CN108141184B - 线性功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率放大器(PA)系统，所述功率放大器(PA)系统被设置在半导体装置中并且具有前馈增益控制。所述PA系统包括发送路径和控制电路。所述发送路径被配置来放大输入射频(RF)信号并且包括第一谐振电路和PA级。所述控制电路被配置来检测与所述输入RF信号相关联的功率电平并且基于所述功率电平的第一函数来控制被提供给所述PA级的第一偏置信号并且基于所述功率电平的第二函数来控制所述第一谐振电路的质量因数(Q)。

Description

线性功率放大器
相关申请
本申请要求2015年5月29日提交的美国临时专利申请第62/168,366号的权益，所述临时专利申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及基于输入功率电平检测的功率放大器输出功率电平控制和线性化。
背景技术
许多现代电子装置包括用于处理和发送射频(RF)信号的无线通信电路。例如，电子装置可包括无线局域网(WLAN)电路、蜂窝通信电路或诸如此类。功率放大器(PA)用来提供对RF信号的放大。为了减少失真，PA可包括使PA的性能稳定的闭环控制系统。不幸的是，闭环控制系统有源时的功率范围通常受限。例如，当闭环控制系统变得不工作时，闭环控制系统不能够操作并且闭环控制系统的效果朝向小信号的电平劣化。这样，其他PA使用前馈控制系统来使性能稳定。不幸的是，由于制造变化、温度变化和电源变化，这些前馈控制系统具有不稳定性。因此，需要可在更宽的功率范围内和低的静态电流下使性能稳定的PA。另外，需要在不同设计拐角、工艺、温度、电源、操作频率和负载阻抗下使性能稳定的PA。
发明内容
本发明涉及一种功率放大器(PA)系统，其被设置在半导体装置中并且具有前馈增益控制。所述PA系统包括发送路径和控制电路。所述发送路径被配置来放大输入射频(RF)信号并且包括第一谐振电路和PA级。所述控制电路被配置来检测与所述输入RF信号相关联的功率电平并且基于所述功率电平的第一函数来控制被提供给所述PA级的第一偏置信号并且基于所述功率电平的第二函数来控制所述第一谐振电路的质量因数(Q)。
在其他实施方案中，第一函数和第二函数是包括线性信号和二次方信号的多项式函数。线性信号与功率电平近似是线性的，其中线性信号在介于0.01毫瓦与10毫瓦之间的功率电平范围内与理想的线性函数具有最大偏差+10％和-10％。二次方信号与功率电平近似是平方的，其中二次方信号在功率电平范围内与理想的平方函数具有最大偏差+10％和-10％。
在其他实施方案中，二次方信号在较大电源电压下衰减。在较高电源电压下的衰减率可以是可编程的。在其他实施方案中，二次方项和/或线性项可在高的电源电压和高的输入功率和电压的组合下受到限制。在其他实施方案中，恒定偏置可在高的电源电压下衰减。
在其他实施方案中，控制电路包括提供第一函数的恒定系数的第一数字模拟转换器(DAC)，提供第一函数的线性系数的第二DAC以及提供第一函数的二次方系数的第三DAC。在其他实施方案中，控制电路还包括提供第二函数的恒定系数的第四DAC，提供第二函数的线性系数的第五DAC，以及提供第二函数的二次方系数的第六DAC。在其他实施方案中，控制电路基于功率电平的第三函数进一步适于控制被提供给PA级的第二偏置信号，其中第三函数也是多项式函数。PA级可以是共阴共栅放大器，所述共阴共栅放大器包括具有耦合到第一偏置信号的栅极或基级中的一个的第一晶体管和具有耦合到第二偏置信号的栅极或基级中的一个的第二晶体管。在其他实施方案中，发送路径还包括第二谐振电路，并且控制电路基于功率电平的第四函数进一步适于控制第二谐振电路的Q，其中第三函数也是多项式函数。第一前置放大级耦合在第一谐振电路与第二谐振电路之间。第一谐振电路和第二谐振电路可以是无源衰减级。
本领域的技术人员在结合附图阅读以下详细描述之后，将了解本公开的范围并且认识到本公开的另外方面。
附图说明
并入本说明书并形成其一部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述内容一起用来解释本公开的原理。
图1是根据本发明的原理的用于放大射频(RF)输入信号的功率放大器系统的方框图。
图2是根据本发明的原理的用于检测RF输入信号的输入功率电平的功率检测电路的方框图。
图3是根据本发明的原理的多项式函数电路的方框图。
具体实施方式
下文阐明的实施方案代表使得本领域的技术人员能够实践本公开的必需信息，并且示出实施本公开的最佳模式。在根据附图来阅读以下描述之后，本领域的技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到在本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求书的范围内。
图1是包括发送路径和控制电路的功率放大器(PA)系统10的方框图。发送路径耦合在输入端口P1与输出端口P2之间。输入端口P1被配置来接收输入射频(RF)信号，并且输出端口P2被配置来提供RF输出信号。发送路径包括阻抗匹配电路12、第一前置放大级14、第一谐振电路16、第二前置放大级18、第二谐振电路20、电容器C1和PA级22。
阻抗匹配电路12耦合在输入端口P1与第一前置放大级14的输入部之间。阻抗匹配电路12被配置来增加功率传输，并且减少进入发送路径的RF输入信号的偏转。在一些实施方案中，输入阻抗匹配电路12可向输入端口P1提供50欧姆的阻抗，并且向第一前置放大级14提供500欧姆的阻抗。阻抗匹配电路12可包括电阻器、电容器、电感器或其组合。在其他实施方案中，阻抗匹配电路12还可包括至少一个晶体管。第一前置放大级14被配置来向发送路径提供第一固定增益，并且可包括至少一个晶体管。第一谐振电路16耦合在第一前置放大级14的输出部与第二前置放大级18的输入部之间；并且被配置来改变发送路径的增益。第一谐振电路16可以是包括电容器、电感器和可变电阻器的无源衰减级。电容器可耦合在前置放大级14的输出部与电感器的第一端口之间。电感器的第二端口可耦合到地面。可变电阻器可与电感器并联耦合，并且被配置来控制第一谐振电路16的质量因数(Q)。在一些实施方案中，可变电阻器可以是场效应晶体管(FET)，其中FET的漏极至源极电阻随FET的栅极至源极电压而改变。当FET的漏极至源极电阻减少时，Q降低并且第一谐振电路16的衰减增加。Q控制电路30被配置来接收第一函数并且基于所述第一函数改变第一谐振电路16的Q。
第二前置放大级18被配置来向发送路径提供第二固定增益。第二前置放大级18可包括至少一个晶体管。第二谐振电路20耦合到第二前置放大级18的输出部，并且被配置来进一步改变发送路径的增益。第二谐振电路20可以是无源衰减级，并且以类似于第一谐振电路16的方式配置。电容器C1将第二谐振电路20耦合到PA级22的输入部。电容器C1被配置来从第二谐振电路20向PA级22的输入部提供直流电流(DC)隔离。
PA级22被配置为包括FET Q1、Q2和Q3的共阴共栅放大器。FET Q1被配置为公用源极放大器，并且向PA级22提供第一级放大。FET Q1的栅极向PA级22提供输入。FET Q1的源极耦合到地面，并且FET Q1的漏极耦合到FET Q2的源极。FET Q2被配置为公用栅极放大器，并且向PA级22提供第二级放大。FET Q2的漏极耦合到FET Q3的源极。FET Q3也被配置为公用栅极放大器，并且向PA级22提供第三级放大。FET Q3的漏极耦合到输出端口P2。偏置电路24耦合到FET Q3的栅极，并且被配置来向第三级放大提供固定增益。FET Q1和Q2的栅极耦合到控制电路，并且被配置来向第一级放大和第二级放大提供可变增益。输出端口P2可耦合到电感器(未示出)以向FET Q3的漏极提供偏置电压。在其他实施方案中，输出端口P2可耦合到电阻器或天线。在其他实施方案中，PA级22可包括至少一个双极结型晶体管(BJT)。BJT可被配置为公用射极放大器并且替换FET Q1。BJT还可被配置为公用基极放大器并且替换FET Q2或FET Q3。
控制电路包括功率检测电路26；多项式函数电路28-1、28-2、28-3和28-4；Q控制电路30和32；以及偏置电路34和36。功率检测电路26被配置来检测与输入RF信号相关联的功率电平。功率检测电路26进一步被配置来提供线性信号I和二次方信号I2。线性信号I与功率电平近似是线性的，其中线性信号I在介于0.01毫瓦与10毫瓦之间的功率电平范围内与理想的线性函数具有最大偏差+10％和-10％。二次方信号I2与功率电平近似是平方的，其中二次方信号I2在功率电平范围内与理想的平方函数具有最大偏差+10％和-10％。线性信号I和二次方信号I2耦合到多项式函数电路28-1、28-2、28-3和28-4。
多项式函数电路28-1向Q控制电路30提供第一函数，其中第一函数是基于线性信号I和二次方信号I2的多项式函数。Q控制电路30被配置来基于第一函数改变第一谐振电路16的Q。多项式函数电路28-2向Q控制电路32提供第二函数，其中第二函数是基于线性信号I和二次方信号I2的多项式函数。Q控制电路32被配置来基于第二函数改变第二谐振电路20的Q。多项式函数电路28-3向偏置电路34提供第三函数，其中第三函数是基于线性信号I和二次方信号I2的多项式函数。偏置电路34被配置来基于第三函数向FET Q1的栅极提供第一偏置信号，其中第一偏置信号改变FET Q1的增益。多项式函数电路28-4向偏置电路36提供第四函数，其中第四函数是基于线性信号I和二次方信号I2的多项式函数。偏置电路36被配置来基于第四函数向FET Q2的栅极提供第二偏置信号，其中第二偏置信号改变FET Q2的增益。
在其他实施方案中，功率检测电路38(如在图1中示出)可被重复用于多项式函数电路28-1、28-2、28-3和28-4。在其他实施方案中，第一函数可直接耦合到第一谐振电路16，第二函数可直接耦合到第二谐振电路20，第三函数可直接耦合到FET Q1的栅极，并且第四函数可直接耦合到FET Q2的栅极。
图2是功率检测器电路38的方框图。电容器C2耦合到RF输入信号。电容器C2也耦合到二极管D1的阴极和二极管D2的阳极。D2的阴极耦合到地面。二极管D1的阳极耦合到电流源40，并且向跨导电路42提供RF峰值检测信号。电流源40也耦合到电压源。
二极管D1和D2由电流源40和电压源正向偏置。二极管D1在RF输入信号的负半周期期间导电，并且二极管D2在RF输入信号的正半周期期间导电。电容器C3耦合在RF峰值检测信号与地面之间。电容器C3被配置来保持RF峰值检测信号的电压，所述电压表示RF输入信号的正半周期和负半周期两者。
跨导电路42被配置来将RF峰值检测信号的电压转换成用于线性信号I的电流和用于二次方信号I2的电流。跨导电路42可包括电阻器以提供电压至电流转换。在其他实施方案中，跨导放大器可提供电压至电流转换。跨导电路42还可包括威廉逊电流镜电路以提供用于线性信号I的电流。跨导电路42还可包括金属氧化物半导体FET(MOSFET)以在饱和时基于MOSFET的平方律特性来提供用于二次方信号I2的电流。
图3是多项式函数电路28-n的图并且可表示图2中多项式函数电路28-1、28-2、28-3和28-4中的任一个。多项式函数电路28-n被配置来提供可表示图2的第一多项式函数28-1、第二多项式函数28-2、第三多项式函数28-3和第四多项式函数28-4的n函数。二次方系数(QC)数字模拟变换器(DAC)44-1提供表示已编程的输入A的第一恒定电流。线性系数(LC)DAC 44-2提供表示已编程的输入B的第二恒定电流。恒定系数(CC)DAC 44-3提供表示已编程的输入C的第三恒定电流。微处理器(图3中未示出)可被配置来提供已编程的输入A、已编程的输入B、已编程的输入C或其组合。
第一电流倍增器46-1被配置来接收第一恒定电流和用于二次方信号I2的电流的至少一部分。第一电流倍增器46-1进一步被配置来向电流求和函数48提供二次方项电流。第二电流倍增器46-2被配置来接收第二恒定电流和用于线性信号I的电流的至少一部分。第二电流倍增器46-2进一步被配置来向电流求和函数48提供线性项电流。电流求和函数48还接收第三恒定电流并且被配置来提供n函数，其中n函数表示多项式方程式(Ax I2)+(B xI)+C。在一些实施方案中，电流求和函数48可以是求和节点。廉逊电流镜电路可用来隔离电流求和节点并且提供n函数。
本领域的那些技术人员将认识本公开的改进和修改。所有此类改进和修改都视为在本文所公开的概念的范围内。

Claims (20)

1.一种功率放大器PA系统(10)，所述功率放大器PA系统(10)具有被配置来接收射频RF输入信号的输入端口(P1)和被配置来基于所述RF输入信号提供RF输出信号的输出端口(P2)，其中所述PA系统(10)包括：
发送路径，所述发送路径被配置来放大所述RF输入信号并且包括：
第一谐振电路(16)，所述第一谐振电路(16)耦合在第一前置放大级(14)与第二前置放大级(18)之间；以及
PA级(22)；以及
控制电路，所述控制电路被配置来检测与所述输入RF信号相关联的功率电平，基于所述功率电平的第一函数来控制被提供给所述PA级(22)的第一偏置信号并且基于所述功率电平的第二函数来控制所述第一谐振电路(16)的质量因数Q。
2.如权利要求1所述的PA系统(10)，其中所述功率电平的所述第一函数和所述第二函数是多项式函数。
3.如权利要求1所述的PA系统(10)，其中所述发送路径还包括第二谐振电路(20)并且所述控制电路基于所述功率电平的第三函数进一步适于控制所述第二谐振电路(20)的Q。
4.如权利要求3所述的PA系统(10)，其中所述功率电平的所述第一函数、所述第二函数和所述第三函数是多项式函数。
5.如权利要求3所述的PA系统(10)，其中所述第二前置放大级(18)耦合在所述第一谐振电路(16)与所述第二谐振电路(20)之间。
6.如权利要求5所述的PA系统(10)，其中所述第一谐振电路(16)和所述第二谐振电路(20)是无源衰减级。
7.如权利要求1所述的PA系统(10)，其中所述控制电路基于所述功率电平的第三函数进一步适于控制被提供给所述PA级(22)的第二偏置信号。
8.如权利要求7所述的PA系统(10)，其中所述功率电平的所述第一函数、所述第二函数和所述第三函数是多项式函数。
9.如权利要求7所述的PA系统(10)，其中所述PA级(22)是包括如下的共阴共栅放大器：
第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)具有耦合到所述第一偏置信号的栅极或基级；以及
第二晶体管(Q2)，所述第二晶体管(Q2)具有耦合到所述第二偏置信号的栅极或基级。
10.如权利要求7所述的PA系统(10)，其中所述发送路径还包括第二谐振电路(20)并且所述控制电路基于所述功率电平的第四函数进一步适于控制所述第二谐振电路(20)的Q。
11.如权利要求10所述的PA系统(10)，其中所述功率电平的所述第一函数、所述第二函数、所述第三函数和所述第四函数是多项式函数。
12.如权利要求10所述的PA系统(10)，其中所述第二前置放大级(18)耦合在所述第一谐振电路(16)与所述第二谐振电路(20)之间。
13.如权利要求1所述的PA系统(10)，其中所述第一谐振电路(16)被配置来改变所述发送路径的增益。
14.如权利要求12所述的PA系统(10)，其中所述PA级(22)是包括如下的共阴共栅放大器：
第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)具有耦合到所述第一偏置信号的栅极或基级；以及
第二晶体管(Q2)，所述第二晶体管(Q2)具有耦合到所述第二偏置信号的栅极或基级。
15.如权利要求14所述的PA系统(10)，其中所述功率电平的所述第一函数、所述第二函数、所述第三函数和所述第四函数是多项式函数。
16.如权利要求2所述的PA系统(10)，其中：
所述第一函数包括与所述功率电平近似是线性的线性信号和与所述功率电平近似成平方的二次方信号；以及
所述第二函数包括所述线性信号和所述二次方信号。
17.如权利要求16所述的PA系统(10)，其中所述控制电路包括：
第一数字模拟转换器DAC(44)，所述第一数字模拟转换器DAC(44)提供所述第一函数的系数；以及
第二DAC(44)，所述第二DAC(44)提供所述第二函数的系数。
18.如权利要求16所述的PA系统(10)，其中所述控制电路包括：
第一数字模拟转换器DAC(44)，所述第一数字模拟转换器DAC(44)提供所述第一函数的恒定系数；
第二DAC(44)，所述第二DAC(44)提供所述第一函数的线性系数；以及
第三DAC(44)，所述第三DAC(44)提供所述第一函数的二次方系数。
19.如权利要求18所述的PA系统(10)，其中所述控制电路还包括：
第四DAC(44)，所述第四DAC(44)提供所述第二函数的恒定系数；
第五DAC(44)，所述第五DAC(44)提供所述第二函数的线性系数；以及
第六DAC(44)，所述第六DAC(44)提供所述第二函数的二次方系数。
20.如权利要求15所述的PA系统(10)，其中：
所述第一函数包括与所述功率电平近似是线性的线性信号和与所述功率电平近似成平方的二次方信号；以及
所述第二函数包括所述线性信号和所述二次方信号；以及
所述控制电路包括：
第一数字模拟转换器DAC(44)，所述第一数字模拟转换器DAC(44)提供所述第一函数的恒定系数；
第二DAC(44)，所述第二DAC(44)提供所述第一函数的线性系数；
第三DAC(44)，所述第三DAC(44)提供所述第一函数的二次方系数；
第四DAC(44)，所述第四DAC(44)提供所述第二函数的恒定系数；
第五DAC(44)，所述第五DAC(44)提供所述第二函数的线性系数；以及
第六DAC(44)，所述第六DAC(44)提供所述第二函数的二次方系数。
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