專利名稱：功率晶體管的補(bǔ)償電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率晶體管的補(bǔ)償電路，特別是涉及一種用于偏置功率晶體管來(lái)抵消運(yùn)行特性中不利變化的補(bǔ)償電路。
背景技術(shù)：
多年來(lái)，功率晶體管用于許多市場(chǎng)中的應(yīng)用，如音頻、視頻、消耗器件、多媒體和無(wú)線通訊等提供相當(dāng)高的電流水平。對(duì)于無(wú)線通訊，功率晶體管通常被用于無(wú)線電基站放大器的放大級(jí)和其它的射頻(RF)的應(yīng)用中。當(dāng)用于高頻功率放大時(shí)，這種晶體管在特定的供電電壓和運(yùn)行頻率下，需要滿足輸出功率、增益、魯棒性、效率、穩(wěn)定性、帶寬等許多細(xì)節(jié)要求。
至少一種用于功率應(yīng)用的功率晶體管是場(chǎng)效應(yīng)管，特別是MOS晶體管(金屬氧化物晶體管)。與大多數(shù)晶體管的性能相類似，MOS功率晶體管的運(yùn)行特性受到許多條件和/或環(huán)境的影響。溫度和工藝變化可能會(huì)導(dǎo)致功率晶體管運(yùn)行特性的變化。此外，MOS晶體管，如徑向擴(kuò)散MOS(LDMOS)晶體管，可能會(huì)出現(xiàn)柵極氧化物充電超時(shí)。尤其是，MOS晶體管的溝道區(qū)的電子可能被源-漏極電場(chǎng)加速，克服溝道區(qū)-柵極氧化物界面的勢(shì)壘，被俘獲在MOS晶體管的柵極氧化物區(qū)。被俘獲在柵極氧化物區(qū)的電子改變了MOS晶體管的器件特性，包括由此引起的閾值電壓漂移。對(duì)于加強(qiáng)模式的MOS晶體管，閾值電壓隨著柵極氧化物區(qū)的電荷數(shù)的增加而增加。MOS晶體管閾值電壓的漂移可能引起靜態(tài)電流水平的急劇變化。靜態(tài)電流水平的變化影響到MOS晶體管的整體線性性能和小信號(hào)增益。可見(jiàn)，需要考慮由多種現(xiàn)象所引起的MOS晶體管性能的變化。
發(fā)明簡(jiǎn)介本發(fā)明克服了先前的電路和系統(tǒng)的缺點(diǎn)，滿足了對(duì)于功率晶體管的偏置電路的需要，在偏置功率晶體管時(shí)，該電路補(bǔ)償功率晶體管的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)行特性的變化。該偏置電路向功率晶體管的柵極端子加偏壓，以使晶體管按要求運(yùn)行。該偏置電路包括一個(gè)校正晶體管，它具有一個(gè)與功率晶體管相似的器件結(jié)構(gòu)。該校正晶體管可以與功率晶體管一樣在相同的半導(dǎo)體襯底上制造，或者在一個(gè)遵循與構(gòu)造功率晶體管的半導(dǎo)體襯底相同的半導(dǎo)體制作技術(shù)的半導(dǎo)體襯底上制造。按照與偏置功率晶體管相類似的方式，來(lái)偏置該校正晶體管。結(jié)果，該校正晶體管的運(yùn)行特性大致反映了功率晶體管的運(yùn)行特性。通過(guò)將該偏移電路的輸出偏置電壓作為校正晶體管的運(yùn)行特性的函數(shù)，施加于功率晶體管的輸出偏置電壓提供了一個(gè)校正量，來(lái)補(bǔ)償功率晶體管的運(yùn)行特性中的不利變化。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案包括一個(gè)運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端子與校正晶體管的輸出端子相連。運(yùn)算放大器的輸出端與功率晶體管的控制端子相連。這樣，校正晶體管的運(yùn)行特性的變化(發(fā)映了功率晶體管的運(yùn)行特性)改變運(yùn)算放大器的輸入，使得產(chǎn)生的施加于功率晶體管的控制端子的輸出信號(hào)補(bǔ)償功率晶體管的運(yùn)行特性的變化。換句話說(shuō)，即改變出現(xiàn)在功率晶體管控制端子上的電壓，來(lái)補(bǔ)償功率晶體管運(yùn)行特性的不利變化。
附圖簡(jiǎn)述結(jié)合附圖，通過(guò)下面的詳細(xì)描述，可以對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法有一個(gè)較全面的了解，附圖中

圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖2是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加全面的說(shuō)明，附圖中示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案。然而，本發(fā)明可以包含許多不同的形式，不應(yīng)理解為局限于這里所提出的實(shí)施方案。相反，提供該實(shí)施方案，是為了使發(fā)明的公開(kāi)全面和完整，向本領(lǐng)域的熟練人員充分表述本發(fā)明的范圍。
參考圖1，公開(kāi)了一個(gè)依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的偏置電路1。偏置電路1適用于為功率晶體管2的控制端子提供一個(gè)偏置電壓。下面說(shuō)明功率晶體管2，在附圖中是采用一個(gè)用于放大RF輸入信號(hào)的射頻(RF)MOS功率晶體管來(lái)舉例說(shuō)明的。應(yīng)當(dāng)清楚，在其它的應(yīng)用中，功率晶體管2也可以與偏置電路1一同使用。還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步明確，功率晶體管2可以是其它形式的功率晶體管。在射頻的應(yīng)用中，一個(gè)RF信號(hào)被接收并通過(guò)電容C1傳送，電容阻斷直流信號(hào)。由一個(gè)或多個(gè)微波傳輸帶線和一個(gè)或多個(gè)電容組成的連接電容器C1和功率晶體2的匹配電路T1將功率晶體管2的柵極端子處的系統(tǒng)阻抗與其輸入阻抗相匹配。類似地，與功率晶體管2的漏極端子相連的匹配電路T3將功率晶體管2的漏極端子處的系統(tǒng)阻抗與輸出阻抗相匹配。與匹配電路T3串連的的電容C2阻斷由功率晶體管2的輸出信號(hào)產(chǎn)生的直流信號(hào)分量。
功率晶體管2的漏極通過(guò)傳輸線T4連接到參考電壓Vdd，該傳輸線可以是一條具有相當(dāng)高阻抗的四分之一波長(zhǎng)線，在運(yùn)行頻率下，通過(guò)電容器C5短接，在較低頻率下，通過(guò)電容器C3和C11短接。從而，在所關(guān)注的頻率下，在提供參考電壓Vdd時(shí)，傳輸線T4對(duì)功率晶體管2沒(méi)什么影響。
在參考電壓Vdd和傳輸線T4之間，連接一個(gè)由鐵氧體珠FB1和FB2，以及電容器C6、C9和C10組成的低通濾波器，將功率晶體管2和參考電壓Vdd隔離。
如上所示，偏置電路1產(chǎn)生一個(gè)施加于功率晶體管2的柵極端子的直流偏置電壓電平，以便補(bǔ)償器件運(yùn)行特性的不利變化。特別是，偏置電路1采用了一個(gè)適合具有與功率晶體管2的運(yùn)行/器件特性十分相似的運(yùn)行特性和/或器件特性的校正晶體管3。校正晶體管3最好具有與功率晶體管2相同的器件結(jié)構(gòu)。功率晶體管2和校正晶體管3可以是LDMOS晶體管。而且，為了緊密地匹配功率晶體管2的器件特性，校正晶體管3可以與功率晶體管制作在相同的半導(dǎo)體襯底上。另外一種情況下，可以采用與功率晶體管2相同的制作工藝，將校正晶體管3制作在不同的半導(dǎo)體襯底上。類似于偏置功率晶體管2，采用偏置電路1來(lái)偏置校正晶體管3，并利用校正晶體管3產(chǎn)生直流偏置電壓來(lái)偏置功率晶體管2，直流偏置電壓取決于校正晶體管3和功率晶體管2的運(yùn)行特性的變化。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，校正晶體管3的一維或多維尺寸與功率晶體管2的相應(yīng)尺寸成比例。例如，校正晶體管3的尺寸是與功率晶體管2的相應(yīng)尺寸被比例為一個(gè)很小的分?jǐn)?shù)。這樣，校正晶體管3無(wú)需占用很大的硅間隔或消耗很大的功率就能夠基本反映功率晶體管的運(yùn)行情況。
偏置電路1包括偏置校正晶體管3的柵極端子的電阻R9和R10。選擇R9和R10的電阻值為校正晶體管3產(chǎn)生一個(gè)漏極電流，以使得校正晶體管3的漏極電流與功率晶體管2的漏極電流的比例與校正晶體管3的尺寸與功率晶體管2的尺寸的比例大體相同。偏置電路1的電阻R11和R12的并聯(lián)組合更適宜用作校正晶體管3的上拉器件。可以看出，校正晶體管3的漏極輸出電壓根據(jù)運(yùn)行特性的變化而變化。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，偏置電路1包括一個(gè)運(yùn)算放大器4。運(yùn)算放大器4被配置為一個(gè)具有一個(gè)非反向閉環(huán)增益的放大器電路。電阻R5、R7和R8被連接到運(yùn)算放大器4并由此設(shè)置閉環(huán)增益。電阻R5具有一個(gè)與運(yùn)算放大器4的非反向輸入相連的第一端子。電阻R6具有一個(gè)與電阻R5的第二端子相連的第一端子，和一個(gè)與地電位相連的第二端子。電阻R7具有一個(gè)與運(yùn)算放大器4的反向輸入相連的第一端子和與其輸出相連的第二端子。電容器C16(與電阻R7相連)和C18(與電阻R7并聯(lián))充分消除了輸入偏置電路1的噪聲。連接運(yùn)算放大器4參考電壓Vdd和地之間的電容器C17被用作一個(gè)旁路電路用來(lái)將所施加的電壓信號(hào)提供給運(yùn)算放大器4。將電阻R1和R6用作分壓器來(lái)設(shè)置運(yùn)算放大器4的非反向輸入的電壓電平。
偏置電路1還包括電阻R13，電阻R13連接于校正晶體管地漏極和電阻R5的第二端子之間。在校正晶體管3和運(yùn)算放大器4的非反向輸入之間設(shè)置電阻R13，引起在運(yùn)算放大器4的輸入端可見(jiàn)的校正晶體管的漏極電壓。
串連電阻R3和R4被連接到運(yùn)算放大器4的一個(gè)輸出端。電阻R2、R3和R4組成一個(gè)分壓器，將運(yùn)算放大器4的輸出電壓減小到所需的值。電阻器R3和傳輸電路T1的輸入之間的連接電感L1和傳輸電路T2為功率晶體管2提供了一個(gè)低阻抗的直流路徑，和一個(gè)在運(yùn)行頻率下阻抗基本上很高的路徑，以便阻斷RF輸入信號(hào)。電容器C4被連接到電阻R3，將可能出現(xiàn)在電阻R3上的殘留信號(hào)短路。
依照上面描述的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的偏置電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于運(yùn)算放大器4具有一個(gè)相當(dāng)高的輸入阻抗，所以具有一個(gè)很寬的電阻R6、R11、R12和R13的阻值選擇范圍。
可以看出，如果功率晶體管2和校正晶體管3是熱連接的，那么偏置電路1能夠?yàn)楣β示w管2的柵極端子提供一個(gè)偏置信號(hào)，抵消或補(bǔ)償由功率晶體管2的運(yùn)行溫度引起的功率晶體管2的運(yùn)行特性的變化。
偏置電路1可以進(jìn)一步包括一個(gè)調(diào)節(jié)器電路5，接收Vdd電壓并提供一個(gè)用于功率運(yùn)算放大器4的調(diào)節(jié)的參考電壓電平。
類似地，在使用中，功率晶體管2的運(yùn)行特性的變化也會(huì)出現(xiàn)在校正晶體管3的運(yùn)行特性中。結(jié)果是，變化包括由于功率晶體管2和校正晶體管3的柵極氧化物區(qū)的俘獲電荷分別導(dǎo)致的功率晶體管2和校正晶體管3的閾值電壓向上漂移，功率晶體管2和校正晶體管3的漏極電流都將成比例減小。校正晶體管3的漏極電流的減小導(dǎo)致漏極電壓增加，由此增加了運(yùn)算放大器的非反向輸入端出現(xiàn)的電壓。從而，運(yùn)算放大器4的輸出增加，使功率晶體管2的柵極端子處的直流電壓增加。增加的柵極電壓導(dǎo)致功率晶體管2的漏極電流的增加。因?yàn)闁艠O電壓的增加是基于功率晶體管2和校正晶體管3的運(yùn)行特性的改變，所以功率晶體管1的運(yùn)行特性的變化(漏極電流減小)通過(guò)一個(gè)基本相等的量(漏極電流增量)來(lái)抵消和補(bǔ)償，以維持功率晶體管2的運(yùn)行特性在一個(gè)所希望的水平。
圖2說(shuō)明的是本發(fā)明的另一實(shí)施方案。在偏置電路10中，為偏置電路1中的運(yùn)算放大器4提供一個(gè)初級(jí)偏置電壓的電阻R1通過(guò)電阻R3、電感L1和傳輸電路T2為功率晶體管2提供一個(gè)初級(jí)偏置電壓。分別連接到校正晶體管3的柵極和漏極的電容C14和C15消除了校正晶體管3中的雜散RF放大。并聯(lián)連接的上拉電阻R11和R12將校正晶體管3的漏極端子與Vdd參考電壓相連。通過(guò)電阻R4將校正晶體管3的漏極電壓提供給功率晶體管2的初級(jí)偏置電路。相對(duì)于功率晶體管2來(lái)確定校正晶體管3的大小和尺寸，使其呈比例的形式。由于采用了偏置電路1的校正晶體管3，偏置電路10中的校正晶體管的柵極端子通過(guò)電阻R9和R10偏置，以使得校正晶體管3的漏極電流與功率晶體管2的漏極電流的比例與晶體管3的尺寸與功率晶體管2的尺寸的比例大體相同。這樣，校正晶體管3的輸出(漏極)電壓提供一個(gè)補(bǔ)償或校正電壓，來(lái)解決校正晶體管3和功率晶體管2的運(yùn)行性能的不利變化。通過(guò)電阻R1將這一補(bǔ)償或校正電壓增加到初級(jí)偏置電壓中，所得到的偏置電壓被施加到功率晶體管2的柵極端子上。因而，所得到的功率晶體管2的柵極端子上的電壓校正了功率晶體管2的運(yùn)行性能中的不利變化，使得功率晶體管2能夠按需要運(yùn)行。
這樣就對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，很顯然可以在許多方面對(duì)其加以更改。這樣的更改不會(huì)被看作是背離本發(fā)明的宗旨和范圍，隨后的權(quán)利要求中包含了所有這些改動(dòng)對(duì)于本領(lǐng)域的熟練人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種用于功率晶體管的偏置電路，包括一個(gè)校正晶體管，具有一個(gè)與功率晶體管基本相同的器件結(jié)構(gòu)；和一個(gè)電路，用于偏置校正晶體管的控制端子，以使得校正晶體管的運(yùn)行特性與功率晶體管的運(yùn)行特性基本上類似，校正晶體管的一個(gè)輸出連接到功率晶體管的柵極端子，以使得功率晶體管柵極端子上的信號(hào)補(bǔ)償功率晶體管的運(yùn)行特性的變化。
2.依照權(quán)利要求1的偏置電路，其中功率晶體管和校正晶體管為MOS晶體管。
3.依照權(quán)利要求1的偏置電路，其中功率晶體管和校正晶體管為L(zhǎng)MMOS晶體管。
4.依照權(quán)利要求1的偏置電路，該偏置電路進(jìn)一步包括一個(gè)放大器電路，具有一個(gè)連接到校正晶體管的輸出端子的輸入，和一個(gè)連接到功率晶體管的控制端子的輸出。
5.依照權(quán)利要求4的偏置電路，該偏置電路進(jìn)一步包括一個(gè)分壓器，連接在放大器電路的輸出和功率晶體管的控制端子之間。
6.依照權(quán)利要求5的偏置電路，該偏置電路進(jìn)一步包括一個(gè)低通濾波器電路，連接在分壓器和功率晶體管的控制端子之間。
7.依照權(quán)利要求1的偏置電路，該偏置電路進(jìn)一步包括至少一個(gè)上拉器件，連接在校正晶體管的漏極端子和一個(gè)電壓參考之間。
8.依照權(quán)利要求1的偏置電路，其中校正晶體管的一維和多維尺寸與功率晶體管的相應(yīng)尺寸成比例。
9.依照權(quán)利要求8的偏置電路，其中校正晶體管的電流水平與功率晶體管電流水平的比例與校正晶體管的尺寸與功率晶體管的相應(yīng)尺寸的比例基本相同。
10.依照權(quán)利要求1的偏置電路，其中功率晶體管在其控制端子處接收一個(gè)RF輸入信號(hào)，并由此產(chǎn)生一個(gè)RF輸出信號(hào)。
11.依照權(quán)利要求10的偏置電路，其中功率晶體管的一個(gè)漏極端子與一個(gè)參考電壓相連。
12.依照權(quán)利要求1的偏置電路，進(jìn)一步包括一個(gè)分壓器，連接在放大器電路的輸出和功率晶體管的控制端子之間。
13.依照權(quán)利要求1的偏置電路，該偏置電路進(jìn)一步包括一個(gè)運(yùn)算放大器電路，具有一個(gè)連接到校正晶體管的輸出端子的輸入，和一個(gè)連接到功率晶體管的控制端子的輸出。
14.一種用于偏置一個(gè)功率晶體管的方法，該方法包括的步驟有基本反映功率晶體管的運(yùn)行特性；根據(jù)所反映的運(yùn)行特性產(chǎn)生一個(gè)偏置信號(hào)；和將該偏置信號(hào)耦合到功率晶體管的控制端子上，來(lái)補(bǔ)償功率晶體管的運(yùn)行特性的變化。
15.依照權(quán)利要求14的方法，其中反映特性步驟所包括的步驟為產(chǎn)生一個(gè)大致反映功率晶體管的電流水平的電信號(hào)。
16.依照權(quán)利要求15的方法，其中產(chǎn)生偏置信號(hào)的步驟包括放大該電信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)放大的電信號(hào)的步驟；和耦合的步驟包括將所放大的電信號(hào)耦合到功率晶體管的控制端子的步驟。
17.依照權(quán)利要求15的方法，其中產(chǎn)生電信號(hào)的步驟進(jìn)一步包括按比例確定該電信號(hào)的步驟。
18.依照權(quán)利要求14的方法，其中反映特性的步驟包括基本反映功率晶體管的閾值電壓漂移步驟；和產(chǎn)生偏置信號(hào)的步驟產(chǎn)生偏置信號(hào)來(lái)補(bǔ)償功率晶體管閾值電壓的漂移。
19.一個(gè)放大器電路，該電路包括一個(gè)第一晶體管，具有一個(gè)連接用來(lái)接收射頻輸入信號(hào)的控制端子，和根據(jù)射頻輸入信號(hào)來(lái)提供一個(gè)射頻輸出信號(hào)的輸出端子；一個(gè)上拉器件，連接到第一晶體管的輸出端子；和一個(gè)偏置電路，連接到第一晶體管的控制端子，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)偏置信號(hào)，偏置第一晶體管以放大射頻輸入信號(hào)，該偏置電路包括一個(gè)校正晶體管，具有能夠基本反映第一晶體管的運(yùn)行特性的運(yùn)行特性，該偏置信號(hào)取決于校正晶體管的運(yùn)行特性，來(lái)補(bǔ)償?shù)谝痪w管的運(yùn)行特性的變化。
20.依照權(quán)利要求19的放大器電路，其中校正晶體管的器件結(jié)構(gòu)與第一晶體管的器件結(jié)構(gòu)基本相同。
21.依照權(quán)利要求20的放大器電路，其中校正晶體管的至少一個(gè)尺寸與第一晶體管的相應(yīng)尺寸成比例。
22.依照權(quán)利要求19的放大器電路，其中偏置電路包括一個(gè)運(yùn)算放大器，具有一個(gè)與校正晶體管的輸出端子相連的輸入，和一個(gè)與第一晶體管的一個(gè)控制端子相連的輸出。
23.依照權(quán)利要求22的放大器電路，其中該運(yùn)算放大器具有一個(gè)非反向閉環(huán)增益。
24.依照權(quán)利要求19的放大器電路，其中校正晶體管和第一晶體管為MOS晶體管。
25.依照權(quán)利要求24的放大器電路，其中校正晶體管和第一晶體管為L(zhǎng)MMOS晶體管。
26.依照權(quán)利要求24的放大器電路，其中由偏置電路產(chǎn)生的偏置信號(hào)中，反映了由于柵極氧化物充電引起的校正晶體管的運(yùn)行特性的變化，以便補(bǔ)償由于柵極氧化物充電引起的第一晶體管的運(yùn)行特性的變化。
27.依照權(quán)利要求19的放大器電路，其中第一晶體管和校正晶體管具有基本相同的溫度特性；和由偏置電路產(chǎn)生的偏置信號(hào)中，反映了溫度導(dǎo)致的校正晶體管的運(yùn)行特性的變化，以便補(bǔ)償溫度導(dǎo)致的第一晶體管的運(yùn)行特性的變化。
全文摘要
公開(kāi)了一種電路和方法，用于偏置一個(gè)功率晶體管，由此來(lái)補(bǔ)償運(yùn)行特性中的不利變化。該電路包括一個(gè)校正晶體管，該校正晶體管具有與功率晶體管大體相同的器件特性。此外，該校正晶體管的至少一維尺寸與功率晶體管的相應(yīng)尺寸成比例。偏置校正晶體管，使校正晶體管的漏極電流與功率晶體管的漏極電流的比例與尺寸的比例相同。這樣，校正晶體管的輸出信號(hào)是根據(jù)功率晶體管的運(yùn)行特性的不利變化來(lái)決定的。校正晶體管的輸出信號(hào)被放大，并連接到功率晶體管的控制端子上，使得施加到控制端子的變化信號(hào)補(bǔ)償功率晶體管的運(yùn)行特性中的不利變化。
文檔編號(hào)H03F1/30GK1409893SQ00816907
公開(kāi)日2003年4月9日 申請(qǐng)日期2000年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者C·布萊爾, H·舒登 申請(qǐng)人:艾利森公司