CN106788486B

CN106788486B - 一种带温度补偿的发射机及其温度补偿方法

Info

Publication number: CN106788486B
Application number: CN201611095995.XA
Authority: CN
Inventors: 梁振; 李斌; 黄沫; 吴朝晖
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: CN106788486A

Abstract

本发明公开了一种带温度补偿的发射机及其温度补偿方法，该发射机包括数字电路、数模转换器、低通滤波器、混频器、可编程增益放大器、数字可变增益放大器和温度检测电路，所述温度检测电路的输出端依次经过数字电路、数字可变增益放大器、数模转换器、低通滤波器以及混频器与可编程增益放大器的输入端连接。该方法包括有，数字电路对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号大于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制数字可变增益放大器的增益。通过使用本发明的发射机，在高温补偿时则不会增加芯片的电流，形成传统温度补偿方案中所产生的正反馈，从而减少高温补偿时所增加的功耗。

Description

一种带温度补偿的发射机及其温度补偿方法

技术领域

本发明涉及发射机的温度补偿技术，尤其涉及一种带温度补偿的发射机及其温度补偿方法。

背景技术

技术词解释：

ADC：模数转换器

DAC：数模转换器

PA：功率放大器

PGA：可编程增益放大器

DVGA：数字可变增益放大器

LPF：低通滤波器

DVGA：数字可编程放大器

PD：功放驱动器

在直接变频发射机中，模拟基带生成的信号由调制器直接变频至发射的载频，并由射频放大器放大至一定的功率等级。而对于直接变频发射机的架构的特点，其为结构简单且性能高，本振泄漏和镜像边带均在本信道内，不会形成带外的干扰，因此无需射频镜像滤波器。同时，该架构也容易采用数字辅助的方法来校正发射机中各种非理想因素，如载波泄漏、镜像边带、放大器非线性失真等，因此直接变频方案非常适合多模应用与全集成方案，也是目前发射机中主流的解决方案。

目前直接变频发射机，如图1所示，主要由数模转换器DAC、低通滤波器LPF、混频器、可编程增益放大器PGA、功放驱动器PD及功率放大器PA组成。而所述发射机的输出功率是发射系统的重要指标之一，3gpp对终端的输出功率有严格的要求，例如，LTE发射机最大发射功率为23dBm，GSM发射机最大发射功率为33dBm等等。在没有温度补偿的情况下，发射机的输出功率会随着温度升高而减小，而造成输出功率随温度变化的原因主要是不同温度下跨导(gm)的变化，跨导是表征输入电压对输入电流的控制能力，对于cmos管跨导可以表示为：

K′＝μC₀

其中，W是沟道宽度，L是沟道长度，K′为跨导参数，μ是载流子迁移率，C₀是单位面积的栅电容。而对于硅材料，迁移率和温度的关系可用下式表示：

其中，a和b是常数，N_d是掺杂浓度，而由于cmos沟道掺杂浓度较低，因此上式分母中的第二项可忽。由上式可见，迁移率随温度的升高而减小，因此，gm也随着温度升高而减小。另外，还有很多其它因素也会造成输出功率的减小，例如，电感与电容组成的谐振会与常温下略有不同，电感的Q值高温下会变小等等。同样，PA的增益也会随温度升高而减小。而工业级电子产品的国标温度的规定范围一般是-20～85℃，在没有温度补偿的情况下，发射机的输出功率高温下(85℃)比低温下(-20℃)少6dB左右。

针对上述情况，专家们提出了很多针对发射机输出功率的温度补偿技术方案，但是对于这些方案，无论是针对PA还是射频芯片，其都是通过改变PGA、PD或者PA的电流来进行补偿，即在芯片里面增加与绝对温度成正比(PTAT)的电流源，令温度高时电流大，温度低时电流小，通过改变电流来补偿gm，从而补偿发射机的输出功率，这样则会造成高温时要增加电流，而增加电流却会造成芯片温度进一步升高，形成一个正反馈，大大地增加了芯片的功耗。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种带温度补偿的发射机。

本发明的另一目的是提供一种带温度补偿的发射机的温度补偿方法。

本发明所采用的技术方案是：一种带温度补偿的发射机，包括数字电路、数模转换器、低通滤波器、混频器、可编程增益放大器、数字可变增益放大器和温度检测电路，所述温度检测电路的输出端依次经过数字电路、数字可变增益放大器、数模转换器、低通滤波器以及混频器与可编程增益放大器的输入端连接；

所述数字电路用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制数字可变增益放大器的增益。

进一步，所述数字电路的输出端还与可编程增益放大器的控制输入端连接，所述数字电路还用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制可编程增益放大器的增益。

进一步，所述可编程增益放大器包括R-2R衰减网络、六个跨导单元及负载，所述R-2R衰减网络包括有六个R-2R衰减节点，所述六个R-2R衰减节点分别一一对应与六个跨导单元的输入端差分连接，所述六个跨导单元的输出端均与负载差分连接，所述六个跨导单元的输出端均作为可编程增益放大器的输出端；所述数字电路的输出端分别与六个跨导单元的控制输入端连接；

所述数字电路具体还用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果，从而通过控制六个跨导单元的导通来控制可编程增益放大器的增益。

进一步，所述跨导单元包括第一电容、第二电容、第一可控开关、第二可控开关、第一直流电源电压、第七电阻、第八电阻、非门、第三可控开关、第四可控开关、第二直流电源电压、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管及第四NMOS管；

所述第一电容的一端和第二电容的一端均作为跨导单元的输入端，所述第一电容的另一端分别与第七电阻的一端和第一NMOS管的栅极连接，所述第二电容的另一端分别与第八电阻的一端和第二NMOS管的栅极连接，所述第七电阻的另一端与第一可控开关的一连接端连接，所述第八电阻的另一端与第二可控开关的一连接端连接，所述第二可控开关的另一连接端与第一直流电源电压的正极连接，所述第一可控开关的另一连接端、第一直流电源电压的负极、第一NMOS管的源极及第二NMOS管的源极均接地；

所述第一NMOS管的漏极与第三NMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的漏极与第四NMOS管的源极连接，所述第四NMOS管的栅极分别第三NMOS管的栅极、第四可控开关的一连接端及第三可控开关的一连接端连接，所述第四可控开关的另一连接端与第二直流电源电压的正极连接，所述第二直流电源电压的负极与第三可控开关的另一连接端均接地；

所述数字电路的输出端分别与非门的输入端、第二可控开关的控制输入端及第四可控开关的控制输入端连接，所述非门的输出端分别与第一可控开关的控制输入端和第三可控开关的控制输入端连接；所述第三NMOS管的漏极和第四NMOS管的漏极均作为跨导单元的输出端。

进一步，所述第一直流电源电压和/或第二直流电源电压为发射机芯片内部产生的直流电压。

进一步，还包括模数转换器，所述模数转换器连接在温度检测电路的输出端和数字电路的输入端之间。

本发明所采用的另一技术方案是：一种带温度补偿的发射机的温度补偿方法，该方法包括的步骤有：

数字电路对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号大于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制数字可变增益放大器的增益。

进一步，该方法包括的步骤还有：

数字电路对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制可编程增益放大器的增益。

进一步，所述当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制可编程增益放大器的增益这一步骤，其具体为：

当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而通过控制可编程增益放大器中的六个跨导单元的导通来相对应地控制可编程增益放大器的增益。

本发明的有益效果是：本发明的发射机在高温时是通过控制数字可变增益放大器的数字增益来补偿输出功率的损失的，而不是利用增加芯片电流来实现输出功率的补偿，这样则不会增加芯片的电流，也不会形成传统温度补偿方案中所产生的正反馈，从而提高发射机工作的稳定性和可靠性，以及减少高温补偿时所增加的功耗。

本发明的另一有益效果是：通过使用本发明的方法，发射机在温度高于温度界限值时，即处于高温时，是通过控制数字可变增益放大器的增益来补偿输出功率的损失的，而不是利用增加芯片电流来实现输出功率的补偿，这样则不会增加芯片的电流，也不会形成传统温度补偿方案中所产生的正反馈，从而提高发射机工作的稳定性和可靠性，以及减少高温补偿时所增加的功耗。

附图说明

图1是传统发射机的结构示意图；

图2是本发明一种带温度补偿的发射机的结构示意图；

图3是本发明一种带温度补偿的发射机一具体实施例结构示意图；

图4是图3中PGA的一具体实施例电子电路示意图；

图5是图4中一R-2R衰减基本单位的结构示意图；

图6是图4中跨导单元的一具体实施例电子电路示意图。

1、混频器；2、跨导单元。

具体实施方式

如图2所示，一种带温度补偿的发射机，其相较于传统的发射机，多增设了数字可变增益放大器和温度检测电路，即本发明的发射机具体包括有温度检测电路、数字电路、数字可变增益放大器DVGA、数模转换器DAC、低通滤波器LPF、混频器1以及可编程增益放大器PGA，所述温度检测电路的输出端依次经过数字电路、数字可变增益放大器DVGA、数模转换器DAC、低通滤波器LPF以及混频器1与可编程增益放大器PGA的输入端连接；

所述数字电路用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制数字可变增益放大器DVGA的增益。其中，所述DVGA用于接入所需发射的信号DATA，然后根据自身的增益从而对接入的信号DATA进行放大后输出。另，对于所述的PGA，其输出端依次连接有功放驱动器PD、功率放大器PA及天线，即PGA所输出的信号依次经过PD、PA处理后由天线发射出去。

对于上述的发射机，其工作原理为：工作时，温度检测电路检测当前的温度，并且将检测到的温度传输至数字电路上，数字电路根据接收到的温度信号进行判断，然后当判断结果为当前需要进行高温补偿时，数字电路则根据接收到的温度数值，相对应地控制调整DVGA的增益，令进入的信号DATA进行相对应的放大后输出，从而补偿输出功率因温度变高而产生的损失。由此可得，本发明的发射机在温度变高时，是通过控制DVGA的增益，令进入的信号DATA进行相应的放大，从而补偿输出功率因温度变高时所产生的损失，而并不是通过增加芯片的电流来实现的，因此这样不会形成传统温度补偿方案中所产生的正反馈，解决传统发射机在高温补偿时功耗增加过多的问题，大大提高发射机工作的稳定性和可靠性，以及还能达到低功耗进行高温补偿的效果。

进一步作为本实施例的优选实施方式，所述数字电路的输出端还与可编程增益放大器PGA的控制输入端连接，所述数字电路还用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制可编程增益放大器PGA的增益。

进一步作为本实施例的优选实施方式，还包括模数转换器ADC，所述模数转换器ADC连接在温度检测电路的输出端和数字电路的输入端之间。

实施例1、带温度补偿的发射机

在本实施例中，对于对温度信号的判断，其具体为温度信号阈值判断。

如图3所示，一种带温度补偿的发射机，其具体包括有温度检测电路、模数转换器ADC、数字电路、数字可变增益放大器DVGA、数模转换器DAC、低通滤波器LPF、混频器1以及可编程增益放大器PGA，所述温度检测电路的输出端依次经过模数转换器ADC、数字电路、数字可变增益放大器DVGA、数模转换器DAC、低通滤波器LPF以及混频器1与可编程增益放大器PGA的输入端连接，所述数字电路的输出端还与可编程增益放大器PGA的控制输入端连接；

所述数字电路用于对温度检测电路所输出的温度信号进行阈值判断，当判断结果为温度信号大于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制DVGA的增益；

当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制PGA的增益。

对于上述的DVGA，其可以提供数字增益动态范围6dB，而每一步变化为0.25dB，即DVGA的增益可在0～6dB这一数字增益动态变化范围变化，而变化步长为0.25dB。

对于上述PGA，如图4所示，其包括R-2R衰减网络、六个跨导单元2及负载，所述R-2R衰减网络包括有六个R-2R衰减节点，所述六个R-2R衰减节点分别一一对应与六个跨导单元2的输入端差分连接，所述六个跨导单元2的输出端均与负载差分连接，所述六个跨导单元2的输出端均作为可编程增益放大器PGA的输出端；所述数字电路的输出端分别与六个跨导单元2的控制输入端连接；

所述数字电路具体用于对温度检测电路所输出的温度信号进行阈值判断，当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而通过控制六个跨导单元2的导通来相对应地控制PGA的增益。

其中，所述负载包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端分别对应地与六个跨导单元2的输出端差分连接，而R1的另一端和R2的另一端均接电源电压；

所述R-2R衰减网络包括有六个R-2R衰减节点，即该R-2R衰减网络中包含有六个基本单位结构，而一基本单位结构，如图5所示，包括有第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5及第六电阻R6(R3和R4的阻值为R，R5和R6的阻值为2R)，所述R5的一端和R6的一端均接地，所述R5的另一端与R4的一端连接，R6的另一端与R3的一端连接，其中，一R-2R衰减节点包含有R5的另一端与R4的一端之间的连接点a，R6的另一端与R3的一端之间的连接点b，它们分别与一跨导单元2的输入端差分连接；

上述六个基本单位结构依次连接在一起，其中，第一基本单位结构的R-2R衰减节点作为PGA的输入端，而对于第一基本单位结构至第五基本单位结构，相邻两个基本单位结构中，前一个基本单位结构中的R3的另一端和R4的另一端与后一个基本单位结构中的R-2R衰减节点对应连接，对于第六基本单位结构，其R-2R衰减节点与第五基本单位结构中的R3的另一端和R4的另一端对应连接，而第六基本单位结构中的R3的另一端和R4的另一端分别串联一阻值为R的电阻后接地；

如图6所示，所述跨导单元2包括第一电容C1、第二电容C2、第一可控开关S1、第二可控开关S2、第一直流电源电压VB1、第七电阻R7、第八电阻R8、非门l1、第三可控开关S3、第四可控开关S4、第二直流电源电压VB2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3及第四NMOS管M4；

所述第一电容C1的一端和第二电容C2的一端均作为跨导单元2的输入端，与R-2R衰减节点差分连接；

所述第一电容C1的另一端分别与第七电阻R7的一端和第一NMOS管M1的栅极连接，所述第二电容C2的另一端分别与第八电阻R8的一端和第二NMOS管M2的栅极连接，所述第七电阻R7的另一端与第一可控开关S1的一连接端连接，所述第八电阻R8的另一端与第二可控开关S2的一连接端连接，所述第二可控开关S2的另一连接端与第一直流电源电压VB1的正极连接，所述第一可控开关S1的另一连接端、第一直流电源电压VB1的负极、第一NMOS管M1的源极及第二NMOS管M2的源极均接地；

所述第一NMOS管M1的漏极与第三NMOS管M3的源极连接，所述第二NMOS管M2的漏极与第四NMOS管M4的源极连接，所述第四NMOS管M4的栅极分别第三NMOS管M3的栅极、第四可控开关S4的一连接端及第三可控开关S3的一连接端连接，所述第四可控开关S4的另一连接端与第二直流电源电压VB2的正极连接，所述第二直流电源电压VB2的负极与第三可控开关S3的另一连接端均接地；

所述数字电路的输出端分别与非门l1的输入端、第二可控开关S2的控制输入端及第四可控开关S4的控制输入端连接，所述非门l1的输出端分别与第一可控开关S1的控制输入端和第三可控开关S3的控制输入端连接；所述第三NMOS管M3的漏极和第四NMOS管M4的漏极均作为跨导单元2的输出端，与负载拆分连接，并且作为PGA的输出端；其中，所述第一直流电源电压VB1和第二直流电源电压VB2为发射机芯片内部产生的直流电压。

由上述可得，PGA由6bit的R-2R衰减网络和六个跨导单元组成。从差分输入端来看，每个衰减节点的电压只有前一个衰减节点电压的一半。六个衰减节点差分连接六个相同的跨导单元2，跨导单元2的输出端差分连接R1和R2。所述R1和R2作为PGA电路的负载，用于把电流信号转换成电压信号，输出给下一级。而本实施中，对于六个跨导单元2中的可控开关，它们是利用二进制码B<5:0>的6个bit分别进行控制的，其中，当输入可控开关的控制输入端为高电平时，该可控开关闭合，反之，当输入可控开关的控制输入端为低电平时，该可控开关则断开。另外，由于20×LOG(1+1/2^5)≈0.25dB，因此每变化一位，输出功率的变化大约为0.25dB。由此可见，通过控制S1～S4这四个可控开关的闭合或断开，便能控制该跨导单元2是否导通工作，而不同跨导单元2的导通，以及跨导单元2的导通个数不同，均会令PGA的增益不同，也就是说，通过控制不同跨导单元2的导通，以及导通个数的不同，便能实现PGA增益的控制。

实施例2、针对发射机的温度补偿方法

基于上述带温度补偿的发射机，其具体温度补偿方法所包括的步骤有：

开始正常工作时，发射机中的六个跨导单元2均闭合工作，此时则能达到发射机最大的输出功率；

数字电路对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号大于温度界限值时，即高温时，则根据温度信号的数值及补偿规则，从而相对应地控制调节数字可变增益放大器DVGA的增益，提高输入信号的放大倍数来补偿输出功率因高温而产生的功耗损失，实现输出功率的高温补偿；

而当判断结果为温度信号小于温度界限值时，即低温时，则根据温度信号的数值及补偿规则，从而通过控制可编程增益放大器PGA中的六个跨导单元2的导通来相对应地控制可编程增益放大器PGA的增益，令PGA的增益减少，这样在低温时，不仅能保证输出功率，而且还能降低发射机低温补偿时的功耗。其中，当六个跨导单元2均导通时，PGA的增益为最大，而关闭不同的跨导单元2，以及关闭的个数不同，PGA的增益则会相对应地减少。

通常，由于射频芯片高低温的输出功率变化大约3dB，PA在没有温度补偿的情况下高低温的增益变化也是3dB，因此，若使用没有温度补偿的PA，射频芯片补偿6dB，若使用有温度补偿的PA，射频芯片则需要补偿3dB。这样对于上述发射机的温度补偿方法，其在实际应用时，可具体包括有：

情况1、需要补偿6dB时，以常温30度为界，即此时温度界限值为30度，每增加5度，DVGA增益增加0.25dB，而每减少5度，PGA增益减小0.25dB；

情况2、需要补偿3dB时，以常温30度为界，即此时温度界限值为30度，每增加10度，DVGA增益增加0.25dB，每减少10度，PGA增益减小0.25dB。

其中，对于DVGA和PGA，两者增益随温度变化的斜率，其可根据实际情况来进行调整，即补偿规则可根据实际情况来进行调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种带温度补偿的发射机，包括数字电路、数模转换器、低通滤波器、混频器以及可编程增益放大器，其特征在于：还包括数字可变增益放大器和温度检测电路，所述温度检测电路的输出端依次经过数字电路、数字可变增益放大器、数模转换器、低通滤波器以及混频器与可编程增益放大器的输入端连接；

所述数字电路用于对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制数字可变增益放大器的增益；

所述数字电路的输出端还与可编程增益放大器的控制输入端连接；

所述可编程增益放大器包括R-2R衰减网络、六个跨导单元及负载，所述R-2R衰减网络包括有六个R-2R衰减节点，所述六个R-2R衰减节点分别一一对应与六个跨导单元的输入端差分连接，所述六个跨导单元的输出端均与负载差分连接，所述六个跨导单元的输出端均作为可编程增益放大器的输出端；所述数字电路的输出端分别与六个跨导单元的控制输入端连接；

2.根据权利要求1所述一种带温度补偿的发射机，其特征在于：所述跨导单元包括第一电容、第二电容、第一可控开关、第二可控开关、第一直流电源电压、第七电阻、第八电阻、非门、第三可控开关、第四可控开关、第二直流电源电压、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管及第四NMOS管；

3.根据权利要求2所述一种带温度补偿的发射机，其特征在于：所述第一直流电源电压和/或第二直流电源电压为发射机芯片内部产生的直流电压。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种带温度补偿的发射机，其特征在于：还包括模数转换器，所述模数转换器连接在温度检测电路的输出端和数字电路的输入端之间。

5.根据权利要求1所述一种带温度补偿的发射机，其特征在于，所述对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果来控制数字可变增益放大器的增益，其具体为：

对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号大于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而相对应地控制数字可变增益放大器的增益。

6.根据权利要求1所述一种带温度补偿的发射机，其特征在于，所述对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，然后根据判断结果，从而通过控制六个跨导单元的导通来控制可编程增益放大器的增益，其具体为：

对温度检测电路所输出的温度信号进行判断，当判断结果为温度信号小于温度界限值时，则根据温度信号的数值，从而通过控制可编程增益放大器中的六个跨导单元的导通来相对应地控制可编程增益放大器的增益。