CN104639069A - 一种射频放大电路及其功率限制模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种射频放大电路及其功率限制模块。该射频放大电路包括：开关元件，其控制端经由第一隔直电容耦接至输入端，其第一端经由第二隔直电容电性耦接至输出端；偏置电阻，其一端耦接至开关元件的控制端；第一偏置电源，用于提供开关元件的控制端与第二端间的偏置电压；第二偏置电源，用于提供开关元件的第一端与第二端间的偏置电压；以及功率限制模块，包括二极管、电阻、控制开关以及电压限制源，二极管的阳极耦接至开关元件的控制端，电阻的一端串接至二极管的阴极，控制开关的第二端与电压限制源的一端相连。相比于现有技术，本发明可有效地控制射频功率放大器的增益特性，同时不影响其基本特性，并且具有简单易行和小型化的优点。

Description

一种射频放大电路及其功率限制模块
技术领域
本发明涉及一种射频信号的功率放大技术，尤其涉及一种具有功率限制功能的射频放大电路以及用于该射频放大电路的功率限制模块。
背景技术
射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier，RFPA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够大的射频功率以后，方可馈送到天线上并辐射出去。而为了获得满足规格的射频输出功率，就必须采用射频功率放大器。
对于射频功率放大器来说，其功率增益是指放大器的输出功率与输入功率的比值，单位常用dB(分贝)来表示。在现有技术中，随着输入的射频信号增大，经过射频放大之后的输出信号也随之上升。然而，当射频输入信号超过其所能承受的安全工作区域时，如果不对其输入功率进行限制，往往会导致集成电路的使用寿命严重下降，更有甚者会造成集成电路的永久破坏。此外，在某些应用场合，如果不对射频放大电路的功率予以限制，就难以满足射频通信的各项指标。
现有技术中的一种功率限制方案是在于，使用类似静电放电保护电路中的非堆叠/堆叠二极管结构，使其功率被限制在单一数值。然而，该电路的限制功率大小取决于二极管的堆叠数量，此外该电路还起到静电放电保护功能，布板面积较大，形成的寄生电容会影响到匹配电路。因此，该电路的超大、非线性寄生电容会严重影响到射频信号的线性度，而在当今的高速通讯系统中，射频信号的线性度是一个重要指标。另一种功率限制方案包括3个部分：检波电路、开关电路和偏置电路。电路正常工作时，当检波电路的输出电压低于设定阈值时，偏置电路会控制开关电路提供较低的衰减；当检波电路的输出电压高于设定阈值时，偏置电路会控制开关电路提供较高的衰减。但是，这种功率限制电路需要较复杂的功率检波电路和开关控制时序。
有鉴于此，如何对射频功率放大电路的功率进行限制，以保护集成电路并减小布板面积以及寄生电容造成的非线性效应，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的射频放大电路所存在的上述缺陷，本发明提供了一种具有功率限制功能的射频放大电路以及用于该射频放大电路的功率限制模块。
依据本发明的一个方面，提供了一种具有功率限制功能的射频放大电路，该射频放大电路包括：
开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输入端，该开关元件的第一端电性耦接一电感且经由第二隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输出端，该开关元件的第二端电性耦接至接地端；
偏置电阻，其一端电性耦接至所述开关元件的控制端；
第一偏置电源，设置于所述偏置电阻的另一端与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的控制端与第二端之间的偏置电压；
第二偏置电源，设置于所述电感与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的第一端与第二端之间的偏置电压；以及
功率限制模块，包括二极管、电阻、控制开关以及电压限制源，其中所述二极管的阳极耦接至所述开关元件的控制端，所述电阻的一端串联连接至所述二极管的阴极，所述控制开关的第一端与所述电阻的另一端相连，所述控制开关的第二端与所述电压限制源的一端相连，所述电压限制源的另一端与所述接地端相连。
在其中的一实施例，所述控制开关为金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)或晶体管。
在其中的一实施例，所述功率限制模块的所述电阻为外加电阻或所述二极管的寄生电阻。
在其中的一实施例，当控制开关断开时，所述功率限制模块处于禁能状态(disabled)；当控制开关导通时，所述功率限制模块处于使能状态(enabled)。
在其中的一实施例，当来自所述输入端的射频信号的峰值摆幅小于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当来自所述输入端的射频信号的峰值摆幅大于或等于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和时，所述二极管导通且所述功率限制模块开启。
在其中的一实施例，所述射频信号的峰值电压被箝位于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和。
依据本发明的另一个方面，提供了一种具有功率限制功能的射频放大电路，该射频放大电路包括：
开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输入端，该开关元件的第一端电性耦接一电感且经由第二隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输出端，该开关元件的第二端电性耦接至接地端；
偏置电阻，其一端电性耦接至所述开关元件的控制端；
第一偏置电源，设置于所述偏置电阻的另一端与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的控制端与第二端之间的偏置电压；
第二偏置电源，设置于所述电感与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的第一端与第二端之间的偏置电压；以及
功率限制模块，包括串联连接的二极管和电阻，其中，所述二极管的阳极耦接至所述开关元件的控制端，所述电阻的一端连接至所述二极管的阴极，所述电阻的另一端连接至所述第一偏置电源和所述偏置电阻。
在其中的一实施例，所述开关元件为金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)或晶体管。
在其中的一实施例，所述功率限制模块的所述电阻为外加电阻或所述二极管的寄生电阻。
在其中的一实施例，当所述二极管关闭时，所述功率限制模块处于禁能状态(disabled)；当二极管导通时，所述功率限制模块处于使能状态(enabled)。
在其中的一实施例，当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值小于所述二极管的阈值电压时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值大于或等于所述二极管的阈值电压时，所述二极管导通以建立从所述开关元件的控制端到所述第一偏置电源之间的通路，以降低所述开关元件的控制端的电压。
依据本发明的再一个方面，提供了一种用于射频放大电路的功率限制模块，所述射频放大电路包括一开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至射频输入端，其第一端经由第二隔直电容电性耦接至射频输出端，其第二端电性耦接至接地端，该功率限制模块包括：
二极管，其阳极电性耦接至所述开关元件的控制端；
电阻，与所述二极管的阴极串联耦接；以及
电压限制源，其第一端电性耦接至所述电阻且经由一偏置电阻耦接至所述开关元件的控制端，所述电压限制源的第二端电性耦接至所述接地端。
在其中的一实施例，所述功率限制模块的电阻为外加电阻或所述二极管的寄生电阻。
在其中的一实施例，当二极管关闭时，所述功率限制模块处于禁能状态(disabled)；当二极管导通时，所述功率限制模块处于使能状态(enabled)。
在其中的一实施例，当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值小于所述二极管的阈值电压时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值大于或等于所述二极管的阈值电压时，所述二极管导通以建立从所述开关元件的控制端到所述第一偏置电源之间的通路，以降低所述开关元件的控制端的电压。
在其中的一实施例，所述功率限制模块还包括一控制开关，藉由所述控制开关的导通或断开对应地使能或禁能所述功率限制模块。
在其中的一实施例，所述控制开关设置于以下任意一项：
所述二极管的阳极与所述开关元件的控制端之间；
所述二极管的阴极与所述电阻之间；
所述偏置电阻与所述电压限制源的连接点与所述电阻之间。
在其中的一实施例，所述控制开关为金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)或晶体管。
采用本发明的射频放大电路及其功率限制模块，当来自输入端的射频信号的峰值摆幅小于电压限制源与二极管的阈值电压之和时，二极管保持高阻且功率限制模块关闭，当射频信号的峰值摆幅大于或等于电压限制源与二极管的阈值电压之和时，二极管导通且功率限制模块开启，使得射频信号的峰值电压被箝位于电压限制源与二极管的阈值电压之和。随着射频输入信号继续升高，最大的峰值电压保持不变，如此一来，射频功率放大器的偏置电压下降，放大器的功率增益也相应减小。相比于现有技术，本发明可有效地控制射频功率放大器的增益特性，同时不影响其基本特性，并且具有简单易行和小型化的优点。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出现有技术中的一种射频放大电路的结构示意图；
图2示出依据本发明的一实施方式，具有功率限制功能的射频放大电路的结构示意图；
图3示出依据本发明的另一实施方式，具有功率限制功能的射频放大电路的结构示意图；
图4A示出在图1的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压的时域特性曲线示意图；
图4B示出在图1的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压随输入功率变化的关系曲线示意图；
图5A示出在图2或图3的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压的时域特性曲线示意图；
图5B示出在图2或图3的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压随输入功率变化的关系曲线示意图；以及
图6示出图2或图3的射频放大电路与图1的射频放大电路之间的功率增益-输出功率曲线的对比示意图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出现有技术中的一种射频放大电路的结构示意图。参照图1，现有的射频放大电路包括开关元件T1、偏置电阻RBIAS、第一偏置电源VBIAS和第二偏置电源VSUPPLY。在此，开关元件T1可以是MOSFET或晶体管，则MOSFET的栅极对应于晶体管的基极，MOSFET的漏极对应于晶体管的集电极，MOSFET的源极对应于晶体管的发射极。以下将MOSFET作为示例予以说明。
开关元件T1的栅极经由第一隔直电容CRFIN电性耦接至射频放大电路的输入端Pin，该输入端Pin的电压可标记为VIN。开关元件T1的漏极电性耦接一电感LVDD且经由第二隔直电容CRFOUT电性耦接至射频放大电路的输出端Pout，该输出端Pout的电压可标记为VOUT。开关元件T1的源极电性耦接至接地端。偏置电阻RBIAS的一端电性耦接至开关元件T1的栅极。
第一偏置电源VBIAS设置于偏置电阻RBIAS的另一端与接地端之间。该第一偏置电源VBIAS用于提供开关元件T1的栅极与源极之间的偏置电压。第二偏置电源VSUPPLY设置于电感LVDD与接地端之间。该第二偏置电源VSUPPLY用于提供开关元件T1的漏极与源极之间的偏置电压。
从图1可知，当来自输入端Pin的射频信号增大时，从输出端Pout输出的射频信号也随之上升，直至饱和并保持不变。然而，当射频输入信号超过其所能承受的安全工作区域时，如果不对其输入功率进行限制，往往会导致集成电路的使用寿命严重下降，更有甚者会造成集成电路的永久破坏。
图2示出依据本发明的一实施方式，具有功率限制功能的射频放大电路的结构示意图。
将图2与图1进行比较，其主要区别是在于，在如图2所示的本发明的该实施方式中，该射频放大电路还包括功率限制模块。详细而言，该功率限制模块包括二极管D2、电阻R2、控制开关T2和电压限制源VLIMIT。其中，二极管D2的阳极耦接至开关元件T1的控制端。电阻R2的一端串联连接至二极管D2的阴极。在一实施例中，电阻R2为串接至二极管D2的外加电阻。或者，电阻R2可为二极管D2的寄生电阻。此外，控制开关T2可为金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor,MOSFET)或晶体管。
控制开关T2的栅极接收控制信号LIMITER_EN。例如，当控制信号LIMITER_EN为低电平时，控制开关T2断开，此时的功率限制模块处于禁能状态(disabled)，在电压限制源VLIMIT与开关元件T1的栅极电压VGATE之间不存在导通回路；当控制信号LIMITER_EN为高电平时，控制开关T2闭合，此时的功率限制模块处于使能状态(enabled)，在电压限制源VLIMIT与开关元件T1的栅极电压VGATE之间会形成导通回路。控制开关T2的漏极与电阻R2的另一端相连，控制开关T2的源极与电压限制源VLIMIT的一端相连。电压限制源VLIMIT的另一端与接地端相连。本领域的技术人员应当理解，控制开关T2不仅可设置在电压限制源VLIMIT与电阻R2之间，还可设置在二极管D2的阳极与开关元件T1的栅极之间；或者设置在二极管D2的阴极与电阻R2之间。
从图2可以看出，当来自输入端Pin的射频信号的峰值摆幅小于电压限制源VLIMIT与二极管D2的阈值电压之和时，二极管D2保持高阻且功率限制模块关闭；当来自输入端Pin的射频信号的峰值摆幅大于或等于电压限制源VLIMIT与二极管D2的阈值电压之和时，二极管D2导通且功率限制模块开启。进一步，当功率限制模块开启时，射频信号的峰值电压被箝位于电压限制源VLIMIT与二极管D2的阈值电压之和。如此一来，随着射频输入信号继续升高，最大的峰值电压仍保持不变，最终使射频功率放大电路的偏置电压下降，从而使放大电路的功率增益下降。
本领域的技术人员应当理解，图2的功率限制模块设置于射频放大电路的输入端，在其它实施例中，功率限制模块也可设置于射频放大电路的输出端。例如，在具有多级射频放大器的电路中，本发明的功率限制模块既可设置在前一级的射频放大器的输入端，也可设置在该级射频放大器的输出端(即，后一级的射频放大器的输入端)，同样可降低整个电路中的功率增益。
图3示出依据本发明的另一实施方式，具有功率限制功能的射频放大电路的结构示意图。
将图3与图1进行比较，其主要区别是在于，在如图3所示的本发明的该实施方式中，该射频放大电路还包括功率限制模块。详细而言，该功率限制模块包括二极管D3、电阻R3和电压限制源VBIAS，其中该电压限制源与第一偏置电源实现共用。其中，二极管D3的阳极耦接至开关元件T1的控制端。电阻R3的一端串联连接至二极管D2的阴极，电阻R3的另一端连接至电压限制源VBIAS和偏置电阻RBIAS。在一实施例中，电阻R3为串接至二极管D3的外加电阻。或者电阻R3可为二极管D3的寄生电阻。
类似地，当二极管D3关闭时，功率限制模块处于禁能状态(disabled)；当二极管D3导通时，功率限制模块处于使能状态(enabled)。进一步，当来自输入端Pin的射频信号的峰值摆幅小于电压限制源VLIMIT与二极管D2的阈值电压之和时，二极管D3保持高阻且功率限制模块关闭；当来自输入端Pin的射频信号的峰值摆幅小于电压限制源VLIMIT与二极管D2的阈值电压之和时，二极管D3导通以建立从开关元件T1的栅极到第一偏置电源VBIAS之间的通路，以降低开关元件T1的栅极电压。
同样，当功率限制模块开启时，射频信号的峰值电压被箝位于电压限制源VBIAS与二极管D3的阈值电压之和。如此一来，随着射频输入信号继续升高，最大的峰值电压仍保持不变，最终使射频功率放大电路的偏置电压下降，从而使放大电路的功率增益降低。
在一具体实施例，图3中的功率限制模块也可额外设置如图2所示的控制开关，该控制开关即可设置在二极管D3的阳极与开关元件T1的栅极之间，也可设置在二极管D3的阴极与电阻R3之间，还可设置在偏置电阻RBIAS与电压限制源VBIAS的连接点与电阻R3之间。
图4A示出在图1的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压的时域特性曲线示意图。图4B示出在图1的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压随输入功率变化的关系曲线示意图。图5A示出在图2或图3的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压的时域特性曲线示意图。图5B示出在图2或图3的射频放大电路中，开关元件的栅-源电压随输入功率变化的关系曲线示意图。图6示出图2或图3的射频放大电路与图1的射频放大电路之间的功率增益-输出功率曲线的对比示意图。
由图4A和图4B可知，当射频输入信号的功率增加时，开关元件T1的栅-源电压VGS的直流部分始终保持在偏置电压VBIAS不变，且射频信号的峰值电压并未被限制。相比之下，在图5A和图5B中，当射频输入信号的功率增加时，射频信号的峰值电压被箝位于电压限制源VBIAS与二极管D3的阈值电压之和(即，VBIAS+Vth)。如此一来，随着射频输入信号的功率增加，最大的峰值电压仍保持不变，最终使开关元件T1的栅-源电压VGS的直流部分从VBIAS逐渐下降，开关元件T1的偏置电压减小，进而降低电路的功率增益。进一步，在图6的曲线中，L1表示未采用功率限制模块时的功率增益-输出功率曲线，L2表示已采用了功率限制模块时的功率增益-输出功率曲线，容易知晓，当射频输出信号的功率增加至某一值时，本发明的射频放大电路相较于现有的射频放大电路的功率增益即已开始下降，进而达到电路的功率增益控制和功率限制的功效。
采用本发明的射频放大电路及其功率限制模块，当来自输入端的射频信号的峰值摆幅小于电压限制源与二极管的阈值电压之和时，二极管保持高阻且功率限制模块关闭，当射频信号的峰值摆幅大于或等于电压限制源与二极管的阈值电压之和时，二极管导通且功率限制模块开启，使得射频信号的峰值电压被箝位于电压限制源与二极管的阈值电压之和。随着射频输入信号继续升高，最大的峰值电压保持不变，如此一来，射频功率放大器的偏置电压下降，放大器的功率增益也相应减小。相比于现有技术，本发明可有效地控制射频功率放大器的增益特性，同时不影响其基本特性，并且具有简单易行和小型化的优点。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种具有功率限制功能的射频放大电路，其特征在于，所述射频放大电路包括：
开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输入端，该开关元件的第一端电性耦接一电感且经由第二隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输出端，该开关元件的第二端电性耦接至接地端；
偏置电阻，其一端电性耦接至所述开关元件的控制端；
第一偏置电源，设置于所述偏置电阻的另一端与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的控制端与第二端之间的偏置电压；
第二偏置电源，设置于所述电感与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的第一端与第二端之间的偏置电压；以及
功率限制模块，包括二极管、电阻、控制开关以及电压限制源，其中所述二极管的阳极耦接至所述开关元件的控制端，所述电阻的一端串联连接至所述二极管的阴极，所述控制开关的第一端与所述电阻的另一端相连，所述控制开关的第二端与所述电压限制源的一端相连，所述电压限制源的另一端与所述接地端相连。
2.根据权利要求1所述的射频放大电路，其特征在于，所述功率限制模块的所述电阻为外加电阻或所述二极管的寄生电阻。
3.根据权利要求1所述的射频放大电路，其特征在于，当来自所述输入端的射频信号的峰值摆幅小于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当来自所述输入端的射频信号的峰值摆幅大于或等于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和时，所述二极管导通且所述功率限制模块开启。
4.根据权利要求3所述的射频放大电路，其特征在于，所述射频信号的峰值电压被箝位于所述电压限制源与所述二极管的阈值电压之和。
5.一种具有功率限制功能的射频放大电路，其特征在于，所述射频放大电路包括：
开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输入端，该开关元件的第一端电性耦接一电感且经由第二隔直电容电性耦接至所述射频放大电路的输出端，该开关元件的第二端电性耦接至接地端；
偏置电阻，其一端电性耦接至所述开关元件的控制端；
第一偏置电源，设置于所述偏置电阻的另一端与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的控制端与第二端之间的偏置电压；
第二偏置电源，设置于所述电感与所述接地端之间，用于提供所述开关元件的第一端与第二端之间的偏置电压；以及
功率限制模块，包括串联连接的二极管和电阻，其中，所述二极管的阳极耦接至所述开关元件的控制端，所述电阻的一端连接至所述二极管的阴极，所述电阻的另一端连接至所述第一偏置电源和所述偏置电阻。
6.根据权利要求5所述的射频放大电路，其特征在于，当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值小于所述二极管的阈值电压时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值大于或等于所述二极管的阈值电压时，所述二极管导通以建立从所述开关元件的控制端到所述第一偏置电源之间的通路，以降低所述开关元件的控制端的电压。
7.一种用于射频放大电路的功率限制模块，所述射频放大电路包括一开关元件，其控制端经由第一隔直电容电性耦接至射频输入端，其第一端经由第二隔直电容电性耦接至射频输出端，其第二端电性耦接至接地端，其特征在于，所述功率限制模块包括：
二极管，其阳极电性耦接至所述开关元件的控制端；
电阻，与所述二极管的阴极串联耦接；以及
电压限制源，其第一端电性耦接至所述电阻且经由一偏置电阻耦接至所述开关元件的控制端，所述电压限制源的第二端电性耦接至所述接地端。
8.根据权利要求7所述的功率限制模块，其特征在于，当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值小于所述二极管的阈值电压时，所述二极管保持高阻且所述功率限制模块关闭；当所述开关元件的控制端的电压与所述第一偏置电源之间的差值大于或等于所述二极管的阈值电压时，所述二极管导通以建立从所述开关元件的控制端到所述第一偏置电源之间的通路，以降低所述开关元件的控制端的电压。
9.根据权利要求7所述的功率限制模块，其特征在于，所述功率限制模块还包括一控制开关，藉由所述控制开关的导通或断开对应地使能或禁能所述功率限制模块。
10.根据权利要求9所述的功率限制模块，其特征在于，所述控制开关设置于以下任意一项：
所述二极管的阳极与所述开关元件的控制端之间；
所述二极管的阴极与所述电阻之间；
所述偏置电阻与所述电压限制源的连接点与所述电阻之间。
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