CN102013876B - 射频功率放大器混合功率控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器混合功率控制系统及方法，所述系统包括信号输入端、信号输出端、滤波电容、功放管、偏置电路、热稳定电阻、电流检测电路、误差放大器和控制电压源；电流检测电路采集功放管的基极电流并转换为电压，送入误差放大器中与控制电压进行比较，根据比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率。本发明通过控制基极电流的方式来控制集电极电流，不需要在集电极和电池间添加任何器件，使得功放管的集电极能直接看到电池电压，从而得到更高的效率。

Description

射频功率放大器混合功率控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种射频功率放大器混合功率控制系统及方法。

背景技术

近二十多年来，无线通讯的发展极大地满足了人类对通信的需求，同时这种需求也进一步带动了无线移动电话(或称无线手机)在全世界范围内的迅速增长。在众多的无线通讯标准中，GSM(Global System forMobile Communications)是最主要的标准之一，其市场覆盖面占据全球市场的四分之三。如何保证这巨量的无线手机满足严格的手机通讯标准要求是一个不小的挑战。

射频功率放大器是手机中一个至关重要的部分，它负责射频信号的放大发射。数字手机发送信息的方式主要是：先把已数字化的声音或数据等信息通过频率调制或者相位调制调制到射频载波信号上，然后再把这个调制好的射频信号发送给手机基站。通常这个调制好的射频载波信号强度太弱，当手机距离基站很远时，手机就需要用射频功率放大器把射频信号的强度放大到足够大的功率以使信号可以传送到手机基站。为了保证无线手机与基站的正常通讯又不干扰其他手机用户，手机同基站一起对手机的发射功率进行自动控制。当手机距离基站很近时手机发射小功率，当距离很远时手机发射大功率。根据工作频段的不同，无线手机要求能发射至少十五种等级的射频功率。

射频功率放大器的功率控制方法可分为直接功率控制和间接功率控制两种。直接功率控制是指直接控制功率放大器的功率，具体做法是用一个功率检测器检测放大器的输出功率，然后通过误差信号与控制信号比较，再反馈回去控制功率放大器的增益或偏置，达到控制功率的目的。间接功率控制是指通过控制功率放大器电压或者电流来控制其功率。间接功率控制的核心是从源头入手控制功率放大器的直流供电功率从而达到对射频功率输出的控制。

如图1所示集电极电压功率控制方法，首先检测功率放大器的集电极电压Vcc，然后通过误差放大器与控制信号比较，再反馈到调整管M1的栅极，达到控制Q1集电极电压的目的；图2所示则为集电极电流功率控制方法，通过检测电阻R压降来检测功率放大器的集电极电流，然后通过误差放大器与控制信号比较，再反馈到功率放大器的偏置电路BIAS，达到控制Q1集电极电流的目的。

直接功率控制由于电路实现复杂，主要应用在基站领域，在手机芯片领域受限于体积应用比较少。在手机芯片领域用得较多的是间接功率控制。无论是前述的控制集电极电压还是电流，功率放大管Q1都不能直接看到电池电压Vbatt，从而导致相当部分电池电能被调整管或者检测电阻浪费了。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器混合功率控制系统及方法，可以避免电池电能的额外损失。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种射频功率放大器混合功率控制系统，包括功率放大模块和用于调整功率放大模块输出功率的功率控制模块；

所述功率放大模块包括偏置电路和多个功率放大单元，所述每个功率放大单元均包括信号输入端、信号输出端、滤波电容、功放管和热稳定电阻，所述偏置电路具有第一输入端、第一输出端和第二输出端；信号输入端经过滤波电容后连接到功放管的基极，功放管的发射极接地，功放管的集电极连接信号输出端；所述偏置电路第一输入端和第一输出端均连接功率控制模块，第二输出端通过所述热稳定电阻连接所述功放管的基极；

所述功率控制模块包括电流检测电路、误差放大器，所述电流检测电路包括第一输入端、输出端和电源端，所述偏置电路的第一输出端连接电流检测电路的第一输入端，所述电流检测电路的输出端连接误差放大器的第一输入端，所述电流检测电路的电源端连接电池，所述误差放大器的第二输入端连接控制电压，所述误差放大器的输出端连接偏置电路的输入端；

所述电流检测电路采集功放管的基极电流，送入误差放大器中与控制电压进行比较，误差放大器根据比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率。

其中，所述电流检测电路为电阻型电流检测电路或者电流镜电流检测电路。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种射频功率放大器混合功率控制方法，包括以下步骤：

a.利用电流检测电路采集功率放大模块的基极电流；

b.将步骤a中采集的功率放大模块的基极电流送入误差放大器中与控制电压源进行比较；

c.根据步骤b中得出的比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率。

其中，所述的射频功率放大器混合功率控制方法，在步骤a中所述的采集功率放大模块的基极电流的方法有电阻检测方法或者电流镜电流检测方法。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的集电极电压检测或电流检测技术导致的电池电能的额外损失的缺陷，本发明通过控制基极电流的方式来控制输出功率，不需要在集电极和电池间添加任何器件，使得功放管的集电极能直接看到电池电压，从而得到更高的效率。另外，本发明还可以方便地调整功率控制曲线。

附图说明

图1是现有技术的集电极电压功率控制方法示意图；

图2是现有技术的集电极电流功率控制方法示意图；

图3是本发明所应用的无线收发机系统框图；

图4是本发明射频功率放大器混合功率控制系统结构框图；

图5是本发明电流镜电流检测电路图；

图6是本发明电阻电流检测电路图；

图7是射频功率放大器基极电流曲线图；

图8是射频功率放大器功率控制电压V_ramp曲线；

图9是射频功率放大器输出功率曲线。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图4，本发明的射频功率放大器混合功率控制系统，包括功率放大模块22和用于调整功率放大模块22输出功率的功率控制模块21；

所述功率放大模块22包括偏置电路221和多个功率放大单元222，所述每个功率放大单元222均包括信号输入端RFin、信号输出端RFout、滤波电容224、功放管225和热稳定电阻223，所述偏置电路221具有第一输入端、第一输出端和第二输出端；信号输入端RFin经过滤波电容224后连接到功放管225的基极，功放管225的发射极接地，功放管225的集电极连接信号输出端RFout；所述偏置电路221第一输入端和第一输出端均连接功率控制模块21，第二输出端通过所述热稳定电阻223连接所述功放管225的基极；

所述功率控制模块21包括电流检测电路211、误差放大器212，所述电流检测电路211包括第一输入端、输出端和电源端；所述偏置电路221的第一输出端连接电流检测电路211的第一输入端，所述电流检测电路211的输出端连接误差放大器212的第一输入端，所述电流检测电路211的电源端连接电池，所述误差放大器212的第二输入端连接控制电压Vramp，所述误差放大器212的输出端连接偏置电路221的输入端；

所述电流检测电路211通过热稳定电阻223采集功放管225的基极电流，送入误差放大器212中与控制电压源Vramp进行比较，误差放大器212根据比较结果改变偏置电路提供给功放管225的基极电流，从而达到以控制电压Vramp控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块22的输出功率。

在一实施例中，所述电流检测电路211为电阻型电流检测电路或者电流镜电流检测电路。

本发明的射频功率放大器混合功率控制方法，包括以下步骤：

a.利用电流检测电路采集功率放大模块的基极电流；

b.将步骤a中采集的功率放大模块的基极电流送入误差放大器中与控制电压源进行比较；

c.根据步骤b中得出的比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率。

在一实施例中，在上述的步骤a中所述的采集功率放大模块的基极电流的方法有电阻检测方法或者电流镜电流检测方法。

请参阅图3，本发明适用于如图所示的手机，PDA等类似的无线收发系统中。这个系统整体可以分为接收部分、发射部分、基带Baseband及系统控制部分、接口电路。天线接收到信号，通过双工器或者射频开Duplexer/Switch选择接收通道，然后经过低噪声放大器LNA放大后送到滤波器Filter。滤波器尽可能的滤掉接受信号中的干扰后送到下变频器Mixer。下变频器会把这个射频信号下变频至中频或者基带频率信号送到基带Baseband进行模数变换和数字信号处理。另外，下变频的过程中需要一个稳定的本地射频信号，这个信号由频率合成器PLL提供。基带对信号进行处理过后，就会将其送到接口电路——比如喇叭和显示屏——转换为用户能接收的信息。

发射信息时，接口电路会把用户的声音，视频等信息转换为电信号，再发送到基带。基带对这个信号进行数字信号处理和数模转换后会送到调制器VCO，调制器再把这个信号调制到射频频率以便进行发射。同样，这里也需要频率合成器提供一个本地射频信号。信号经过调制后经过缓冲电路Buffer送到功率放大器PA。功率放大器的控制器PA Control会根据控制中心提供的功率控制信号来控制功率放大器，使其把射频信号放大到合适的功率送到双工器或者射频开关，双工器或者射频开关会选择天线，把信号发射出去。

如图4所示，21是控制IC部分，22是功放部分。通过反馈环路，使得功放管Q1的基极电流随着控制信号(例如V_ramp)变化。反馈环路23包括：给基极供电的调整管及电流检测电路211，一个误差放大器212和功放的基极偏置电路221。通过反馈环路23，我们可以使得功放管(Q1)225的基极直流电流受到V_ramp压的控制，假设反馈系数为f(s)，则有：

$I_B=\frac{V_{\mathrm{ramp}}}{f\left(s\right)}---\left(1\right)$

那么，功放管的集电极直流电流就可以得出了，最后得出输出功率与V_ramp关系如下：

$P_{\mathrm{OUT}}=\mathrm{\η\β}{\left[\frac{V_{\mathrm{ramp}}}{f\left(s\right)}\right]}^2{R}_L---\left(2\right)$

其中，η为功放效率，β为功放管直流电流增益，R_L为功放管集电极处负载。从上式(2)可以看出，假如f(s)为常数，则在特定的输出匹配下，输出功率与控制电压的平方成正比。另外，我们也可以通过改变f(s)来改变功率控制曲线，下面会详细说明。从图4可以看出，这种功率控制方法完全不需要在功放管Q1的集电极加任何器件，功放管的集电极可以直接看到电池电压，从而保证射频功放具有更高的直流射频转换效率。

本发明的射频功率放大器混合功率控制系统包括误差放大器212，电流检测电路211。误差放大器212用来比较电流检测电路得出的与功放管基极电流相关的电压和V_ramp电压。电流检测电路211有很多种，例如图5，图6所示。

在图5中，所述电流检测电路包括调整管51、电流检测管52、负载53、反馈网络54、误差放大器55。所述误差放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端；电流检测管52与调整管51成电流镜接法，它们的栅级接误差放大器55的输出，调整管51的源级接电池电压，漏级接反馈网络54的输入端，反馈网络54的输出端接误差放大器55的第一输入端，误差放大器55的第二输入端接参考电压Vref。这样就形成了形成电压反馈环路，为功放管的栅级偏置提供稳定的电源电压。通过电流镜检测调整管51的电流，在负载f(s)上产生电压与V_ramp比较。其中，负载可以由电阻、BJT、MOS或这些期间的组合构成。此时输出功率与V_ramp的对应关系为：

$P_{\mathrm{OUT}}={\left[\frac{V_{\mathrm{ramp}}}{R_S}\right]}^2{R}_L---\left(3\right)$

$P_{\mathrm{OUT}}={\left(I_S{e}^{V_{\mathrm{ramp}}/V_T}\right)}^2{R}_L---\left(4\right)$

$P_{\mathrm{OUT}}={\left[\begin{array}{c}\frac{K_p}{2}{\left(\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{ramp}}& V_T\end{array}\right)}^2\end{array}\right]}^2{R}_L---\left(5\right)$

式(3)，(4)，(5)分别对应负载为电阻，BJT，MOS时，输出功率与V_ramp的关系。这样就能够通过调整负载53的组成方便的改变输出功率与V_ramp的关系。

在图6中，51是对应图5调整管，它的栅级接图5中误差放大器55的输出，形成反馈环路为功放管的栅级偏置提供稳定的电源电压。62是电流检测电阻，它需要阻值较小，并且能流过较大的电流。但这些要求会比在集电极检测用的电阻宽松得多，所以可以外置，也可以做到IC里面。61是一个电压放大器，它将电阻上检测到的电压进行放大和位移，使得其能和V_ramp比较。同样，我们可以改变这个电压放大器的传输函数来改变V_ramp和输出功率的关系。另外，也可以不用51调整管，而是电阻直接接电源，这样能省去图5所示的电压反馈环路。

图7是负载为MOS管时得到的V_ramp与功放管的基极电流的曲线。这样我们就能得到不同的功率控制曲线，另外，我们还可以把这些负载通过组合来得到新的功率曲线。

图8是一通常使用的V_ramp波形，图9是利用图4所述技术产生的相应射频功放输出功率曲线。可以看出，对应不同的V_ramp值，输出功率在-60dBm到34dBm之间变化并受V_ramp的一一对应控制。

本专利提供了一种通过控制功放管基极电流来控制功率放大器输出功率的系统及方法，利用这种系统和方法，不需要在集电极和电池间添加任何器件，使得功放管的集电极能直接看到电池电压，从而得到更高的效率。并且，利用这种系统和方法还可以方便的调整功率控制曲线。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种射频功率放大器混合功率控制系统，其特征在于：包括功率放大模块和用于调整功率放大模块输出功率的功率控制模块；

所述功率放大模块包括偏置电路和多个功率放大单元，所述多个功率放大单元均包括信号输入端、信号输出端、滤波电容、功放管和热稳定电阻，所述偏置电路具有第一输入端、第一输出端和第二输出端；信号输入端经过滤波电容后连接到功放管的基极，功放管的发射极接地，功放管的集电极连接信号输出端；所述偏置电路第一输入端和第一输出端均连接功率控制模块，第二输出端通过所述热稳定电阻连接所述功放管的基极；

所述功率控制模块包括电流检测电路、第一误差放大器，所述电流检测电路包括第一输入端、输出端和电源端，所述偏置电路的第一输出端连接电流检测电路的第一输入端，所述电流检测电路的输出端连接第一误差放大器的第一输入端，所述电流检测电路的电源端连接电池，所述第一误差放大器的第二输入端连接控制电压，所述第一误差放大器的输出端连接偏置电路的输入端；

所述电流检测电路采集功放管的基极电流，送入第一误差放大器中与控制电压进行比较，第一误差放大器根据比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率；

所述电流检测电路包括调整管、电流检测管、负载、反馈网络、第二误差放大器；

所述第二误差放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端；电流检测管与调整管成电流镜接法，它们的栅极接第二误差放大器的输出，调整管的源极接电池电压，漏极接反馈网络的输入端，反馈网络的输出端接第二误差放大器的第一输入端，第二误差放大器的第二输入端接参考电压Vref，这样就形成了形成电压反馈环路，为功放管的栅极偏置提供稳定的电源电压，通过电流镜检测调整管的电流，在负载上产生电压与V_ramp比较，其中负载的一端和电流检测管相连接。 

2.一种使用如权利要求1中所述的射频功率放大器混合功率控制系统的射频功率放大器混合功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.利用电流检测电路采集功率放大模块的基极电流；

b.将步骤a中采集的功率放大模块的基极电流送入第一误差放大器中与控制电压进行比较；

c.根据步骤b中得出的比较结果改变偏置电路提供给功放管的基极电流，从而达到以控制电压控制基极电流的目的，进而间接控制功率放大模块的输出功率。 

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