一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路的製作方法
2023-07-31 19:25:41 2
專利名稱：一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體集成電路，特別涉及一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路。
背景技術：
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範圍內功率增益一定，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，其輸出功率主要由功率輸出管的信號輸出點處電源偏置電壓決定，同時還受到靜態偏置電流的影響。為了得到一個穩定的電源偏置電壓來保證輸出功率恆定，傳統設計方法採用線性穩壓器產生一個與輸入控制電壓vramp成比例的輸出電源偏置電壓Vcc,如圖1所不。在採用電池供電的行動裝置中，電池的輸出電壓隨著使用時間的增長會不斷下降。以常用的鋰離子電池為例，其輸出電壓的範圍通常是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，因此線性穩壓器的輸出電壓一般設定在3.5V左右。當電池電壓下降到接近3.5V或3.5V以下時，線性穩壓器的輸出Vcc將低於3.5V。功放管電源偏置電壓降低會導致飽和功率放大器的輸出功率降低，引起無線通訊系統的性能惡化。
發明內容
本發明解決的問題是飽和功率放大器中當電源偏置電壓降低時導致的輸出功率降低的問題。本發明採用一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，用以解決電源偏置電壓降低時出現的輸出功率降低問題，其電路檢測線性穩壓器的控制電壓與反饋端的電壓差，通過該電壓差控制用於補償的偏置電流大小。當電源偏置電壓高於設定值時，線性穩壓器的控制電壓和反饋端電壓差很小，補償電流接近於零；當電源偏置電壓接近或低於設定值時，線性穩壓器的控制電壓和反饋電壓之間的電壓差將變大，利用電壓電流轉換器將該電壓差按照一定的關係轉化為電流並加入到射頻功率放大器的偏置電流中，進而增加射頻功率放大器的偏置電流來補償由於電源偏置電壓降低對輸出功率的影響。本發明的射頻功率放大器偏置電流補償電路如圖2所示。該電路主要包括線性穩壓器Ul，功率放大器U2，檢測線性穩壓器Ul輸入電壓差並將其轉換為補償電流的電壓電流轉換器U3。線性穩壓器Ul的電源輸入是電池的輸出電壓VBAT，線性穩壓器Ul的輸出電壓Vcc通過一個隔直電感Lc連接到功率放大器。線性穩壓器Ul的內部包含一個高增益的誤差放大器A以及一個調整管M1，圖2中的調整管Ml以P型MOS為例，也可以是其他類型的電晶體如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部經過電流比例放大後作為內部放大管的偏置電流。輸入偏置電流Ibias等於固定的偏置電流IB與補償電流Ic的總和。圖2中的電壓電流轉換器U3的兩個輸入端連接線性穩壓器Ul的兩個輸入端，其中電壓電流 轉換器U3的正、負輸入端分別連接線性穩壓器Ul的控制電壓輸入vramp和反饋輸入vfb。 線性穩壓器Ul的反饋端電壓vfb由輸出電壓Vcc經過電阻Rl和R2分壓得到。
當電源電壓VBAT正常時，線性穩壓器Ul的反饋環路能夠正常建立，由於線性穩壓 器Ul和分壓電路Rl，R2構成的反饋環路在低頻處具有較高的環路增益。根據反饋控制理 論可知輸出電壓直流為Vcc = vramp*(l+R2/Rl),而反饋點的電壓vfb約等於vramp。在這 種情況下，補償電流Ic約等於零。
由於線性穩壓器Ul的調整管Ml需要一定的源漏電壓才能處於飽和區，因此線性 穩壓器Ul的輸出電壓Vcc總是低於輸入電源電壓VBAT。當電源電壓VBAT偏低時，輸出電 壓Vcc將難以達到期望的輸出電壓。如果VBAT小於vramp* (1+R2/R1)，反饋環路內部的高 增益誤差放大器A將輸出一個其能夠輸出的最低的電壓來驅動調整管Ml，迫使調整管Ml的 集電極電壓Vcc儘可能的升高。但是調整管的輸出電壓Vcc始終受到電源電壓VBAT的限制 而不能達到預期的輸出。此時誤差放大器A的輸出電壓偏離正常輸出電壓，其增益將會大 大降低，可以認為此時反饋環路處於斷開狀態，從而vramp失去了對輸出電壓Vcc的控制。 如果調整管的壓降等於Vds，那麼反饋點的電壓vfb = (VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假設 電壓電流轉換器為線性關係且跨導增益為G，那麼補償電流為Rl
Ic = G(vramp — (VBAT — Vds) *-—)Rl + R2
這種情況下，Ic與VBAT呈線性的關係。電壓電流轉換器的輸出電流與輸入電壓 之間的關係並不限於簡單的線性關係，也可以是其他複雜的關係，如多項式、指數等，具體 採用那種關係可以根據補償的精度要求以及所需的補償電流與電源電壓值之間的關係來確定。
圖3為所需的補償電流與電源電壓VBAT之間的一種典型關係。該曲線可以通過 仿真功率放大器在較低電源電壓下的輸出功率來得到。從圖中可以看出該曲線並不是簡單 的線性關係，因此前面得到的補償電流Ic與VBAT之間的線性關係並不能精確的補償。在 實際應用中，由於輸出功率的大小存在一定的偏差裕度，只要輸出功率達到正常範圍之內 即可，因此通過線性關係的近似也能夠得到較好的補償結果的。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換關係來進行補償。
功率放大器U2可以由一個或多個功率放大管組成，功率放大管可以是但不限於 用 GaAs HBT, SiGe HBT,BJT,GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDM0S、BulkCM0S、S0I CMOS 工藝實現。 如果功率放大器U2由多個功率放大管組成，不同功放管可以採用相同或不同的工藝。
本發明也可以進一步級聯擴展，每一個級聯單元可以共享或分別擁有偏置電流控 制電路。
圖1為傳統的功率控制方法。
圖2為本發明中的偏置電流補償電路。
圖3為電源電壓與需要補償電流的關係圖。
圖4為本發明採用HBT功放管的具體實施例示意圖。
具體實施例方式下面通過特定的具體實例說明本發明的實施方式。本領域的技術人員可以由本說明書所揭示的內容輕易的了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用。本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。圖4給出在射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路的一個具體實施例，該電路主要包括線性穩壓器Ul，HBT功率放大管U2，檢測線性穩壓器Ul輸入電壓差並將其轉換為補償電流的電壓電流轉換器U3。線性穩壓器Ul的電源輸入是電池的輸出電壓VBAT，線性穩壓器Ul的輸出電壓Vcc通過一個隔直電感Lc連接到功率放大器。線性穩壓器Ul的內部包含一個高增益的誤差放大器A以及一個PMOS調整管。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部經過電流比例 放大後作為內部放大管的偏置電流。輸入功放管基極的偏置電流Ibias等於固定的偏置電流IB與補償電流Ic的總和。電壓電流轉換器U3的兩個輸入端連接線性穩壓器Ul的兩個輸入端，其中電壓電流轉換器U3的正、負輸入端分別連接線性穩壓器Ul的參考輸入vramp和反饋輸入vfb。線性穩壓器Ul的反饋端電壓vfb由輸出電壓Vcc經過電阻Rl和R2分壓得到。當電源電壓VBAT正常時，線性穩壓器Ul的反饋環路能夠正常建立，由於線性穩壓器Ul和分壓電路Rl，R2構成的反饋環路在低頻處具有較高的環路增益。根據反饋控制理論可知輸出電壓直流為Vcc = vramp*(l+R2/Rl),而反饋點的電壓vfb約等於vramp。在這種情況下，補償電流Ic約等於零。由於線性穩壓器Ul的調整管Ml需要一定的源漏電壓才能處於飽和區，因此線性穩壓器Ul的輸出電壓Vcc總是低於輸入電源電壓VBAT。當電源電壓VBAT偏低時，輸出電壓Vcc將難以達到期望的輸出電壓。如果VBAT小於vramp* (1+R2/R1)，反饋環路內部的高增益誤差放大器A將輸出一個其能夠輸出的最低的電壓來驅動調整管Ml，迫使調整管Ml的集電極電壓Vcc儘可能的升高。但是功放管的集電極直流電壓Vcc始終受到電源電壓VBAT的限制而不能達到預期的輸出。此時誤差放大器A的輸出電壓偏離正常輸出電壓，其增益將會大大降低，可以認為此時反饋環路處於斷開狀態，從而vramp失去了對輸出電壓Vcc的控制。如果調整管的壓降等於Vds，那麼反饋點的電壓vfb = (VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假設電壓電流轉換器為線性關係且跨導增益為G，那麼補償電流為
RlIc = G(vramp — (VBAT — Vds) * ———)
Rl + R2這種情況下，Ic與VBAT呈線性的關係。電壓電流轉換器的輸出電流與輸入電壓之間的關係並不限於簡單的線性關係，也可以是其他複雜的關係，具體採用那種關係可以根據補償的精度要求以及所需的補償電流與電源電壓值之間的關係來確定。上述實施例僅示例性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。熟悉此領域的技術人員皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍然由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，用以解決電源偏置電壓 降低時出現的輸出功率降低問題，其電路檢測線性穩壓器的控制電壓與反饋端的電壓差， 通過該電壓差控制用於補償的偏置電流大小。
2.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其特 徵在於:射頻功率放大器的電源偏置電壓由線性穩壓器提供，線性穩壓器的輸出電壓與輸 入控制電壓呈線性關係。
3.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其特 徵在於:偏置電流補償電路包含一個電壓電流轉換器，該轉換器檢測線性穩壓器的輸入控 制電壓和反饋電壓差值並轉換成電流，對放大器的偏置電流進行補償。
4.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其特 徵在於:電壓電流轉換器的輸出電流與輸入電壓的關係，可以是線性關係也可以是其他關 系如多項式、指數等。
5.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其 特徵在於:功率放大器可以由一個或多個功率放大管組成，功率放大管可以是但不限於用 GaAs HBT, SiGe HBT, BJT, GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDMOS、Bulk CMOS、SOI CMOS 工藝實現。
6.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其特 徵在於:如果功率放大器由多個功率放大管組成，不同功放管可以採用相同或不同的工藝。
7.根據權利要求1所述的射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，其特 徵在於:電路可以進一步級聯擴展，每一個級聯單元可以共享或分別擁有偏置電流控制電 路。
全文摘要
本發明公開了一種射頻功率放大器中通過偏置電流進行功率補償的電路，用以解決電源偏置電壓降低時出現的輸出功率降低問題，其電路檢測線性穩壓器的控制電壓與反饋端的電壓差，通過該電壓差控制用於補償的偏置電流大小。當電源偏置電壓高於設定值時，線性穩壓器的控制電壓和反饋端電壓差很小，補償電流接近於零；當電源偏置電壓接近或低於設定值時，線性穩壓器的控制電壓和反饋電壓之間的電壓差將變大，利用電壓電流轉換器將該電壓差按照一定的關係轉化為電流並加入到射頻功率放大器的偏置電流中，進而增加射頻功率放大器的偏置電流來補償由於電源偏置電壓降低對輸出功率的影響。
文檔編號H03F3/20GK103138690SQ201210554689
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月17日 優先權日2012年12月17日
發明者李一男 申請人:廣州慧智微電子有限公司