref1和Vref2；以及電流模擬電路212，具有與放大晶體管Qb1和Qb2相同的特性，并且包括模擬晶體管Qg1和Qg2，而且向模擬晶體管QgQ1和Qg2施加一個成比例的電流。這一實施例還具有校正電路213，校正電路213把所檢測的電流轉(zhuǎn)換成電壓，把該電壓與參考電壓Vref1和Vref2加以比較，并且生成一個偏置電壓，以校正因放大晶體管Qb1和Qb2的基極厚度的耗散所產(chǎn)生的電流偏移。因此，即使放大晶體管Qb1和BQ2的基極厚度較薄，以改進把雙極晶體管用作放大晶體管Qb1、Qb2的高頻功率放大特性、減小擁有因早期效應(yīng)所產(chǎn)生的基極偏壓點的耗散，以及具有因除早期效應(yīng)之外的另一種因素(溝道雜質(zhì)濃度)所產(chǎn)生的Vth耗散的基極偏壓點的耗散，并且可以提高高頻功率放大特性的穩(wěn)定性。
(84)而且，在這一實施例中，還由于其有一雙極晶體管放大晶體管Qb1和Qb2以及模擬晶體管Qg1和Qg2形成在半導(dǎo)體芯片120上，而半導(dǎo)體芯片120分離于其上形成FET Qc～Qf的偏壓控制半導(dǎo)體芯片110，所以與在一個半導(dǎo)體芯片上形成這兩種晶體管的情況相比，能夠按各自的最佳工藝形成兩個半導(dǎo)體芯片，從而簡化了工藝。因此，作為一個優(yōu)點，可以降低芯片成本。另外，也可以把用于這一實施例的雙極晶體管形成在一個硅片上。所希望的是，應(yīng)使用具有良好放大特性的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。
(85)另外，圖20描述了把兩個雙極晶體管串連連接作為一個放大晶體管和一個模擬晶體管的情況。一個水平的雙極晶體管在一個集電極區(qū)域和一個發(fā)射極區(qū)域之間形成了兩個基極區(qū)域，一個垂直的雙極晶體管在一個收集極區(qū)域中形成了一個雙結(jié)構(gòu)的基極區(qū)域以及內(nèi)部的基極區(qū)域中的一個發(fā)射極區(qū)域(一個狹義的雙基極晶體管)，而且兩種晶體管均可用作放大晶體管和模擬晶體管。在本說明書中，把串行連接的一個狹義雙基極晶體管和兩個雙極晶體管一起統(tǒng)稱雙基極晶體管。
(86)以下，描述根據(jù)本發(fā)明的高頻功率放大器電路的一個改型。
圖21描述了一個第六種改型。這一改型，作為一個半導(dǎo)體集成電路，在一個半導(dǎo)體芯片上形成了一個三級組成的高頻功率放大器電路，并且提供了一個用于檢測輸出功率的檢測電路。這一實施例的輸出功率檢測電路具有一個檢測FET Qj，從而可以通過一個電阻器R26把與輸入于末級放大FET Qb的基極引腳的電壓相同的電壓輸入于柵極引腳；一個電流鏡電路215，傳送施加于電流鏡電路215的漏極電流；以及一個外部電阻器R27，把電流鏡電路215所傳送的漏極電流轉(zhuǎn)換成電壓。
(87)輸出功率檢測FET Qj是一種具有按與放大FET Qb相同的工藝所形成的相同柵極長度的相同特性的元件。通過把這種元件形成為擁有一個小于Qb的柵極寬度，其中Qb電流依柵極寬度的比率成比例減小的這樣一個大小的電流流向Qj。對于這樣一種電流檢測方法的輸出功率檢測電路，由于這些申請人已經(jīng)提交了多個專利申請，因此，不再描述詳細的操作。
(88)在這一實施例中，通過一個電容器C31和一個阻抗匹配電路MN21把第一級放大器級210A的輸出引腳P221連接于第二級放大器級210B的輸入引腳P222，并且經(jīng)由電容器C32和一個阻抗匹配電路MN22把第二級放大器級210的輸出引腳P212連接于第三級放大器級210C的輸入引腳P223。相應(yīng)于第三級放大器級210C，提供FET Qj和一個具有一個輸出功率檢測電路的電流鏡電路215。
(89)把這一實施例的半導(dǎo)體集成電路10與用于截止直流的電容器C31～C33、外部電阻器R31～R33、電感器L31～L33、以及阻抗匹配電路MN20～MN23一起，安裝在一個絕緣基片上，例如安裝在陶瓷絕緣基片上，從而構(gòu)成一個模塊?？梢允褂眯纬稍谝粋€模塊基片上的微帶線構(gòu)造電感器L31～L33或阻抗匹配電路MN20～MN23。甚至電容器C31～C33也可以為離散部件。然而，當(dāng)電容器使用了其中層壓了多個介電層作為模塊絕緣基片的部件時，這樣的電容器也是可以接受的其中，導(dǎo)電層形成在任何介電層的前和后，以分別相對地用作一個電極。作為一個例子，第一級放大器級可以使用圖15的實施例的第一級放大器級，但也可以使用圖16的實施例的第一級放大器級(狹義的雙極FET)或圖6的實施例的第一級放大器級(雙極晶體管)。
(90)由于這一實施例的高頻功率放大器電路允許把擁有第一級、第二級以及第三級放大器級形成在一個半導(dǎo)體芯片上，所以與其它例子相比，作為一個優(yōu)點，可以使模塊最小化。
(91)圖22說明了一個第七種改型。作為一個半導(dǎo)體集成電路，這一改型在兩個半導(dǎo)體芯片210和120上形成了一個三級組成的高頻功率放大器電路。具體地講，把第一級放大器級210A和第二級放大器級210B形成在第一半導(dǎo)體芯片110上，把第三級放大器級210C形成在第二半導(dǎo)體芯片220上，其它的部件與圖21的改型相同。
(92)因為這一實施例的高頻功率放大器電路允許把具有第一級和第二級放大器級的一個FET形成在一個半導(dǎo)體芯片210上，與除了圖21的實施例的其它實施例相比，可以使模塊最小化。而且，在最小化方面，圖22的實施例不如圖21的實施例，但圖22的實施例可以實現(xiàn)這樣的實施例通過形成可以把每一不同特性提供于第一、第二、以及第三級放大器級中的放大FET Qb，從而總體具有優(yōu)于圖21的例子的放大特性。
(93)圖23描述了一個第八種改型。這一改型在三個半導(dǎo)體芯片上形成一個三級組成的高頻功率放大器電路作為一個半導(dǎo)體集成電路。具體地講，把每一級的電流控制電路14形成在第一半導(dǎo)體芯片210上作為一個公共電流控制電路，把除電流控制電路14的第一級放大器級210A和第二級放大器級210B形成在第二半導(dǎo)體芯片220上，以及把第三級放大器級210C形成在第三半導(dǎo)體芯片130上。其它部件與圖21的改型相同。
(94)由于這一實施例的高頻功率放大器電路允許把每一級的電流控制電路14形成在獨立的半導(dǎo)體芯片230上作為一個公共電流控制電路，所以與圖22的例子相比，作為一個優(yōu)點，可以最小化其上擁有一個放大器級的第二和第三半導(dǎo)體芯片210和220。
(95)圖24描述了諸如蜂窩電話的射頻通信系統(tǒng)的一個合成實例。蜂窩電話使用了圖18的實例的高頻功率放大器電路，這一高頻功率放大器電路能夠?qū)崿F(xiàn)EDGE模式中的偏壓固定/輸入可變輸出功率控制和GSM模式中的輸入固定/偏壓可變輸出功率控制，并且在最后一級中提供了圖21中所示的電流感測方法的這樣的一個輸出功率檢測電路。
(96)圖24的射頻通信系統(tǒng)包括；一個高頻信號處理電路(高頻IC)300，高頻信號處理電路300具有一個調(diào)制解調(diào)電路，通過這一調(diào)制解調(diào)電路可以進行GSM模式中的GMSK調(diào)制(調(diào)頻)、EDGE模式中的PSK調(diào)制(調(diào)相與調(diào)幅)并且可以對它們進行解調(diào)，或具有一個能夠放大所接收的信號Rx的低噪音放大器LNA；一個可變增益放大器310，放大來自高頻IC 300的所傳輸?shù)男盘朤x；以上所提到的例子的高頻功率放大模塊(RF功率模塊)200，放大可變增益放大器310的輸出，并驅(qū)動天線ANT進行轉(zhuǎn)輸；一個前端模塊400，包括一個低通濾波器，這一低通濾波器去除包含在所傳輸?shù)男盘栔械闹C波成份，并且包括一個傳輸器—接收器轉(zhuǎn)換開關(guān)，以及一個濾波器；以及一個帶通濾波器BPF，具有一個從所接收的信號中去除寄生波的彈性表面波濾波器。
(97)而且，這一實施例的射頻通信系統(tǒng)還配備有一個誤差放大器320，根據(jù)從高頻IC 300所輸出的輸出電平指令信號Vramp和RF功率模塊200的輸出功率檢測電路中所檢測的檢測信號Vsns之間的電位差輸出一個電壓；以及轉(zhuǎn)換開關(guān)330，有選擇地把從誤差放大器320所輸出的輸出功率控制電壓Vapc提供于可變增益放大器310或RF功率模塊200的偏壓控制電路。
(98)對這一轉(zhuǎn)換開關(guān)330進行控制，以致于能夠在GSM模式中，把輸出功率控制電壓Vapc提供于偏壓控制電路，以及在EDGE模式中，使用一個模式控制信號MODE把輸出功率控制電壓Vapc提供給可變增益放大器310，其中模式控制信號MODE控制RF功率模塊200的偏壓控制電路內(nèi)部的開關(guān)SW1和SW2。在GSM模式中，把輸出功率控制電壓Vapc提供于偏壓控制電路。因此，形成一個反饋控制回路，這一反饋控制回路在RF功率模塊200的內(nèi)部提供放大FET偏壓，以致于輸出功率檢測信號Vsns能夠與輸出電平指令信號Vramp相匹配，其操作旨在使輸出功率Pout輸出可以根據(jù)輸出電平指令信號Vramp而變化。
(99)另一方面，在EDGE模式中，把輸出功率控制電壓Vapc提供于可變增益放大器310，并且把一個固定電平的偏置電壓Vbias從高頻IC 300提供于RF功率模塊200的偏壓控制電路。因此，在RF功率組件200中，通過偏壓控制電路，一個放大FET被保持處于一個穩(wěn)定偏壓狀態(tài)，而且，可變增益放大器310的增益隨從誤差放大器320所輸出的輸出功率控制電壓Vapc而變化。形成一個反饋控制回路，其操作旨在使輸出功率檢測信號Vsns能夠與輸出電平指令信號Vramp相匹配，而且其操作還能夠使輸出功率Pout能夠根據(jù)輸出電平指令信號Vramp而變化。此時，作為一個優(yōu)點，通過使用如以上所提到的實施例構(gòu)成的高頻功率放大器電路和RF功率模塊，輸出Pout可以根據(jù)輸出電平指令信號Vramp從一個輸出電平的低區(qū)域到高區(qū)域線性地變化。
(79)根據(jù)一個實施例描述了這些發(fā)明者的一個發(fā)明，但本發(fā)明不局限于以上所提到的實施例，無需加以聲明，在本發(fā)明將不背離這一目的的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進行多方面的改型。
(80)例如，在圖6的實施例中，放大FET Q0和模擬FET Q7擁有一個雙極晶體管，以及參考偏壓電路11和偏壓控制電路13的二極管連接的晶體管Q1和Q2擁有一個FET，但Q1和Q2也可以擁有一個雙極晶體管。而且，把圖5或圖9～圖11的實施例構(gòu)造成一個包括輸出功率檢測電路(Q9和Q15)的半導(dǎo)體集成電路，但也可以將其構(gòu)造為不包括一個輸出功率檢測電路的高頻功率放大器電路。
(81)另外，在以上所提到的實施例中，已經(jīng)描述了其中放大晶體管Q0具有一個FET或一個雙極晶體管的情況。然而，即使當(dāng)放大晶體管Q0具有另一種晶體管，例如GaAsMESFET、GaAsHBT(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)、SiGeHBT、以及HEMT(高電子移動晶體管)，也可以通過使用以上所提到的實施例，達到同樣的效果。
(101)而且，例如，在圖15的實施例中，把一個二極管連接的晶體管用作為具有參考偏壓電路211的電流-電壓轉(zhuǎn)換FET Qa1和Qa2和具有偏壓校正電路213的電流-電壓轉(zhuǎn)換FET Qa1′和Qa2′，但也可以用一個電阻器或二極管取代晶體管。在這一情況下，從提高精度的角度，所希望的是，應(yīng)把它們的電流-電壓轉(zhuǎn)換電阻器或二極管作為外部元件加以提供。
(102)另外，在以上所提到的實施例中，描述了其中放大晶體管具有一個FET或一個雙極晶體管的情況。然而，即使當(dāng)放大晶體管具有另一種晶體管，例如GaAsMESFET、GaAsHBT(異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)、SiGeHBT、以及HEMT(高電子移動晶體管)，也可以通過使用以上所提到的實施例，達到同樣的效果。
而且，在一個應(yīng)用系統(tǒng)的實施例中，描述了能夠通過GSM模式和EDGE模式的兩種調(diào)制方法進行通信的系統(tǒng)。然而，本發(fā)明還可適用于能夠通過CDMA(碼分多路存取)方法進行通信的系統(tǒng)。
(82)在以上的描述中，描述了把這些發(fā)明者的一個發(fā)明用于作為背景的一個應(yīng)用領(lǐng)域的蜂窩電話所使用的高頻功率放大器電路和功率模塊。然而，本發(fā)明并不局限于這種高頻功率放大器電路或功率模塊，而且還能夠用于構(gòu)成無線LAN的高頻功率放大器電路和功率模塊。
權(quán)利要求
1.一種高頻功率放大器電路，包括一個放大晶體管，用于放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，用于通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓施加于所述放大晶體管的控制引腳，從而使一個與流向所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，所述高頻功率放大器電路包括一個偏壓生成電路，該偏壓生成電路包括一個電流模擬晶體管，該電流模擬晶體管擁有與所述放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并以與所述放大晶體管相同的工藝加以形成；以及一個二極管連接的晶體管，串行地與所述晶體管相連；所述偏壓生成電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個由把來自一恒流電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，并向所述放大晶體管和電流模擬晶體管提供一個能夠禁止所述放大晶體管的無功電流因短溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而變化的偏壓。
2.一種高頻功率放大器電路，包括一個放大晶體管，用于放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，用于通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓施加于所述放大晶體管的控制引腳，從而使一個與流向所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，所述高頻功率放大器電路包括一個偏壓生成電路，該偏壓生成電路包括一個電流模擬晶體管，該電流模擬晶體管擁有與所述放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并以與所述放大晶體管相同的工藝加以形成；一個二極管連接的晶體管，串行地與所述晶體管相連；以及一個差分放大器電路，用于把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的參考電壓加以比較，以輸出遵循一個電位差的電壓，其中，所述差分放大器電路工作以使根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與所述參考電壓相匹配，并且把所述差分放大器電路的輸出電壓施加于所述放大晶體管的控制引腳，然后一個無功電流流向所述放大晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述放大晶體管和所述電流模擬晶體管包括一個場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管具有這樣一溝道長度，其中臨界電壓和溝道長度調(diào)制系數(shù)因制造耗散而變化，以及其中，一個串行地與所述電流模擬晶體管相連的二極管連接的晶體管，包括具有這樣一溝道長度的場效應(yīng)晶體管，其中臨界電壓和溝道長度調(diào)制系數(shù)不因制造耗散而變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件是一個二極管連接的場效應(yīng)晶體管，所述晶體管允許將形成的溝道長度長于所述放大晶體管的溝道長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高頻功率放大器電路，其中，串行連接于所述電流模擬晶體管的二極管連接的晶體管允許溝道長度等于或長于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換晶體管的溝道長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高頻功率放大器電路，其中，在所述差分放大器電路中與所述參考電壓進行比較的電壓，是使用一種電流鏡方法由連接于所述二極管連接的晶體管的一個第一晶體管以及串行地連接于所述第一晶體管的一個二極管連接的第二晶體管所生成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個檢測晶體管，其中，把所述放大晶體管和控制引腳兩者共連，使一個與流向所述放大晶體管的電流成比例的電流流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個把一個輸出功率控制信號向其輸入的外部引腳，其中，所述偏壓生成電路允許一個流向所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流根據(jù)所述輸出功率控制信號而變化，并且允許所述放大晶體管的偏壓狀態(tài)根據(jù)所述電流而變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻功率放大器電路，其中，把所述放大晶體管和一個包括所述偏壓生成電路的晶體管形成在同一半導(dǎo)體芯片上。
10.一種用于高頻功率放大器的電子部件，其中把根據(jù)權(quán)利要求11的一種高頻功率放大器電路安裝在一個絕緣基片上，其中，把所述偏壓生成電路和所述放大晶體管形成在一個分離的半導(dǎo)體芯片上，把其上形成所述偏壓生成電路的一個第一半導(dǎo)體和其上形成所述放大晶體管和所述電流模擬晶體管的一個第二半導(dǎo)體安裝在所述絕緣基片上。
11.一種高頻功率放大器電路，包括一個功率放大元件，用于放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，用于通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓施加于所述放大晶體管的控制引腳，從而使一個與流向所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，以及其中，所述功率放大元件包括一個擁有一個第一柵極和一個第二柵極的雙柵極的場效應(yīng)晶體管，并且包括可以獨立設(shè)置所述第一柵極和所述第二柵極的偏置電壓的偏壓控制電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述偏壓電路包括一個雙柵極的電流模擬晶體管，該電流模擬晶體管擁有與所述雙柵極的放大晶體管相同的溝道長度，并以與所述雙柵極的放大晶體管相同的工藝加以形成；一個二極管連接的晶體管，具有一個其中臨界電壓和溝道長度調(diào)制系數(shù)不因制造耗散而變化的溝道長度，并串行地與所述電流模擬晶體管相連，所述高頻功率放大器電路還包括一個第一偏壓生成電路，該偏壓生成電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的一個電壓與一個所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，所述電流—電壓轉(zhuǎn)換元件將來自一電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成一電壓，然后向把所述放大晶體管的將加以放大的一個信號對應(yīng)的的一個第一柵極和電流模擬晶體管對應(yīng)于其的第一柵極提供一個能夠禁止所述放大晶體管的無功電流因短溝道效應(yīng)而變化的偏壓，以及一個第二偏壓生成電路，該偏壓生成電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的參考電壓加以比較，并且向所述放大晶體管和電流模擬晶體管的第二柵極提供這一偏壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述第一偏壓電路包括一個第一差分放大器電路，該差分放大器電路把一個根據(jù)施加于所述二極管連接的晶體管的電流所形成的一個電壓與一個用于把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的第一電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的第一參考電壓加以比較，然后輸出遵循一個電位差的電壓，其中，所述第二偏壓電路包括一個第二差分放大器電路，該差分放大器電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的第二電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的第二參考電壓加以比較，然后輸出遵循這一電位差的電壓，以及其中，所述第一差分放大器電路工作以使根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與所述第一參考電壓相匹配，并且把所述第一差分放大器電路的輸出電壓施加于所述放大晶體管的第一柵極，以及所述第二差分放大器電路工作以使根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與所述第二參考電壓相匹配，并且把所述第二差分放大器電路的輸出電壓施加于所述放大晶體管的第二柵極，以使一個無功電流流向所述放大晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件是一個二極管連接的場效應(yīng)晶體管，所述晶體管允許將形成的溝道長度長于所述放大晶體管的溝道長度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種高頻功率放大器電路，其中，串行連接于所述電流模擬晶體管的二極管連接的晶體管允許溝道長度等于或長于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換晶體管的溝道長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種高頻功率放大器電路，其中，在所述第一差分放大器電路中與所述第一參考電壓進行比較的電壓，是使用一種電流鏡方法由連接于所述二極管連接的晶體管的一個第一晶體管以及串行地連接于所述第一晶體管的一個二極管連接的第二晶體管所生成的，以及在所述第二差分放大器電路中與所述第二參考電壓進行比較的電壓，是使用一種電流鏡方法由連接于所述二極管連接的晶體管的一個第三晶體管以及串行地連接于所述第三晶體管的一個二極管連接的第四晶體管所生成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個功率放大元件，具有級聯(lián)的多個放大器級，其中每一個放大器級分別放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓的電壓施加于所述功率放大元件的控制引腳，從而使一個與流向電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，以及其中，所述第一級放大器級的所述功率放大元件包括一個擁有一個第一柵極和一個第二柵極的雙柵極的場效應(yīng)晶體管。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述雙柵極的放大晶體管和電流模擬晶體管分別包括兩個串行的場效應(yīng)晶體管。
19.一種高頻功率放大器電路，包括一個功率放大元件，用于放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓的電壓施加于所述功率放大元件的控制引腳，從而使一個與流向電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，以及其中，所述放大元件包括一個擁有一個第一基極和一個第二基極的雙基極的雙極晶體管，并包括一個獨立設(shè)置所述第一基級和第二基級的一個偏置電壓的偏壓控制電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述偏壓電路包括一個雙基極的電流模擬晶體管，該電流模擬晶體管擁有與所述雙基極的放大晶體管相同的溝道寬度，并以與所述雙基極的放大晶體管相同的工藝形成；一個二極管連接的晶體管，具有一個其中有效基極寬度不因制造耗散和根據(jù)集電極-發(fā)射極電壓而變化的基極寬度，所述高頻功率放大器電路包括一個第一偏壓生成電路，該偏壓生成電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，然后向把所述放大晶體管的將加以放大的一個信號輸入于其的一個第一基極和電流模擬晶體管對應(yīng)于其的第一基極提供一個能夠禁止所述放大晶體管的無功電流因早期效應(yīng)而變化的偏壓，以及一個第二偏壓生成電路，該偏壓生成電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的參考電壓加以比較，并且向所述放大晶體管和電流模擬晶體管的第二基極提供這一偏壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述第一偏壓電路包括一個第一差分放大器電路，該差分放大器電路把一個根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個用于把來自一個恒控電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的第一電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個第一參考電壓加以比較，然后輸出遵循一個電位差的電壓，而且所述第二偏壓電路包括一個第二差分放大器電路，該差分放大器電路把根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與一個把來自電流控制電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的第二電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個第二參考電壓加以比較，然后輸出遵循這一電位差的電壓，以及其中，所述第一差分放大器電路工作以使根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與所述第一參考電壓相匹配，從而把所述第一差分放大器電路的輸出電壓施加于所述放大晶體管的第一基極，以及所述第二差分放大器電路的操作旨在使根據(jù)流向所述二極管連接的晶體管的電流所形成的電壓與所述第二參考電壓相匹配，從而把所述第二差分放大器電路的輸出電壓施加于所述放大晶體管的第二基極，以使一個無功電流流向所述放大晶體管。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件是一個二極管連接的雙極晶體管，所述晶體管允許將形成的基極寬度大于所述放大晶體管的基極寬度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的一種高頻功率放大器電路，其中，串行連接于所述電流模擬晶體管的二極管連接的晶體管允許基極寬度等于或大于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換晶體管的基極寬度。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種高頻功率放大器電路，其中，在所述第一差分放大器電路中與所述第一參考電壓進行比較的電壓，是使用一種電流鏡方法由連接于所述二極管連接的晶體管的一個第一晶體管以及串行地連接于所述第一晶體管的一個二極管連接的第二晶體管所生成的，以及在所述第二差分放大器電路中與所述第二參考電壓進行比較的電壓，是使用一種電流鏡方法由連接于所述二極管連接的晶體管的一個第三晶體管以及串行地連接于所述第三晶體管的一個二極管連接的第四晶體管所生成的。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個功率放大元件，具有級聯(lián)的多個放大器級，其中每一個放大器級分別放大一個高頻信號；以及一個電流-電壓轉(zhuǎn)換元件，通過施加一個預(yù)先確定的電流，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，把一個相應(yīng)于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的電壓的電壓施加于所述功率放大元件的控制引腳，從而使一個與流向電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流成比例的電流流動，以及其中，所述第一級放大器級的所述功率放大元件包括一個擁有一個第一基極和一個第二基極的雙基極的雙極晶體管。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的一種高頻功率放大器電路，其中，所述雙基極的放大晶體管和電流模擬晶體管分別包括兩個串行的雙極晶體管。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個檢測晶體管，其中，把所述放大晶體管和控制引腳兩者共連，一個與流向所述放大晶體管的電流成比例的電流流動。
28.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種高頻功率放大器電路，還包括一個把一個輸出功率控制電壓向其輸入的外部引腳，其中，所述偏壓生成電路根據(jù)所述輸出功率控制電壓改變一個施加于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換元件的電流，并且根據(jù)所述電流改變所述放大晶體管的偏壓狀態(tài)。
29.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種高頻功率放大器電路，其中，把所述放大晶體管和一個構(gòu)成所述偏壓生成電路的晶體管形成在同一半導(dǎo)體芯片上。
30.一種用于高頻功率放大器的電子部件，擁有一個其上安裝了根據(jù)權(quán)利要求11的一種高頻功率放大器電路的絕緣基片，其中，把所述偏壓生成電路和所述放大晶體管形成在一個分離的半導(dǎo)體芯片上，把其上形成所述偏壓生成電路的一個第一半導(dǎo)體芯片和其上形成所述放大晶體管和所述電流模擬晶體管的一個第二半導(dǎo)體芯片安裝在所述絕緣基片上。
31.一種用于高頻功率放大器的電子部件，擁有一個其上安裝了根據(jù)權(quán)利要求28的一種高頻功率放大器電路的絕緣基片，所述電子部件包括一個第一外部引腳，把所述輸出功率控制電壓向其輸入；一個第二外部引腳，把預(yù)先確定的固定電位向其輸入；以及一個開關(guān)裝置，選擇輸入于所述第一外部引腳或第二外部引腳，并且能夠被提供給偏壓生成電路的一個電壓，其中，對所述開關(guān)裝置進行設(shè)置，以致于能夠以一個其中把一個調(diào)頻高頻信號輸入于所述放大晶體管的第一模式選擇輸入于所述第一外部引腳的電壓；以及以一個其中把一個調(diào)相的和調(diào)幅的高頻信號輸入于所述放大晶體管的第二模式選擇輸入于第二外部引腳的電壓。
全文摘要
在使用一種電流鏡方法向放大FET提供偏壓的高頻功率放大器電路中，能夠自動校正因FET溝道雜質(zhì)濃度的耗散所導(dǎo)致的臨界電壓Vth的耗散、以及因短溝道效應(yīng)所導(dǎo)致的臨界電壓Vth和溝道長度調(diào)制系數(shù)λ的耗散所產(chǎn)生的一個偏壓點的偏移，并且能夠減小高頻功率放大特性的耗散。在使用一種電流鏡方法向放大放大FET提供偏壓的高頻功率放大器電路中，電流模擬晶體管擁有與放大晶體管相同的溝道長度或基極寬度，并且按與放大晶體管相同的工藝加以形成。一個偏壓生成電路，用于把一個根據(jù)施加于晶體管的電流所形成的一個電壓與一個由把來自恒流電路的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流－電壓轉(zhuǎn)換元件所生成的一個參考電壓加以比較，并向所述放大晶體管和電流模擬晶體管提供一個能夠禁止放大晶體管的無功電流因短溝道效應(yīng)或早期效應(yīng)而變化的偏壓。
文檔編號H03F1/30GK1610251SQ20041008526
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者弦卷宏和, 長井浩之, 古屋富男, 石川誠 申請人:株式會社瑞薩科技