CN110808717A - 一种电源补偿的电流模控制射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电源补偿的电流模控制射频功率放大器，包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电流误差放大器和电源电压补偿电路。所述功率输出级用于在控制电压的控制下，将经过预先放大的射频信号进行功率放大得到输出功率；并对所在功率输出级中流过功率晶体管的电流进行采样。所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为与控制电压成正比的参考电流。所述电流误差放大器用于将采样电流和参考电流进行比较，得到比较电流提供给预放大器。所述电源电压补偿电路用于对功率输出级的电源电压变化所引起的输出功率变化进行补偿。本申请具有功率控制精确、输出功率不随电源电压变化的特点。

Description

一种电源补偿的电流模控制射频功率放大器
技术领域
本申请涉及一种移动终端中的射频功率放大器，特别是涉及一种包含功率控制电路的射频功率放大器。
背景技术
在移动终端中，射频功率放大器用来将射频信号进行功率放大后，馈送到天线上对外发射。在移动终端与基站的通信过程中，由于两者之间的距离不同，或者移动终端的天线受到遮挡等情况，经常需要对移动终端中的射频功率放大器输出的发射功率进行功率控制。例如在用于2G(第二代移动通讯技术)的射频功率放大器中包含功率控制电路，所述功率控制电路是通过控制电压Vramp对射频功率放大器的输出功率进行连续控制的。
为了实现对射频功率放大器的输出功率的控制，所述功率控制电路首先需要对射频功率放大器的输出功率进行检测，然后构建负反馈控制环路实现对射频功率放大器的输出功率的稳定控制。常用的高集成度、低成本的功率控制电路包括电压检测方案、电流检测方案。
采用电压检测方案的功率控制电路只能应用于在饱和区工作的射频功率放大器，在低输出功率时精度较差。
采用电流检测方案的功率控制电路可以应用于在饱和区和/或线性区工作的射频功率放大器，具有较高的效率。采用电流检测方案的功率控制电路一般是在射频功率放大器的末级通路中串联一个小电阻，例如小于0.1Ω；通过检测所述小电阻两端的电压差，控制射频功率放大器的输出功率。该方案需要具有精确电阻值的小电阻，成本高，集成度差，而且串联的小电阻上会产生额外的功耗，造成射频功率放大器的效率降低。
此外，射频功率放大器在正常工作状态下，受控制电压Vramp控制而周期性地开启和关断，由此产生开关谱(switch spectrum)，这对射频功率放大器的功率控制曲线提出了较大的挑战。在PVT(Power VS Time，功率对时间)的整个区间，射频功率放大器的工作电流在0至2A之间变化，对控制环路的稳定性提出了巨大的挑战。在不同的电源电压下，射频功率放大器的输出功率会发生变化，给精确的功率控制带来额外的挑战。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种包含功率控制电路的射频功率放大器，其中的功率控制电路采用电流模控制环路，具有成本低、可靠性高、可对电源电压进行补偿的特点。
为解决上述技术问题，本申请电源补偿的电流模控制射频功率放大器包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电流误差放大器和电源电压补偿电路。
所述预放大器用于将射频输入信号进行预先放大。
所述功率输出级包括功率放大电路和电流采样电路；所述功率放大电路用于在控制电压的控制下，将经过预先放大的射频信号进行功率放大得到输出功率；所述电流采样电路用来对所在功率输出级中流过功率晶体管的电流进行采样，得到采样电流。
所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为与控制电压成正比的参考电流。
所述电流误差放大器用于将采样电流和参考电流进行比较，得到比较电流提供给预放大器。
所述电源电压补偿电路用于对功率输出级的电源电压变化所引起的输出功率变化进行补偿。
本申请取得的技术效果是：电流误差放大器、预放大器、功率输出级构成一个负反馈的电流模控制环路。电流误差放大器对输入的两路电流的误差进行放大，通过负反馈的电流模控制环路使得输入的两路电路趋向于相同，这便实现了对功率输出级中流过功率晶体管的电流的精确控制。电压电流转换电路将控制电压转换为成正比的参考电流，再参与到负反馈的电流模控制环路中，实现了射频功率放大器的更高效率。电源电压补偿电路使得射频功率放大器的输出功率不随电源电压的变动而变化。
优选地，所述预放大器包括一个反相器和一个反馈电阻；所述反相器是在预放大器的电源电压和地之间依次级联PMOS晶体管和NMOS晶体管构成的，两个晶体管的栅极相连接作为反相器的输入端，两个晶体管的漏极相连接作为反相器的输出端；反馈电阻连接在反相器的输入端与输出端之间。这是预放大器的一种具体实现方式，仅作为示例。负反馈电阻用来确定直流偏置点，并提供射频功率放大器所需的的输入阻抗。
优选地，所述功率放大电路是在功率输出级的电源电压和地之间依次级联电感、共源晶体管和共栅晶体管；共源晶体管和共栅晶体管构成共源共栅结构一。所述电流采样电路包括共源共栅结构二，共源共栅结构二与共源共栅结构一构成共源共栅电流镜结构，用来采样流过功率放大电路中的两个功率晶体管的电流；所述电流采样电路还包括两个级联的电流镜结构，将共源共栅电流镜输出的采样电流进一步缩小得到电流采样电路最终输出的采样电流。这是功率输出级的一种具体实现方式，仅作为示例。功率放大电路采用共源共栅结构一可以提高电压摆幅，总共三个电流镜结构用来采样功率晶体管的输出电流。
优选地，所述电压电流转换电路还包括滤波单元、电压产生单元；控制电压通过滤波单元连接到运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过电压产生单元接地；运算放大器的输出端连接低压差稳压器的调整管的栅极；所述调整管的漏极连接运算放大器的同相输入端，所述调整管的源极输出参考电流。这是电压电流转换电路的一种具体实现方式，仅作为示例。滤波单元可以减少无关频段的信号干扰。
优选地，所述滤波单元包括滤波电阻和滤波电容，控制电压通过滤波电阻接到运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端还通过滤波电容接地。这是滤波单元的一种具体实现方式，仅作为示例。
优选地，所述电压产生单元是电阻一和电阻二的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端连接运算放大器的同相输入端。这是电压产生单元的一种具体实现方式，仅作为示例。
进一步地，所述电压电流转换电路还包括PVT曲线调整电路；所述PVT曲线调整电路是在电阻二与地之间、或者是在运算放大器的同相输入端与电阻二之间增加串联一个接成二极管结构的NMOS晶体管或者PMOS晶体管。PVT曲线调整电路有利于改进射频功率放大器的开关谱。
进一步地，所述电压电流转换电路还包括密勒补偿电路一；密勒补偿电路一连接在低压差稳压器的调整管的栅极与漏极之间，包括一个密勒电容串联一个调零电阻。密勒补偿电路有助于提高负反馈环路的稳定性。
进一步地，所述电压电流转换电路还包括温度补偿电路；所述温度补偿电路是将电阻一、电阻二均采用正温度系数的电阻和负温度系数的电阻串联构成。温度补偿电路有助于在不同的温度下保证射频功率放大器的功率输出级的输出功率稳定。
进一步地，所述电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级；采用共栅极连接方式的晶体管十一和晶体管十二构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号；晶体管十三和晶体管十四构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，再放大晶体管一作为再放大级接在增益级之后。这是电流误差放大器的一种具体实现方式，仅作为示例。
优选地，在再放大晶体管一的栅极与漏极之间还有密勒补偿电路二；密勒补偿电路二包括一个密勒电容串联一个调零电阻。密勒补偿电路有助于提高负反馈环路的稳定性。
进一步地，所述电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级；采用共栅极连接方式的晶体管十五和晶体管十六构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号；晶体管二十一至晶体管二十二和晶体管十七至晶体管二十构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，再放大晶体管二作为再放大级接在增益级之后。这是电流误差放大器的另一种具体实现方式，仅作为示例。
优选地，在再放大晶体管二的栅极与漏极之间还有密勒补偿电路三；密勒补偿电路三包括一个密勒电容串联一个调零电阻。密勒补偿电路有助于提高负反馈环路的稳定性。
优选地，所述电源电压补偿电路包括一个差分放大电路和一个电流镜；所述差分放大电路跟踪电源电压的变化，所述电流镜产生与电源电压的变化趋势相同的补偿电流。这是电源电压补偿电路的一种具体实现方式，仅作为示例。
优选地，所述电源电压补偿电路包括一个差分放大电路和两个级联的电流镜；所述差分放大电路跟踪电源电压的变化，所述两个级联的电流镜产生与电源电压的变化趋势相同的补偿电流。这是电源电压补偿电路的另一种具体实现方式，仅作为示例。
本申请提供的电源补偿的电流模控制射频功率放大器能够广泛应用于通过控制电压Vramp控制输出功率的射频功率放大器，具有工作稳定可靠的特点，并具有如下有益效果。
其一，通过电压电流转换电路将控制电压Vramp转换为参考电流Iramp，再参与到负反馈的电流模控制环路来控制射频功率放大器的功率输出级的电流，从而实现更高的效率。
其二，由电流误差放大器、预放大器、功率输出级构成一个电流模控制的负反馈环路，不包含电压节点，全部采用电流信号进行传输和控制，具有环路带宽大、相应速度快、频率补偿简单、不易受干扰的特点。
其三，在电压电流转换电路中进一步集成了PVT曲线调整电路、密勒补偿电路、温度补偿电路，具有集成度高，工作可靠稳定的特点。PVT曲线调整电路有助于射频功率放大器的PVT曲线的调整，有利于改进射频功率放大器的开关谱。密勒补偿电路有助于提高负反馈电流控制环路的稳定性。温度补偿电路有助于在不同的温度下保证射频功率放大器的功率输出级的输出功率稳定。
其四，通过电源电压补偿电路，使得射频功率放大器的输出功率不随电源电压的变动而变化。
附图说明
图1是本申请电源补偿的电流模控制射频功率放大器的第一实施例的电路结构示意图。
图2是本申请电源补偿的电流模控制射频功率放大器的第二实施例的电路结构示意图。
图3是本申请电源补偿的电流模控制射频功率放大器的第三实施例的电路结构示意图。
图4是图1至图3中预放大器的一个实施例的电路结构示意图。
图5是图1至图3中的功率输出级的一个实施例的电路结构示意图。
图6是图1至图3中的电压电流转换电路的一实施例的电路结构示意图。
图7是图6中的温度补偿电路的一个实施例的电路结构示意图。
图8是图1至图3中电流误差放大器的第一实施例的电路结构示意图。
图9是图1至图3中电流误差放大器的第二实施例的电路结构示意图。
图10是图1至图3中的电源电压补偿电路的第一实施例的电路结构示意图。
图11是图1至图3中的电源电压补偿电路的第二实施例的电路结构示意图。
图中附图标记说明：Vin为射频输入信号；Vpre为经过预先放大的射频信号；Vout为射频输出信号；Vramp为控制电压；Vcc为电源电压；Iramp为参考电流；Icomp为补偿电流；Isense为采样电流；Ipre_pa为比较电流；Vldo为预放大器的电源电压；M为MOS晶体管；Rf为反馈电阻；L为电感；Vcascode、Vg为共栅晶体管的栅极偏置电压；R为电阻；C为电容；OP为运算放大器；MA为低压差稳压器的调整管；MB为PVT曲线调整电路的晶体管；MC、MD均为再放大晶体管；MC为密勒补偿电路；Rp为正温度系数的电阻；Rn为负温度系数的电阻；D为二极管；Iss为尾电流源；Ibias为电流源；IP、IN为电流误差放大器的两个输入端。
具体实施方式
请参阅图1至图3，这是本申请提供的电源补偿的采用电流模控制环路的射频功率放大器的三个实施例。这三个实施例所示的射频功率放大器均包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电流误差放大器和电源电压补偿电路。
所述预放大器用于将射频输入信号Vin进行预先放大以获得更大的动态范围，输出一路经过预先放大的射频信号Vpre。
所述功率输出级包括功率放大电路和电流采样电路。所述功率放大电路用于在控制电压Vramp的控制下，将一路经过预先放大的射频信号Vpre进行功率放大得到输出功率Vout。所述输出功率Vout经过匹配电路后，由天线发射出去。所述电流采样电路用来对所在功率输出级中流过功率晶体管的电流进行采样，得到采样电流Isense。
所述电压电流转换电路用于将控制电压Vramp转换为与控制电压Vramp成正比的参考电流Iramp。其内部包括运算放大器和一个低压差稳压器(Low-dropout regulator，LDO)。该低压差稳压器输出参考电流Iramp。
所述电流误差放大器用于将采样电流Isense和参考电流Iramp的误差进行放大，得到比较电流Ipre_pa提供给预放大器。
所述电源电压补偿电路用于对功率输出级的电源电压Vcc变化引起的输出功率Vout变化进行补偿，使得不同的电源电压Vcc下功率输出级的的输出功率Vout保持恒定。
图1所示的电源补偿的电流模控制的射频功率放大器中，从预放大器、功率输出级、匹配电路到天线构成了放大通道。在放大通道上，射频输入信号Vin先进入预放大器得到预先放大的射频信号Vpre，再进入功率输出级进行功率放大得到射频输出信号Vout，再经过匹配电路后由天线发射出去。
同时，所述功率输出级、电流误差放大器与预放大器依次连接构成了射频功率放大器的负反馈电流模控制环路。以图1所示的第一实施例为例，电压电流转换电路将控制电压Vramp转换为成正比的参考电流Iramp，作为电流误差放大器的第一输入。功率输出级的采样电流Isense作为电流误差放大器的第二输入。电流误差放大器将采样电流Isense和参考电流Iramp的误差进行放大，得到比较电流Ipre_pa提供给预放大器。当控制电压Vramp升高时，参考电流Iramp增大，电流误差放大器输出的比较电流Ipre_pa增大，从而提高了预放大器的工作电流，这便使得功率输出级中流过功率晶体管的电流增大，从而使得采样电流Isense也增大，最终通过电流模负反馈环路使得采样电流Isense稳定于参考电流Iramp；从而实现对射频功率放大器的功率的精确控制。
现有的采用电压检测方案的功率控制电路是以电压的变化作为信息载体的电路，即属于电压模电路。现有的采用电流检测方案的功率控制电路只是对射频功率放大器的输出电流进行负反馈控制，负反馈电流控制环路中仍然存在电压节点，容易带来稳定性问题。本申请的功率控制电路所构建的负反馈控制环路中，全部采用电流的变化作为信息载体，电路中各单元输入、输出、传递和控制的都是电流信号，属于电流模电路。这种负反馈电流模控制环路是一种全新的控制结构，具有频率补偿容易、控制环路带宽大、跟踪速度快的优点。
所述电源电压补偿电路向负反馈电流模控制环路中注入一个随电源电压Vcc变化的补偿电流Icomp，用来补偿电源变压的变化对射频功率放大器的输出功率的影响。所述补偿电流可以注入在负反馈电流模控制环路的不同位置，由此区分了三个实施例。
图1所示的电源补偿的电流模控制的射频功率放大器的第一实施例中，补偿电流Icomp注入电压电流转换电路中运算放大器OP的同相输入端位置。该注入位置请参阅图6，但图6中并未表示出补偿电流Icomp。此时，电流误差放大器的第一输入为参考电流Iramp，第二输入为采样电流Isense，负反馈电流模控制环路使得采样电流Isense趋向于稳定在参考电流Iramp。当电源电压Vcc升高时，补偿电流Icomp增大，从而减小了电源电压转换电路输出的参考电流Iramp。通过负反馈电流模控制环路使得功率输出级的采样电流Isense减小，即使得功率输出级中流过功率晶体管的电流减小，从而降低了射频功率放大器的输出功率。这便实现了不同电源电压下的射频功率放大器的恒定功率输出。
图2所示的电源补偿的电流模控制的射频功率放大器的第二实施例中，补偿电流Icomp注入电压电流转换电路输出端以抵消参考电流Iramp。此时，电流误差放大器的第一输入为参考电流去除补偿电流Iramp-Icomp，第二输入为采样电流Isense，负反馈电流模控制环路使得采样电流Isense趋向于稳定在参考电流去除补偿电流Iramp-Icomp，即电流模控制环路稳定后有Iramp-Icomp＝Isense。当电源电压Vcc升高时，补偿电流Icomp增大，此时参考电流Iramp假定不变，通过负反馈电流模控制环路使得功率输出级的采样电流Isense减小，即使得功率输出级中流过功率晶体管的电流减小，从而降低了射频功率放大器的输出功率。这便实现了不同电源电压下的射频功率放大器的恒定功率输出。
图3所示的电源补偿的电流模控制的射频功率放大器的第三实施例中，补偿电流Icomp注入功率输出级的输出端以叠加采样电流Isense。此时，电流误差放大器的第一输入为参考电流Iramp，第二输入为采样电流叠加补偿电流Isense+Icomp，负反馈电流模控制环路使得采样电流叠加补偿电流Isense+Icomp趋向于稳定在参考电流Iramp，即电流模控制环路稳定后有Isense+Icomp＝Iramp。当电源电压Vcc升高时，补偿电流Icomp增大，此时参考电流Iramp假定不变，通过负反馈电流模控制环路使得功率输出级的采样电流Isense减小，即使得功率输出级中流过功率晶体管的电流减小，从而降低了射频功率放大器的输出功率。这便实现了不同电源电压下的射频功率放大器的恒定功率输出。
请参阅图4，这是图1至图3中的预放大器的一个实施例。所述预放大器包括一个反相器和一个反馈电阻Rf。所述反相器是在预放大器的电源电压Vldo和地之间依次级联PMOS晶体管一M1和NMOS晶体管二M2构成的，两个晶体管M1和M2的栅极相连接作为反相器的输入端，两个晶体管M1和M2的漏极相连接作为反相器的输出端。反馈电阻Rf连接在反相器的输入端与输出端之间。反相器的输入端接收一路射频输入信号Vin，反相器的输出端对外输出一路经过预先放大的射频信号Vpre。反馈电阻Rf用来确定直流偏置点，并提供射频功率放大器所需的的输入阻抗。用于不同频段的预放大器可以采用相同的电路结构。
请参阅图5，这是图1至图3中的功率输出级的一个实施例。所述功率输出级包括功率放大电路和电流采样电路。
所述功率放大电路是在功率输出级的电源电压Vcc和地之间依次级联电感L1、晶体管四M4和晶体管三M3。晶体管三M3采用共源极连接方式，晶体管四M4采用共栅极连接方式，晶体管三M3和晶体管四M4构成共源共栅结构一。一路经过预先放大的射频信号Vpre进入晶体管三M3的栅极，由晶体管三M3的漏极进入晶体管四M4的源极，在晶体管四M4的漏极输出功率放大后的射频信号Vout。所述功率放大电路采用共源共栅结构可以提高输出电压的摆幅。所述电感L1优选为choke电感，也称扼流圈(choke inductor)，起到通直流、隔交流的作用。
所述电流采样电路是在功率输出级的电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管七M7、晶体管六M6和晶体管五M5，还在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管八M8和晶体管九M9，还包括晶体管十M10。晶体管五M5采用共源极连接方式，晶体管六M6采用共栅极连接方式，晶体管五M5和晶体管六M6构成共源共栅结构二。晶体管五M5与晶体管三M3的栅极相连接，晶体管六M6和晶体管四M4的栅极相连接，共源共栅结构二与共源共栅结构一构成M：1的共源共栅电流镜结构，用来采样流过功率放大电路中的两个功率晶体管M3、M4的电流。所述共源共栅电流镜输出的第一中间采样电流是流过功率放大电路中的功率晶体管的电流缩小M倍。晶体管七M7的栅极和漏极相连接，并连接晶体管六M6的漏极；晶体管七M7的源极连接功率输出级的电源电压Vcc。晶体管八M8的栅极与晶体管七M7的栅极相连接；晶体管八M8的源极连接功率输出级的电源电压Vcc。晶体管八M8和晶体管七M7的栅极相连接构成N：
1的第二电流镜结构，将共源共栅电流镜输出的第一中间采样电流进一步缩小N倍得到第二中间采样电流。晶体管九M9的栅极和漏极相连接，并连接晶体管八M8的漏极；晶体管九M9的源极接地。晶体管十M10的栅极连接晶体管九M9的栅极；晶体管十M10的源极接地，漏极输出采样电流Isense。晶体管十M10和晶体管九M9的栅极相连接构成P：1的第三电流镜结构，将第二电流镜输出的第二中间采样电流进一步缩小P倍得到所述电流采样电路最终输出的采样电流Isense。这样，功率输出级获取的采样电流Isense增大M×N×P倍即为流过功率晶体管的电流，通过选取元件参数可以调节比例系数M、N、P中的一项或多项，从而优化负反馈电流控制环路的稳定性和射频功率放大器的效率。
其中，晶体管三M3、晶体管四M4、晶体管五M5、晶体管六M6、晶体管九M9、晶体管十M10例如均为NMOS晶体管。晶体管七M7、晶体管八M8例如均为PMOS晶体管。共栅极连接方式的晶体管四M4、晶体管六M6具有栅极偏置电压Vcascode。
请参阅图6，这是图1至图3中的电压电流转换电路的一个实施例。所述电压电流转换电路包括滤波单元、电压产生单元、运算放大器OP和一个低压差稳压器。控制电压Vramp通过滤波电阻R0连接到运算放大器OP的反相输入端，运算放大器OP的反相输入端还通过滤波电容C0接地。滤波电阻R0和滤波电容C0就构成了滤波单元。运算放大器OP的同相输入端通过电阻一R1和电阻二R2的并联支路(此时假定虚线表示的晶体管MB不存在)接地。电阻一R1和电阻二R2的并联支路就构成了电压产生单元。运算放大器OP的输出端连接到调整管MA的栅极，调整管MA构成一个低压差稳压器。调整管MA的漏极连接运算放大器OP的同相输入端，源极输出参考电流Iramp。通过运算放大器OP和调整管MA构成的负反馈环路，运算放大器OP会将两个输入端的电压拉到相等，这样控制电压Vramp除以电压产生单元的阻抗就得到与控制电压Vramp成正比的参考电流Iramp。所述电压电流转换电路具有电路简洁、功能完善、集成度高、工作稳定可靠的优点。
图6给出的电压电流转换电路中，还可选的包括如下结构。
优选地，所述电压电流转换电路中还包括PVT曲线调整电路。所述PVT曲线调整电路是在电阻二R2与地之间增加串联一个NMOS晶体管MB，在图6中以虚线表示。所述NMOS晶体管MB接成二极管结构，即栅极和漏极相连接，并连接到电阻二R2；源极接地。当控制电压Vramp小于NMOS晶体管MB的阈值电压时，电阻二R2所在支路断开，仅有电阻一R1支路接入电路，这使得流过功率晶体管M3、M4的电流较小。当控制电压Vramp大于或等于NMOS晶体管MB的阈值电压时，电阻二R2所在支路接入电路，这使得流过功率晶体管M3、M4的电流较大。这有助于改进射频功率放大器的开关谱。基于图6的相同原理，所述PVT曲线调整电路也可将接成二极管结构的NMOS晶体管改为接成二极管结构的PMOS晶体管，或者改为在运算放大器OP的同相输入端与电阻二R2之间增加串联一个接成二极管结构的NMOS晶体管或是接成二极管结构PMOS晶体管(未图示)。
优选地，所述电压电流转换电路中还包括密勒补偿电路一MC1。所述密勒补偿电路一MC1连接在调整管MA的栅极与漏极之间，在图6中以虚线表示。所述密勒补偿电路例如是一个密勒电容串联一个调零电阻，其通过极点分离提高了负反馈环路的相位裕度，从而提高了负反馈环路稳定性。
优选地，所述电压电流转换电路中还包括温度补偿电路。请参阅图7，这是图6中的温度补偿电路的一个实施例。所述温度补偿电路是将图6中的电阻一R1、电阻二R2均采用正温度系数的电阻Rp和负温度系数的电阻Rn串联构成。通过调节正温度系数的电阻Rp和负温度系数的电阻Rn的温度系数，可以调节功率晶体管的采样电流的温度系数，进而可以调节射频功率放大器的输出功率的温度系数，得到不随温度变化的输出功率。
请参阅图8，这是图1至图3中的电流误差放大器的第一实施例。该实施例所示的电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级。具体是在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管十三M13、晶体管十一M11和电流源一Ibias1，还在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管十四M14、晶体管十二M12和电流源二Ibias2，还包括再放大晶体管一MC。晶体管十一M11的栅极连接栅极偏置电压一Vg1，源极通过电流源一Ibias1接地并作为电流误差放大器的第二输入端IN。晶体管十二M12的栅极连接栅极偏置电压一Vg1，源极通过电流源二Ibias2接地并作为电流误差放大器的第一输入端IP。所述电流误差放大器的第一输入端IP和第二输入端IN可以互换。晶体管十三M13的栅极和漏极相连接，并连接晶体管十一M11的漏极；晶体管十三M13的源极连接电源电压Vcc。晶体管十四M14的栅极连接晶体管十三M13的栅极，晶体管十四M14的漏极连接晶体管十二M12的漏极；晶体管十四M14的源极连接电源电压Vcc。再放大晶体管一MC的栅极连接晶体管十四M14的漏极；再放大晶体管一MC的源极连接电源电压Vcc，漏极输出比较电流Ipre_pa。
图8所示的电流误差放大器的第一实施例中，采用共栅极连接方式的晶体管十一M11和晶体管十二M12构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号。晶体管十三M13和晶体管十四M14构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，其输出由再放大级(即再放大晶体管一MC)进一步放大后得到比较电流Ipre_pa提供给预放大器作为电源。
优选地，所述电流误差放大器的第一实施例中还包括密勒补偿电路二MC2。所述密勒补偿电路二MC2连接在再放大晶体管一MC的栅极与漏极之间，在图8中以虚线表示。所述密勒补偿电路例如是一个密勒电容串联一个调零电阻，其通过极点分离提高了负反馈环路的相位裕度，从而提高了负反馈环路稳定性。
请参阅图9，这是图1至图3中的电流误差放大器的第二实施例。该实施例所示的电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级。具体是在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管十八M18和晶体管十九M19，还在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管十七M17、晶体管十五M15和电流源三Ibias3，还在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管二十一M21、晶体管十六M16和电流源四Ibias4，还在电源电压Vcc和地之间依次级联晶体管二十M20和晶体管二十二M22，还包括再放大晶体管二MD。晶体管十五M15的栅极连接栅极偏置电压二Vg2，源极通过电流源三Ibias3接地并作为电流误差放大器的第一输入端IP。晶体管十六M16的栅极连接栅极偏置电压二Vg2，源极通过电流源四Ibias4接地并作为电流误差放大器的第二输入端IN。所述电流误差放大器的第一输入端IP和第二输入端IN可以互换。晶体管十七M17的栅极和漏极相连接，并连接晶体管十五M15的漏极；晶体管十七M17的源极连接电源电压Vcc。晶体管十八M18的栅极连接晶体管十七M17的栅极，晶体管十八M18的源极连接电源电压Vcc。晶体管十九M19的栅极和漏极相连接，并连接晶体管十八M18的漏极；晶体管十九M19的源极接地。晶体管二十M20的栅极连接晶体管十九M19的栅极，晶体管二十M20的源极接地。晶体管二十一M21的栅极和漏极相连接，并连接晶体管十六M16的漏极；晶体管二十一M21的源极连接电源电压Vcc。晶体管二十二M22的栅极连接晶体管二十一M21的栅极；晶体管二十二M22的源极连接电源电压Vcc，漏极连接晶体管二十M20的漏极。再放大晶体管二MD的栅极连接晶体管二十二M22的漏极；再放大晶体管二MD的源极连接电源电压Vcc，漏极输出比较电流Ipre_pa。
图9所示的电流误差放大器的第二实施例中，采用共栅极连接方式的晶体管十五M15和晶体管十六M16构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号。晶体管二十一M21至晶体管二十二M22和晶体管十七M17至晶体管二十M20构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，其输出由再放大级(即再放大晶体管二MD)进一步放大后得到比较电流Ipre_pa提供给预放大器作为电源。
优选地，所述电流误差放大器的第二实施例中还包括密勒补偿电路三MC3。所述密勒补偿电路三MC3连接在再放大晶体管二MD的栅极与漏极之间，在图9中以虚线表示。所述密勒补偿电路例如是一个密勒电容串联一个调零电阻，其通过极点分离提高了负反馈环路的相位裕度，从而提高了负反馈环路稳定性。
图8、图9所示的电流误差放大器中，当控制电压Vramp升高时，参考电流Iramp随之增大，经过电流误差放大器输出的比较电流Ipre_pa随之增大，从而提高了预放大器的输出。这又使得功率输出级中流过功率晶体管的电流增大，从而使得采样电流Isense也增大。最终通过由电流误差放大器、预放大器、功率输出级组成的负反馈电流模控制环路，使得采样电流Isense稳定在参考电流Iramp，这便实现了对功率输出级中流过功率晶体管的电流的快速准确控制。
请参阅图10，这是图1至图3中的电源电压补偿电路的第一实施例。该实施例所示的电源电压补偿电路包括一个差分放大电路和一个电流镜。所述差分放大电路主要由晶体管二十三M23至晶体管二十六M26和尾电流源Iss构成。晶体管二十三M23的栅极通过电阻三R3连接电源电压Vcc，还通过多个串联的二极管D1至Dn钳位在最低工作电压(例如3.5V)。晶体管二十四M24的栅极通过电阻四R4连接电源电压Vcc。晶体管二十三M23的源极、晶体管二十四M24的源极相连接，并通过尾电流源Iss接地。晶体管二十五M25的源极、晶体管二十六M26的源极均连接到电源电压Vcc。晶体管二十五M25的栅极和漏极、晶体管二十六M26的栅极相连接。晶体管二十五M25的漏极连接晶体管二十三M23的漏极。晶体管二十六M26的漏极连接晶体管二十四M24的漏极。所述电流镜主要由晶体管二十七M27和晶体管二十八M28构成。晶体管二十七M27的源极、晶体管二十八M28的源极均连接到电源电压Vcc。晶体管二十七M27的栅极与晶体管二十八M28的栅极相连接，并连接晶体管二十六M26的漏极。晶体管二十八M28的漏极输出补偿电流Icomp。
当电源电压Vcc升高时，晶体管二十四M24的电流增大，晶体管二十六M26的电流减小，从而使得晶体管二十七M27的电流增大，通过所述电流镜电路而使晶体管二十八M28的电流也增大。这样使得输出的补偿电流Icomp增大，通过图1至图3所示的三种负反馈电流模控制环路均使得采样电流Isense减小，进而使得流过功率晶体管的电流也减小，使得射频功率放大器的输出功率减小；反之亦然。这样所述差分放大电路跟踪电源电压的变化，所述电流镜产生与电源电压的变化趋势相同的补偿电流。所述电源电压补偿电路就可以在电源电压Vcc发生变化时，对其导致的射频功率放大器的输出功率的变化进而补偿，使得不同的电源电压下射频功率放大器的输出功率保持恒定。
请参阅图11，这是图1至图3中的电源电压补偿电路的第二实施例。该实施例所示的电源电压补偿电路在图10所示的第一实施例的基础上增加了由晶体管二十九M29和晶体管三十M30构成的电流镜结构，连接在晶体管二十八M28之后。具体是晶体管二十九M29的栅极和漏极相连接，并连接晶体管二十八M28的漏极；晶体管二十九M29的源极接地。晶体管三十M30的栅极连接晶体管二十九M29的栅极；晶体管三十M30的源极接地，漏极输出补偿电流Icomp。该第二实施例的实现原理与第一实施例大致相同，新增的电流镜结构用于改变输出的补偿电流Icomp的方向。图10所示的第一实施例中，补偿电流Icomp是从电源向下输出。图11所示的第二实施例中，补偿电流Icomp是下拉到地。这两个实施例可用来将补偿电流Icomp注入到负反馈的电流模控制环路的不同位置。
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 (15)

1.一种电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电流误差放大器和电源电压补偿电路；
所述预放大器用于将射频输入信号进行预先放大；
所述功率输出级包括功率放大电路和电流采样电路；所述功率放大电路用于在控制电压的控制下，将经过预先放大的射频信号进行功率放大得到输出功率；所述电流采样电路用来对功率输出级中流过功率晶体管的电流进行采样，得到采样电流；
所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为与控制电压成正比的参考电流；
所述电流误差放大器用于将采样电流和参考电流进行比较，得到比较电流提供给预放大器；
所述电源电压补偿电路用于对功率输出级的电源电压变化所引起的输出功率变化进行补偿。
2.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述预放大器包括一个反相器和一个反馈电阻；所述反相器是在预放大器的电源电压和地之间依次级联PMOS晶体管和NMOS晶体管构成的，两个晶体管的栅极相连接作为反相器的输入端，两个晶体管的漏极相连接作为反相器的输出端；反馈电阻连接在反相器的输入端与输出端之间。
3.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述功率放大电路是在功率输出级的电源电压和地之间依次级联电感、共源晶体管和共栅晶体管；共源晶体管和共栅晶体管构成共源共栅结构一；
所述电流采样电路包括共源共栅结构二，共源共栅结构二与共源共栅结构一构成共源共栅电流镜结构，用来采样流过功率放大电路中的两个功率晶体管的电流；所述电流采样电路还包括两个级联的电流镜结构，将共源共栅电流镜输出的采样电流进一步缩小得到电流采样电路最终输出的采样电流。
4.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电压电流转换电路还包括滤波单元、电压产生单元；控制电压通过滤波单元连接到运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端通过电压产生单元接地；运算放大器的输出端连接低压差稳压器的调整管的栅极；所述调整管的漏极连接运算放大器的同相输入端，所述调整管的源极输出参考电流。
5.根据权利要求4所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述滤波单元包括滤波电阻和滤波电容，控制电压通过滤波电阻接到运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端还通过滤波电容接地。
6.根据权利要求4所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电压产生单元是电阻一和电阻二的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端连接运算放大器的同相输入端。
7.根据权利要求6所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电压电流转换电路还包括PVT曲线调整电路；所述PVT曲线调整电路是在电阻二与地之间、或者是在运算放大器的同相输入端与电阻二之间增加串联一个接成二极管结构的NMOS晶体管或者PMOS晶体管。
8.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电压电流转换电路还包括密勒补偿电路一；密勒补偿电路一连接在低压差稳压器的调整管的栅极与漏极之间，包括一个密勒电容串联一个调零电阻。
9.根据权利要求6所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电压电流转换电路还包括温度补偿电路；所述温度补偿电路是将电阻一、电阻二均采用正温度系数的电阻和负温度系数的电阻串联构成。
10.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级；采用共栅极连接方式的晶体管十一和晶体管十二构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号；晶体管十三和晶体管十四构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，再放大晶体管一作为再放大级接在增益级之后。
11.根据权利要求10所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，在再放大晶体管一的栅极与漏极之间还有密勒补偿电路二；密勒补偿电路二包括一个密勒电容串联一个调零电阻。
12.根据权利要求1所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，所述电流误差放大器包括输入级、增益级和再放大级；采用共栅极连接方式的晶体管十五和晶体管十六构成了电流误差放大器的输入级，接收两个输入信号；晶体管二十一至晶体管二十二和晶体管十七至晶体管二十构成的电流镜结构作为输入级之后的增益级，再放大晶体管二作为再放大级接在增益级之后。
13.根据权利要求12所述的电源补偿的电流模控制射频功率放大器，其特征是，在再放大晶体管二的栅极与漏极之间还有密勒补偿电路三；密勒补偿电路三包括一个密勒电容串联一个调零电阻。
14.根据权利要求1所述的抗饱和的射频功率放大器，其特征是，所述电源电压补偿电路包括一个差分放大电路和一个电流镜；所述差分放大电路跟踪电源电压的变化，所述电流镜产生与电源电压的变化趋势相同的补偿电流。
15.根据权利要求1所述的抗饱和的射频功率放大器，其特征是，所述电源电压补偿电路包括一个差分放大电路和两个级联的电流镜；所述差分放大电路跟踪电源电压的变化，所述两个级联的电流镜产生与电源电压的变化趋势相同的补偿电流。
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