CN106788282A - 一种改善动态误差矢量幅度的装置及方法 - Google Patents

一种改善动态误差矢量幅度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种改善动态误差矢量幅度的装置，包括两个温度检测电路、一个控制电路、一个偏置电路和一个放大电路。两个温度检测电路分别用来检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将检测结果送往控制电路。控制电路根据两个温度检测电路的检测结果的差值决定输出。当两个温度检测电路的检测结果的差值小于阈值时，控制电路输出补偿信号。当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，控制电路不输出。偏置电路输出一个稳定的偏置信号。偏置电路输出的稳定的偏置信号叠加控制电路的输出后，用来为放大电路中的功率晶体管提供偏置。本申请可以帮助功率放大器短时间达到热稳定状态并持续维持，满足了高线性度、高动态误差矢量幅度的要求。

Description

一种改善动态误差矢量幅度的装置及方法
技术领域
本申请涉及一种能够改善动态误差矢量幅度的功率放大装置。
背景技术
时分双工(TDD)是很多通讯装置采用的工作方式，涉及无线局域网(WLAN)的通讯装置大多采用时分双工模式。最通用的无线局域网标准是IEEE定义的802.11系列标准，符合该系列标准的无线局域网技术称为WiFi。
无线通讯装置的发射通道以及接收通道中，射频功率放大器是最重要的器件之一，它主要用于将收发信机(transceiver)输出的已调制信号进行功率放大以得到满足要求的功率大小。为了省电，时分双工系统中的射频功率放大器在需要发送信号时才开启，在无需发送信号时就关闭，因此该射频功率放大器处在动态开关过程中。
随着无线局域网技术的进步，无线传输速率越来越高。WiFi采用正交频分复用(OFDM)技术，IEEE 802.11ac协议规定最高采用256阶正交幅度调制(QAM)，传输速率可达1Gbps以上。高阶调制模式对射频功率放大器的线性度要求也更高。当采用较低阶调制时，射频功率放大器的时变非线性导致的信号失真还可以接受。当调制阶数提高后，对信号失真的要求大大提高，就必须采取方法减小射频功率放大器动态开关过程中的非线性。
误差矢量幅度(error vector magni tude，EVM)是衡量功率放大器线性度重要指标。误差矢量幅度分为两种——静态误差矢量幅度(Stat ic EVM，SEVM)和动态误差矢量幅度(Dynamic EVM，DEVM)。静态误差矢量幅度是指功率放大器一直开启并处于稳定状态下测试得到的误差矢量幅度。动态误差矢量幅度是指功率放大器在动态开启和关闭过程中测试得到的误差矢量幅度。理论上动态误差矢量幅度和静态误差矢量幅度应该一样的，而实际上动态误差矢量幅度往往比静态误差矢量幅度要差。实际的时分双工系统中的射频功率放大器大部分时间是处于不断的开启和关断，因此采用动态误差矢量幅度作为衡量线性度的指标更为准确。
功率放大器具有使能信号PA_EN，使能信号PA_EN例如作为功率放大器的偏置电路的输入。当使能信号PA_EN为激活状态(例如高电平)时，偏置电路为功率放大器提供偏置信号，功率放大器工作。当使能信号PA_EN为去激活状态(例如低电平)时，偏置电路停止提供偏置信号，功率放大器停止工作。在使能信号PA_EN的控制下，功率放大器或者为工作状态或者为停止状态，功率放大器的工作状态占总时间的比值称为功率放大器的占空比。功率放大器的占空比对动态误差矢量幅度的测量有影响，占空比越小则动态误差矢量幅度越差，反之亦然。例如，功率放大器为95％占空比时，功率晶体管大部分时间都是开启的，功率晶体管基本上是处于热稳定状态。而若功率放大器为5％占空比时，功率晶体管大部分时间是关闭的，在下次开启前功率晶体管基本上已经处于冷却状态，开启时需要一段时间才能使功率晶体管进入热稳定状态，这段时间内功率放大器的增益会发生变化。实际的时分双工系统中，功率放大器的使能信号PA_EN由去激活状态变为激活状态后，经过一小段时间Δt的滞后才有射频信号RFin开始输入进来，这一小段时间Δt通常为0.2～1μs，如图1所示。若能在这段时间内使得功率晶体管进入热稳定状态，就能改善功率放大器的动态误差矢量幅度，提高功率放大器的线性度。
申请公布号为CN104467745A、申请公布日为2015年3月25日的中国发明专利申请《动态误差向量幅度占空比校正》中，公开了一种放大器、低通滤波器和偏置电路。低通滤波器根据放大器的占空比产生校正信号。偏置电路至少部分基于校正信号产生偏置信号提供给放大器。整个装置最终用来使放大器的增益保持基本恒定，或者使放大器的输出相位保持基本恒定。该方案无法探测功率晶体管正常工作时的温度情况，校正信号只取决于使能信号的占空比，也无法判断系统工作时使能信号的周期不同而带来的温度差异。
申请公布号为CN104753472A、申请公布日为2015年7月1日的中国发明专利申请《关于用于动态误差向量幅度校正的嵌入传感器的装置方法》中，公开了一种放大级、传感器和偏置电路。传感器用来感测放大晶体管的操作状态例如温度。偏置电路用来向放大晶体管提供偏置信号，该偏置信号基于传感器的感测结果对动态误差向量幅度进行了补偿。该方案的探测电路部分包含带隙基准器件或与绝对温度成比例的器件，电路结构复杂，不方便实现。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种能够改善动态误差矢量幅度的、处于动态开关过程的功率放大装置。为此，本申请还要提供相应的改善动态误差矢量幅度的方法。
为解决上述技术问题，本申请提供的改善动态误差矢量幅度的装置包括两个温度检测电路、一个控制电路、一个偏置电路和一个放大电路。两个温度检测电路分别用来检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将检测结果送往控制电路。控制电路根据两个温度检测电路的检测结果的差值决定输出。当两个温度检测电路的检测结果的差值小于阈值时，控制电路输出补偿信号。当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，控制电路不输出。偏置电路输出一个稳定的偏置信号。偏置电路输出的稳定的偏置信号叠加控制电路的输出后，用来为放大电路中的功率晶体管提供偏置。
本申请提供的改善动态误差矢量幅度的方法是：分别检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将两个检测结果的差值与阈值相比较；当两个检测结果的差值小于阈值时，偏置信号叠加补偿信号共同为功率晶体管提供偏置；当两个检测结果的差值大于阈值时，仅由偏置信号为功率晶体管提供偏置。
本申请取得的技术效果是帮助功率放大器在很短时间内达到热稳定状态并持续维持，满足了高线性度、高动态误差矢量幅度的要求。
附图说明
图1是功率放大器的射频信号的开始时间滞后于使能信号的开始时间的示意图。
图2是一种现有的功率放大器的电路示意图。
图3是图2的方框示意图。
图4是功率放大器芯片中功率晶体管、片上其他器件的温度随时间变化的示意图。
图5是本申请提供的改善动态误差矢量幅度的装置的实施例一的方框示意图。
图6是本申请提供的改善动态误差矢量幅度的方法的实施例一的流程图。
图7是图5中的控制电路、偏置电路、放大电路的电路示意图。
图8是图7中的控制电路的简化示意图。
图9是图5中的温度检测电路的电路示意图。
图10是图7中的电流源替换为电压源的电路示意图。
图中附图标记说明：VCC为功率放大器的电源电压；PA_EN为功率放大器的使能信号；Vreg为参考电压；Vreg2为参考电压二；RFin为功率放大器的射频输入信号；RFout为功率放大器的射频输出信号；LDO为低压差稳压器；Q1和Q2为二极管；Q3为晶体管三；Q4为功率晶体管；Q5为开关管；Q6为温度检测管；R为电阻；C为电容；L为电感；V1为检测电压一；V2为检测电压二；I1为电流源；Vb为电压源；T为开关；NM为NMOS管；NP为PMOS管；NG为反相器。
具体实施方式
请参阅图2，这是一种现有的功率放大器，包括偏置电路和放大电路。图2所示的功率放大器可以简化为图3所示的方框图。偏置电路用来为放大电路中的功率晶体管提供偏置，包括为功率晶体管的集电极提供偏置电压或偏置电流、或者为功率晶体管的基极提供偏置电流或偏置电压等。放大电路包含功率晶体管，功率晶体管用来实现射频信号的功率放大。
图2示意性地给出了偏置电路的一种实现方式。功率放大器的使能信号PA_EN作为低压差稳压器(low-dropout regulator)LDO的输入信号。当使能信号PA_EN为激活状态(例如高电平)时，低压差稳压器LDO输出一个稳定的直流电压Vd。当使能信号PA_EN为去激活状态(例如低电平)时，低压差稳压器LDO不输出。低压差稳压器LDO的输出端通过级联的电阻一R1、二极管一Q1和二极管二Q2接地。二极管一Q1、二极管二Q2均可以采用双极型晶体管(BJT)实现，将双极型晶体管的基极与集电极短接作为二极管的阳极，将双极型晶体管的发射极作为二极管的阴极。二极管一Q1的阳极通过电容一C1接地，二极管一Q1的阳极还连接晶体管三Q3的基极，晶体管三Q3的集电极通过电阻二R2连接电源电压VCC，晶体管三Q3的发射极通过电阻三R3输出偏置电流Ib提供给功率晶体管Q4的基极。晶体管三Q3例如也为双极型晶体管。
图2也示意性地给出了放大电路的一种实现方式。功率晶体管Q4例如为双极型晶体管，其基极通过电容二C2接收射频输入信号RFin，其发射极接地，其集电极输出射频输出信号RFout，其集电极还通过负载电感L1连接电源电压VCC。
图2所示的功率放大器中，当功率放大器的使能信号PA_EN由去激活状态变为激活状态时，低压差稳压器LDO就开启并输出直流电压Vd，偏置电路就随之输出偏置电流Ib给功率晶体管Q4的基极，功率晶体管Q4开启，放大电路就开始工作。当功率放大器的使能信号PA_EN由激活状态变为去激活状态时，低压差稳压器LDO就关闭并停止输出直流电压Vd，偏置电路就随之停止输出偏置电流Ib给功率晶体管Q4的基极，功率晶体管Q4关闭，放大电路就停止工作。这种功率放大器的偏置电路简单易用，在低速率的时分双工系统中可以满足线性度要求。然而在高速率的时分双工系统中，尤其是功率放大器的占空比不断变化的情况下，例如IEEE 802.11ac协议要求功率放大器在不同占空比下的动态误差矢量幅度满足1.8％，图2所示的功率放大器在占空比较低情况下难以在使能信号PA_EN的激活状态开始时间到射频信号开始传输的一小段时间Δt(如图1所示)内使功率放大器进入热稳定状态，因而很难满足线性度的高要求，也就很难满足动态误差矢量幅度的高要求。
图2所示的功率放大器通常将偏置电路和放大电路封装在一颗芯片(chip)内。有限的实验表明，功率放大器在正常工作时功率晶体管Q4的温度会比片上其他有源器件温度高，典型的温度差值例如为10～15℃之间。并且功率放大器在正常工作时片上其他有源器件的温度变化会滞后于功率晶体管Q4的温度变化。这两个特性在图4中得到了清晰展示。利用功率晶体管Q4与片上其他器件在温度上的差异性，本申请进行了创新设计。
请参阅图5，这是本申请提供的改善动态误差矢量幅度的装置的实施例一，包括两个温度检测电路、一个控制电路、一个偏置电路和一个放大电路。两个温度检测电路分别用来检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将检测结果送往控制电路。优选地，两个温度检测电路采用相同的电路结构。例如，温度检测电路一距离功率晶体管很近，因此可以用来检测功率晶体管的温度。温度检测电路二距离功率晶体管很远，因此可以用来检测片上其他器件的温度。片上其他器件可以是片上除功率晶体管以外的有源器件，也可以是片上无源器件。优选地，两个温度检测电路之间的距离在300微米以上。优选地，温度检测电路二与功率晶体管的距离在300微米以上。优选地，片上其他器件与功率晶体管的距离在300微米以上。控制电路根据两个温度检测电路的检测结果的差值决定输出。当两个温度检测电路的检测结果的差值小于阈值时，控制电路输出补偿信号。当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，控制电路不输出。偏置电路输出一个稳定的偏置信号。偏置电路输出的稳定的偏置信号叠加控制电路的输出后，用来为放大电路中的功率晶体管提供偏置，包括为功率晶体管的集电极提供偏置电压或偏置电流、或者为功率晶体管的基极提供偏置电流或偏置电压等。放大电路包含功率晶体管，功率晶体管用来实现射频信号的功率放大。优选地，两个温度检测电路、控制电路、偏置电路和放大电路被封装在同一颗芯片中，例如同一衬底的砷化镓芯片上。但整个装置如果包含低压差稳压器的话，低压差稳压器通常是一颗独立的芯片。
请参阅图6，本申请提供的改善动态误差矢量幅度的方法包括如下步骤：分别检测功率晶体管、片上其他器件的温度；将两个检测结果的差值与阈值相比较；当两个检测结果的差值小于阈值时，输出补偿信号，此时偏置信号叠加补偿信号共同为功率晶体管提供偏置；当两个检测结果的差值大于阈值时，不输出补偿信号，此时仅由偏置信号为功率晶体管提供偏置。
与图3所示的现有的功率放大器相比，本申请增加了两个温度检测电路和一个控制电路。当两个温度检测电路的检测结果的差值小于阈值时，表明功率晶体管与片上其他器件的温度差别不大，也就是说功率晶体管尚未达到热稳定状态，此时控制电路输出的补偿信号相当于为功率晶体管提供了额外的偏置，从而帮助功率晶体管快速达到热稳定状态。当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，表明功率晶体管与片上其他器件的温度差别较大，也就是说功率晶体管已经达到或接近热稳定状态，此时控制电路不输出补偿信号也就不为功率晶体管提供额外的偏置，仅由稳定的偏置信号就能使功率晶体管维持在热稳定状态。本申请提供的装置中，功率放大器的占空比的变化、使能信号的周期不同均体现为两个温度检测电路的检测结果的差值，并由控制电路自动地决定是否补偿功率晶体管的偏置，这可以帮助功率放大器在很短时间内达到热稳定状态并持续维持，满足了高线性度、高动态误差矢量幅度的要求。
图7示意性地给出了图5中的控制电路的一种实现方式。图7所示的控制电路可以简化为图8所示。两个温度检测电路分别将检测结果V1、V2送入CMOS控制器，CMOS控制器计算两个温度检测电路的检测结果V1、V2的差值称为ΔV，并与阈值A做比较。阈值A的取值范围例如在10～15℃之间。当ΔV＜A时CMOS控制器输出低电平，当ΔV＞A时CMOS控制器输出高电平。功率放大器的使能信号PA_EN连接NMOS管一NM1的栅极，还通过反相器一NG1连接PMOS管一NP1的栅极。NMOS管一NM1的源极和PMOS管一NP1的源极相连，并连接电流源I1的输出端。NMOS管一NM1的漏极和PMOS管一NP1的漏极相连，并连接NMOS管二NM2的源极。NMOS管一NM1、PMOS管一NP1和反相器一NG1的组合相当于开关一T1，功率放大器的使能信号PA_EN为高电平(例如表示激活状态)时开关一T1闭合，功率放大器的使能信号PA_EN为低电平(例如表示去激活状态)时开关一T1断开。CMOS控制器的输出端连接PMOS管二NP1的栅极，还通过反相器二NG2连接NMOS管二NM2的栅极。NMOS管二NM2的源极和PMOS管二NP2的源极相连，并连接NMOS管一NM1的漏极。NMOS管二NM2的漏极和PMOS管二NP2的漏极相连，并连接功率晶体管Q4的基极。NMOS管二NM2、PMOS管二NP2和反相器二NG2的组合相当于开关二T2，CMOS控制器的输出端输出低电平时开关二T2闭合，CMOS控制器的输出端输出高电平时开关二T2断开。
图7还示意性地给出了图5中的偏置电路、放大电路的一种实现方式，均与图2相同，不再赘述。需要指出的是，任何能够输出稳定的偏置信号的偏置电路、任何包含功率晶体管且具有功率放大作用的放大电路均可用于本申请所述装置中。
图7所示控制电路的工作原理如下。当功率放大器的使能信号PA_EN由低电平变为高电平时，开关一T1闭合。此时由于功率晶体管Q4刚开启，其温度与片上其他器件的温度没有太大差别，因此两个温度检测电路的检测结果差值ΔV小于阈值A，CMOS控制器输出低电平，开关二T2闭合，电流源I1向功率晶体管Q4的基极输出补偿信号作为额外的偏置，此时功率晶体管的基极偏置由两部分组成——偏置电路提供的稳定的偏置信号叠加控制电路输出的补偿信号，使得其快速达到热稳定状态。当功率晶体管Q4接近或达到热稳定状态时，其温度显著地高出片上其他器件的温度，因此两个温度检测电路的检测结果差值ΔV大于阈值A，CMOS控制器输出高电平，开关二T2断开，控制电路不输出，此时功率晶体管的基极偏置仅为偏置电路提供的稳定的偏置信号，使得其持续维持在热稳定状态。通过合理设置电流源I1与阈值A，可以在功率晶体管Q4的使能信号PA_EN进入激活状态以后、射频信号RFin开始输入之前通过提供额外的补偿信号使得功率晶体管Q4进入热稳定状态，而在功率晶体管Q4进入热稳定状态后通过切断额外的补偿信号使得功率晶体管Q4保持正常偏置，从而改善功率放大器的动态误差矢量幅度。
图9示意性地给出了图5中的温度检测电路的一种实现方式。功率放大器的使能信号PA_EN通过电阻四R4连接开关管Q5的基极，开关管Q5的集电极通过电阻五R5连接参考电压Vreg，开关管Q5的发射极通过电阻六R6接地，开关管Q5的发射极还连接温度检测管Q6的基极。温度检测管Q6的集电极输出表征温度的检测电压V1，温度检测管Q6的集电极还通过电阻七R7连接参考电压Vreg，温度检测管Q6的发射极接地。
图9所示的温度检测电路中，当功率放大器的使能信号PA_EN为高电平时，开关管Q5开启，由电阻五R5和电阻六R6组成的分压支路为温度检测管Q6提供合适的偏置。当温度升高时，由于温度检测管Q6的偏置电压不变，因此通过温度检测管Q6的电流增加，导致温度检测管Q6的集电极输出的检测电压V1变小。反之亦然，当温度降低时，温度检测管Q6的集电极输出的检测电压V1变大。实际版图设计时，一个温度检测电路中的温度检测管Q6应放置离功率晶体管Q4很近的地方，其检测结果就会很接近功率晶体管Q4的温度。另一个温度检测电路中的温度检测管Q6’则放置在远离功率晶体管Q4的地方，其检测结果就代表片上其他器件的温度。通过将两个温度检测电路的位置尽量远离，使得两个温度检测电路的检测结果产生差异，表现为两个温度检测电路输出的检测电压V1和V2就有差值ΔV。
作为一种变形，图7所示的控制电路中的电流源I1也可替换为图10所示电路。NMOS管三MN3的栅极和漏极短接，并通过电阻八R8连接参考电压二Vreg2。NMOS管三MN3的源极作为电压源Vb对外输出。电压源Vb连接开关一T1的一端。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，包括两个温度检测电路、一个控制电路、一个偏置电路和一个放大电路；
两个温度检测电路分别用来检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将检测结果送往控制电路；
控制电路根据两个温度检测电路的检测结果的差值决定输出；当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，控制电路输出补偿信号；当两个温度检测电路的检测结果的差值大于阈值时，控制电路不输出；
偏置电路输出一个稳定的偏置信号；
偏置电路输出的稳定的偏置信号叠加控制电路的输出后，用来为放大电路中的功率晶体管提供偏置。
2.根据权利要求1所述的改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，两个温度检测电路之间的距离在300微米以上；和/或
用来检测片上其他器件的温度检测电路与功率晶体管的距离在300微米以上；和/或
片上其他器件与功率晶体管的距离在300微米以上。
3.根据权利要求1所述的改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，温度检测电路、控制电路、偏置电路和放大电路被封装在同一颗芯片中。
4.根据权利要求1所述的改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，所述控制电路包括CMOS控制器、开关一和开关二；
两个温度检测电路均将检测结果送入CMOS控制器，CMOS控制器计算两个温度检测电路的检测结果的差值称为ΔV，并与阈值A做比较；当ΔV＜A时CMOS控制器输出低电平，当ΔV＞A时CMOS控制器输出高电平；
功率放大器的使能信号决定开关一的状态；功率放大器的使能信号为高电平时开关一闭合，功率放大器的使能信号为低电平时开关一断开；
CMOS控制器的输出端决定开关二的状态；CMOS控制器的输出端输出低电平时开关二闭合，CMOS控制器的输出端输出高电平时开关二断开；
电流源或电压源通过级联的开关一和开关二连接功率晶体管的基极。
5.根据权利要求4所述的改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，所述开关一包括NMOS管一、PMOS管一和反相器一；功率放大器的使能信号连接NMOS管一的栅极，还通过反相器一连接PMOS管一的栅极；NMOS管一的源极和PMOS管一的源极相连，并连接电流源的输出端；NMOS管一的漏极和PMOS管一的漏极相连，并连接NMOS管二的源极；
所述开关二包括NMOS管二、PMOS管二和反相器二；CMOS控制器的输出端连接PMOS管二的栅极，还通过反相器二连接NMOS管二的栅极；NMOS管二的源极和PMOS管二的源极相连，并连接NMOS管一的漏极；NMOS管二的漏极和PMOS管二的漏极相连，并连接功率晶体管的基极。
6.根据权利要求4所述的改善动态误差矢量幅度的装置，其特征是，所述温度检测电路包括开关管和温度检测管；功率放大器的使能信号通过电阻四连接开关管的基极，开关管的集电极通过电阻五连接参考电压，开关管的发射极通过电阻六接地，开关管的发射极还连接温度检测管的基极；温度检测管的集电极输出表征温度的检测电压，温度检测管的集电极还通过电阻七连接参考电压，温度检测管的发射极接地。
7.一种改善动态误差矢量幅度的方法，其特征是，分别检测功率晶体管、片上其他器件的温度，并将两个检测结果的差值与阈值相比较；当两个检测结果的差值小于阈值时，偏置信号叠加补偿信号共同为功率晶体管提供偏置；当两个检测结果的差值大于阈值时，仅由偏置信号为功率晶体管提供偏置。
8.根据权利要求7所述的改善动态误差矢量幅度的方法，其特征是，所述检测温度的步骤包括功率放大器的使能信号决定开关管的状态；开关管开启时由电阻分压支路为温度检测管提供偏置；当温度升高时，由于温度检测管的偏置电压不变，因此通过温度检测管的电流增加，导致温度检测管输出的检测电压变小；反之亦然，当温度降低时，温度检测管输出的检测电压变大。
9.根据权利要求7所述的改善动态误差矢量幅度的方法，其特征是，当功率晶体管刚开启时，其温度与片上其他器件的温度差值小于阈值，因此有补偿信号叠加稳定的偏置信号共同作为功率晶体管的基极偏置，使其快速达到热稳定状态；
当功率晶体管接近或达到热稳定状态时，其温度与片上其他器件的温度差值大于阈值，因此补偿信号不再输出，仅由稳定的偏置信号作为功率晶体管的基极偏置，使其回归正常偏置。
10.根据权利要求7所述的改善动态误差矢量幅度的方法，其特征是，功率放大器的工作状态占总时间的比值称为功率放大器的占空比；功率放大器的占空比的变化、功率放大器的使能信号的周期不同均体现为对功率晶体管、片上其他器件的温度检测结果的差值，并由此决定是否输出补偿信号。
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