CN103138690A - 一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，用以解决电源偏置电压降低时出现的输出功率降低问题，其电路检测线性稳压器的控制电压与反馈端的电压差，通过该电压差控制用于补偿的偏置电流大小。当电源偏置电压高于设定值时，线性稳压器的控制电压和反馈端电压差很小，补偿电流接近于零；当电源偏置电压接近或低于设定值时，线性稳压器的控制电压和反馈电压之间的电压差将变大，利用电压电流转换器将该电压差按照一定的关系转化为电流并加入到射频功率放大器的偏置电流中，进而增加射频功率放大器的偏置电流来补偿由于电源偏置电压降低对输出功率的影响。

Description

一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别涉及一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路。

背景技术

射频功率放大器可以分为线性功率放大器和饱和功率放大器，线性功率放大器在正常工作范围内功率增益一定，其输出功率由输入功率决定。饱和功率放大器一般工作在功率饱和状态，其输出功率主要由功率输出管的信号输出点处电源偏置电压决定，同时还受到静态偏置电流的影响。

为了得到一个稳定的电源偏置电压来保证输出功率恒定，传统设计方法采用线性稳压器产生一个与输入控制电压vramp成比例的输出电源偏置电压Vcc，如图1所示。在采用电池供电的移动设备中，电池的输出电压随着使用时间的增长会不断下降。以常用的锂离子电池为例，其输出电压的范围通常是4.8V～2.75V，一般取3.7V作为典型的工作电压。线性稳压器的输出电压与输入电源电压之间一般有0.2V左右的电压差，因此线性稳压器的输出电压一般设定在3.5V左右。当电池电压下降到接近3.5V或3.5V以下时，线性稳压器的输出Vcc将低于3.5V。功放管电源偏置电压降低会导致饱和功率放大器的输出功率降低，引起无线通讯系统的性能恶化。

发明内容

本发明解决的问题是饱和功率放大器中当电源偏置电压降低时导致的输出功率降低的问题。

本发明采用一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，用以解决电源偏置电压降低时出现的输出功率降低问题，其电路检测线性稳压器的控制电压与反馈端的电压差，通过该电压差控制用于补偿的偏置电流大小。当电源偏置电压高于设定值时，线性稳压器的控制电压和反馈端电压差很小，补偿电流接近于零；当电源偏置电压接近或低于设定值时，线性稳压器的控制电压和反馈电压之间的电压差将变大，利用电压电流转换器将该电压差按照一定的关系转化为电流并加入到射频功率放大器的偏置电流中，进而增加射频功率放大器的偏置电流来补偿由于电源偏置电压降低对输出功率的影响。

本发明的射频功率放大器偏置电流补偿电路如图2所示。该电路主要包括线性稳压器U1，功率放大器U2，检测线性稳压器U1输入电压差并将其转换为补偿电流的电压电流转换器U3。线性稳压器U1的电源输入是电池的输出电压VBAT，线性稳压器U1的输出电压Vcc通过一个隔直电感Lc连接到功率放大器。线性稳压器U1的内部包含一个高增益的误差放大器A以及一个调整管M1，图2中的调整管M1以P型MOS为例，也可以是其他类型的晶体管如NMOS或BJT等。功率放大器包含射频输入端RFin和射频输出端RFout，Ibias是功率放大器的直流输入偏置电流，它在功率放大器的内部经过电流比例放大后作为内部放大管的偏置电流。输入偏置电流Ibias等于固定的偏置电流IB与补偿电流Ic的总和。图2中的电压电流转换器U3的两个输入端连接线性稳压器U1的两个输入端，其中电压电流转换器U3的正、负输入端分别连接线性稳压器U1的控制电压输入vramp和反馈输入vfb。线性稳压器U1的反馈端电压vfb由输出电压Vcc经过电阻R1和R2分压得到。

当电源电压VBAT正常时，线性稳压器U1的反馈环路能够正常建立，由于线性稳压器U1和分压电路R1，R2构成的反馈环路在低频处具有较高的环路增益。根据反馈控制理论可知输出电压直流为Vcc＝vramp*(1+R2/R1)，而反馈点的电压vfb约等于vramp。在这种情况下，补偿电流Ic约等于零。

由于线性稳压器U1的调整管M1需要一定的源漏电压才能处于饱和区，因此线性稳压器U1的输出电压Vcc总是低于输入电源电压VBAT。当电源电压VBAT偏低时，输出电压Vcc将难以达到期望的输出电压。如果VBAT小于vramp*(1+R2/R1)，反馈环路内部的高增益误差放大器A将输出一个其能够输出的最低的电压来驱动调整管M1，迫使调整管M1的集电极电压Vcc尽可能的升高。但是调整管的输出电压Vcc始终受到电源电压VBAT的限制而不能达到预期的输出。此时误差放大器A的输出电压偏离正常输出电压，其增益将会大大降低，可以认为此时反馈环路处于断开状态，从而vramp失去了对输出电压Vcc的控制。如果调整管的压降等于Vds，那么反馈点的电压vfb＝(VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假设电压电流转换器为线性关系且跨导增益为G，那么补偿电流为

$\mathrm{Ic}=G(\mathrm{vramp}-(\mathrm{VBAT}-\mathrm{Vds})*\frac{R1}{R1+R2})$

这种情况下，Ic与VBAT呈线性的关系。电压电流转换器的输出电流与输入电压之间的关系并不限于简单的线性关系，也可以是其他复杂的关系，如多项式、指数等，具体采用那种关系可以根据补偿的精度要求以及所需的补偿电流与电源电压值之间的关系来确定。

图3为所需的补偿电流与电源电压VBAT之间的一种典型关系。该曲线可以通过仿真功率放大器在较低电源电压下的输出功率来得到。从图中可以看出该曲线并不是简单的线性关系，因此前面得到的补偿电流Ic与VBAT之间的线性关系并不能精确的补偿。在实际应用中，由于输出功率的大小存在一定的偏差裕度，只要输出功率达到正常范围之内即可，因此通过线性关系的近似也能够得到较好的补偿结果的。如果功率控制精度要求更好，可以选用更加精确的电压电流转换关系来进行补偿。

功率放大器U2可以由一个或多个功率放大管组成，功率放大管可以是但不限于用GaAs HBT、SiGe HBT、BJT、GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDMOS、BulkCMOS、SOI CMOS工艺实现。如果功率放大器U2由多个功率放大管组成，不同功放管可以采用相同或不同的工艺。

本发明也可以进一步级联扩展，每一个级联单元可以共享或分别拥有偏置电流控制电路。

附图说明

图1为传统的功率控制方法。

图2为本发明中的偏置电流补偿电路。

图3为电源电压与需要补偿电流的关系图。

图4为本发明采用HBT功放管的具体实施例示意图。

具体实施方式

下面通过特定的具体实例说明本发明的实施方式。本领域的技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易的了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用。本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图4给出在射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路的一个具体实施例，该电路主要包括线性稳压器U1，HBT功率放大管U2，检测线性稳压器U1输入电压差并将其转换为补偿电流的电压电流转换器U3。线性稳压器U1的电源输入是电池的输出电压VBAT，线性稳压器U1的输出电压Vcc通过一个隔直电感Lc连接到功率放大器。线性稳压器U1的内部包含一个高增益的误差放大器A以及一个PMOS调整管。功率放大器包含射频输入端RFin和射频输出端RFout，Ibias是HBT功放管基极的直流输入偏置电流，它在功率放大器的内部经过电流比例放大后作为内部放大管的偏置电流。输入功放管基极的偏置电流Ibias等于固定的偏置电流IB与补偿电流Ic的总和。电压电流转换器U3的两个输入端连接线性稳压器U1的两个输入端，其中电压电流转换器U3的正、负输入端分别连接线性稳压器U1的参考输入vramp和反馈输入vfb。线性稳压器U1的反馈端电压vfb由输出电压Vcc经过电阻R1和R2分压得到。

当电源电压VBAT正常时，线性稳压器U1的反馈环路能够正常建立，由于线性稳压器U1和分压电路R1，R2构成的反馈环路在低频处具有较高的环路增益。根据反馈控制理论可知输出电压直流为Vcc＝vramp*(1+R2/R1)，而反馈点的电压vfb约等于vramp。在这种情况下，补偿电流Ic约等于零。

由于线性稳压器U1的调整管M1需要一定的源漏电压才能处于饱和区，因此线性稳压器U1的输出电压Vcc总是低于输入电源电压VBAT。当电源电压VBAT偏低时，输出电压Vcc将难以达到期望的输出电压。如果VBAT小于vramp*(1+R2/R1)，反馈环路内部的高增益误差放大器A将输出一个其能够输出的最低的电压来驱动调整管M1，迫使调整管M1的集电极电压Vcc尽可能的升高。但是功放管的集电极直流电压Vcc始终受到电源电压VBAT的限制而不能达到预期的输出。此时误差放大器A的输出电压偏离正常输出电压，其增益将会大大降低，可以认为此时反馈环路处于断开状态，从而vramp失去了对输出电压Vcc的控制。如果调整管的压降等于Vds，那么反馈点的电压vfb＝(VBAT-Vds)*R1/(R1+R2)。如果假设电压电流转换器为线性关系且跨导增益为G，那么补偿电流为

$\mathrm{Ic}=G(\mathrm{vramp}-(\mathrm{VBAT}-\mathrm{Vds})*\frac{R1}{R1+R2})$

这种情况下，Ic与VBAT呈线性的关系。电压电流转换器的输出电流与输入电压之间的关系并不限于简单的线性关系，也可以是其他复杂的关系，具体采用那种关系可以根据补偿的精度要求以及所需的补偿电流与电源电压值之间的关系来确定。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。熟悉此领域的技术人员皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍然由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，用以解决电源偏置电压降低时出现的输出功率降低问题，其电路检测线性稳压器的控制电压与反馈端的电压差，通过该电压差控制用于补偿的偏置电流大小。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：射频功率放大器的电源偏置电压由线性稳压器提供，线性稳压器的输出电压与输入控制电压呈线性关系。

3.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：偏置电流补偿电路包含一个电压电流转换器，该转换器检测线性稳压器的输入控制电压和反馈电压差值并转换成电流，对放大器的偏置电流进行补偿。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：电压电流转换器的输出电流与输入电压的关系，可以是线性关系也可以是其他关系如多项式、指数等。

5.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：功率放大器可以由一个或多个功率放大管组成，功率放大管可以是但不限于用GaAs HBT、SiGe HBT、BJT、GaAs pHEMT、GaN HEMT、LDMOS、Bulk CMOS、SOI CMOS工艺实现。

6.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：如果功率放大器由多个功率放大管组成，不同功放管可以采用相同或不同的工艺。

7.根据权利要求1所述的射频功率放大器中通过偏置电流进行功率补偿的电路，其特征在于：电路可以进一步级联扩展，每一个级联单元可以共享或分别拥有偏置电流控制电路。

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