專利名稱：一種射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐返闹谱鞣椒?br>
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路，特別涉及一種射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐贰?br>
背景技術(shù)：
射頻功率放大器可以分為線性功率放大器和飽和功率放大器,線性功率放大器在正常工作范圍內(nèi)功率增益一定，其輸出功率由輸入功率決定。飽和功率放大器一般工作在功率飽和狀態(tài)，其輸出功率主要由功率輸出管的信號(hào)輸出點(diǎn)處電源偏置電壓決定，同時(shí)還受到靜態(tài)偏置電流的影響。為了得到一個(gè)穩(wěn)定的電源偏置電壓來(lái)保證輸出功率恒定，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)與輸入控制電壓vramp成比例的輸出電源偏置電壓Vcc,如圖1所不。在采用電池供電的移動(dòng)設(shè)備中，電池的輸出電壓隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)不斷下降。以常用的鋰離子電池為例，其輸出電壓的范圍通常是4.8V 2.75V，一般取3.7V作為典型的工作電壓。線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸入電源電壓之間一般有0.2V左右的電壓差，因此線性穩(wěn)壓器的輸出電壓一般設(shè)定在3.5V左右。當(dāng)電池電壓下降到接近3.5V或3.5V以下時(shí)，線性穩(wěn)壓器的輸出Vcc將低于3.5V。功放管電源偏置電壓降低會(huì)導(dǎo)致飽和功率放大器的輸出功率降低，引起無(wú)線通訊系統(tǒng)的性能惡化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是飽和功率放大器中當(dāng)電源偏置電壓降低時(shí)導(dǎo)致的輸出功率降低的問(wèn)題。本發(fā)明采用一種射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐罚靡越鉀Q電源偏置電壓降低時(shí)出現(xiàn)的輸出功率降低問(wèn)題，其電路檢測(cè)線性穩(wěn)壓器的控制電壓與反饋端的電壓差，通過(guò)該電壓差控制用于補(bǔ)償?shù)钠秒娏鞔笮?。?dāng)電源偏置電壓高于設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓器的控制電壓和反饋端電壓差很小，補(bǔ)償電流接近于零；當(dāng)電源偏置電壓接近或低于設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓器的控制電壓和反饋電壓之間的電壓差將變大，利用電壓電流轉(zhuǎn)換器將該電壓差按照一定的關(guān)系轉(zhuǎn)化為電流并加入到射頻功率放大器的偏置電流中，進(jìn)而增加射頻功率放大器的偏置電流來(lái)補(bǔ)償由于電源偏置電壓降低對(duì)輸出功率的影響。本發(fā)明的射頻功率放大器偏置電流補(bǔ)償電路如圖2所示。該電路主要包括線性穩(wěn)壓器Ul，功率放大器U2，檢測(cè)線性穩(wěn)壓器Ul輸入電壓差并將其轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電流的電壓電流轉(zhuǎn)換器U3。線性穩(wěn)壓器Ul的電源輸入是電池的輸出電壓VBAT，線性穩(wěn)壓器Ul的輸出電壓Vcc通過(guò)一個(gè)隔直電感Lc連接到功率放大器。線性穩(wěn)壓器Ul的內(nèi)部包含一個(gè)高增益的誤差放大器A以及一個(gè)調(diào)整管M1，圖2中的調(diào)整管Ml以P型MOS為例，也可以是其他類型的晶體管如NMOS或BJT等。功率放大器包含射頻輸入端RFin和射頻輸出端RFout，Ibias是功率放大器的直流輸入偏置電流，它在功率放大器的內(nèi)部經(jīng)過(guò)電流比例放大后作為內(nèi)部放大管的偏置電流。輸入偏置電流Ibias等于固定的偏置電流IB與補(bǔ)償電流Ic的總和。圖2中的電壓電流轉(zhuǎn)換器U3的兩個(gè)輸入端連接線性穩(wěn)壓器Ul的兩個(gè)輸入端，其中電壓電流 轉(zhuǎn)換器U3的正、負(fù)輸入端分別連接線性穩(wěn)壓器Ul的控制電壓輸入vramp和反饋輸入vfb。 線性穩(wěn)壓器Ul的反饋端電壓vfb由輸出電壓Vcc經(jīng)過(guò)電阻Rl和R2分壓得到。
當(dāng)電源電壓VBAT正常時(shí)，線性穩(wěn)壓器Ul的反饋環(huán)路能夠正常建立，由于線性穩(wěn)壓 器Ul和分壓電路Rl，R2構(gòu)成的反饋環(huán)路在低頻處具有較高的環(huán)路增益。根據(jù)反饋控制理 論可知輸出電壓直流為Vcc = vramp*(l+R2/Rl),而反饋點(diǎn)的電壓vfb約等于vramp。在這 種情況下，補(bǔ)償電流Ic約等于零。
由于線性穩(wěn)壓器Ul的調(diào)整管Ml需要一定的源漏電壓才能處于飽和區(qū)，因此線性 穩(wěn)壓器Ul的輸出電壓Vcc總是低于輸入電源電壓VBAT。當(dāng)電源電壓VBAT偏低時(shí)，輸出電 壓Vcc將難以達(dá)到期望的輸出電壓。如果VBAT小于vramp* (1+R2/R1)，反饋環(huán)路內(nèi)部的高 增益誤差放大器A將輸出一個(gè)其能夠輸出的最低的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)整管Ml，迫使調(diào)整管Ml的 集電極電壓Vcc盡可能的升高。但是調(diào)整管的輸出電壓Vcc始終受到電源電壓VBAT的限制 而不能達(dá)到預(yù)期的輸出。此時(shí)誤差放大器A的輸出電壓偏離正常輸出電壓，其增益將會(huì)大 大降低，可以認(rèn)為此時(shí)反饋環(huán)路處于斷開(kāi)狀態(tài)，從而vramp失去了對(duì)輸出電壓Vcc的控制。 如果調(diào)整管的壓降等于Vds，那么反饋點(diǎn)的電壓vfb = (VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假設(shè) 電壓電流轉(zhuǎn)換器為線性關(guān)系且跨導(dǎo)增益為G，那么補(bǔ)償電流為Rl
Ic = G(vramp — (VBAT — Vds) *-—)Rl + R2
這種情況下，Ic與VBAT呈線性的關(guān)系。電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流與輸入電壓 之間的關(guān)系并不限于簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，也可以是其他復(fù)雜的關(guān)系，如多項(xiàng)式、指數(shù)等，具體 采用那種關(guān)系可以根據(jù)補(bǔ)償?shù)木纫笠约八璧难a(bǔ)償電流與電源電壓值之間的關(guān)系來(lái)確定。
圖3為所需的補(bǔ)償電流與電源電壓VBAT之間的一種典型關(guān)系。該曲線可以通過(guò) 仿真功率放大器在較低電源電壓下的輸出功率來(lái)得到。從圖中可以看出該曲線并不是簡(jiǎn)單 的線性關(guān)系，因此前面得到的補(bǔ)償電流Ic與VBAT之間的線性關(guān)系并不能精確的補(bǔ)償。在 實(shí)際應(yīng)用中，由于輸出功率的大小存在一定的偏差裕度，只要輸出功率達(dá)到正常范圍之內(nèi) 即可，因此通過(guò)線性關(guān)系的近似也能夠得到較好的補(bǔ)償結(jié)果的。如果功率控制精度要求更 好，可以選用更加精確的電壓電流轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
功率放大器U2可以由一個(gè)或多個(gè)功率放大管組成，功率放大管可以是但不限于 用 GaAs HBT, SiGe HBT,BJT,GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDM0S、BulkCM0S、S0I CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)。 如果功率放大器U2由多個(gè)功率放大管組成，不同功放管可以采用相同或不同的工藝。
本發(fā)明也可以進(jìn)一步級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，每一個(gè)級(jí)聯(lián)單元可以共享或分別擁有偏置電流控 制電路。
圖1為傳統(tǒng)的功率控制方法。
圖2為本發(fā)明中的偏置電流補(bǔ)償電路。
圖3為電源電壓與需要補(bǔ)償電流的關(guān)系圖。
圖4為本發(fā)明采用HBT功放管的具體實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以由本說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容輕易的了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用。本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。圖4給出在射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐返囊粋€(gè)具體實(shí)施例，該電路主要包括線性穩(wěn)壓器Ul，HBT功率放大管U2，檢測(cè)線性穩(wěn)壓器Ul輸入電壓差并將其轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電流的電壓電流轉(zhuǎn)換器U3。線性穩(wěn)壓器Ul的電源輸入是電池的輸出電壓VBAT，線性穩(wěn)壓器Ul的輸出電壓Vcc通過(guò)一個(gè)隔直電感Lc連接到功率放大器。線性穩(wěn)壓器Ul的內(nèi)部包含一個(gè)高增益的誤差放大器A以及一個(gè)PMOS調(diào)整管。功率放大器包含射頻輸入端RFin和射頻輸出端RFout，Ibias是HBT功放管基極的直流輸入偏置電流，它在功率放大器的內(nèi)部經(jīng)過(guò)電流比例 放大后作為內(nèi)部放大管的偏置電流。輸入功放管基極的偏置電流Ibias等于固定的偏置電流IB與補(bǔ)償電流Ic的總和。電壓電流轉(zhuǎn)換器U3的兩個(gè)輸入端連接線性穩(wěn)壓器Ul的兩個(gè)輸入端，其中電壓電流轉(zhuǎn)換器U3的正、負(fù)輸入端分別連接線性穩(wěn)壓器Ul的參考輸入vramp和反饋輸入vfb。線性穩(wěn)壓器Ul的反饋端電壓vfb由輸出電壓Vcc經(jīng)過(guò)電阻Rl和R2分壓得到。當(dāng)電源電壓VBAT正常時(shí)，線性穩(wěn)壓器Ul的反饋環(huán)路能夠正常建立，由于線性穩(wěn)壓器Ul和分壓電路Rl，R2構(gòu)成的反饋環(huán)路在低頻處具有較高的環(huán)路增益。根據(jù)反饋控制理論可知輸出電壓直流為Vcc = vramp*(l+R2/Rl),而反饋點(diǎn)的電壓vfb約等于vramp。在這種情況下，補(bǔ)償電流Ic約等于零。由于線性穩(wěn)壓器Ul的調(diào)整管Ml需要一定的源漏電壓才能處于飽和區(qū)，因此線性穩(wěn)壓器Ul的輸出電壓Vcc總是低于輸入電源電壓VBAT。當(dāng)電源電壓VBAT偏低時(shí)，輸出電壓Vcc將難以達(dá)到期望的輸出電壓。如果VBAT小于vramp* (1+R2/R1)，反饋環(huán)路內(nèi)部的高增益誤差放大器A將輸出一個(gè)其能夠輸出的最低的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)整管Ml，迫使調(diào)整管Ml的集電極電壓Vcc盡可能的升高。但是功放管的集電極直流電壓Vcc始終受到電源電壓VBAT的限制而不能達(dá)到預(yù)期的輸出。此時(shí)誤差放大器A的輸出電壓偏離正常輸出電壓，其增益將會(huì)大大降低，可以認(rèn)為此時(shí)反饋環(huán)路處于斷開(kāi)狀態(tài)，從而vramp失去了對(duì)輸出電壓Vcc的控制。如果調(diào)整管的壓降等于Vds，那么反饋點(diǎn)的電壓vfb = (VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假設(shè)電壓電流轉(zhuǎn)換器為線性關(guān)系且跨導(dǎo)增益為G，那么補(bǔ)償電流為
RlIc = G(vramp — (VBAT — Vds) * ———)
Rl + R2這種情況下，Ic與VBAT呈線性的關(guān)系。電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系并不限于簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，也可以是其他復(fù)雜的關(guān)系，具體采用那種關(guān)系可以根據(jù)補(bǔ)償?shù)木纫笠约八璧难a(bǔ)償電流與電源電壓值之間的關(guān)系來(lái)確定。上述實(shí)施例僅示例性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。熟悉此領(lǐng)域的技術(shù)人員皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍然由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，用以解決電源偏置電壓 降低時(shí)出現(xiàn)的輸出功率降低問(wèn)題，其電路檢測(cè)線性穩(wěn)壓器的控制電壓與反饋端的電壓差， 通過(guò)該電壓差控制用于補(bǔ)償?shù)钠秒娏鞔笮 ?br>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，其?征在于:射頻功率放大器的電源偏置電壓由線性穩(wěn)壓器提供，線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸 入控制電壓呈線性關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，其?征在于:偏置電流補(bǔ)償電路包含一個(gè)電壓電流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器檢測(cè)線性穩(wěn)壓器的輸入控 制電壓和反饋電壓差值并轉(zhuǎn)換成電流，對(duì)放大器的偏置電流進(jìn)行補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，其?征在于:電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流與輸入電壓的關(guān)系，可以是線性關(guān)系也可以是其他關(guān) 系如多項(xiàng)式、指數(shù)等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐罚?特征在于:功率放大器可以由一個(gè)或多個(gè)功率放大管組成，功率放大管可以是但不限于用 GaAs HBT, SiGe HBT, BJT, GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDMOS、Bulk CMOS、SOI CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，其?征在于:如果功率放大器由多個(gè)功率放大管組成，不同功放管可以采用相同或不同的工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，其?征在于:電路可以進(jìn)一步級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，每一個(gè)級(jí)聯(lián)單元可以共享或分別擁有偏置電流控制電 路。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種射頻功率放大器中通過(guò)偏置電流進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)碾娐?，用以解決電源偏置電壓降低時(shí)出現(xiàn)的輸出功率降低問(wèn)題，其電路檢測(cè)線性穩(wěn)壓器的控制電壓與反饋端的電壓差，通過(guò)該電壓差控制用于補(bǔ)償?shù)钠秒娏鞔笮?。?dāng)電源偏置電壓高于設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓器的控制電壓和反饋端電壓差很小，補(bǔ)償電流接近于零；當(dāng)電源偏置電壓接近或低于設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓器的控制電壓和反饋電壓之間的電壓差將變大，利用電壓電流轉(zhuǎn)換器將該電壓差按照一定的關(guān)系轉(zhuǎn)化為電流并加入到射頻功率放大器的偏置電流中，進(jìn)而增加射頻功率放大器的偏置電流來(lái)補(bǔ)償由于電源偏置電壓降低對(duì)輸出功率的影響。
文檔編號(hào)H03F3/20GK103138690SQ201210554689
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者李一男 申請(qǐng)人:廣州慧智微電子有限公司