专利名称：用于偏置晶体管的装置及方法
技术领域：
本发明涉及用于在偏置点偏置晶体管，以减小晶体管内所选择的非线性 度的装置及方法。
背景技术：
在混合器和放大器内使用晶体管是公知的。如果晶体管有理想的线性度， 从而，例如在晶体管为场效应晶体管情况下，流过晶体管的电流与晶体管的 栅极处的电压成线性比例，或者在晶体管为双极性晶体管情况下，流过晶体 管的电流与晶体管的基极处的电压成比例，则可以极大简化高性能放大器的 设计。然而，在现实中，晶体管在它们的传输特性中表现出非线性度(non-linearity),并且即使在对具有单一频率Fl的AC信号进行放大时，表 现出的非线性度仍然可能导致谐波分量的生成。在电信产业中，减小或消除谐波是非常重要的。放大器或混合器中的非 线性度可能引起标称传输频率带之外的传输，此传输具有超过许可机构所允 许的功率级别。类似地，由于非线性度而造成接收机内谐波信号的生成或信 号的混合(例如干扰信号的内部调制)可能劣化期望信号的接收。消费者期望便携式并且功能丰富的移动电话，这促使电话内电路的高度 集成，并且通常在用于电话和其他电信设备的集成电路内装配晶体管放大器。 集成电路制作技术具有以下的优点即集成电路内的晶体管，尤其是当这些 晶体管在集成电路内物理上相互靠近时，这些晶体管可以高精度地相互匹配。工艺变化和其他变化意味着不能知道晶体管的绝对性能特性，并且集成电路 内任一给定的晶体管的特性可能随着集成电路的不同而变化。 图1为简化的场效应放大器电路的示意图。场效应晶体管2具有通过电阻器7从偏置电压生成器6接收偏置电压的栅极端4。栅极端4还接收要被放 大的输入信号。提供了直流阻断电容器(DC blocking capacitor)8，使得提供输 入信号的电路不会扰动(perturb)晶体管2的偏置设置。晶体管具有通过负载 阻抗10耦接到正供给轨(positive supply rail)的漏极端，为了简单，将负载 阻抗10例示为电阻器。在本示例中，晶体管的源极端耦接于地。在许多教材中都概述了场效应晶体管的响应特性。图2a和2b示出3N163 P-沟道MOSFET的响应特性，如在由Jacob Millman所著的《微电子数字 与模拟电路以及系统》(ISBN0-07-Y66410-2)的第245页上所再现的。该教材重复了传输特性的理论分析，提出I"，[2(VGS-VT)VDS《S]其中^=多数载流子迁移率(majority carrier mobility)G。-每单位面积的栅极电容L-沟道长度W^沟道宽度，在饱和区中对此电流的简化与IJ^-W的平方成比例。然而，如图2b中所示出，对实际晶体管的测量值与理想值不同。事实上， 尽管从图2b看并不清楚，但是在集成电路内的现代MOSFET中，存在相对 显著的亚阈值(r。s < ^ )传导量。然后，在达到VGS之后出现类似平方律(square law)的行为，但是随着电压增加，因为场相关效应变得更显著，所以类似平 方律的行为开始失效。实际中，晶体管的特性是非线性的，这可以通过将漏源电流Ios的变化的导数视为栅源电压的变化的函数，来观察出此特性。应该注意，流过晶体管的电流IDS是栅源电压和漏源电压二者的函数。假设晶体管仅是"弱"的非线性，则一般来说使用泰勒级数来写出它的特性是
可以接受的，如在《对于RF应用的CMOS非线性度分析》，Kant等，IEEB微 波原理与技术学报，2003年3月内所阐述。因此，我们可以写出-idS(VGS+Vgs， VDS+Vds)=IDS(VGS， VDS)+Gm Vgs+Gd Vds+Gm2 V2gs+Gmd Vgs Vcis+Gd2 V2cls+Gm3 V3gS+Gm2d V2gsVds+Gmd2, VgS* V2ds+Gd3 V3ds+......等式1其中id,漏源电流的变化Vcjs-栅源电压 Vg产栅源电压的变化VDS-漏源电压Vdf漏源电压的变化lDS(Ves,VDs)是作为标称栅源电压Vcs和漏源电压VDS的函数的偏置电流Gm:跨导(transconductance)系数 Gf系数Gf系数G^d-系数如果从AC信号的角度看，漏极被有效地短路，即提供了级联晶体管， 则可以在很大程度上忽略输出电导(conductance)和交叉调制项(例如为Vds、 V^等的函数的项)。此外，因为高阶系数趋向于非常小，所以如果我们仅关 注低阶项，则该表达式可以被简化并且作出一些替换，得到-g(VGS+Vgs"+Gm+2*Gm2*Vgs+3.Gm3+V2gs 等式2其中，通过比较各项，我们看到-g(Vos+Vgs)表示递增的跨导，即^，在DC偏置点Ves附近的展开g(VcJS)《m，与,成比例 《g(VGS+AV"Gm+2.Gm2. AV+3.Gm3. AV2 g(VGS-厶V ) * Gm-2 Gra2 AV +3 Gm3 AV2 ，因此Gm=g(VGS)g(VGS+AV)-g(VGS-AV)g(VGS+AV)+g(VGS-AV)-2-g (VGS) Gm3= ^^。图3a到图3c为在栅源电压范围内的用于典型场效应晶体管的值Gml、 Gm2、 Gm3的示意图。因此，图3a示出,。图3b示出二阶导数,，并且图3c示出三阶导数 。可以看到，在三阶导数下降为零处存在偏置电压《sVQS。在本示例中，在Ves-0.6伏处出现三阶导数下降为零的情况。因此，对 于这些特性曲线相关的晶体管，如果晶体管具有0.6伏的栅源偏压(gate source bias),则此晶体管基本不表现出三阶非线性度，结果，不趋向于生成三次谐 波。类似地，例如，还使得RF前端内干扰信号的三阶互调制也被最小化。不幸的是，还可以看到，图3c中示出的线的梯度在零截点附近非常陡， 因此从此理想位置的任何偏离会很快地引入明显的三阶非线性度的量。此外， 如果电路特性在相同批次内随着电路到集成电路的改变而变化并且在不同批 次内随着晶片(wafer)的改变而有变化，则因为仅极少比例的电路可能在正 确的偏置条件附近被偏置而大部分电路会在被偏置的点处引起十分明显的三 阶非线性度，所以针对此电路的所有情况(instance)设置相同的偏置电压是 不充分的，也是所不期望的。因此期望对每个晶体管单独地进行特性化，并将每个晶体管偏置到适当占
在现实中，要对所制造的放大器的每种情况进行特性化是非常耗费时间 的，特别是因为偏置点会随温度和使用时间而改变。本领域其他工作人员已经试图通过积极地计算Gm3的值来解决这一问题。 公知的是，为了从数值上计算参数的一阶导数，必需比较至少两个不同点处 的值。类似地，为了计算二阶导数，必需比较至少三个点的值，并且如图4 中所示，公知的是，为了从数值上计算三阶导数，必需沿曲线检査四个点(或 更多点)处的值。在本发明的情况下，这意味着对四个大小接近或八个匹配的晶体管的栅极电压做轻微扰动并比较从中流过的电流。用于进行这种处理的电路在图5 中示出，并在美国专利第US 6,531,924号中进行描述。实质上，这种电路使用一串电阻器，来生成以偏置电压为中心的四个输 入电压，以用于晶体管放大器。然后，四个比较晶体管传送作为偏置电压的 函数的电流，并且通过运算放大器来对这些电流求和以给出代表三阶导数的 值。关键在于，即使要求四个晶体管中的两个晶体管传送的电流为另两个晶 体管的电流的三倍(由此可以用三个并行的晶体管形成)，这种电路要求四个 晶体管的性能精确匹配。因此，如果晶体管和电流与放大器中的相同，则可 以预期，这种电路消耗的电流为它所代表的实际放大器的电流的八倍。可能 縮放所使用的晶体管与这些晶体管传送的电流，以减小汲取的电流，但是这 会降低放大器和导数计算电路之间的匹配程度。任何误匹配将引起结果的错 误。可以认为，虽然这种电路在理论上看起来良好，但是这种电路要在匹配 程度与功耗之间折衷，这可能使得其在功率预算紧张的系统中的实施困难。发明内容根据本发明的第一方面，提供一种用于偏置晶体管的装置，该装置包括 可控偏置生成器；测试电路；数字M阶微分器，响应于测试电路的输出；以 及控制器，响应于数字M阶微分器，控制器用于对可控偏置生成器进行控带J; 其中，测试电路被配置为计算晶体管的性能的L阶导数,作为提供给晶体管的 偏置的函数。因此可能提供一种用于将晶体管的偏置条件设置到一点的装置，以优化 晶体管的特性(例如给定阶次的非线性度)，同时简化确定偏置点所需的^莫拟 测量电路的构造，并通过一旦完成偏置测量就使模拟部分关闭以保存功率来 减小电路的功率需求。在优选实施方式中，该装置被设置为搜索偏置点以基本将三阶导数减小 为零，或者减小到最小。在本实施方式中，测试电路被设置为针对偏置电路 提供的偏置值估计二阶导数。这要求在测试电路内略微不同的电压处仅偏置 三个晶体管，此外晶体管所携带的最大电流和最小电流之间的电流比率仅为2:1。这意味着因为误匹配机会的减少，所以模拟测试电路的性能远比现有技术，例如现有技术中示出的三阶电路，更可靠。此外，仅当控制器希望检査 该偏置电压时，需要对测试电路上电。这使得功耗明显地减小。该控制器适用于在测试阶段不定期地改变偏置电压，以使数字微分器能 够在不同偏置电压处从测试电路捕获几个估计，以计算作为二阶导数的梯度 的三阶导数。一旦通过测试电路得到几个估计，则测试电路可以被断电直到认为需要 进一步测试时为止。对于在制造后的单个设备校准阶段是否执行测试，或者对于是周期地还 是响应于环境因素(例如设备的老化或偏离校准设备时温度的温度变化)的 变化而执行测试，设计者具有自由的选择权。因此，本发明仅需要根据情况 不定期地对测试电路上电，因此本发明在一段时间内消耗的功率比现有技术 系统消耗的少得多。类似地，如果数字微分器作为分离或专用组件而被提供， 则数字微分器仅需要根据情况不定期地被上电。另选的是，鉴于现在许多便 携式电信设备包括大量的板上处理功率(如移动电话运行"屏保"和玩游戏 的能力所表明的)，则数字微分器可以作为由已在电信设备(或实施了本发明 的其他系统)内提供的数字数据处理单元所执行的任务而被实施。根据本发明的第二方面，提供一种用于对电子设备进行偏置以将该设备 的非线性度设置为目标值的装置，该装置包括测试电路，被设置为计算设 备性能的所选择参数的导数；数字微分器，响应于测试电路；以及控制器， 响应于数字微分器，控制器适用于发送命令以修改或设置针对该设备的偏置。根据本发明的第三方面，提供一种对电子设备进行偏置以将设备的非线 性度设置为目标值的方法，该方法包括以下步骤i)使用测试电路来在给定的 偏置值处计算该非线性度的度量;ii)在适用于计算该度量的导数的数字处理系 统内接收多个度量；iii)基于计算的导数，改变该偏置以改变该非线性度的大小。优选地，选择偏置中的变化以减小非线性度。该变化可以被完成一次， 以最小化非线性度。然而，设计者有意地希望引入谐波也是可能的，在这种 情况下同样可以运行本发明，以最大化而不是最小化由给定阶次的非线性度 造成的谐波。
图1为简单的晶体管放大电路的示意图。图2a为漏源电流、漏源电压以及栅源电压之间的关系的示意图。图2b为对应场效应晶体管的漏源电流对栅源电压的典型图。图3a到图3c示出漏源电流对栅源电压的一阶、二阶和三阶导数的示意图。图4为用于估计关于x的函数的三阶导数的数值方法示意图。图5为用于实施图4中示出的数值方法的现有技术的电路的示意图。图6为组成本发明的实施方式的电路的示意图。图7为图6中的测试电路的实施方式的示意图。图8为用于估计二阶导数的数值方法的示意图。
具体实施方式
图6为根据本发明，被设置为向晶体管放大器2提供偏置电压的一实施方式的示意图。假设将使用放大器2，则提供对放大器2的性能方面进行建丰莫 或复制的测试电路60。因此，如果期望通过将晶体管偏置到三次导数(即Gm3) 为零的点来使三次谐波失真最小化，则测试电路60可以被制造来反映(mirror) 晶体管放大器电路本身，或者可以包括适用于形成低于三阶的导数(例如一 阶或二阶导数)的导数计算电路。用于计算二阶导数的电路的示例在图7中 示出并将在后面更完整地进行讨论。测试电路的输出作为模拟输入而被提供给一般标记为62的数字控制系 统，数字控制系统62包括模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC) 64、 数字微分器66、控制器68、数字存储器70 (可以是非易失性的)以及数模转 换器(Digital to Analog Converter, DAC) 72。可以从许多公知技术中选择任意 适合的一种来制造模数转换器64和数模转换器72，这里不需要详细描述。数 字微分器66和控制器68可以被实施为专用硬件，或者可以作为在数字数据 处理器上运行的例程在软件中被执行，数字数据处理器在集成电路的外部被 提供，或者当放大器本身被形成在集成电路内的情况下，数字数据处理器作 为集成电路的一部分被提供。参照图7，考虑测试电路60的操作是有用的。 图7中示出的设置包括其中每一个的源极都耦接于地的三个场效应晶体管90、 92和94。使用中，晶体管92被设置为传送晶体管90和94的电流的两倍的 电流，这可以通过将晶体管92制造成另两个晶体管的两倍宽或者通过将晶体 管92形成为两个相同晶体管的组合来实现，使得在这种情况下，晶体管卯、 94以及形成组合晶体管92的两个晶体管的每一个都被制造成相同尺寸。偏置 电压被直接提供给晶体管92的栅极。晶体管90的栅极通过阻抗已知为R的 电阻器96耦接到晶体管92的栅极。类似地，晶体管94的栅极通过阻抗同样 已知为R的电阻器98耦接到晶体管92的栅极。使得参考电流流过电阻器96
和98，从而针对偏置电压来扰动晶体管90和96的栅极处的电压。具体地， 晶体管90的栅极处的电压可以表示为V90-Vbias+R參Iref，并且，晶体管94的栅极处的电压可以表示为 V94:Vbias-R"ref。通过电流源IOO和102可以方便地发出(source)和接收(sink)参考电流。PMOS晶体管112和114形成的电流镜(current mirror) 110被用来形成 有源负载。流过晶体管卯和94的电流一起被求和并流过晶体管112。晶体管 112的栅极端被耦接到晶体管114的栅极端，并且还被耦接到晶体管112的漏 极端。因此，晶体管114尝试传送与流过晶体管112的电流相同的电流。晶体管92的漏极通过介入的级联晶体管耦接到晶体管114的漏极，并且 还耦接到运算放大器120的倒相输入。放大器包含耦接在其输出和倒相输入 之间的反馈电阻器122。放大器的非倒相输入被设置为接收普通模式电压，例 如通过将非倒相输入耦接到Vb^来接收普通模式电压。为了允许来自放大器的输出电压按照设计者的意愿变化，将电流源或电 流接收器(currentsink)， I。ffset，耦接到倒相输入。图7中的设置是使得对于任意给定的偏置电压Vbias,得到三个单独的偏 置电压，然后在模拟域中对晶体管传送的电流求和，以执行二阶导数计算， 如图8中所例示的，从而生成以Yc为中心的电压Y^和Yp并根据以下等式 形成二阶导数的计算，其中Y。代表当前的偏置电压二阶导数KYr2Yo+Y.^ Ax。具体地说，电流镜的动作是，使得流经晶体管114的电流代表电压Yj 与Y!的和:晶体管92传送2Yo，所以流到或来自求和节点124 (求和节点124朝向 放大器120)的电流代表-Y广2Yo+Y."然后，此差电流包含加入到其的偏移量(此偏移量可以具有负符号)，并 且经由运算放大器的动作来将该电流转换成电压，上述运算放大器包含通过 反馈电阻器122的值而确定的转换因子。因为对应三阶导数的零点出现在二阶导数的最大值处(如图3b和图3c 中所示出)，所以运用该偏移量的能力是有用的。该偏移量使得净电流被设置 为允许放大器120的正确操作的值。类似地，施加普通模式电压的能力使得 在实施中的实际考虑因素，例如供给电压，能够被考虑。普通模式电压是从 电压源(未示出)得到的。运算放大器110的输出被提供给模数转换器64，上述输出在模数转换器 64中被转换，并且数字化的值被传送到数字微分器66。数字微分器66和控 制器68协同工作，以询问如测试电路60所代表的放大器2的操作。数字微 分器66不能基于单个测量来估计导数，因此控制器68向数模转换器72发出 指令，以输出与当前偏置电压紧密相关的新偏置电压。上述询问使得二阶导 数的斜率被确定，从而计算三阶导数。应该注意，如果测试电路60仅计算一 阶导数，则控制器68需要指示数模转换器来输出至少两个扰动，从而总的来 说，可以通过数字微分器检查至少三个点以计算三阶导数。从数字微分器得 到建立的三阶导数之后，控制器可以使用三阶导数的绝对值和三阶导数的梯 度来计算应该将三阶导数降低至零的偏置电压的变化。然后，偏置电压的变 化值被写入数字储存器，从而数模转换器72输出的值被修改。这可以仅完成 一次，或者如果设计者愿意，然后可以重复此处理以改进偏置电压的估计， 该偏置电压使三阶导数最小化并由此使此三阶效应引入的失真最小化。系统设计者可以按照他的需要来选择频繁地或不频繁地执行的偏置校 准。因此，可以在产品测试阶段执行这种测试，并且模数转换器64、数字微 分器66和控制器可以是位于在测试下的集成电路之外，或者可以是测试设备
的一部分。在这些组件在单个设备(例如移动电话)中，但是不一定在单个 集成电路中被提供的情况下，则可以更频繁地执行测试。因此，例如可以将 控制器设置在每次上电时执行校准。此外，控制器可以响应于温度传感器， 从而控制器知道在当前温度和上次执行校准时的温度之间何时发生了明显的 温度变化，从而如果必要，则启用重校准处理，以重置偏置电压。诸如移动电话的设备是处在极端压力下以获得良好的电池寿命，因此功 率预算特别重要。本发明的一大优点在于，当不使用时测试电路60可以被断 电(de-power)。这可以通过对有源负载112中的晶体管进行偏置使得晶体管 为非传导的，并通过关闭电流源与电流接收器100与102来获得。类似地， 和微分器66 —样，当不需要时模数转换器64可以被断电。因此，因为本发 明可以被短暂使用以设置偏置电压然后被切断，可能仅被间歇地上电以执行 偏置电压的重测试或仅在厂商的测试阶段被使用，所以本发明是具有高功率 效率的。这与前面描述的现有技术不同，在现有技术中测试电路总是打开并 且明显地比在开发中的晶体管放大器消耗更多的电流。数字微分器66还可以执行一阶、二阶或更高阶微分，并针对要被设置的 不同目标给出灵活性，不同目标是根据其中嵌入了放大器的设备的操作模式 而被设定的。在预期仅执行一次测试的情况下，则偏置生成器构造可以被简化，从而 偏置生成器的输出电压可以仅被设置一次。在这种情况下，可以通过外部偏 置生成器来提供测试期间使用并被提供给晶体管和测试电路的可调偏置。因此，可以提供用于偏置晶体管放大器的高效并可靠的方法和装置，以 控制晶体管放大器中的非线性度。
权利要求
1、一种用于偏置晶体管的装置，该装置包括可控偏置生成器；测试电路；数字M阶微分器，响应于该测试电路的输出；以及控制器，响应于该数字M阶微分器，并用以对该可控偏置生成器进行控制；其中，该测试电路被配置来计算该晶体管的性能的L阶导数，该L阶导数被当作提供给该晶体管的偏置的函数。
2、 根据权利要求l所述的装置，其中，该控制器适用于使得该偏置生成 器输出至少一个测试信号，以使该数字M阶微分器计算该晶体管的响应的更 高阶的导数。
3、 根据权利要求1所述的装置，其中，该可控偏置生成器包括数模转换器°
4、 根据权利要求1所述的装置，其中，该控制器可以设置一个值处的偏 置，以获得该晶体管的性能中的导数的期望值，然后对该测试电路和该M阶 微分计算器中的至少一个断电。
5、 根据权利要求1所述的装置，其中，该测试电路被设置来计算该晶体管的,。
6、 根据权利要求l所述的装置，其中，该控制器适用于在上电时或者响 应于超过阈值的温度变化，来周期性地检查该偏置电压。
7、 根据权利要求l所述的装置，其中，该M阶微分器计算一阶导数。
8、 根据权利要求1所述的装置，其中，该M阶微分器的输出代表了该 晶体管的性能的(L+M)阶导数。
9、 根据权利要求l所述的装置，该装置还包括非易失性存储器，并且其 中一旦该控制器识别了合适的偏置电压，则该非易失性存储器储存控制值，来使得该可控偏置生成器或另外的偏置生成器生成该晶体管的所期望的偏置。
10、 根据权利要求1所述的装置，其中，该晶体管为场效应晶体管，并且该测试电路适用于估算该晶体管的# 。
11、 一种集成电路，该集成电路包括要被偏置的晶体管、偏置生成器以及适用于估算该晶体管的性能的L阶导数的测试电路，其中，该偏置生成器 还包括存储器，使得一旦该偏置被识别，则该偏置可以被储存在该存储器中 并且该测试电路被断电。
12、 一种用于对电子设备进行偏置以将该设备的非线性度设置为目标值 的装置，该装置包括测试电路，被设置来计算该设备性能的所选择参数的导数； 数字微分器，响应于该测试电路；以及控制器，响应于该数字微分器，并且适用于发送命令以修改或设置对应 该设备的偏置。
13、 一种对电子设备进行偏置以将该设备的非线性度设置为目标值的方 法，该方法包括以下步骤i) 使用测试电路来在给定的偏置值处计算该非线性度的估计；ii) 在适用于计算该非线性度的导数的数字处理系统内接收多个估计；iii) 基于该非线性度的该导数，充电电子设备的偏置以改变该非线性度。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中，朝目标调整该非线性度。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中，该目标是针对该非线性度的最 小值。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中，该目标为零值。
17、 根据权利要求13所述的方法，其中，该测试电路适用于计算对应场效应晶体管的^。
18、根据权利要求10所述的方法，其中，被设置为目标值的该非线性度
19、 根据权利要求13所述的方法，其中，通过该电子设备内的偏置生成 器提供该偏置，并且在估算偏置以将该非线性度设置为期望的电平之后，用 于控制该偏置生成器的控制值被储存在该设备中。
20、 根据权利要求13所述的方法，其中，在作为制造过程的一部分的设 备测试阶段内计算该偏置。
全文摘要
一种用于偏置晶体管的装置，该装置包括可控偏置生成器、测试电路、数字M阶微分器(66)，数字M阶微分器响应于测试电路的输出；以及控制器(68)响应于数字M阶微分器(66)，控制器(68)用于对可控偏置生成器进行控制，其中，测试电路被配置为计算晶体管的性能的L阶导数。
文档编号H03F1/22GK101401299SQ200780008476
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月9日
发明者强纳森·理查·史崔基 申请人:联发科技股份有限公司