CN100337397C - Rf功率放大器电路 - Google Patents

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Abstract

一种RF功率放大器电路具有至少一个输出功率晶体管和保护电路，该保护电路保护功率晶体管不受导致功率晶体管破坏性损坏的高电压的影响。所述电路包括：功率晶体管(2)；偏置电路(6)，其偏置功率晶体管(2)；峰值检测器(8)，其检测功率晶体管的输出电压；以及比较器电路(12)，其被连接于峰值检测器(8)并被设计成当受控于峰值检测器(8)时减小功率晶体管(2)的基极电流。

Description

RF功率放大器电路
技术领域
本发明涉及一种RF功率放大器电路，其具有至少一个功率晶体管和保护电路，该保护电路保护功率晶体管不受导致晶体管破坏性损坏的高电压的影响。这种RF功率放大器电路被用在移动通信技术中并被连接于例如移动电话的天线。
本发明进一步涉及一种包括RF功率放大器的无线通信设备。
背景技术
JP 3228409 A公开了一种高频功率放大器，在其中作为检测到功率放大器的电供给电压的结果，功率放大器电路调整器元件的偏置电压被控制。通过测量电源的电压，有关功率放大器的半导体元件处的电压的仅间接信息可被获得。因此，对功率放大器的半导体元件的保护是关键的。此外，Zener二极管被使用，并且这添加给器件的处理成本，这是因为在现有IC生产过程中在IC电路中集成Zener二极管是较为困难且较为昂贵的。
US-A3,852,669公开了一种失配保护电路，其保护通信发射器的功率晶体管不损坏过多的反射功率，如可能在天线被断开或破坏时所发生的。在该电路中，表示前向和反射功率或VSWR(电压驻波比)的参数被监视。当存在过度的失配时，被提供给功率晶体管的DC源被瞬间切断而回到安全低电平。由于反馈控制回路被用于仅调节供给电压，保护是间接保护，并且借助定向耦合器的解决方案是昂贵的。
US-A4,353,037公开了一种用于发射器放大器的保护电路，其提供功率电平测量并作为反射功率与前向功率之比的函数而控制发射器输出功率。该电路传感前向功率电平并产生被与基准电压比较的第一电压以提供控制电压，其控制由发射器放大器产生的功率。反射功率被传感，并且当反射功率与前向功率之比超过预定电平时，被与第一电压的部分比较的第二电压被产生，并且使基准电压减小。还有，定向耦合器被用于独立的前向和逆功率检测。过前向和逆功率的检测和功率驱动供给电压的减小导致用于该保护性器件的相对高的成本。
技术发展水平所针对的技术问题是在负载失配的情况下保护功率晶体管。如果天线的阻抗被改变，则功率放大器的功率晶体管的输出集电极处的阻抗亦改变。阻抗的差异(失配)可导致高VSWR，其导致功率晶体管的输出集电极上的高电压。这可导致功率晶体管的破坏性损坏。
如果功率放大器可可承受高功率工作下的高VSWR，则它被称为“坚固的”。下一代功率放大器必须具有较高的电效率，而这将通过降低输出损失来实现。然而，这涉及功率晶体管的输出集电极处的更高的VSWR，其又意味着功率放大器将是较不坚固的。因此，如果没有对坚固性的解决方案，则不能获得较高的效率。
技术发展水平的两种电路并不适合于作为用于电信应用的功率放大器，这是因为这种功率放大器以1-2GHz的频率工作或者是基于定向耦合器。这种定向耦合器基于某些严重的缺点，这是因为它们引起效率损失。此外，双向耦合器监视入射和反射功率。因此，在某些失配条件下，来自耦合器的信号不能被用于确定功率放大器的功率晶体管的输出端子处的电压。
依照本发明的无线通信装置包括RF功率放大器电路，其具有至少一个输出功率晶体管和保护电路，该保护电路保护功率晶体管不受导致功率晶体管破坏性损坏的高电压的影响，所述电路包括：偏置功率晶体管的偏置电路，检测功率晶体管的输出电压的峰值检测器，以及比较器电路，其被连接于峰值检测器并被设计成当受控于峰值检测器时减小功率晶体管的基极电流。
诸如移动电话的无线通信装置将其电源主要依赖于电池，因此效率是极其重要的。此外，为了可靠的工作，需要RF功率放大器能处理负载的失配。这是借助依照本发明的无线通信装置来实现的。
发明内容
本发明的目的尤其是提供一种功率放大器，其具有与增加的效率相结合的较好的坚固性。
为了实现以上目的，RF功率放大器包括：输出级，其提供功率放大器的功率；偏置电路，其偏置输出级的功率晶体管；峰值检测器，其测量功率晶体管的输出；以及比较器电路，其被连接于峰值检测器并被设计成当受控于峰值检测器时减小功率晶体管的基极电流。
本发明的电路具有以下优点：没有定向耦合器被使用且功率晶体管的输出端子处的峰值电压被直接检测，并且依照功率晶体管的输出电压的测量的结果而控制功率晶体管的基极电流。
依照本发明的有利实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中偏置电路包括电压到电流转换器和偏置晶体管，偏置晶体管的基极被连接于比较器电路。通过该电路安排，功率晶体管的基极处的基极电流被结合检测器的输出而直接控制，从而导致将功率晶体管的输出端子处的峰值电压限制于可接受的电平。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中功率晶体管的集电极被连接于峰值检测器。这意味着功率晶体管的输出电压被直接检测于集电极端子处，其是要保护的急剧危险的点。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中峰值检测器通过电容器连接于功率晶体管的输出集电极。该电容器将完整的RF输出信号耦合于峰值检测器。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中峰值检测器包括被连接于电容器的二极管，所述电容器将功率晶体管的输出信号耦合于峰值检测器。这允许将峰值检测器中的功率晶体管的输出电平测量为DC电压。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中电容器被安排于二极管和接地之间以平滑峰值检测器中的DC电压。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中峰值检测器包括分压电阻器，其被连接于电容器和接地之间。通过设计分压电阻器装置中的电阻器的值，输出放大器的输出功率应被限制的电平可被限定。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中分压电阻器的一个或几个电阻器是可调节的。功率晶体管的输出处的电压限制可由此根据需要而被调节。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中分压电阻器的中间节点是峰值检测器的输出。在该中间端子处，可为检测器得到电压，该电压适合于由比较器电路来处理。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中比较器电路包括晶体管和串联连接的L-1个二极管58(1)到58(L-1)以设置比较器中的基准电压。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中比较器电路通过晶体管连接于偏置电路的偏置晶体管的基极以直接控制功率晶体管的偏置电压。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中比较器电路的输入晶体管的集电极端子被连接于供给电压并且发射极通过所述串联的二极管连接于接地。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，该放大器电路具有多个功率晶体管，每个都被连接于偏置电路，其中峰值检测器的输出通过比较器电路和电流反射镜晶体管连接于功率晶体管的相应偏置电路。在多个放大器级的情况下，仅必需包括被连接于偏置电路的几个功率晶体管的基准电路。由此节省了半导体元件，这是因为用于限定基准电压的电路元件仅被提供一次。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，该放大器电路包括开关，其被连接于Vsupply和峰值检测器之间，该开关的ON和OFF状态受控于Vcontrol。当Vsup＞0且Vcontrol＝0时，所述开关和电容器确保了Isupply为零。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，该放大器电路包括滤波器，其包括电阻器和电容器，该电容器从电阻器之间的节点被连接于接地，所述滤波器被安排于开关和峰值检测器之间以防止到功率放大器的源线中的RF注入。
依照本发明进一步有利的实施例，一种RF功率放大器电路被提供，其中该电路以1-2GHz运行。已发现，即使处于较高效率水平，有利实施例确保了坚固性，这可在所需的频率范围内实现。
附图说明
可参照本说明书的剩余部分和附图来进一步理解本发明实施例的特性和优点，在附图中：
图1示出具有一个功率晶体管和保护电路的RF功率放大器；
图2示出具有三级和保护电路的RF功率放大器；
图3是功率放大器晶体管的集电极电压对时间的图形表示；
图4是功率放大器晶体管的集电极电压对信号相位的图形表示；并且
图5是功率放大器晶体管的集电极电压对晶体管供给电压的图形表示。
具体实施方式
图1的RF功率放大器电路具有功率晶体管2和保护电路4，该保护电路保护功率晶体管2不受导致功率晶体管2破坏性损坏的高电压的影响。功率晶体管2由偏置功率晶体管2的偏置电路6来偏置。保护电路4包括测量功率晶体管2的输出电压的峰值检测器8和开关10。当受控于峰值检测器8时，被连接于峰值检测器8的控制电路12被设计成减小功率晶体管2的基极电流。输出级的输出通过匹配电路馈送给负载16，即天线。所述负载通常具有50欧姆，并且如果负载被改变且超过某个值的失配由此被产生，则保护功率晶体管2不受损坏是保护电路4的目的。
功率晶体管2的集电极通过电感器18连接于供给电压Vsupply，而功率晶体管2的基极通过电感器20连接于偏置电路6。功率晶体管的发射极被接地，并且输入信号通过电容器22从输入Pin馈送给功率晶体管2的基极。
偏置电路6包括电压到电流转换器(VCC)24，其包括一对pnp晶体管26、28，该晶体管26、28的发射极通过电阻器30被共同连接于接地。晶体管26、28仅被示意性地示出(为清楚起见，详细的电路被省略)。控制电压Vcontrol被馈送给晶体管26的基极，而基准电压Vref被馈送给另一个晶体管28的基极。控制电压Vcontrol是控制开关10的ON和OFF状态的信号，并且例如在移动电话应用中，该信号指示是否从功率晶体管需要输出，并且如果是这样，从功率晶体管需要多少功率。
电压到电流转换器2的明显输出，即电流J1，被馈送给电流反射镜电路，其包括晶体管32、34。晶体管32作为二极管被连接于电压到电流转换器24和供给电压Vsupply之间。晶体管32的基极被连接于晶体管34的基极。晶体管34的发射极被连接于Vsupply，而晶体管34的集电极通过另外的晶体管36连接于接地。晶体管36的基极通过电感20连接于功率晶体管2的基极。另外的晶体管38被连接于Vsupply和晶体管36的基极之间以具有贝塔补偿，即使对于M的大比率(在以下说明)。来自比较器电路12的信号，即电流Jf，被馈送给晶体管36的集电极和晶体管38的基极。
开关10被连接于Vsupply和峰值检测器8之间，该开关的ON和OFF状态受控于Vcontrol。包括电阻器40、42和从电阻器40、42之间的节点被连接于接地的电容器44的滤波器电路被安排于开关10和峰值检测器8之间以防止到功率放大器的源线中的RF注入。
功率晶体管2的集电极通过电容器46连接于峰值检测器8。峰值检测器8包括分压电阻器装置，其包括电阻器48、50，被安排于电容器46和接地之间。分压电阻器装置通过二极管52连接于电容器46并通过电容器53连接于接地。分压电阻器装置的中间节点54是到比较器电路12的峰值检测器8的输出。
比较器电路12比较峰值检测器8的输出与基准电压。在图1的实施例中，基准电压Vref被选择成功率晶体管2的基极发射极电压的L倍。比较器电路12包括晶体管56，其基极被连接于峰值检测器8的输出，并且晶体管56的发射极被连接于Vsupply。比较器电路12进一步包括串联连接的L-1个二极管58(1)到58(L-1)。该系列的最后的二极管58(L-1)形成具有晶体管60的电流反射镜电路，其中晶体管60的基极被连接于形成二极管58(L-1)的晶体管的基极，并且晶体管60的发射极被连接于偏置电路6的偏置晶体管38的基极。晶体管60的发射极通过电容器62连接于接地，这避免了在限制功率晶体管2的集电极处的电压期间可发生的反馈回路中的无阻尼振荡(在以下提及)。
图1的电路的二极管被实施为双极晶体管，其基极和集电极是被短路的，这在将电路集成于芯片上时是有利的。
图1的电路工作如下。控制电压Vcontrol被施加于至电流转换器24的电压，并且变换为电流I1＝(Vcontrol-Vref)/R1，其通过pnp电流反射镜晶体管32、34反射成I2＝N*I1。该电流再次由npn电流反射镜晶体管36和2反射成：
Ibias＝M*I2＝N*M*I1                (1)
其中N和M是缩放比率。Ibias偏置功率晶体管2。这种缩放增加了功率添加效率，其部分地由缩放比率N和M来确定。
在RF工作下，形成二极管52的晶体管的集电极处的电压由峰值检测器8来传感。如果Vcontrol＞0，则峰值检测器8的输入处的电压与功率晶体管2的集电极处的电压相同：
Vdiode_int＝Vc＝Vsupply+Vrf        (2)
其中Vrf是晶体管2的集电极处的RF电压，而Vsupply是供给电压。
开关10和电容46用来满足对于某个功率放大器来说重要的条件：当Vsup＞0且Vcontrol＝0时，则Isupply必须为零。在图1的电路中，当Vcontrol＞0时，开关10将Vsupply馈送给峰值检测器8的输入，并且电容46将RF信号馈送给峰值检测器8的输入并拒绝Vsupply。当Vcontrol＝0时，开关10是关断的，并且没有电流通过峰值检测器8流动。
峰值检测器8的输出是低频信号
Vdet＝k*Vdiod_int＝k*Vc            (3)
其中k是0.9和1之间的整流系数。该信号由包括电阻器48、50的电阻分压器来划分，并且Vdet1是输出，然后被与比较器电路12中的基准电压比较。基准电压等于l*Vbe，其中l＝1。L是在比较器电路12中被串联连接的晶体管的数量。
Vdet1＝k*Vc*R5/(R4+R5)             (4)
在某个集电极电压(Vc_max)下，如果Vdet1_max超过l*Vbe，则包括功率晶体管2、峰值检测器8、比较器12和偏置电路6的一部分的反馈回路产生电流If，其从I2中被减去，从而减小Ibias并且迫使
Vdet1_max＝l*Vbe                   (5)
在(5)中替换(4)得到：
Vc_max＝l*Vbe*(1+R4/R5)/k          (6)
通过选取比较器电路12中的晶体管的适当数量(1)和电阻器48与电阻器50的适当比率，功率晶体管2的集电极处的电压可被有效地限制，并且功率放大器可被保持在安全工作区域中，从而防止通过功率晶体管2的集电极处的高电压而导致的损坏。在被与Vbe耦合的情况下，功率晶体管2的集电极处的电压具有以下优点：Vbe具有与破坏电压BVcb0相同的温度趋势。
图2示出RF功率放大器电路的实施例，其被用在移动通信中，并且具有三个功率放大器电路级，每个都分别包括功率晶体管70、72、74，所述功率晶体管的基极电极的每个都通过电感器76、78、80连接于偏置电路82、84、86的输出，并且所述功率晶体管的集电极的每个都通过另外的电感器88、90、92连接于偏置电路82、84、86输出的供给电压Vsupply。偏置电路82、84、86被类似于图1的偏置电路6而设计。输入信号被输入给功率晶体管70、72、74，它是通过电容器94从输入端子Pin到晶体管70的基极，通过电容器96从晶体管70的集电极到晶体管72的基极，并且通过电容器98从晶体管72的集电极到晶体管74的基极。输出功率晶体管74的输出通过控制电路100连接于比较器电路102。控制电路100中的峰值检测器被连接于功率晶体管74的集电极。功率晶体管的集电极亦通过匹配电路104连接于负载(天线)106。
电压Vref1、Vref2、Vref3作为Vcontrol的函数而确定每个级的打开。功率晶体管74的集电极处的电压由控制电路(图1)来传感，并且在失配的过程中，如果所检测的且被划分的电压超过比较器电路102的基准电压(l*Vbe)，则由比较器电路102的输出控制的晶体管112、114和116将以以下方式分别调节偏置电路82、84、86中的电流：即功率晶体管74的集电极处的电压将依照以上的方程(6)而被限制。
图3示出作为Vc_prot的具有依照本发明的保护电路和作为额定条件下，即50欧姆负载和Vsupply＝3，5V的Vc的没有依照本发明的保护电路的图1功率晶体管2的集电极电压VC。由于在该图形表示中没有差别，在这个程度上这两个曲线其相同的。这意味着在额定条件下保护电路不影响RF功率放大器的工作。
图4示出在失配是1∶12的失配情况下对信号相位的作为Vcol_prot的具有本发明的保护电路和作为Vcol的没有本发明的保护电路的功率晶体管2的集电极处的电压。在负载是50欧姆的额定条件下，1∶12的失配可能意味着50∶12＝4，17欧姆或者50×12＝600欧姆。
图5示出在失配是1∶12的失配情况下针对不同供给电压的作为Vc_prot的具有本发明的保护电路10和作为Vcol的没有本发明的保护电路10的晶体管2的集电极处的电压。
从图4和5中可看到，在被用于产生图4和5的曲线图的特定电路中，功率晶体管2的集电极电压被限制于大约13V。该电平以上的任何电压被借助于保护电路10而切除。
应理解，以上描述旨在是说明性的而不是局限性的。基于对以上描述的回顾，许多实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围不应参考以上描述来确定，相反，应参照所附的权利要求以及等效于这些权利要求被给予权利的全范围来确定。

Claims (14)

1.一种RF功率放大器电路，其具有至少一个输出功率晶体管和保护电路，该保护电路保护功率晶体管不受导致功率晶体管破坏性损坏的高电压的影响，所述电路包括：
(a)偏置电路(6)，其偏置功率晶体管(2)；
(b)峰值检测器(8)，其检测功率晶体管的输出电压；以及
(c)比较器电路(12)，其被连接于峰值检测器(8)并被设计成当受控于峰值检测器时减小功率晶体管(2)的基极电流。
其中，偏置电路(6)包括电压到电流转换器(24)和偏置晶体管(36)，偏置晶体管(36)的基极被连接于比较器电路。
2.权利要求1的RF功率放大器电路，其中功率晶体管(2)的集电极通过电容器(46)连接于峰值检测器(8)。
3.权利要求1或2的RF功率放大器电路，其中峰值检测器(8)包括二极管(52)，其被连接于电容器(46)，该电容器将功率晶体管(2)的输出信号连接于峰值检测器(8)。
4.权利要求3的RF功率放大器电路，其中电容器(53)被安排于二极管(52)和地之间。
5.权利要求1的RF功率放大器电路，其中峰值检测器(8)包括分压电阻器(48、50)，其被连接于电容器(46)和地之间。
6.权利要求5的RF功率放大器电路，其中分压电阻器的一个或几个电阻器是可调节的。
7.权利要求6的RF功率放大器电路，其中分压电阻器的中间节点是峰值检测器的输出。
8.权利要求1的RF功率放大器电路，其中比较器电路(12)包括晶体管(56)和串联连接的L-1个二极管58(1)到58(L-1)。
9.权利要求1的RF功率放大器电路，其中比较器电路(12)通过晶体管(62)连接于偏置电路(6)的偏置晶体管(38)的基极。
10.权利要求1的RF功率放大器电路，其中比较器电路(12)的输入晶体管(56)的I集电极端子被连接于I供给电压并且发射极通过二极管的系列连接于接地。
11.权利要求1的RF功率放大器电路，其具有多个功率晶体管(72、74、76)，每个都被连接于偏置电路(82、84、86)，其中被包括在控制电路(100)中的峰值检测器的输出通过比较器电路(102)和电流反射镜晶体管(112、114、116)连接于功率晶体管(72、74、76)的相应偏置电路(82、84、86)。
12.权利要求1的RF功率放大器电路，其包括开关(10)，其被连接于Vsupply和峰值检测器(8)之间，该开关的ON和OFF状态受控于Vcontrol。
13.权利要求1的RF功率放大器电路，其包括滤波器，该滤波器包括电阻器(40、42)和电容器(44)，该电容器从电阻器(40、42)之间的节点被连接于接地，所述滤波器被安排于开关(10)和峰值检测器(8)之间。
14.一种无线通信装置，其包括权利要求1所述的RF功率放大器电路。
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