CN102843107B

CN102843107B - 一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路

Info

Publication number: CN102843107B
Application number: CN201210359795.6A
Authority: CN
Inventors: 潘文光; 肖时茂; 黄伟; 于云丰
Original assignee: WUXI ZHONGKE MICROELECTRONIC INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: WUXI ZHONGKE MICROELECTRONIC INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102843107A

Abstract

本发明提出了一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路，包括依次连接的偏置电路、射频功率放大器电路和输出功率检测电路，输出功率检测电路的输出端再连接到偏置电路的输入端；所述偏置电路为射频功率放大器电路提供偏置电压，该偏置电压根据输出功率检测电路的输出电压值自动调节，进而控制射频功率放大器电路的输出功率；射频功率放大器电路将输入信号进行放大并输出功率，驱动后级负载；输出功率检测电路检测射频功率放大器电路的输出功率值，并将功率值转化为相应的直流电压值进行输出，并供给偏置电路。其优点是：能够对输出功率进行自动调节，从而减弱工艺偏差、温度变化等因素对射频放大器输出功率值的影响，可用于无线收发器芯片中。

Description

一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路

技术领域

本发明属于射频集成电路设计技术领域，涉及一种片上集成的输出功率自动调节的射频功率放大器电路。

背景技术

传统的射频模拟前端大多采用SiGe、GaAs、HBT或者Bipolar等工艺，它们具有高达100GHz以上的特征频率和良好的电流驱动能力。一般说来，晶体管的工作频率应该低于特征频率的1/10，因此以上工艺被广泛应用在各种RFIC模块中。但是，随着亚微米、深亚微米技术的发展，CMOS工艺经历了飞跃性的发展，其沟道长度不断减小，从0.25μm、0.18μm减小到0.13μm，乃至现在的90nm、45nm，CMOS技术在射频领域的应用得到了越来越多的突破，这一转变主要体现在几个方面：一方面是CMOS器件的特征频率得到了大幅度提高，如65nm工艺器件达到了170GHz的特征频率，而90nm工艺器件的特征频率也有近100GHz，因此频率特性已不构成RF CMOS的壁垒。另一方面，随着沟道长度的减小，CMOS器件的跨导得到了很大的改善，已经与硅基Bipolar接近，可以满足部分低端应用的需要，并逐步向高端应用迈进。

CMOS工艺快速发展的背景，为数模混合的单片CMOS收发机的实现提供了基础。同时由于CMOS工艺相比于其它工艺在集成度、功耗、成本等方面具有的优势，CMOS工艺已经成为了通信系统SOC化的首选。这就要求CMOS必须在实现Digital、Analog、Memory等功能的同时，还可以集成RF电路。

在短短的几年时间里，基于CMOS工艺的短距离无线通信技术得到了巨大的发展。基于蓝牙、Zigbee、UWB等各种无线通信协议以及自定义协议的芯片层出不穷，且应用价格越来越低。这一切全都依赖于射频集成电路技术的逐步成熟。采用CMOS工艺实现短距离无线收发芯片的技术目前已经比较成熟，短距离无线收发芯片已经广泛地应用在无线鼠标、无线遥控、无线数传、以及其他无线网络系统中。在市场上，已经出现了多款产品，无线收发芯片的竞争日趋激烈。如何缩减芯片面积，节省成本，降低功耗，已经成为短距离无线收发芯片设计的焦点。

射频功率放大器工作于无线收发芯片内部的发射链路中，用于将有用信号进行放大，并通过天线发射出去。采用CMOS工艺设计射频功率放大器技术已经比较成熟。功率放大器的设计通常要求其输出功率值稳定，但是由于工艺偏差，温度变化等因素的影响，输出功率值会在很大的范围内变化，这还没有考虑到输入信号的幅度受工艺偏差以及温度变化的影响，若是考虑到输入信号的变化，则功率放大器输出的功率值会在更大范围内变化。输出功率值的大范围变化，是设计中所不希望的，所必须对输出功率值进行反馈控制，使其稳定在设定的范围内，以满足系统要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路，通过电路内部的自动反馈控制，该功率放大器电路能够对输出功率进行自动调节，从而减弱工艺偏差、温度变化等因素对射频放大器输出功率值的影响，以满足系统要求。

按照本发明提供的技术方案，所述输出功率自动调节的射频功率放大器电路，包括依次连接的偏置电路、射频功率放大器电路和输出功率检测电路，输出功率检测电路的输出端再连接到偏置电路的输入端；所述偏置电路为射频功率放大器电路提供偏置电压，该偏置电压根据输出功率检测电路的输出电压值自动调节，进而控制射频功率放大器电路的输出功率，使得输出功率稳定在设定范围内；所述射频功率放大器电路采用全差分放大器电路结构，将系统前级提供的差分输入信号进行放大并输出功率，驱动后级负载；所述输出功率检测电路检测射频功率放大器电路的输出功率值，并将功率值转化为相应地直流电压值进行输出，并供给偏置电路。

具体的，所述偏置电路包括：第八PMOS管的源端接电源，第八PMOS管的栅端和漏端连接在一起，并连接电流基准的一端和第九PMOS管栅极，第八PMOS管为第九PMOS管提供偏置电压，电流基准的另一端接地，第九PMOS管的源端连接电源，漏端连接第十一PMOS管的漏端，同时还连接到第十NMOS管的漏端和栅端，第十NMOS管的栅端和漏端连接在一起，形成一个偏置电压提供给射频功率放大器电路，第十NMOS管的源端连接地，第十一PMOS管的源端经过第三电阻连接到电源，第十一PMOS管的栅端连接运算放大器的输出端，运算放大器连接成单位增益负反馈的结构，即其反相输入端与输出端相连，运算放大器的同相输入端连接功率检测电路的输出端；功率检测电路的输出信号经过运算放大器的隔离后控制第十一PMOS管的栅端，从而控制流过第十NMOS管的电流，进而能够控制射频功率放大器电路的输出功率值，使其稳定在设定值附近。

所述射频功率放大器电路的结构包括：第五NMOS管为射频功率放大器电路的尾电流源，其栅端连接偏置电路中第十NMOS管的栅端和漏端，第五NMOS管源端接地，第五NMOS管漏端连接第一输入NMOS管和第二输入NMOS管的源端，为两个输入NMOS管提供偏置电流；第一输入NMOS管和第二输入NMOS管的源端连接在一起，并连接第五NMOS管的漏端，其中第一输入NMOS管的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的一端，第二输入NMOS管的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的另一端；第一输入NMOS管的漏端连接第三NMOS管的源端，第三NMOS管栅端连接电源，第三NMOS管的漏端是射频功率放大器电路的一个输出端，连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第一输入NMOS管和第三NMOS管构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；第二输入NMOS管的漏端连接第四NMOS管的源端，第四NMOS管的栅端连接电源，第四NMOS管的漏端是射频功率放大器电路的另一个输出端，连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第二输入NMOS管和第四NMOS管构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；第一电感和第一电容的两端分别连接在一起，形成第一负载电路，所述第一负载电路一端连接电源，另一端连接第三NMOS管的漏端，以及第三隔直电容的一端，将输出信号经第三隔直电容送到功率检测电路；第二电感和第二电容的两端分别连接在一起，形成第二负载电路，所述第二负载电路一端连接电源，另一端连接第四NMOS管的漏端，以及第四隔直电容的一端，将输出信号经第四隔直电容送到功率检测电路。

所述射频功率放大器电路采用电感做负载抵消各种寄生电容的影响，提高射频功率放大器的增益；第一电感、第二电感采由片上螺旋电感实现，集成在芯片内部。

所述的功率检测电路的结构包括：第六NMOS管，第七NMOS管构成功率检测电路的输入端；第六NMOS管的栅端连接第三隔直电容的另一端并通过第二电阻连接偏置电压，偏置电压经过第二电阻为第六NMOS管的栅端提供偏置电压；第三隔直电容隔断射频功率放大器电路输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路的输入端；第二电阻和第三隔直电容构成一个交流耦合电路；第七NMOS管的栅端连接第四隔直电容的另一端并通过第一电阻连接偏置电压，偏置电压经过第一电阻为第七NMOS管的栅端提供偏置电压，第四隔直电容隔断射频功率放大器电路输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路的输入端；第一电阻和第四隔直电容构成一个交流耦合电路；第六NMOS管的源端和第七NMOS管的源端相连，并连接偏置电流源的一端和第五电容的一端；偏置电流源的另一端接地，偏置电流源为第六NMOS管、第七NMOS管提供偏置电流；第五电容另一端连接地，用于滤除高频信号，从而得到输出的直流电压信号。

本发明的优点是：由所述射频功率放大器电路（22），输出功率检测电路（23）和偏置电路（21）构成的反馈环路，其环路增益有限，既减弱了工艺偏差、温度变化等因素对电路输出功率的影响，又避免了环路的稳定性问题。通过内部的反馈控制，使得该电路的输出功率值能够稳定在预定的范围内，该电路应用在短距离无线收发芯片中。

附图说明

图1显示了本发明提出的输出功率自动调节的射频功率放大器电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的出功率自动调节的射频功率放大器电路包括：依次连接的偏置电路21、射频功率放大器电路22和输出功率检测电路23，输出功率检测电路23的输出端再连接到偏置电路21的输入端；所述偏置电路21为射频功率放大器电路22提供偏置电压，该偏置电压根据输出功率检测电路23的输出电压值自动调节，进而控制射频功率放大器电路22的输出功率，使得输出功率稳定在设定范围内；所述射频功率放大器电路22采用全差分放大器电路结构，将系统前级提供的差分输入信号进行放大并输出功率，驱动后级负载；所述输出功率检测电路23检测射频功率放大器电路22的输出功率值，并将功率值转化为相应的直流电压值进行输出，并供给偏置电路21。

所述偏置电路21包括：第八PMOS管M8的源端接电源VDD，第八PMOS管M8的栅端和漏端连接在一起，并连接系统提供的电流基准I_REF的一端和第九PMOS管M9栅极，第八PMOS管M8为第九PMOS管M9提供偏置电压，电流基准I_REF的另一端接地GND，第九PMOS管M9的源端连接电源VDD，漏端连接第十一PMOS管M11的漏端，同时还连接到第十NMOS管M10的漏端和栅端，第十NMOS管M10的栅端和漏端连接在一起，形成一个偏置电压提供给射频功率放大器电路22，第十NMOS管M10的源端连接地GND，第十一PMOS管M11的源端经过第三电阻R3连接到电源VDD，第十一PMOS管M11的栅端连接运算放大器OPA1的输出端，运算放大器OPA1连接成单位增益负反馈的结构，即其反相输入端与输出端相连，运算放大器OPA1的同相输入端连接功率检测电路23的输出端；功率检测电路23的输出信号经过运算放大器OPA1的隔离后控制第十一PMOS管M11的栅端，从而控制流过第十NMOS管M10的电流，进而能够控制射频功率放大器电路22的输出功率值，使其稳定在设定值附近。

所述射频功率放大器电路22采用经典的全差分放大器结构，以减小共模信号对地GND的干扰，包括：第五NMOS管M5为全差分放大器的尾电流源，其栅端连接偏置电路21中第十NMOS管M10的栅端和漏端，第五NMOS管M5源端接地GND，第五NMOS管M5漏端连接第一输入NMOS管M1和第二输入NMOS管M2的源端，为两个输入NMOS管提供偏置电流；第一输入NMOS管M1和第二输入NMOS管M2的源端连接在一起，并连接第五NMOS管M5的漏端，其中第一输入NMOS管M1的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的一端V_IN，第二输入NMOS管M2的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的另一端V_IP；第一输入NMOS管M1的漏端连接第三NMOS管M3的源端，第三NMOS管M3栅端连接电源VDD，第三NMOS管M3的漏端是射频功率放大器电路22的一个输出端VOP，连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第一输入NMOS管M1和第三NMOS管M3构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；第二输入NMOS管M2的漏端连接第四NMOS管M4的源端，第四NMOS管M4的栅端连接电源VDD，第四NMOS管M4的漏端是射频功率放大器电路22的另一个输出端VON，连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第二输入NMOS管M2和第四NMOS管M4构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；第一电感L1和第一电容C1的两端分别连接在一起，形成第一负载电路，所述第一负载电路一端连接电源VDD，另一端连接第三NMOS管M3的漏端，以及第三隔直电容C3的一端，将输出信号经第三隔直电容C3送到功率检测电路23；第二电感L2和第二电容C2的两端分别连接在一起，形成第二负载电路，所述第二负载电路一端连接电源VDD，另一端连接第四NMOS管M4的漏端，以及第四隔直电容C4的一端，将输出信号经第四隔直电容C4送到功率检测电路23。

所述射频功率放大器电路22采用电感做负载抵消各种寄生电容的影响，提高射频功率放大器的增益；第一电感L1、第二电感L2采由片上螺旋电感实现，集成在芯片内部。

所述的功率检测电路23的结构包括：第六NMOS管M6，第七NMOS管M7构成功率检测电路23的输入端；第六NMOS管M6的栅端连接第三隔直电容C3的另一端并通过第二电阻R2连接偏置电压VB1，偏置电压VB1经过第二电阻R2为第六NMOS管M6的栅端提供偏置电压；第三隔直电容C3隔断射频功率放大器电路22输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路23的输入端；第二电阻R2和第三隔直电容C3构成一个交流耦合电路；第七NMOS管M7的栅端连接第四隔直电容C4的另一端并通过第一电阻R1连接偏置电压VB1，偏置电压VB1经过第一电阻R1为第七NMOS管M7的栅端提供偏置电压，第四隔直电容C4隔断射频功率放大器电路22输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路23的输入端；第一电阻R1和第四隔直电容C4构成一个交流耦合电路；第六NMOS管M6的源端和第七NMOS管M7的源端相连，并连接系统提供的偏置电流源I_REF2的一端和第五电容C5的一端；偏置电流源I_REF2另一端接地GND，为第六NMOS管M6、第七NMOS管M7提供偏置电流；第五电容C5另一端连接地GND，用于滤除高频信号，从而得到直流输出电压信号。

所述的射频功率放大器电路22采用传统的带有尾电流源的全差分放大器结构，工作在A类放大器模式，尾电流源M5的存在减小了功率放大器的共模增益。尾电流源M5的偏置电压由偏置电路21提供，偏置电路21受功率检测模块23输出电压的控制，该输出电压控制着输出偏置电压的大小，使得偏置电压能够根据功率放大器输出功率的大小自动调节，偏置电路产生的偏置电压送到射频功率放大器电路22中，进行反馈控制，使得输出功率值稳定在设定的范围内。

射频功率放大器电路22的负载采用电感电容谐振网络形式，增加了放大器的增益，可以节省功耗。放大器的输入采用共源共栅结构，减小了输出信号对输入信号的干扰，增加了隔离度。

输出功率检测电路23其结构简单，方便集成。输出的直流电压值供给偏置电路21。偏置电路21中，功率检测电路23的控制电压经过运算放大器输出缓冲，控制PMOS管M11的栅极，进而控制流过NMOS管M10的电流，产生相应的控制电压。

当输出功率大于设定值时，功率检测电路的输出电压变高，进而控制偏置电路中的PMOS管M11，使得流过M11的电流变小，使得偏置电压变低，进而控制功率放大器的输出功率变低。

当输出功率小于设定值时，功率检测电路的输出电压变低，进而控制偏置电路中的PMOS管M11，使得流过M11的电流变大，使得偏置电压变高，进而控制功率放大器的输出功率变高。

连接成单位增益负反馈结构的运算放大器OPA1增加了功率检测电路23与偏置电路21之间的隔离度，保证环路工作稳定。

由所述射频功率放大器电路22，输出功率检测电路23和偏置电路21构成的功率反馈控制环路的环路增益有限，既减弱了工艺偏差、温度变化等对输出功率的影响，又避免了整个反馈环路出现稳定性问题。

Claims

1. 一种输出功率自动调节的射频功率放大器电路，其特征是：包括依次连接的偏置电路（21）、射频功率放大器电路（22）和输出功率检测电路（23），输出功率检测电路（23）的输出端再连接到偏置电路（21）的输入端；

所述偏置电路（21）为射频功率放大器电路（22）提供偏置电压，该偏置电压根据输出功率检测电路（23）的输出电压值自动调节，进而控制射频功率放大器电路（22）的输出功率，使得输出功率稳定在设定范围内；

所述射频功率放大器电路（22）采用全差分放大器电路结构，将系统前级提供的差分输入信号进行放大并输出功率，驱动后级负载；

所述输出功率检测电路（23）检测射频功率放大器电路（22）的输出功率值，并将功率值转化为相应地直流电压值进行输出，并供给偏置电路（21）；

所述偏置电路（21）包括：第八PMOS管（M8）的源端接电源（VDD），第八PMOS管（M8）的栅端和漏端连接在一起，并连接电流基准（I_REF）的一端和第九PMOS管（M9）栅极，第八PMOS管（M8）为第九PMOS管（M9）提供偏置电压，电流基准（I_REF）的另一端接地（GND），第九PMOS管（M9）的源端连接电源（VDD），漏端连接第十一PMOS管（M11）的漏端，同时还连接到第十NMOS管（M10）的漏端和栅端，第十NMOS管（M10）的栅端和漏端连接在一起，形成一个偏置电压提供给射频功率放大器电路（22），第十NMOS管（M10）的源端连接地（GND），第十一PMOS管（M11）的源端经过第三电阻（R3）连接到电源（VDD），第十一PMOS管（M11）的栅端连接运算放大器（OPA1）的输出端，运算放大器（OPA1）连接成单位增益负反馈的结构，即其反相输入端与输出端相连，运算放大器（OPA1）的同相输入端连接功率检测电路（23）的输出端；功率检测电路（23）的输出信号经过运算放大器（OPA1）的隔离后控制第十一PMOS管（M11）的栅端，从而控制流过第十NMOS管（M10）的电流，进而能够控制射频功率放大器电路（22）的输出功率值，使其稳定在设定值附近；

所述射频功率放大器电路（22）的结构包括：

第五NMOS管（M5）为射频功率放大器电路（22）的尾电流源，其栅端连接偏置电路（21）中第十NMOS管（M10）的栅端和漏端，第五NMOS管（M5）源端接地（GND），第五NMOS管（M5）漏端连接第一输入NMOS管（M1）和第二输入NMOS管（M2）的源端，为两个输入NMOS管提供偏置电流；

第一输入NMOS管（M1）和第二输入NMOS管（M2）的源端连接在一起，并连接第五NMOS管（M5）的漏端，其中第一输入NMOS管（M1）的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的一端（V_IN），第二输入NMOS管（M2）的栅端连接系统前级提供的差分输入信号的另一端（V_IP）；

第一输入NMOS管（M1）的漏端连接第三NMOS管（M3）的源端，第三NMOS管（M3）栅端连接电源（VDD），第三NMOS管（M3）的漏端是射频功率放大器电路（22）的一个输出端（VOP），连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第一输入NMOS管（M1）和第三NMOS管（M3）构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；

第二输入NMOS管（M2）的漏端连接第四NMOS管（M4）的源端，第四NMOS管（M4）的栅端连接电源（VDD），第四NMOS管（M4）的漏端是射频功率放大器电路（22）的另一个输出端（VON），连接负载电路，同时输出信号给后级负载；第二输入NMOS管（M2）和第四NMOS管（M4）构成共源共栅输入级，增加了输出信号到输入信号之间的隔离；

第一电感（L1）和第一电容（C1）的两端分别连接在一起，形成第一负载电路，所述第一负载电路一端连接电源（VDD），另一端连接第三NMOS管（M3）的漏端，以及第三隔直电容（C3）的一端，将输出信号经第三隔直电容（C3）送到功率检测电路（23）；

第二电感（L2）和第二电容（C2）的两端分别连接在一起，形成第二负载电路，所述第二负载电路一端连接电源（VDD），另一端连接第四NMOS管（M4）的漏端，以及第四隔直电容（C4）的一端，将输出信号经第四隔直电容（C4）送到功率检测电路（23）。

2.如权利要求1所述的输出功率自动调节的射频功率放大器电路，其特征在于，所述射频功率放大器电路（22）采用电感做负载抵消各种寄生电容的影响，提高射频功率放大器的增益；第一电感（L1）、第二电感（L2）采由片上螺旋电感实现，集成在芯片内部。

3.如权利要求1所述的输出功率自动调节的射频功率放大器电路，其特征在于，所述的功率检测电路（23）的结构包括：第六NMOS管（M6），第七NMOS管（M7）构成功率检测电路（23）的输入端；第六NMOS管（M6）的栅端连接第三隔直电容（C3）的另一端并通过第二电阻（R2）连接偏置电压（V_B1），偏置电压（V_B1）经过第二电阻（R2）为第六NMOS管（M6）的栅端提供偏置电压；第三隔直电容（C3）隔断射频功率放大器电路（22）输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路（23）的输入端；第二电阻（R2）和第三隔直电容（C3）构成一个交流耦合电路；第七NMOS管（M7）的栅端连接第四隔直电容（C4）的另一端并通过第一电阻（R1）连接偏置电压（V_B1），偏置电压（V_B1）经过第一电阻（R1）为第七NMOS管（M7）的栅端提供偏置电压，第四隔直电容（C4）隔断射频功率放大器电路（22）输出的直流信号，并让交流信号通过进入到功率检测电路（23）的输入端；第一电阻（R1）和第四隔直电容（C4）构成一个交流耦合电路；第六NMOS管（M6）的源端和第七NMOS管（M7）的源端相连，并连接偏置电流源（I_REF2）的一端和第五电容（C5）的一端；偏置电流源（I_REF2）的另一端接地（GND），偏置电流源（I_REF2）为第六NMOS管（M6）、第七NMOS管（M7）提供偏置电流；第五电容（C5）另一端连接地（GND），用于滤除高频信号，从而得到输出的直流电压信号。