CN102549919A - 用于功率放大器的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明描述用于保护功率放大器PA的技术。在示范性设计中，设备包括：PA模块(310)，其放大输入RF信号并提供输出RF信号；及保护电路(320)，其控制发射器增益以保护所述PA模块免受高峰值电压影响。在示范性设计中，所述保护电路(329)包括一组比较器(370)，所述比较器量化模拟输入信号并提供用以调整所述发射器增益的数字比较器输出信号。在另一示范性设计中，所述保护电路在具有滞后的情况下减小及增大所述发射器增益。在又一示范性设计中，所述保护电路具有对所述输出RF信号的上升振幅比对所述输出RF信号的下降振幅快的响应。所述滞后及/或所述不同上升及下降响应可允许所述保护电路在严重负载失配情况下避免来回切换所述发射器增益并处置归因于振幅调制所致的时变包络。

Description

用于功率放大器的保护电路
依据35 U.S.C.§119主张优先权
本专利申请案主张2009年8月19日申请的标题为“用于功率放大器的VSWR保护(VSWR PROTECTION FOR POWER AMPLIFIERS)”的第61/235,313号美国临时申请案的优先权，所述案转让给本受让人，且以引用的方式明确地并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及电子设备，且更具体来说涉及用于功率放大器的保护电路。
背景技术
无线通信装置通常包括支持数据发射的发射器。所述发射器通常包括放大射频(RF)信号并提供高输出功率的功率放大器。所述功率放大器可经设计以驱动特定负载阻抗(例如，50欧姆)。所述负载阻抗可归因于各种干扰而变化且可导致所述功率放大器观测到高峰值电压。所述高峰值电压可能超过可确保所述功率放大器的可靠操作的电平。可需要检测高峰值电压并执行校正动作，以使得所述功率放大器可受保护而免受高峰值电压影响。
发明内容
附图说明
图1展示无线通信装置的框图。
图2展示功率放大器(PA)模块及保护电路。
图3展示PA模块及改进的保护电路。
图4展示图4中的改进的保护电路内的各种电路。
图5展示来自图4中的电路的各种信号的时序图。
图6及7展示改进的保护电路的两个示范性设计。
图8及9展示改进的保护电路的两个峰值检测器。
图10展示用于保护功率放大器免受高峰值电压影响的过程。
具体实施方式
下文陈述的详细描述既定作为本发明的示范性设计的描述且既定不表示可实践本发明的仅有设计。术语“示范性”在本文中用于意味着“充当实例、例子或说明”。本文中被描述为“示范性”的任一设计未必应解释为比其它设计优选或有利。所述详细描述包括特定细节以便实现提供对本发明的示范性设计的彻底理解的目的。所属领域的技术人员将显而易见，可在无这些特定细节的情况下实践本文中描述的示范性设计。在一些情况下，以框图形式来展示众所周知的结构及装置以便避免使本文所呈现的示范性设计的新颖性不清楚。
本文中描述用于保护功率放大器免受高峰值电压影响的技术。所述技术可用于各种电子装置，例如，无线通信装置、蜂窝式电话、个人数字助理(PDA)、手持式装置、无线调制解调器、膝上型计算机、无绳电话、蓝牙装置、消费型电子装置等。为了清楚起见，下文描述所述技术针对无线通信装置的使用。
图1展示无线通信装置100的示范性设计的框图。在此示范性设计中，无线装置100包括数据处理器110及收发器120。收发器120包括支持双向无线通信的发射器130及接收器150。大体来说，无线装置100可包括用于任何数目个通信系统及任何数目个频带的任何数目个发射器及任何数目个接收器。
在发射路径中，数据处理器110处理待发射的数据并将模拟输出基带信号提供到发射器130。在发射器130内，所述模拟输出基带信号由放大器(Amp)132放大，由低通滤波器134滤波以移除由数/模转换引起的映像，由可变增益放大器(VGA)136放大，并由混频器138从基带上变频转换到RF。经上变频转换的信号由滤波器140滤波，由驱动器放大器142及功率放大器144进一步放大，经由开关/双工器146路由并经由天线148发射。
在接收路径中，天线148接收来自基站及/或其它发射器台的信号并提供所接收信号，所述所接收信号经由开关/双工器146路由并提供到接收器150。在接收器150内，所述所接收信号由低噪声放大器(LNA)152放大，由带通滤波器154滤波，并由混频器156从RF下变频转换到基带。经下变频转换的信号由VGA 158放大，由低通滤波器160滤波，并由放大器162放大以获得模拟输入基带信号，所述模拟输入基带信号被提供到数据处理器110。
图1展示实施直接转换架构的发射器130及接收器150，所述直接转换架构在一个级中将信号在RF与基带之间进行频率转换。发射器130及/或接收器150也可实施超外差架构，所述超外差架构在多个级中将信号在RF与基带之间进行频率转换。本机振荡器(LO)产生器170产生发射及接收LO信号并将其分别提供到混频器138及156。锁相回路(PLL)172接收来自数据处理器110的控制信息并将控制信号提供到LO产生器170以产生处于适当频率的发射及接收LO信号。
图1展示示范性收发器设计。大体来说，发射器130及接收器150中的信号的调节可由放大器、滤波器、混频器等的一个或一个以上级执行。这些电路可与图1中所示的配置不同地加以布置。此外，图1中未展示的其它电路也可用于发射器及接收器中。举例来说，匹配电路可用以匹配图1中的各种有源电路。也可省略图1中的一些电路。收发器120的全部或一部分可实施于一个或一个以上模拟集成电路(IC)、RF IC(RFIC)、混频信号IC等上。举例来说，发射器130中的放大器132到功率放大器144可实施于RFIC上。驱动器放大器142及功率放大器144也可实施于RFIC外部的另一IC上。
数据处理器110可执行用于无线装置100的各种功能，例如，用于所发射数据及所接收数据的处理。存储器112可存储用于数据处理器110的程序代码及数据。数据处理器110可实施于一个或一个以上专用集成电路(ASIC)及/或其它IC上。
对于用于无线装置中的功率放大器，高输出功率以及高功率附加效率(PAE)是重要的。功率放大器可制造于IC上，以便获得较小尺寸、较低成本及其它优点。为获得高输出功率及高PAE，基于硅的功率放大器可直接地连接到较高电源电压或可能连接到电池。此外，为减小成本以及插入损失，功率放大器可在不经过隔离器的情况下耦合到天线，所述隔离器通常用以衰减归因于负载失配所致的反射信号。结果，功率放大器中的晶体管的栅极及漏极可观测到高峰值电压。当在功率放大器的输出处存在严重阻抗失配时，高峰值电压可为电源电压的3到4倍。严重负载失配可对应于高电压驻波比(VSWR)，例如10∶1或更大的VSWR。保护电路可用以限制峰值电压并保护功率放大器中的晶体管免于崩溃。保护电路也可称为VSWR保护电路、PA保护电路等。
图2展示PA模块210及用以限制峰值电压的保护电路220的框图。PA模块210包括驱动器放大器(DA)242及功率放大器244。驱动器放大器242接收输入RF信号(RFin)并以可配置增益放大所述输入RF信号(RFin)且提供中间RF信号。功率放大器244进一步放大所述中间RF信号并提供输出RF信号(RFout)。匹配电路246对功率放大器244执行输出阻抗匹配且耦合于功率放大器244与天线248之间。匹配电路246可匹配功率放大器244的低输出阻抗(例如，2到4欧姆)与天线248的中等阻抗(例如，50欧姆)。
在保护电路220内，衰减器250接收来自功率放大器244的RFout信号并提供峰值检测器输入信号(Vin)，其可为RFout信号的经衰减版本。峰值检测器260检测Vin信号的峰值电压并提供指示所检测峰值电压的峰值检测器输出信号(Vpeak)。误差放大器270在反相输入处接收来自峰值检测器260的Vpeak信号并在非反相输入处接收参考电压(Vref)。误差放大器270确定Vpeak信号与Vref电压之间的误差并基于比较结果提供增益控制信号。基于所述增益控制信号来调整驱动器放大器242的增益。
如图2中所示，PA模块210及保护电路220耦合于负反馈回路中。保护电路220感测RFout信号的峰值电压并在峰值电压超过由Vref电压设定的预定电平时减小驱动器放大器242的增益。驱动器放大器242的减小的增益将减小RFout信号电平，其将接着减小峰值电压。保护电路220因此可通过减小驱动器放大器242的增益而减小并限制RFout信号的峰值电压。
保护电路220可保护功率放大器244中的晶体管免于崩溃，但有一些缺点。第一，保护电路220可能使RFout信号在两个输出功率电平之间来回切换。当检测到超过Vref的高峰值电压(例如，归因于严重负载失配)时，误差放大器270提供增益控制以减小驱动器放大器242的增益，其接着减小RFout信号电平。保护电路220具有有限带宽且可能不能够立刻检测到并作用于较小的RFout信号。RFout信号可继续降低到较低电平。保护电路220可在特定延迟后检测到RFout信号的较低电平且可接着将驱动器放大器242的增益增大到原始电平。RFout信号接着可增大到原始高电平，其可接着使保护电路220减小驱动器放大器242的增益。可周期地重复此序列的事件直到负载失配改变为止。RFout信号电平的来回切换可归因于难以在严重负载失配的情形下维持RFout信号的包络稳定。RFout信号电平的来回切换可导致中断的呼叫，其可为不合意的。
第二，保护电路220可能不能够处理对RFout信号的振幅调制(如果存在)。可尽可能高地设定反馈回路的带宽，以便对高峰值电压迅速地作出反应。如果RFout信号具有振幅调制，则反馈回路将遵循RFout信号的时变包络，且来自误差放大器270的增益控制信号可不断地改变。结果，可通过反馈回路来调制RFout信号。
第三，保护电路220包括可对IC工艺、电压及温度(PVT)变化敏感的各种模拟电路。反馈回路的回路增益及相位可取决于模拟电路(例如，误差放大器270)的增益及延迟。反馈回路特性对模拟电路特性的此相依性可使得较难以维持反馈回路的稳定性。功率放大器244可能归因于回路不稳定性而振荡。
图3展示PA模块310及用以限制峰值电压的保护电路320的示范性设计的框图。PA模块310包括驱动器放大器342及功率放大器344，其可对应于图1中的驱动器放大器142及功率放大器144。驱动器放大器342接收RFin信号并以可配置增益放大所述RFin信号且提供中间RF信号。功率放大器344进一步放大所述中间RF信号并提供RFout信号。匹配电路346对功率放大器344执行输出阻抗匹配且耦合于功率放大器344与天线348之间。
在保护电路320内，衰减器350接收来自功率放大器344的RFout信号并提供峰值检测器输入信号(Vin)，其可为RFout信号的衰减版本。峰值检测器360检测Vin信号的峰值电压并提供指示检测的峰值电压的峰值检测器输出信号(Vpeak)。在图3中所示的示范性设计中，峰值检测器360包括与第二峰值检测器364串联耦合的第一峰值检测器362。第一峰值检测器362检测Vin信号的峰值电压并提供指示所检测峰值电压的中间信号(Vint)。第二峰值检测器364检测Vint信号的峰值电压并提供指示所检测峰值电压的Vpeak信号。峰值检测器362及364可共同地具有对RFout信号的上升振幅的快速响应及对RFout信号的下降振幅的缓慢响应。Vpeak信号因此可追踪RFout信号的上升振幅但可能拖后RFout信号的下降振幅。一组比较器370比较来自峰值检测器360的Vpeak信号与一组参考电压且提供一组比较器输出信号。防来回切换控制电路380接收所述比较器输出信号并产生具有滞后的至少一个控制信号以避免在两个输出功率电平之间来回切换。热/二进制编码器(thermal-to-binary encoder)390接收来自控制电路380的所述至少一个控制信号并产生至少一个增益控制信号，其形成对驱动器放大器342的增益控制。
如图3中所示，PA模块310及保护电路320耦合于负反馈回路中。保护电路320感测RFout信号的峰值电压并在检测到高峰值电压时减小驱动器放大器342的增益。驱动器放大器342的减小的增益将减小RFout信号的振幅，其将接着减小峰值电压。反馈回路中的保护电路320因此可通过减小驱动器放大器342的增益而减小并限制RFout信号的峰值电压。
图3中的保护电路320包括图2中的保护电路220中不存在的若干特征。第一，图2中的误差放大器270(其为模拟电路)以比较器370、防来回切换控制电路380及热/二进制编码器390(其为数字电路)替代。保护电路320中的数字电路可易于与PA模块310的其它数字增益控制功能组合。此外，数字电路可带来图3中的反馈回路的较具确定性的回路增益变化及回路稳定性。这可避免与PVT变化有关的不稳定性问题，其为图2中的保护电路220的诸多缺点中的一者。
第二，峰值检测器362及364可迅速地遵循RFout信号的上升振幅并缓慢地遵循RFout信号的下降振幅。这可允许保护电路320在检测到高峰值电压时迅速地减小驱动器放大器342的增益。这也可允许保护电路320处置对RFout信号的振幅调制，因为在RFout信号的振幅下降时，增益将不会迅速地改变。保护电路320因此可处置恒定振幅RF信号与经振幅调制的RF信号两者。针对具有恒定振幅RF信号的应用可包括或绕过峰值检测器364。
第三，防来回切换控制电路380可在检测到高峰值电压时提供滞后以避免在两个输出功率电平之间来回切换。驱动器放大器342的增益可在RFout信号超过高阈值(例如，归因于严重负载失配)时减小。这将使RFout信号的振幅降低。然而，驱动器放大器342的增益可仅在RFout信号下降到低于低阈值时增大，所述低阈值可设定为比高阈值低一滞后量。所述滞后可在检测到高峰值电压时避免驱动器放大器342的增益来回切换且可避免归因于来回切换所致的中断的呼叫。所述滞后也可在增益改变时避免归因于RFout信号包络中的振铃(ringing)所致的增益的来回切换。所述滞后可进一步允许保护电路320处置对RFout信号的振幅调制。
图3中的保护电路320可保护功率放大器344中的晶体管免于崩溃，同时避免图2中的保护电路220的缺点。此外，如下文所描述，可通过可编程或可调整组件来实施保护电路320，所述组件可提供对反馈回路特性进行编程的灵活性。
图4展示图3中的衰减器350、比较器370、防来回切换控制电路380及热/二进制编码器390的示范性设计的示意图。下文描述峰值检测器360。
在图4中所示的示范性设计中，衰减器350包括电容器452及454以及电阻器456及458。电容器452及电阻器456并联耦合且使其顶端接收RFout信号并使其底端耦合到节点A。电容器454及电阻器458并联耦合且使其顶端耦合到节点A并使其底端耦合到电路接地。电容器452及454作为功率耦合器操作且也作为用于RFout信号的动态分量的分压器操作。电阻器456及458作为用于RFout信号的直流(DC)分量的分压器操作。节点A处的Vin信号为RFout信号的衰减版本，其可在严重负载失配期间较大。分压器保护峰值检测器360在严重负载失配期间免受高压影响。大体来说，任何数目个电容器可用以形成分压器。也可通过具有可配置电容值的一个或一个以上电容器(例如，电容器454)形成可编程分压器。可选择电容分压器比，以使得在最坏情形的负载失配(例如，10∶1或可能更高的VSWR)情况下，Vin信号经电压限制以确保峰值检测器360的正确操作。衰减器350也可仅以电容器452及454或仅以电阻器456及458实施。
如图4中所示，峰值检测器360检测Vin信号的峰值电压并提供Vpeak信号。峰值检测器360可迅速地遵循RFout信号的上升振幅但对RFout信号的下降振幅有缓慢响应。
在图4中所示的示范性设计中，比较器370包括一组M个比较器470a到470m，其中M可为二或更大且在一个示范性设计中M＝3。M个电阻器472a到472m串联耦合，其中电阻器472m的顶端耦合到Vref电压。电流源474使一端耦合到电阻器472a的底端并使另一端耦合到电路接地。电阻器472a到472m的底端分别提供M个参考电压(Vref1到VrefM)，其中Vref1＜Vref2＜…＜VrefM。比较器470a到470m在一个输入处接收同一Vpeak信号且进一步在另一输入处分别接收Vref1到VrefM电压。每一比较器470比较Vpeak信号与其参考电压(Vrefm)并基于比较结果提供对应比较器输出信号(Bm)，其中m∈{1，...，M}。如果Vpeak信号超过Vrefm，则Bm比较器输出信号可处于逻辑高，且在其它情况下，Bm比较器输出信号可处于逻辑低。
驱动器放大器342可基于来自保护电路320的增益控制而设定为M个离散增益G1到GM中的一者，其中G1＞G2，…＞GM。可在Vpeak信号超过Vref2到VrefM时分别选择增益G2到GM。可在Vpeak信号低于Vref2时选择增益G1。更多的比较器470及更多的参考电压可用于以更精细分辨率支持更多离散增益。
在图4中所示的示范性设计中，防来回切换控制电路380包括M-1个D型锁存器480b到480m、M-1个或门482b到482m、反相器484及延迟电路486。反相器484接收并反相来自比较器470a的B1信号。延迟电路486接收并延迟B1信号且提供经延迟的B1信号(B1d)。可通过串联耦合的偶数个反相器来实施延迟电路486。或门482b到482m在一个输入处接收来自反相器484的同一输出信号且进一步在另一输入处分别接收来自比较器470b到470m的B2到BM信号。锁存器480b到480m在数据(D)输入处接收来自延迟电路486的同一经延迟的B1信号且进一步在时钟输入处分别接收来自或门482b到482m的X2到XM信号。锁存器480b到480m分别提供M-1个控制信号C2到CM。
图5展示说明针对M＝3的情况图4中的比较器470及防来回切换控制电路380的操作的时序图。在图5的项部展示来自峰值检测器360的Vpeak信号以及三个参考电压Vref1、Vref2及Vref3。Vref1与Vref2之间的差为滞后量。
在时间T1处，Vpeak信号超过Vref1，且来自比较器470a的B1信号转变到逻辑高。在时间T2处，Vpeak信号超过Vref2，且来自比较器470b的B2信号转变到逻辑高。在时间T3处，Vpeak信号超过Vref3，且来自比较器470m的B3信号转变到逻辑高。在时间T4处，Vpeak信号下降到低于Vref3，且B3信号转变回到逻辑低。在时间T5处，Vpeak信号降低到低于Vref2，且B2信号转变回到逻辑低。在时间T6处，Vpeak信号下降到低于Vref1，且B1信号转变回到逻辑低。每一比较器输出信号因此取决于Vpeak信号是高于还是低于用于所述比较器输出信号的参考电压而设定为逻辑高或逻辑低。
来自或门482b的X2信号(i)在B2信号处于逻辑高时从时间T2到时间T5处于逻辑高且也(ii)在B1信号处于逻辑低时从时间T6到时间T7处于逻辑高。类似地，来自或门482m的X3信号(i)在B3信号处于逻辑高时从时间T3到时间T4处于逻辑高且也(ii)在B1信号处于逻辑低时从时间T6到时间T7处于逻辑高。
来自锁存器470b的C2信号归因于B2信号的上升沿而在时间T2转变到逻辑高且归因于B1信号的下降沿而在时间T6转变到逻辑低。类似地，来自锁存器470m的C3信号归因于B3信号的上升沿而在时间T3处转变到逻辑高且归因于B1信号的下降沿而在时间T6转变到逻辑低。因此，来自每一锁存器的Cm数字控制信号(i)在对应Bm比较器输出信号转变到逻辑高时转变到逻辑高且(ii)在B1比较器输出信号转变到逻辑低时转变到逻辑低。
如图4及5中所示，B1信号用作功能控制位。C2到CM信号分别具有与B2到BM信号相同的上升沿，及与B1信号相同的下降沿。特定来说，当B2到BM信号转变到逻辑低时，C2到CM信号保持处于逻辑高直到B1信号转变到逻辑低为止。此功能是通过图4中的锁存器480b到480m及或门482b到482m而实现。仅在来自对应或门482的触发信号转变到逻辑高时才将每一锁存器480的输入传递到其输出。
可在来自比较器470的B2到BM信号与来自锁存器480的C2到CM信号之间获得经良好控制且可调整的滞后。所述滞后可用以避免RFout信号在两个输出功率电平之间来回切换。
C2到CM信号指示驱动器放大器342的所要增益并以第一数字格式给出。热/二进制编码器390接收C2到CM信号并产生指示所要增益并以用于驱动器放大器342的第二数字格式给出的D2到DM信号。D2到DM信号可分别对应于增益G2到GM。D2到DM信号中的至多一者可设定为逻辑高以选择对应增益。增益G1可对应于其中所有D2到DM信号处于逻辑低的状况。
图4展示针对M＝3的状况的热/二进制编码器390的示范性设计。在此示范性设计中，热/二进制编码器390包括异或(XOR)门490及与门492。异或门490接收C2及CM信号并提供D2信号。与门492接收C2及CM信号并提供DM信号。大体来说，M-2个异或门可用以产生D2到D(M-1)信号。每一异或门可接收Cm及C(m+1)信号并提供对应Dm信号，其中m∈{2，...，M-1}。与门492可基于C2及CM信号而产生DM信号。尽管为简单起见图4中未展示，但额外逻辑电路可组合D2到DM信号与用于现有增益控制功能的其它增益控制信号以产生用于驱动器放大器342的最终增益控制信号。
图5展示针对M＝3的状况的来自热/二进制编码器390的D2及D3信号。D2信号在C2信号处于逻辑高且C3信号未处于逻辑高时处于逻辑高。D3信号在C3信号处于逻辑高时处于逻辑高。D2及D3信号中的至多一者在任一给定时刻处于逻辑高。可在D3信号处于逻辑高时选择最低增益G3。在D2信号处于逻辑高时选择中间增益G2。可在D2及D3信号两者处于逻辑低时选择最高增益G1。
图4展示保护电路320的示范性设计，保护电路320可保护功率放大器344中的晶体管免于崩溃，避免RFout信号在两个输出功率电平之间来回切换，且提供其它优点。也可以其它方式实施保护电路。
图6展示保护电路322的示范性设计的框图，除第二峰值检测器364外，保护电路322包括图3中的保护电路320中的所有电路。在此示范性设计中，峰值检测器362将其输出作为Vpeak信号直接提供到比较器370。保护电路322可能够基于由防来回切换控制电路380提供的滞后而避免RFout信号的来回切换。
图7展示保护电路324的示范性设计的框图，除防来回切换控制电路380外，保护电路324包括图3中的保护电路320中的所有电路。在此示范性设计中，将来自比较器370的比较器输出信号直接提供到热/二进制编码器390。保护电路324可能够基于对RFout信号的下降振幅的缓慢响应而避免RFout信号的来回切换。
大体来说，仅使用防来回切换控制电路380(如图6中所示)或仅使用峰值检测器364(如图7中所示)或使用防来回切换控制电路380与峰值检测器364两者(如图3中所示)，可避免驱动器放大器342的增益(且因此RFout信号的振幅)的来回切换。与单独使用防来回切换控制电路380或峰值检测器364相比，防来回切换控制电路380与峰值检测器364两者的使用可能够避免驱动器放大器342的增益在较大RFout信号范围上来回切换。
图3、6及7展示可调整驱动器放大器342的增益以改变RFout信号电平的示范性设计。大体来说，发射器增益可经调整以改变RFout信号电平。发射器增益可包含驱动器放大器的增益(如果其为可配置的)及/或发射路径中的一个或一个以上其它电路的增益。举例来说，保护电路可改变VGA 136的增益、数据处理器110内的数字倍增器的增益及/或发射路径中的其它电路的增益以改变RFout信号电平。
图8展示图3、6及7中的峰值检测器362的示范性设计的示意图。在峰值检测器362中，N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管812使其栅极接收Vin信号，使其源极耦合到节点U并使其漏极耦合到电源(Vdd)。电流源814及电容器816并联耦合在节点U与电路接地之间。NMOS晶体管822使其栅极耦合到峰值检测器362的输出，使其源极耦合到节点V并使其漏极耦合到Vdd供应。电流源824耦合于节点V与电路接地之间。运算放大器(op-amp)826使其非反相输入耦合到节点U，使其反相输入耦合到节点V并使其输出耦合到NMOS晶体管822的栅极。电流源814及824各自提供Ibias电流。
峰值检测器362如下操作。NMOS晶体管812在存在Vin信号的情况下充当整流正向偏置二极管并将电荷换向到电容器816上以获得正整流电压。为使电荷转移针对电容器816为双向的，电流源814充当恒定电流宿，以使得峰值检测器362可响应于时变波形。Vin信号可包括系统带宽内的调制频率的连续区。可选择电容器816的C1电容及电流源814的Ibias电流，以使得可遵循并追踪Vin信号上的包络的最高振幅及最快电压改变速率(dv/dt)。将电容器816上的所得经整流电压提供到高输入阻抗运算放大器826以防止电荷从电容器816泄漏。
节点U处的经整流电压等于NMOS晶体管812的栅极处的电压减去NMOS晶体管812的栅极到源极电压(Vgs)。运算放大器826连接于负反馈回路中并设定NMOS晶体管822的栅极电压，以使得节点V处的电压匹配节点U处的电压。NMOS晶体管822的栅极电压应匹配NMOS晶体管812的栅极电压，因为NMOS晶体管822及电流源824为NMOS晶体管812及电流源814的复制品。NMOS晶体管822因此补偿NMOS晶体管812的Vgs电压。
图9展示图3及7中的峰值检测器364的示范性设计的示意图。在峰值检测器364中，运算放大器910使其反相输入接收来自峰值检测器362的Vint信号并使其非反相输入耦合到节点Y，节点Y也是峰值检测器364的输出。P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管912及922耦合为电流镜且使其栅极耦合在一起并使其源极耦合到Vdd供应。PMOS晶体管912的栅极及漏极耦合在一起并耦合到运算放大器910的输出。PMOS晶体管922的漏极耦合到节点Y。电流源924及电容器926并联耦合在节点Y与电路接地之间。电流源924提供Idis电流。
峰值检测器364如下操作。当Vint信号变高时，运算放大器910的输出变低，且PMOS晶体管912及922两者接通。PMOS晶体管922以相对大量的电流对电容器926充电。相比来说，当Vint信号变低时，运算放大器910的输出变高，且PMOS晶体管912及922两者断开。电流源924充当从电容器926移除电荷的恒定电流宿。然而，来自PMOS晶体管922的充电电流可能远大于来自电流源924的放电电流。举例来说，充电电流可为约几微安(μA)，而放电电流可为约几纳安(nA)。在此状况下，峰值检测器364可对Vint信号的上升振幅迅速地作出反应但可对Vint信号的下降振幅缓慢地作出反应。Idis电流可经选择以获得对Vint信号的下降振幅的所要缓慢响应。来自峰值检测器364的Vpeak信号接着可追踪Vint信号的快速上升振幅且可拖后Vint信号的下降振幅，如果RFout信号经振幅调制，则此可为尤其合意的。
图8及9展示峰值检测器362及364的示范性设计。如图8中所示，峰值检测器362可由于NMOS晶体管812的高速度而对RF信号操作。如图9中所示，峰值检测器364可归因于运算放大器910的相对缓慢的速度而对包络信号操作。也可以其它方式实施峰值检测器362及364。
对于用于功率放大器的保护电路，合适的峰值检测器应具有对上升振幅的快速响应(即，快得足以保护功率放大器中的晶体管)及对下降振幅的较慢响应(以确保稳定的反馈回路)。可通过以下各者的级联而获得这些特性：(i)具有对上升振幅及下降振幅两者的快速响应的峰值检测器362及(ii)具有对上升振幅的快速响应及对下降振幅的缓慢响应的峰值检测器364。峰值检测器362及364也可组合于单一电路中。
返回参看图4，Vref2到VrefM可与驱动器放大器342的不同离散增益相关联，且Vref1及Vref2可确定滞后量。所要的Vref1到VrefM可在来自电流源474的给定Iref电流的情况下通过以下各者获得：(i)电阻器472a到472m的适当值及(ii)Vref的适当值。在示范性设计中，可执行校准以确定适当Vref值。对于校准，RFin信号可设定为标称信号电平，且标称增益可经选择以用于驱动器放大器342。可将最坏情形VSWR(例如，20∶1或10∶1)应用于功率放大器344。接着可调整Vref，以使得保护电路开启并降低驱动器放大器342的增益。接着可将Vref设定为保护电路开启所处的电压。所要Vref1到VrefM可通过以下各者获得：(i)根据校准确定的适当Vref及(ii)电阻器值的适当比(其可从设计准确地获得)。
在示范性设计中，一设备(例如，无线装置、集成电路等)可包括PA模块及保护电路，(例如)如图3及4中所示。所述PA模块可接收输入RF(RFin)信号并提供输出RF(RFout)信号。所述保护电路可耦合到所述PA模块并可控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响。所述保护电路可包括多个比较器，其可接收基于所述RFout信号而获得的模拟输入信号，量化所述模拟输入信号并提供用以调整所述发射器增益的多个数字比较器输出信号。
在示范性设计中，所述PA模块可包括与功率放大器串联耦合的驱动器放大器，(例如)如图3及4中所示。所述发射器增益可包含所述驱动器放大器的增益。所述保护电路可控制所述驱动器放大器的增益以保护所述功率放大器免受所述RFout信号的高峰值电压影响。在另一示范性设计中，所述PA模块可仅包括功率放大器。所述保护电路可控制所述功率放大器的增益及/或发射路径中的某一其它增益。
在示范性设计中，所述保护电路可进一步包括峰值检测器。所述峰值检测器可接收基于所述RFout信号而获得的峰值检测器输入信号(例如，Vin)，基于所述峰值检测器输入信号来检测所述RFout信号的峰值电压，并将所述模拟输入信号(例如，Vpeak)提供到所述多个比较器。在示范性设计中，所述模拟输入信号可追踪所述RFout信号的上升振幅但可拖后所述RFout信号的下降振幅。
在示范性设计中，所述多个比较器中的每一者可在第一输入处接收所述模拟输入信号，在第二输入处接收多个参考电压(例如，Vref1到VrefM)中的一者，并提供所述多个比较器输出信号(例如，B1到BM信号)中的一者，(例如)如图4中所示。使用的比较器的数目可取决于用于所述发射器增益的离散增益值的数目。
在示范性设计中，所述保护电路可进一步包括防来回切换控制电路，其基于所述比较器输出信号产生具有滞后的至少一个控制信号。所述比较器输出信号可包括至少一个比较器输出信号(例如，B2到BM信号)及一指定的比较器输出信号(例如，B1信号)。所述至少一个控制信号(例如，C2到CM信号)可具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。
在示范性设计中，所述保护电路可进一步包括热/二进制编码器，其基于以下各者而产生至少一个增益控制信号(例如，D2到DM信号)：(i)来自所述防来回切换控制电路的所述至少一个控制信号或(ii)来自所述比较器的比较器输出信号。所述至少一个增益控制信号可与用于所述发射器增益的至少一个离散增益值相关联。可在任一给定时刻断言至多一个增益控制信号以选择用于发射器增益的至多一个离散增益值。
在另一示范性设计中，所述设备可包括PA模块及保护电路。所述PA模块可接收RFin信号并提供RFout信号。保护电路可控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响。所述保护电路可在所述RFout信号的振幅超过高阈值时减小发射器增益，且可在所述RFout信号的振幅下降到低于低阈值时增大发射器增益。所述低阈值可低于所述高阈值以提供滞后。
在示范性设计中，所述保护电路可在RFout信号的振幅超过所述高阈值时将发射器增益从第一增益值(例如，G1)减小到第二增益值(例如，G2)。所述保护电路可在RFout信号的振幅超过较高阈值时进一步将发射器增益减小到第三增益值(例如，G3)。所述较高阈值可高于所述高阈值。所述保护电路可在RFout信号的振幅下降到低于所述低阈值时将所述发射器增益从第二增益值或第三增益值增大到第一增益值。
在示范性设计中，所述保护电路可包括多个比较器及一防来回切换控制电路。所述比较器可接收基于RFout信号而获得的模拟输入信号，基于多个参考电压(例如，Vref1到VrefM)量化所述模拟输入信号，并提供多个比较器输出信号。所述多个参考电压可对应于多个阈值，其可包括上文提及的高阈值、较高阈值及低阈值。所述控制电路可基于比较器输出信号而产生具有滞后的至少一个控制信号。所述比较器输出信号可包括至少一个比较器输出信号及一指定的比较器输出信号，其可基于低阈值而产生。所述至少一个控制信号可具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。所述至少一个控制信号可用以调整发射器增益。
在示范性设计中，RFout信号可经振幅调制且可具有时变包络。在另一示范性设计中，RF信号可具有恒定振幅。在任一状况下，滞后可避免归因于PA模块的输出处的负载失配所致的发射器增益在两个增益值之间的来回切换。
在又一示范性设计中，设备可包括PA模块及保护电路。所述PA模块可接收RFin信号并提供RFout信号。所述保护电路可控制发射器增益以保护所述PA模块免受RFout信号的高峰值电压影响。所述保护电路可具有相比于对RFout信号的下降振幅的响应来说较快的对所述RFout信号的上升振幅的响应。
在示范性设计中，所述保护电路可包括峰值检测器，其检测RFout信号的峰值电压。所述峰值检测器可接收基于RFout信号而获得的输入信号，基于所述输入信号而检测RFout信号的峰值电压，并提供追踪所述RFout信号的上升振幅并拖后RFout信号的下降振幅的输出信号。在示范性设计中，所述峰值检测器可包括第一峰值检测器及第二峰值检测器，(例如)如图3中所示。所述第一峰值检测器可接收输入信号并提供追踪RFout信号的上升振幅及下降振幅的中间信号。所述第二峰值检测器可耦合到第一峰值检测器且可接收所述中间信号并提供输出信号。所述第二峰值检测器可具有(i)用于检测RFout信号的上升振幅的充电电流及(ii)用于检测RFout信号的下降振幅的放电电流。放电电流可比充电电流小至少一个数量级以获得对RFout信号的下降振幅的较慢响应。
在示范性设计中，RFout信号可经振幅调制。所述保护电路可归因于振幅调制而追踪RFout信号的上升振幅且可归因于振幅调制而拖后RFout信号的下降振幅。在另一示范性设计中，所述RFout信号可具有恒定振幅。对于两种示范性设计，所述保护电路可归因于负载失配而追踪RFout信号的上升振幅。
图10展示用于保护PA模块的过程的示范性设计。可通过PA模块来放大RFin信号以获得RFout信号(框912)。可控制发射器增益以保护所述PA模块免受RFout信号的高峰值电压影响(框914)。发射器增益可(i)基于来自多个比较器的多个比较器输出信号来调整，或(ii)在具有滞后的情况下减小及增大，或(iii)基于相比于对RFout信号的下降振幅的响应来说较快的对RFout信号的上升振幅的响应来调整，或(iv)其组合。
在示范性设计中，可检测RFout信号的峰值电压，且可提供追踪RFout信号的上升振幅并拖后RFout信号的下降振幅的峰值检测器输出信号。在示范性设计中，可在两个步骤中执行峰值检测。对于第一步骤，可通过第一峰值检测器来检测RFout信号的峰值电压以获得追踪RFout信号的上升振幅及下降振幅的中间信号。在第二步骤中，可通过第二峰值检测器来检测所述中间信号的峰值电压以获得追踪RFout信号的上升振幅并拖后RFout信号的下降振幅的峰值检测器输出信号。也可以其它方式执行峰值检测。
在示范性设计中，发射器增益可在RFout信号的振幅超过高阈值时减小。发射器增益可在RFout信号的振幅下降到低于低阈值时增大。所述低阈值可低于所述高阈值以提供滞后。
在示范性设计中，可基于所述多个比较器输出信号而产生用以调整发射器增益的至少一个控制信号。所述比较器输出信号可包括至少一个比较器输出信号及一指定的比较器输出信号。所述至少一个控制信号可具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。
本文中所描述的PA模块及保护电路可实施于IC、模拟IC、RFIC、混频信号IC、ASIC、印刷电路板(PCB)、电子装置等上。也可通过例如互补金属氧化物半导体(CMOS)、NMOS、PMOS、双极结型晶体管(BJT)、双极CMOS(BiCMOS)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)等的各种IC工艺技术来制造PA模块及保护电路。
实施本文中所描述的PA模块及保护电路的设备可为独立装置或可为较大装置的部分。装置可为(i)独立IC、(ii)可包括用于存储数据及/或指令的存储器IC的一组一个或一个以上IC、(iii)例如RF接收器(RFR)或RF发射器/接收器(RTR)的RFIC、(iv)ASIC、(v)可嵌入于其它装置内的模块、(vi)接收器、蜂窝式电话、无线装置、手持机或移动单元、(vii)等。
在一个或一个以上示范性设计中，可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施所描述的功能。如果以软件实施，则可将所述功能作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体来传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体与通信媒体两者，通信媒体包括促进计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。举例来说且并非限制，这些计算机可读媒体可包含：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用以载运或存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码并可由计算机存取的任何其它媒体。且，将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤缆线、双绞线、数字订户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)而从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤缆线、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字通用光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性的方式再生数据，而光盘通过激光以光学的方式再生数据。上述各物的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。
提供本发明的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制造或使用本发明。所属领域的技术人员将容易明了对本发明的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它变体。因此，本发明既定不限于本文所描述的实例及设计，而应被赋予与本文所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (28)

1.一种设备，其包含：
功率放大器PA模块，其接收输入射频RFin信号并提供输出RF RFout信号；及保护电路，其耦合到所述PA模块并控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响，所述保护电路包含多个比较器，所述多个比较器用以接收基于所述RFout信号而获得的模拟输入信号，量化所述模拟输入信号，并提供用以调整所述发射器增益的多个数字比较器输出信号。
2.根据权利要求1所述的设备，所述多个比较器中的每一者在第一输入处接收所述模拟输入信号，在第二输入处接收多个参考电压中的一者，并提供所述多个比较器输出信号中的一者。
3.根据权利要求1所述的设备，所述保护电路进一步包含
控制电路，其基于所述多个比较器输出信号而产生具有滞后的至少一个控制信号，所述至少一个控制信号用以调整所述发射器增益。
4.根据权利要求3所述的设备，所述多个比较器输出信号包含至少一个比较器输出信号及一指定的比较器输出信号，所述至少一个控制信号具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。
5.根据权利要求1所述的设备，所述保护电路进一步包含
热/二进制编码器，其基于所述多个比较器输出信号而产生用以调整所述发射器增益的至少一个增益控制信号。
6.根据权利要求5所述的设备，所述至少一个增益控制信号与所述发射器增益的至少一个离散增益值相关联，且所述至少一个增益控制信号中的至多一者经断言以选择所述至少一个离散增益值中的至多一者。
7.根据权利要求1所述的设备，所述保护电路进一步包含
峰值检测器，其接收基于所述RFout信号而获得的峰值检测器输入信号，基于所述峰值检测器输入信号而检测所述RFout信号的峰值电压，并将所述模拟输入信号提供到所述多个比较器。
8.根据权利要求7所述的设备，所述模拟输入信号追踪所述RFout信号的上升振幅并拖后所述RFout信号的下降振幅。
9.根据权利要求1所述的设备，所述PA模块包含与功率放大器串联耦合的驱动器放大器，所述发射器增益包含所述驱动器放大器的增益，且所述保护电路控制所述驱动器放大器的所述增益以保护所述功率放大器免受所述RFout信号的高峰值电压影响。
10.一种设备，其包含：
功率放大器PA模块，其接收输入射频RFin信号并提供输出RF RFout信号；及保护电路，其耦合到所述PA模块并控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响，所述保护电路在所述RFout信号的振幅超过高阈值时减小所述发射器增益并在所述RFout信号的所述振幅下降到低于低阈值时增大所述发射器增益，所述低阈值低于所述高阈值以提供滞后。
11.根据权利要求10所述的设备，所述保护电路在所述RFout信号的所述振幅超过所述高阈值时将所述发射器增益从第一增益值减小到第二增益值，且在所述RFout信号的所述振幅超过较高阈值时将所述发射器增益进一步减小到第三增益值，所述较高阈值高于所述高阈值。
12.根据权利要求11所述的设备，所述保护电路在所述RFout信号的所述振幅下降到低于所述低阈值时将所述发射器增益从所述第二增益值或所述第三增益值增大到所述第一增益值。
13.根据权利要求10所述的设备，所述保护电路包含
峰值检测器，其检测所述RFout信号的峰值电压并提供追踪所述RFout信号的上升振幅并拖后所述RFout信号的下降振幅的输出信号，且所述发射器增益是基于来自所述峰值检测器的所述输出信号而增大或减小。
14.根据权利要求10所述的设备，所述保护电路包含
多个比较器，其接收基于所述RFout信号而获得的模拟输入信号，基于多个参考电压而量化所述模拟输入信号，并提供多个比较器输出信号，所述多个参考电压对应于包括所述高阈值及所述低阈值的多个阈值，及
控制电路，其基于所述多个比较器输出信号而产生具有滞后的至少一个控制信号，所述至少一个控制信号用以调整所述发射器增益。
15.根据权利要求14所述的设备，所述多个比较器输出信号包含基于所述低阈值而产生的至少一个比较器输出信号及一指定的比较器输出信号，所述至少一个控制信号具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。
16.根据权利要求10所述的设备，所述RFout信号经振幅调制并具有时变包络。
17.根据权利要求10所述的设备，所述滞后避免归因于所述PA模块的输出处的负载失配所致的所述发射器增益在两个增益值之间的来回切换。
18.一种设备，其包含：
功率放大器PA模块，其接收输入射频RFin信号并提供输出RF RFout信号；及保护电路，其耦合到所述PA模块并控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响，所述保护电路具有对所述RFout信号的上升振幅比对所述RFout信号的下降振幅快的响应。
19.根据权利要求18所述的设备，所述保护电路包含
峰值检测器，其接收基于所述RFout信号而获得的输入信号，基于所述输入信号而检测所述RFout信号的峰值电压，并提供追踪所述RFout信号的所述上升振幅并拖后所述RFout信号的所述下降振幅的输出信号。
20.根据权利要求19所述的设备，所述峰值检测器包含
第一峰值检测器，其接收所述输入信号并提供追踪所述RFout信号的所述上升振幅及所述下降振幅的中间信号，及
第二峰值检测器，其耦合到所述第一峰值检测器且接收所述中间信号并提供所述输出信号。
21.根据权利要求20所述的设备，所述第二峰值检测器具有用于检测所述RFout信号的所述上升振幅的充电电流及用于检测所述RFout信号的所述下降振幅的放电电流，所述放电电流比所述充电电流小至少一个数量级。
22.根据权利要求18所述的设备，所述RFout信号经振幅调制，且所述保护电路归因于振幅调制而追踪所述RFout信号的所述上升振幅并归因于振幅调制而拖后所述RFout信号的所述下降振幅。
23.一种保护功率放大器PA模块的方法，其包含：
通过所述PA模块放大输入射频RFin信号以获得输出RF RFout信号；及
控制发射器增益以保护所述PA模块免受所述RFout信号的高峰值电压影响，所述发射器增益是基于来自多个比较器的多个比较器输出信号而调整，或在具有滞后的情况下减小及增大，或基于对所述RFout信号的上升振幅比对所述RFout信号的下降振幅的响应快的响应来调整，或其组合。
24.根据权利要求23所述的方法，所述控制所述发射器增益包含
检测所述RFout信号的峰值电压及提供追踪所述RFout信号的所述上升振幅并拖后所述RFout信号的所述下降振幅的峰值检测器输出信号。
25.根据权利要求24所述的方法，所述检测所述RFout信号的峰值电压包含
通过第一峰值检测器检测所述RFout信号的所述峰值电压以获得追踪所述RFout信号的所述上升振幅及所述下降振幅的中间信号，及
通过第二峰值检测器检测所述中间信号的峰值电压以获得所述峰值检测器输出信号。
26.根据权利要求23所述的方法，所述控制所述发射器增益包含
在所述RFout信号的所述振幅超过高阈值时减小所述发射器增益，及
在所述RFout信号的所述振幅下降到低于低阈值时增大所述发射器增益，所述低阈值低于所述高阈值以提供滞后。
27.根据权利要求23所述的方法，所述控制所述发射器增益包含
基于所述多个比较器输出信号而产生用以调整所述发射器增益的至少一个控制信号，所述多个比较器输出信号包含至少一个比较器输出信号及一指定的比较器输出信号，所述至少一个控制信号具有通过所述至少一个比较器输出信号确定的前沿及通过所述指定的比较器输出信号确定的下降沿。
28.一种设备，其包含：
用于放大输入射频RFin信号以获得输出RF RFout信号的装置；及
用于控制发射器增益以保护所述用于放大的装置免受所述RFout信号的高峰值电压影响的装置，所述发射器增益是基于来自多个比较器的多个比较器输出信号来调整，或在具有滞后的情况下减小及增大，或基于对所述RFout信号的上升振幅比对所述RFout信号的下降振幅的响应快的响应来调整，或其组合。
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