射頻功率放大器數字偏置系統的製作方法

2023-10-05 10:26:54

專利名稱：射頻功率放大器數字偏置系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及移動通信系統中射頻功率放大器設計領域，主要是一種射頻功率放大器數字偏置系統，特別適用於偏置可調的多級LDMOS射頻功率放大器。
背景技術：
隨著3G牌照的發放，宣布中國移動通信的發展進入的3G時代。在過去的1G、2G通 信網絡中，通信運營商關注的重點在於建設一個無縫覆蓋的高質量行動網路，從而可以發 展更多的用戶和獲得更多的收入。現在，綠色環保節能降耗成為全球的熱點。在這種趨勢 下使通信網絡更節能更符合綠色要求，而射頻功率放大器的效率是通信網絡節能降耗的關 鍵。當今的蜂窩系統對線性度要求越來越高，需要將LDMOS管偏置在AB類，從而獲得功率 和效率之間的有效平衡。隨著數字預失真線性化技術(DPD)的發展，提高功放效率的方法 也越來越多，如Doherty功放、包絡消除再生技術(EER)、自適應偏置技術、包絡跟蹤等。這 些技術都和LDMOS管的柵壓偏置有關係。所以柵壓偏置對射頻功率放大器的效率起著非常 重要的作用。過去，使用高精度多匝微調電位器產生並設置LDMOS的柵極電壓，並利用模擬二 極管或三級管的來補償LDMOS管的溫度特性，使LDMOS在一定溫度範圍內保持相對恆定的 靜態工作電流。在這種技術，固定的靜態工作電流只保證了射頻功率放大器在額定最大輸 出功率時效率最高。而射頻功率放大器在實際通信網絡中的大部分工作時間都處於低輸出 功率狀態，導致射頻功率放大器效率很低，浪費大量能源。目前基站採用多平臺環境，利用 軟體定義特性以幫助管理射頻功率放大器，這樣確保這些資本密集型基礎設施保持可持續 使用。這就需要射頻功率放大器的偏置可以通過軟體來調整，固定LDMOS靜態工作的方式 不能滿足這種要求。目前市場上有專為偏置LDMOS而設計的集成電路晶片，但使用不夠靈活。也可以 使用分立數字器件(如DA、AD等)來實現LDMOS的偏置可調。這種技術也存在一個缺點 解析度不高，不能精確調整LDMOS的偏置。以偏置輸出電壓為0 4V為例，採用IObit的 D/A時解析度為3. 9mV,以3. 9mV為步進調整LDMOS的柵壓可能導致十幾毫安的靜態電流跳 躍；採用12bit的D/A時解析度為0. 97mV，但成本昂貴。LDMOS的實際偏置電壓只需有IV 的可調範圍(如2. 5V 3. 5V)就可以了，如果採用IObit的D/A來實現這IV的可調範圍， 解析度為0. 97mV，可以大大降低成本。具有競爭力的射頻功率放大器要求更為精確的，可為每個射頻LDMOS及其特定的 最佳溫度曲線而定製的偏置響應。一個射頻功率放大器往往有多個LDM0S，與末級器件相 比，驅動級或預驅動級器件LDMOS器件需要完全不同的偏置電壓和溫度響應。可調偏置具 有許多優勢，比如最佳的溫度響應、具有重新設置偏置以補償漂移或老化而造成影響的功 能，或者全自動化的工廠校準和測試的勞動力成本優勢。可調偏置的目標就變成如何在整 個溫度範圍內獲得射頻功率放大器各種參數的最佳性能。發明內容為了克服現有技術的缺點，本實用新型提供一種射頻功率放大器數字偏置系統， 確保功率放大器的靜態工作電流軟體可調，用IObit D/A實現LDMOS靜態工作電流的精確 設定，根據環境溫度動態調整LDMOS的偏置，是LDMOS在全溫範圍內工作在恆定的靜態電 流，保證線性度、穩定性，提高效率。本實用新型解決其技術問題採用的技術方案這種功率放大器數字偏置系統，包 括驅動放大器、功分器、載波放大器、峰值放大器、電流檢測單元、MCU、數字溫度傳感器、數 字偏置單元；驅動放大器的漏極電壓VDS1、載波放大器的漏極電壓VDS2、峰值放大器的漏 極電壓VDS3由電流檢測單元提供；驅動放大器的柵極偏置VGS1、載波放大器的柵極偏置 VGS2、峰值放大器的柵極偏置VGS3由數字偏置單元提供；電流檢測單元輸出的三個 點漏信 號IDS1、IDS2、IDS3分別輸入到MCU的三個A/D轉換通道；數字溫度傳感器通過I2C協議 與MCU通信；數字偏置單元通過SPI協議與MCU通信。所述的驅動放大器、載波放大器和峰值放大器，由LDMOS管、輸入輸出匹配、柵壓 偏置和漏壓供電組成；其中驅動放大器和載波放大器偏置在AB類、峰值放大器偏置在C類 為提高效率。所述的功分器、載波放大器、峰值放大器三個部分組成Doherty功率放大結 構。電流檢測單元+28V電源通過電流檢測單元後能以小於0. IV的壓降分成三個支 路輸出，分別為VDS1、VDS2、VDS3 ；分別檢測三個支路的電流，輸出的電流信號分別為IDS1、 IDS2、IDS3。MCU 至少包含三個A/D轉換通道，具有一個I2C接口，具有一個SPI接口。數字溫度傳感器具有12bit溫度——數字轉換器，士2°C溫度檢測誤差，具有I2C 接口。所述的數字偏置單元包含D/A轉換器和整形電路，D/A轉換器的三路輸出分別設 定三路偏置電壓VGSl、VGS2、VGS3。工作原理MCU分析處理電流檢測單元檢測出來的電流信號後，調整數字偏置單 元的D/A輸出，使驅動放大器和載波放大器工作在最佳的靜態工作電流，使峰值放大器偏 置的C類工作狀態；MCU根據數字溫度傳感器檢測出來的環境溫度，補償數字偏置單元的D/ A輸出，使驅動放大器和載波放大器在全溫度範圍內工作在恆定的靜態工作電流。偏置溫度 補償的斜率在_40°C 90°C分成多段，實現精確補償。本實用新型有益的效果是本實用新型的具有簡單、實用、可靠、成本低、通用性好 等特點。使射頻功率放大器在整個溫度範圍內各種性能參數達到最佳。

圖1是本實用新型原理框圖；圖2是數字偏置單元方框示意圖；圖3是VGS vs VDA的曲線示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明[0019]本實用新型針對射頻功率放大器要求更為精確的、軟體可調的為每個射頻LDMOS 及其特定的最佳溫度曲線而定製的偏置響應。包括驅動放大器、功分器、載波放大器、峰值 放大器、電流檢測單元、MCU、數字溫度傳感器、數字偏置單元。驅動放大器、功分器、載波放大器、峰值放大器組成了系統的射頻鏈路。放大器都 是由LDMOS管、輸入輸出匹配、柵壓偏置和漏壓供電組成。為了提高效率，驅動放大器和載 波放大器偏置在AB類、峰值放大器偏置在C類，功分器、載波放大器、峰值放大器三個部分 組成Doherty功率放大結構。當輸出功率很低時，峰值放大器關斷，射頻信號通過載波放大 器放大；當輸出功率大到一定程度時，載波放大趨向於飽和狀態，峰值放大器逐漸打開，並 對射頻信號的峰值進行放大。LDMOS的柵極和地之間基本上是直流開路，正是這個特點使得 本實用新型的數字偏置單元可以可靠地工作。LDMOS的柵極偏置是影響整個射頻功率放大 各方面性能(如增益、線性、效率等)很關鍵的一個環節。電流檢測單元+28V電源通過此單元後能以很低的壓降(小於0. IV)分成三個支 路輸出，分別為VDS1、VDS2、VDS3 ；此單元能分別檢測三個支路的電流，輸出的電流信號分 別為IDS1、IDS2、IDS3。每個支路的電流檢測原理闡述如下+28V以一定的電流通過一個 高精度、低阻值、承受額定功率很高的電阻後會產生壓降，這個壓降很小，需要經過20倍的 直流放大。這個放大後的壓降信號輸入到MCU的A/D轉換器。通過電阻的壓降知道了，電 阻的阻值也知道，由歐姆定理就可以計算出通過電阻的電流。根據檢測出來的電流，還可以 監控各個LDMOS的工作狀態，判斷是否工作正常。MCU 至少包含三個A/D轉換通道，具有一個I2C接口，具有一個SPI接口。數字溫度傳感器具有12bit溫度——數字轉換器，士2°C溫度檢測誤差，具有I2C 接口。數字偏置單元包含D/A轉換器和整形電路，D/A轉換器的三路輸出分別設定三路 偏置電壓 VGS1、VGS2、VGS3。VGSl 的整形電路由 Rl、R2、R3、R4、C3、C4、C5 和 +5V 按圖 2 所 示的連接方式組成；VGS2的整形電路由R5、R6、R7、R8、C6、C7、C8和+5V按圖2所示的連接 方式組成；VGS3的整形電路由R9、R10、C9按圖2所示的連接方式組成。舉例說明如下由於D/A轉換器的供電電壓和參考電壓都是+3. 3V，所以它的最低輸出電壓為0V， 最高輸出電壓為3. 3V。如果Rl = 3K、R2 = 4. 7K、R3 = 8. 2K、R4 = 10K, VGSl的電壓主要 由這幾個電阻分壓產生，電容C3、C4、C5主要作用是濾波平均，則VGSl的輸出曲線如圖3所 示。VGSl的電壓輸出範圍為+2. 504V +3. 503V。通過這個電路，把D/A輸出的0 3. 3V 範圍轉換為LDMOS偏置所需要的+2. 504V +3. 503V,調整範圍為IV，又由於D/A的轉換精 度是lObit，所以解析度為0. 97mV。即節約成本，實現起來又簡單。VGS2的工作原理和VGSl 一樣，由於VGS3用來偏置峰值放大器，只需要很低的偏置電壓(0. 5V 1.5V)就可以了，這 個偏置電壓沒有打開峰值放大器，不存在靜態工作電流，所以VGS3的電路更簡單。驅動放大器的漏極電壓VDS1、載波放大器的漏極電壓VDS2、峰值放大器的漏極 電壓VDS3由電流檢測單元提供；驅動放大器的柵極極偏置VGS1、載波放大器的柵極偏置 VGS2、峰值放大器的柵極偏置VGS3由數字偏置單元提供；電流檢測單元輸出的三個點漏信 號IDS1、IDS2、IDS3分別輸入到MCU的三個A/D轉換通道；數字溫度傳感器通過I2C協議 與MCU通信；數字偏置單元通過SPI協議與MCU通信。MCU分析處理電流檢測單元檢測出 來的電流信號後，調整數字偏置單元的D/A輸出，使驅動放大器和載波放大器工作在最佳的靜態工作電流，使峰值放大器偏置的C類工作狀態；MCU根據數字溫度傳感器檢測出來的 環境溫度，補償數字偏置單元的D/A輸出，使驅動放大器和載波放大器在全溫度範 圍內工 作在恆定的靜態工作電流。偏置溫度補償的斜率在_40°C 90°C分成多段，在每一溫度段， 都需要設定一個基準溫度、一個基準溫度偏置值、一個斜率，在這個溫度段中的其它偏置值 都據這三個參數計算出來，這樣做可以實現精確補償。 除上述實施例外，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新 型要求的保護範圍。
權利要求一種功率放大器數字偏置系統，其特徵是包括驅動放大器、功分器、載波放大器、峰值放大器、電流檢測單元、MCU、數字溫度傳感器、數字偏置單元；驅動放大器的漏極電壓VDS1、載波放大器的漏極電壓VDS2、峰值放大器的漏極電壓VDS3由電流檢測單元提供；驅動放大器的柵極偏置VGS1、載波放大器的柵極偏置VGS2、峰值放大器的柵極偏置VGS3由數字偏置單元提供；電流檢測單元輸出的三個點漏信號IDS1、IDS2、IDS3分別輸入到MCU的三個A/D轉換通道；數字溫度傳感器通過I2C協議與MCU通信；數字偏置單元通過SPI協議與MCU通信。
2.根據權利要求1所述的功率放大器數字偏置系統，其特徵是所述的驅動放大器、載 波放大器和峰值放大器，由LDMOS管、輸入輸出匹配、柵壓偏置和漏壓供電組成；其中驅動 放大器和載波放大器偏置在AB類、峰值放大器偏置在C類。
3.根據權利要求1所述的功率放大器數字偏置系統，其特徵是所述的功分器、載波放 大器、峰值放大器三個部分組成Doherty功率放大結構。
4.根據權利要求1所述的功率放大器數字偏置系統，其特徵是+28V電源通過電流檢 測單元後能以小於0. IV的壓降分成三個支路輸出，分別為VDS1、VDS2、VDS3 ；分別檢測三個 支路的電流，輸出的電流信號分別為IDS1、IDS2、IDS3。
5.根據權利要求1所述的功率放大器數字偏置系統，其特徵是所述的數字偏置單元 包含D/A轉換器和整形電路，D/A轉換器的三路輸出分別設定三路偏置電壓VGS1、VGS2、 VGS3。
專利摘要本實用新型公開了一種功率放大器數字偏置系統，包括驅動放大器、功分器、載波放大器、峰值放大器、電流檢測單元、MCU、數字溫度傳感器、數字偏置單元；驅動放大器的漏極電壓VDS1、載波放大器的漏極電壓VDS2、峰值放大器的漏極電壓VDS3由電流檢測單元提供；驅動放大器的柵極偏置VGS1、載波放大器的柵極偏置VGS2、峰值放大器的柵極偏置VGS3由數字偏置單元提供；電流檢測單元輸出的三個點漏信號IDS1、IDS2、IDS3分別輸入到MCU的三個A/D轉換通道；數字溫度傳感器通過I2C協議與MCU通信；數字偏置單元通過SPI協議與MCU通信。本實用新型有益的效果是本實用新型的具有簡單、實用、可靠、成本低、通用性好等特點。使射頻功率放大器在整個溫度範圍內各種性能參數達到最佳。
文檔編號H03F1/02GK201742373SQ20102017442
公開日2011年2月9日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者賴敏福 申請人:三維通信股份有限公司