CN106130492B - 一种应用于手机天线端的功放模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于手机天线端的功放模块，包括主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路、功率反馈电路以及输出转换匹配电路；本发明的功放模块利用功率反馈电路采用动态的方式对辅信号电路的输出功率进行采集并实时反馈采样电压，利用反馈的采样电压实现对偏置电路的调整，解决了现有技术中的功放模块所适用的频率和功率范围很窄，补偿效果受到工艺参数影响很大，性能不稳定，同时难以在大批量生产中保证产品的重复性和一致性的问题，以实现在相当的功率范围内或相当的频率范围内对效率与线性度进行优化。
Description
技术领域
本发明涉及手机通讯前端的功放领域，尤其涉及一种应用于手机天线端的功放模块。
背景技术
功放模块传统的偏置电路可以由CMOS、BIHEMT、BIFET，甚至HBT only的技术实现，通常的设计以简单的电流镜为骨架，采用回路或者开路的多种结构，根据厂家的工艺对独立的设计进行优化，目前常见的偏置电路如图1中所示的开路偏置电路以及图2中所示的回路偏置电路。
为了提高某个功率或某窄带的线性度，设计者也会刻意引入RF信号对功率管进行调制，通常的引入方式是简单直接的引入部分RF信号进入偏置电路的晶体管，带来的缺点是由于针对性太强，导致功放模块所适用的频率和功率范围很窄，补偿效果受到工艺参数影响很大，性能不稳定，同时难以在大批量生产中保证产品的重复性和一致性。
发明内容
发明目的：本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种应用于手机天线端的功放模块，能够提高功率范围内功率管的增益，同时也对输出幅度以及相位进行优化，从而实现指定压缩点输出功率和线性度的提升以达到对效率的提升。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的应用于手机天线端的功放模块，包括：主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路、功率反馈电路以及输出转换匹配电路，主信号偏置电路为主信号电路提供偏置电压，辅信号偏置电路为辅信号电路提供偏置电压，功率反馈电路实时采集辅信号电路的输出功率，并根据采集信号对主信号偏置电路和辅信号偏置电路进行调制，输出转换匹配电路将主信号电路和辅信号电路输出的功率进行转换并输出相应的匹配信号。
进一步地，所述功率反馈电路包括设置在辅信号电路输出端和所述输出转换匹配电路之间的峰值检测电路U2以及场效应管Q5、晶体管Q3及其辅助电路；所述场效应管Q5的栅极连接峰值检测电路U2，通过所述峰值检测电路U2输出的采样电压来控制开关状态；场效应管Q5的漏极连接所述主信号偏置电路和辅信号偏置电路，用于提供调制电压；场效应管Q5的源极连接晶体管Q3的发射极；晶体管Q3的集电极通过电阻R5连接电源Vdd2。
其中，所述主信号电路的输出端设置有主功率管Q1，主功率管Q1采用晶体管，主信号电路的射频信号由电容C2进入主功率管Q1的基极，主功率管Q1的发射极接地；辅信号电路的输出端设置有辅助功率管Q2，辅助功率管Q2采用晶体管，辅信号电路的射频信号由电容C3进入辅助功率管Q2的基极，辅助功率管Q2的发射极接地。
其中，所述主信号偏置电路和辅信号偏置电路包括：晶体管Q4及其辅助电路，所述晶体管Q4的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端一方面通过二极管串联电路和电容C1所形成的并联电路接地，一方面通过电阻R3连接电源Vdd1；二极管串联电路上设置有二极管D1和二极管D2，二极管D1的阳极连接电阻R2，阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接地；晶体管Q4的集电极通过电阻R4连接电源Vdd2；晶体管Q4的发射极通过电感L3和电阻R6形成的串联电路连接主功率管Q1的基极，为主功率管Q1提供偏置电压；晶体管Q4的发射极通过电感L1和电阻R1形成的串联电路连接辅助功率管Q2的基极，为辅助功率管Q2提供偏置电压；晶体管Q4的基极还连接晶体管Q3的基极，发射极还连接场效应管Q5的漏极。
其中，所述输出转换匹配电路包括阻抗转换器T1和输出匹配电路U1，阻抗转换器T1的差分输入的第一输入端连接主功率管Q1的集电极，第二输入端经由峰值检测电路U2连接辅助功率管Q2的集电极，差分地端通过电感L6连接电源Vdd3，电源Vdd3通过电容C4接地；阻抗转换器T1的输出端连接输出匹配电路U1，另一端接地。
其中，所述输出匹配电路U1包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12、电容C13；电感L11的一端设置端口P11，用于连接阻抗转换器T1的输出，电感L11的另一端一方面通过电容C11接地，另一方面连接电感L12的一端，电感L12的另一端一方面通过电容C12接地，另一方面连接电容C13的一端，电容C13的另一端设置端口P12，用于连接终端负载。
其中，所述峰值检测电路U2包括定向耦合器Coupler21，定向耦合器Coupler21的一端设置端口P21连接辅助功率管Q2的集电极输出，另一端设置端口P22连接阻抗转换器T1的差分输入的第二输入端；定向耦合器Coupler21的一个耦合端口通过其负载电阻R21接地，另一耦合端口连接电容C21的一端，电容C21的另一端设置P23端口连接场效应管Q5的栅极，该P23端口一方面通过二极管D21接地，另一方面通过电阻R22连接直流电源DC21。
有益效果：本发明的功放模块利用功率反馈电路采用动态的方式对辅信号电路的输出功率进行采样并进行实时反馈；在零饱和线性功率下，主、辅信号电路中功率管的基极电流由初始偏置点定义；在功率达到和超过指定的范围时，功率反馈电路根据采样信号的反馈对功率管基极的偏置电路根据输出功率进行实时调节，提高功率范围内功率管的增益，同时也对输出幅度以及相位进行优化，从而实现指定压缩点输出功率和线性度的提升以达到对效率的提升；输出转换匹配电路采用宽频设计，可以提高该项优化技术的可生产性。
附图说明
图1是现有技术中的开路偏置电路；
图2是现有技术中的回路偏置电路；
图3是本发明中应用于手机天线端的功放模块的电路模块示意图；
图4是本发明中功放模块的一种具体电路图；
图5是本发明中输出匹配电路的一种具体电路图；
图6是本发明中峰值检测电路的一种具体电路图；
图7是本发明中功放模块的版图布局示意图；
图8是本发明中功放模块与传统功放模块的功放增益和输出功率曲线的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施列对本发明不构成限定。
图3中应用于手机天线端的功放模块包括主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路、功率反馈电路以及输出转换匹配电路，主信号偏置电路为主信号电路提供偏置电压，辅信号偏置电路为辅信号电路提供偏置电压，功率反馈电路实时采集辅信号电路的输出功率，并根据采集信号对主信号偏置电路和辅信号偏置电路进行调制，输出转换匹配电路将主信号电路和辅信号电路输出的功率进行转换并输出相应的匹配信号。
如图4所示的电路中主信号电路的输出端设置有主功率管Q1，辅信号电路的输出端设置有辅助功率管Q2，主功率管Q1和辅助功率管Q2采用NPN型晶体管；主信号电路的射频信号由电容C2进入主功率管Q1的基极，主功率管Q1的发射极接地；辅信号电路的射频信号由电容C3进入辅助功率管Q2的基极，主功率管Q1的发射极接地。
偏置电路包括NPN型晶体管Q4及其辅助电路，晶体管Q4的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端一方面通过二极管串联电路和电容C1所形成的并联电路接地，一方面通过电阻R3连接电源Vdd1；二极管串联电路上设置有二极管D1和二极管D2，二极管D1的阳极连接电阻R2，阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接地；晶体管Q4的集电极通过电阻R4连接电源Vdd2；晶体管Q4的发射极一方面通过电感L1和电阻R1形成的串联电路连接辅助功率管Q2的基极，为辅助功率管Q2提供偏置电压，另一方面通过电感L3和电阻R6形成的串联电路连接主功率管Q1的基极，为主功率管Q1提供偏置电压。
输出转换匹配电路包括阻抗转换器T1和输出匹配电路U1，阻抗转换器T1的差分输入的第一输入端连接主功率管Q1的集电极，第二输入端经由峰值检测电路U2连接辅助功率管Q2的集电极，差分地端通过电感L6连接电源Vdd3，电源Vdd3通过电容C4接地；阻抗转换器T1的一输出端连接输出匹配电路U1，另一输出端接地。
图5中的输出匹配电路U1包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12、电容C13；电感L11的一端作为该输出匹配电路U1的端口P11，用于连接阻抗转换器T1的输出，电感L11的另一端一方面通过电容C11接地，另一方面连接电感L12的一端，电感L12的另一端一方面通过电容C12接地，另一方面连接电容C13，电容C13的另一端作为端口P12，用于连接终端负载。
功率反馈电路包括设置在辅助功率管Q2的集电极和阻抗转换器T1的差分输入的第二输入端之间的峰值检测电路U2以及N沟道结型场效应管Q5、NPN型晶体管Q3及其辅助电路；场效应管Q5的栅极连接峰值检测电路U2，通过峰值检测电路U2输出的采样电压来控制开关状态；场效应管Q5的漏极连接晶体管Q4的发射极；场效应管Q5的源极连接晶体管Q3的发射极；晶体管Q3的基极连接晶体管Q4的基极，晶体管Q3的集电极通过电阻R5连接电源Vdd2。
图6中的峰值检测电路U2，其端口P21连接辅助功率管Q2的集电极输出，端口P22连接阻抗转换器T1的差分输入的第二输入端，端口P21和P22之间是一个定向耦合器Coupler21，电阻R21为定向耦合器的负载电阻，电容C21接定向耦合器的耦合端口，二极管D21为检波二极管，直流电源DC21通过电阻R22给二极管D21施加合适的偏置电流，从电感C21端口耦合过来的功率被直流电源D21整流后产生一个直流电压，通过端口P23连接到场效应管Q5的栅极起到控制作用。
在较低功率正常工作范围内，由于峰值检测电路U2产生的采样电压较低，低于预设的阈值，场效应管Q5处于关断状态，主功率管Q1和辅助功率管Q2在初始设定的偏置点工作，这时偏置电路的工作方式跟传统开放式电流镜没有太大区别。当输出功率高于阈值的时候，峰值检测电路U2输出的采样电压升高，当高于预设的阈值时，场效应管Q5打开，对主功率管Q1和辅助功率管Q2的偏置电路进行补偿，主功率管Q1和辅助功率管Q2的基极电流和电压随输出功率逐渐升高，带动各自的增益在高功率输出范围内的逐步提升，从而延后了增益压缩点，提高了线性功率及其线性度与，也提升了近饱和的效率。上述阈值的设定与两个因素有关，一是在何种输出功率下需要开始进行调整，这会根据具体应用情况来确定，如额定输出功率为A，对于4G信号应用则可以选择在A-2dB左右开始进行调整，而对于3G等可以选择A-1dB来进行调整。二是根据所选择场效应管Q5的尺寸和工艺参数来做适当调整，确保能够适时打开和关断。
另外，辅助功率管Q2的调制电阻R1较主功率管Q1的调制电阻R6的阻值低很多，R1与R6阻值之间有一个比例关系，R1越小，辅助功率管Q2所起的补偿作用越快速，但补偿的区间可能会缩短，R1具体数值通常由仿真和实验结果确定，取决于Q2的尺寸，放大器的应用条件以及额定输出功率等多种因素。低功率状态下总功率输出由主功率管Q1贡献，在高功率状态下由于功率反馈电路提升了总的偏置电压，辅助功率管Q2的输出比重才会增加。利用偏置原始静态工作点设置以及物理尺寸设计的差别，实现一主一辅的功率补偿功能，进而保证了在不同功率状态下一致的优化状态。
由于输出转换匹配电路的采样需要同时兼顾宽频与可调的特性，阻抗转换器T1的带宽高于一般的窄带技术设计，所以所得到的功放模块应用频率较宽。
由于是采用实时反馈技术，对相当的一段高功率输出范围都有效果；所用BIHEMT或BIFET技术均为成熟技术，并不增加额外生产成本。
如图7所示，本实施例中功放模块的版图布局主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路以及功率反馈电路均被设计在倒装芯片flip chip上，而将输出转换匹配电路设计在基板上，倒装芯片和基板上的电路通过电感走线连通，在电感走线上部署有可调的表面贴装器件SMD。
图8中实线为传统功放模块的功放增益与输出功率曲线图，虚线为本发明中功放模块的功放增益与输出功率曲线图，横坐标为功放增益Gain，纵坐标为输出功率Pout，从图中可以看出，在高功率输出区域，本发明的功放模块在相同的负载条件下输出功率有所延展，从而在所覆盖的功率范围内，功放线性度与输出功率都得到了明显提升。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种应用于手机天线端的功放模块，其特征在于，包括：主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路、功率反馈电路以及输出转换匹配电路，主信号偏置电路为主信号电路提供偏置电压，辅信号偏置电路为辅信号电路提供偏置电压，功率反馈电路实时采集辅信号电路的输出功率，并根据采集信号对主信号偏置电路和辅信号偏置电路进行调制，输出转换匹配电路将主信号电路和辅信号电路输出的功率进行转换并输出相应的匹配信号；
所述功率反馈电路包括设置在辅信号电路输出端和所述输出转换匹配电路之间的峰值检测电路U2以及场效应管Q5、晶体管Q3及其辅助电路；所述场效应管Q5的栅极连接峰值检测电路U2，通过所述峰值检测电路U2输出的采样电压来控制开关状态；场效应管Q5的漏极连接所述主信号偏置电路和辅信号偏置电路，用于提供调制电压；场效应管Q5的源极连接晶体管Q3的发射极；晶体管Q3的集电极通过电阻R5连接电源Vdd2；
所述主信号电路的输出端设置有主功率管Q1，主功率管Q1采用晶体管，主信号电路的射频信号由电容C2进入主功率管Q1的基极，主功率管Q1的发射极接地；辅信号电路的输出端设置有辅助功率管Q2，辅助功率管Q2采用晶体管，辅信号电路的射频信号由电容C3进入辅助功率管Q2的基极，辅助功率管Q2的发射极接地；
所述主信号偏置电路和辅信号偏置电路包括：晶体管Q4及其辅助电路，所述晶体管Q4的基极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端一方面通过二极管串联电路和电容C1所形成的并联电路接地，一方面通过电阻R3连接电源Vdd1；二极管串联电路上设置有二极管D1和二极管D2，二极管D1的阳极连接电阻R2，阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接地；晶体管Q4的集电极通过电阻R4连接电源Vdd2；晶体管Q4的发射极通过电感L3和电阻R6形成的串联电路连接主功率管Q1的基极，为主功率管Q1提供偏置电压；晶体管Q4的发射极通过电感L1和电阻R1形成的串联电路连接辅助功率管Q2的基极，为辅助功率管Q2提供偏置电压；晶体管Q4的基极还连接晶体管Q3的基极，发射极还连接场效应管Q5的漏极。
2.根据权利要求1所述的功放模块，其特征在于，所述输出转换匹配电路包括阻抗转换器T1和输出匹配电路U1，阻抗转换器T1的差分输入的第一输入端连接主功率管Q1的集电极，第二输入端经由峰值检测电路U2连接辅助功率管Q2的集电极，差分地端通过电感L6连接电源Vdd3，电源Vdd3通过电容C4接地；阻抗转换器T1的一输出端连接输出匹配电路U1，另一输出端接地。
3.根据权利要求2所述的功放模块，其特征在于，所述输出匹配电路U1包括电感L11、电感L12、电容C11、电容C12、电容C13；电感L11的一端设置端口P11，用于连接阻抗转换器T1的输出，电感L11的另一端一方面通过电容C11接地，另一方面连接电感L12的一端，电感L12的另一端一方面通过电容C12接地，另一方面连接电容C13的一端，电容C13的另一端设置端口P12，用于连接终端负载。
4.根据权利要求1所述的功放模块，其特征在于，所述峰值检测电路U2包括定向耦合器Coupler21，定向耦合器Coupler21的一端设置端口P21连接辅助功率管Q2的集电极输出，另一端设置端口P22连接阻抗转换器T1的差分输入的第二输入端；定向耦合器Coupler21的一个耦合端口通过其负载电阻R21接地，另一耦合端口连接电容C21的一端，电容C21的另一端设置P23端口连接场效应管Q5的栅极，该P23端口一方面通过二极管D21接地，另一方面通过电阻R22连接直流电源DC21。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的功放模块，其特征在于，所述主信号电路和主信号偏置电路、辅信号电路和辅信号偏置电路以及功率反馈电路均设置在倒装芯片上，所述输出转换匹配电路设置在基板上。
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