CN101924521A

CN101924521A - 一种射频功率放大器数字偏置系统

Info

Publication number: CN101924521A
Application number: CN2010101596292A
Authority: CN
Inventors: 赖敏福
Original assignee: Sunwave Communications Co Ltd
Current assignee: Sunwave Communications Co Ltd
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明公开了一种功率放大器数字偏置系统，包括驱动放大器、功分器、载波放大器、峰值放大器、电流检测单元、MCU、数字温度传感器、数字偏置单元；驱动放大器的漏极电压VDS1、载波放大器的漏极电压VDS2、峰值放大器的漏极电压VDS3由电流检测单元提供；驱动放大器的栅极偏置VGS1、载波放大器的栅极偏置VGS2、峰值放大器的栅极偏置VGS3由数字偏置单元提供；电流检测单元输出的三个点漏信号IDS1、IDS2、IDS3分别输入到MCU的三个A/D转换通道；数字温度传感器通过I2C协议与MCU通信；数字偏置单元通过SPI协议与MCU通信。本发明有益的效果是：本发明的具有简单、实用、可靠、成本低、通用性好等特点。使射频功率放大器在整个温度范围内各种性能参数达到最佳。

Description

一种射频功率放大器数字偏置系统

技术领域

本发明涉及移动通信系统中射频功率放大器设计领域，主要是一种射频功率放大器数字偏置系统，特别适用于偏置可调的多级LDMOS射频功率放大器。

背景技术

随着3G牌照的发放，宣布中国移动通信的发展进入的3G时代。在过去的1G、2G通信网络中，通信运营商关注的重点在于建设一个无缝覆盖的高质量移动网络，从而可以发展更多的用户和获得更多的收入。现在，绿色环保节能降耗成为全球的热点。在这种趋势下使通信网络更节能更符合绿色要求，而射频功率放大器的效率是通信网络节能降耗的关键。当今的蜂窝系统对线性度要求越来越高，需要将LDMOS管偏置在AB类，从而获得功率和效率之间的有效平衡。随着数字预失真线性化技术(DPD)的发展，提高功放效率的方法也越来越多，如Doherty功放、包络消除再生技术(EER)、自适应偏置技术、包络跟踪等。这些技术都和LDMOS管的栅压偏置有关系。所以栅压偏置对射频功率放大器的效率起着非常重要的作用。

过去，使用高精度多匝微调电位器产生并设置LDMOS的栅极电压，并利用模拟二极管或三级管的来补偿LDMOS管的温度特性，使LDMOS在一定温度范围内保持相对恒定的静态工作电流。在这种技术，固定的静态工作电流只保证了射频功率放大器在额定最大输出功率时效率最高。而射频功率放大器在实际通信网络中的大部分工作时间都处于低输出功率状态，导致射频功率放大器效率很低，浪费大量能源。目前基站采用多平台环境，利用软件定义特性以帮助管理射频功率放大器，这样确保这些资本密集型基础设施保持可持续使用。这就需要射频功率放大器的偏置可以通过软件来调整，固定LDMOS静态工作的方式不能满足这种要求。

目前市场上有专为偏置LDMOS而设计的集成电路芯片，但使用不够灵活。也可以使用分立数字器件(如DA、AD等)来实现LDMOS的偏置可调。这种技术也存在一个缺点：分辨率不高，不能精确调整LDMOS的偏置。以偏置输出电压为0～4V为例，采用10bit的D/A时分辨率为3.9mV，以3.9mV为步进调整LDMOS的栅压可能导致十几毫安的静态电流跳跃；采用12bit的D/A时分辨率为0.97mV，但成本昂贵。LDMOS的实际偏置电压只需有1V的可调范围(如2.5V～3.5V)就可以了，如果采用10bit的D/A来实现这1V的可调范围，分辨率为0.97mV，可以大大降低成本。

具有竞争力的射频功率放大器要求更为精确的，可为每个射频LDMOS及其特定的最佳温度曲线而定制的偏置响应。一个射频功率放大器往往有多个LDMOS，与末级器件相比，驱动级或预驱动级器件LDMOS器件需要完全不同的偏置电压和温度响应。可调偏置具有许多优势，比如：最佳的温度响应、具有重新设置偏置以补偿漂移或老化而造成影响的功能，或者全自动化的工厂校准和测试的劳动力成本优势。可调偏置的目标就变成如何在整个温度范围内获得射频功率放大器各种参数的最佳性能。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种射频功率放大器数字偏置系统，确保功率放大器的静态工作电流软件可调，用10bit D/A实现LDMOS静态工作电流的精确设定，根据环境温度动态调整LDMOS的偏置，是LDMOS在全温范围内工作在恒定的静态电流，保证线性度、稳定性，提高效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种功率放大器数字偏置系统，包括驱动放大器、功分器、载波放大器、峰值放大器、电流检测单元、MCU、数字温度传感器、数字偏置单元；驱动放大器的漏极电压VDS1、载波放大器的漏极电压VDS2、峰值放大器的漏极电压VDS3由电流检测单元提供；驱动放大器的栅极偏置VGS1、载波放大器的栅极偏置VGS2、峰值放大器的栅极偏置VGS3由数字偏置单元提供；电流检测单元输出的三个点漏信号IDS1、IDS2、IDS3分别输入到MCU的三个A/D转换通道；数字温度传感器通过I2C协议与MCU通信；数字偏置单元通过SPI协议与MCU通信。

所述的驱动放大器、载波放大器和峰值放大器，由LDMOS管、输入输出匹配、栅压偏置和漏压供电组成；其中驱动放大器和载波放大器偏置在AB类、峰值放大器偏置在C类为提高效率。所述的功分器、载波放大器、峰值放大器三个部分组成Doherty功率放大结构。

电流检测单元：+28V电源通过电流检测单元后能以小于0.1V的压降分成三个支路输出，分别为VDS1、VDS2、VDS3；分别检测三个支路的电流，输出的电流信号分别为IDS1、IDS2、IDS3。

MCU：至少包含三个A/D转换通道，具有一个I2C接口，具有一个SPI接口。

数字温度传感器：具有12bit温度——数字转换器，±2℃温度检测误差，具有I2C接口。

所述的数字偏置单元包含D/A转换器和整形电路，D/A转换器的三路输出分别设定三路偏置电压VGS1、VGS2、VGS3。

工作原理：MCU分析处理电流检测单元检测出来的电流信号后，调整数字偏置单元的D/A输出，使驱动放大器和载波放大器工作在最佳的静态工作电流，使峰值放大器偏置的C类工作状态；MCU根据数字温度传感器检测出来的环境温度，补偿数字偏置单元的D/A输出，使驱动放大器和载波放大器在全温度范围内工作在恒定的静态工作电流。偏置温度补偿的斜率在-40℃～90℃分成多段，实现精确补偿。

本发明有益的效果是：本发明的具有简单、实用、可靠、成本低、通用性好等特点。使射频功率放大器在整个温度范围内各种性能参数达到最佳。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是数字偏置单元方框示意图；

图3是VGS vs VDA的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明针对射频功率放大器要求更为精确的、软件可调的为每个射频LDMOS及其特定的最佳温度曲线而定制的偏置响应。包括驱动放大器、功分器、载波放大器、峰值放大器、电流检测单元、MCU、数字温度传感器、数字偏置单元。

驱动放大器、功分器、载波放大器、峰值放大器组成了系统的射频链路。放大器都是由LDMOS管、输入输出匹配、栅压偏置和漏压供电组成。为了提高效率，驱动放大器和载波放大器偏置在AB类、峰值放大器偏置在C类，功分器、载波放大器、峰值放大器三个部分组成Doherty功率放大结构。当输出功率很低时，峰值放大器关断，射频信号通过载波放大器放大；当输出功率大到一定程度时，载波放大趋向于饱和状态，峰值放大器逐渐打开，并对射频信号的峰值进行放大。LDMOS的栅极和地之间基本上是直流开路，正是这个特点使得本发明的数字偏置单元可以可靠地工作。LDMOS的栅极偏置是影响整个射频功率放大各方面性能(如增益、线性、效率等)很关键的一个环节。

电流检测单元：+28V电源通过此单元后能以很低的压降(小于0.1V)分成三个支路输出，分别为VDS1、VDS2、VDS3；此单元能分别检测三个支路的电流，输出的电流信号分别为IDS1、IDS2、IDS3。每个支路的电流检测原理阐述如下：+28V以一定的电流通过一个高精度、低阻值、承受额定功率很高的电阻后会产生压降，这个压降很小，需要经过20倍的直流放大。这个放大后的压降信号输入到MCU的A/D转换器。通过电阻的压降知道了，电阻的阻值也知道，由欧姆定理就可以计算出通过电阻的电流。根据检测出来的电流，还可以监控各个LDMOS的工作状态，判断是否工作正常。

数字偏置单元：包含D/A转换器和整形电路，D/A转换器的三路输出分别设定三路偏置电压VGS1、VGS2、VGS3。VGS1的整形电路由R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5和+5V按图2所示的连接方式组成；VGS2的整形电路由R5、R6、R7、R8、C6、C7、C8和+5V按图2所示的连接方式组成；VGS3的整形电路由R9、R10、C9按图2所示的连接方式组成。举例说明如下：

由于D/A转换器的供电电压和参考电压都是+3.3V，所以它的最低输出电压为0V，最高输出电压为3.3V。如果R1＝3K、R2＝4.7K、R3＝8.2K、R4＝10K，VGS1的电压主要由这几个电阻分压产生，电容C3、C4、C5主要作用是滤波平均，则VGS1的输出曲线如图3所示。VGS1的电压输出范围为+2.504V～+3.503V。通过这个电路，把D/A输出的0～3.3V范围转换为LDMOS偏置所需要的+2.504V～+3.503V，调整范围为1V，又由于D/A的转换精度是10bit，所以分辨率为0.97mV。即节约成本，实现起来又简单。VGS2的工作原理和VGS1一样，由于VGS3用来偏置峰值放大器，只需要很低的偏置电压(0.5V～1.5V)就可以了，这个偏置电压没有打开峰值放大器，不存在静态工作电流，所以VGS3的电路更简单。

驱动放大器的漏极电压VDS1、载波放大器的漏极电压VDS2、峰值放大器的漏极电压VDS3由电流检测单元提供；驱动放大器的栅极极偏置VGS1、载波放大器的栅极偏置VGS2、峰值放大器的栅极偏置VGS3由数字偏置单元提供；电流检测单元输出的三个点漏信号IDS1、IDS2、IDS3分别输入到MCU的三个A/D转换通道；数字温度传感器通过I2C协议与MCU通信；数字偏置单元通过SPI协议与MCU通信。MCU分析处理电流检测单元检测出来的电流信号后，调整数字偏置单元的D/A输出，使驱动放大器和载波放大器工作在最佳的静态工作电流，使峰值放大器偏置的C类工作状态；MCU根据数字温度传感器检测出来的环境温度，补偿数字偏置单元的D/A输出，使驱动放大器和载波放大器在全温度范围内工作在恒定的静态工作电流。偏置温度补偿的斜率在-40℃～90℃分成多段，在每一温度段，都需要设定一个基准温度、一个基准温度偏置值、一个斜率，在这个温度段中的其它偏置值都据这三个参数计算出来，这样做可以实现精确补偿。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种功率放大器数字偏置系统，其特征是：包括驱动放大器、功分器、载波放大器、峰值放大器、电流检测单元、MCU、数字温度传感器、数字偏置单元；驱动放大器的漏极电压VDS1、载波放大器的漏极电压VDS2、峰值放大器的漏极电压VDS3由电流检测单元提供；驱动放大器的栅极偏置VGS1、载波放大器的栅极偏置VGS2、峰值放大器的栅极偏置VGS3由数字偏置单元提供；电流检测单元输出的三个点漏信号IDS1、IDS2、IDS3分别输入到MCU的三个A/D转换通道；数字温度传感器通过I2C协议与MCU通信；数字偏置单元通过SPI协议与MCU通信。

2.根据权利要求1所述的功率放大器数字偏置系统，其特征是：所述的驱动放大器、载波放大器和峰值放大器，由LDMOS管、输入输出匹配、栅压偏置和漏压供电组成；其中驱动放大器和载波放大器偏置在AB类、峰值放大器偏置在C类。

3.根据权利要求1所述的功率放大器数字偏置系统，其特征是：所述的功分器、载波放大器、峰值放大器三个部分组成Doherty功率放大结构。

4.根据权利要求1所述的功率放大器数字偏置系统，其特征是：+28V电源通过电流检测单元后能以小于0.1V的压降分成三个支路输出，分别为VDS1、VDS2、VDS3；分别检测三个支路的电流，输出的电流信号分别为IDS1、IDS2、IDS3。

5.根据权利要求1所述的功率放大器数字偏置系统，其特征是：所述的数字偏置单元包含D/A转换器和整形电路，D/A转换器的三路输出分别设定三路偏置电压VGS1、VGS2、VGS3。