CN110808720A - 一种抗饱和的射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种抗饱和的射频功率放大器，包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电源电压补偿电路和抗饱和电路。所述电压电流转换电路进一步包括运算放大器、一个低压差稳压器、环路稳定辅助电路和反馈电路。所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为参考电流，并通过运算放大器与功率输出级的采样电流进行比较，比较结果接入低压差稳压器，该低压差稳压器为当前工作频段的预放大器提供电源电压。本申请通过在电压电流转换电路中引入环路稳定辅助电路和反馈电路，用来提供额外的负反馈支路，以确保在射频功率放大器的整个PVT工作区间内的负反馈电流控制环路能够稳定可靠工作。
Description
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。当控制电压Vramp升高时，控制环路逼近饱和，会导致开关谱急剧恶化，不能满足通信标准的要求。
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，采用电 流检测方案的功率控制电路，具有成本低、可靠性高、抗饱和的特点。
为解决上述技术问题，本申请抗饱和的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、电源电压补偿电路和抗饱和电路。
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包括运算放大器、一个低压差稳压器、环路稳定辅助电路和反馈 电路；所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为参考电流，并通过运算放大器与功率输 出级的采样电流进行比较，比较结果接入低压差稳压器，该低压差稳压器为预放大器提供电 源电压；环路稳定辅助电路和反馈电路串联在运算放大器的输出端和同相输入端之间；
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；
所述抗饱和电路用于将电压电流转换电路为预放大器提供的电源电压负反馈回反馈节点 或者负反馈回控制电压输入端；所述反馈节点是指所述运算放大器的同相输入端。
本申请取得的技术效果是：在电压电流转换电路中引入环路稳定辅助电路和反馈电路， 用来提供额外的负反馈支路，以确保在射频功率放大器的整个PVT工作区间内的负反馈电 流控制环路能够稳定可靠工作。电压电流转换电路通过负反馈控制当前工作频段的功率输 出级的电流，实现了射频功率放大器的更高效率。抗饱和电路减缓射频功率放大器的负反 馈电流控制环路进入饱和的深度，有效改进射频功率放大器的开关谱特性，并提升射频功 率放大器的性能。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，两个晶体管相连接的漏极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第二电流镜 结构，第二电流镜结构将共源共栅电流镜输出的中间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，两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，功率输出级的采样电流通过电压产生单元在反馈节 点产生反馈电压连接到到运算放大器的同相输入端；运算放大器的输出端连接低压差稳压 器的调整管的栅极；低压差稳压器的调整管的漏极为预放大器供电。滤波单元可以减少无 关频段的信号干扰。电压产生单元可以将功率输出级的采样电流转换为反馈电压，从而使 得控制电压与反馈电压在运算放大器中进行比较。
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。
优选地，所述抗饱和电路一方面连接了运算放大器的输出端和反馈节点，另一方面连 接了低压差稳压器的调整管的漏极和栅极。这样，所述抗饱和电路便引入了两个负反馈支 路，实现了对当前工作频段的低压差稳压器的输出电压的动态调整，避免整个射频功率放 大器的负反馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的深度， 改善了射频功率放大器的开关谱。
优选地，所述抗饱和电路一方面连接了运算放大器的输出端和控制电压输入端，另一 方面连接了低压差稳压器的调整管的漏极和栅极。这样，所述抗饱和电路便引入了两个负 反馈支路，实现了对当前工作频段的低压差稳压器的输出电压的动态调整，避免整个射频 功率放大器的负反馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的 深度，改善了射频功率放大器的开关谱。
进一步地，所述环路稳定辅助电路包括一个辅助低压差稳压器；所述辅助低压差稳压 器的调整管的栅极连接运算放大器的输出端，源极连接电源电压，漏极一方面通过负载电 阻接地，漏极另一方面还通过反馈电路连接到反馈节点。所述环路稳定辅助电路实现了额 外的负反馈支路。
进一步地，所述抗饱和电路包括监测晶体管一和监测电阻一；监测晶体管一的栅极连 接调整管的栅极，其源极连接调整管的漏极，其漏极通过监测电阻一连接反馈节点。所述 抗饱和电路的负反馈支路实现了对调整管的漏极电压输出的动态调整，避免整个射频功率 放大器的负反馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的深度， 改善了射频功率放大器的开关谱。
进一步地，所述抗饱和电路包括监测晶体管二、监测晶体管三、监测晶体管四、电流 源和监测电阻二；监测晶体管二的栅极连接调整管的栅极，其源极连接调整管的漏极，其 漏极连接监测晶体管三的漏极；监测晶体管三的栅极和漏极相连接，其源极通过监测电阻 二接地；监测晶体管四的栅极连接监测晶体管三的栅极，其漏极连接运算放大器的反相输 入端，其源极通过电流源接地。所述抗饱和电路的负反馈支路实现了对调整管的漏极电压 输出的动态调整，避免整个射频功率放大器的负反馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了 负反馈电流控制环路进入饱和的深度，改善了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晶体管或是接成二极管结构的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；每个密勒补偿电路连接在一个 低压差稳压器的调整管和/或辅助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电流控制环路的稳定性。
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。
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。
本申请提供的抗饱和的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，构建负反馈的电流 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，在电压电流转换电路中引入了环路稳定辅助电路和反馈电路，用来提供额外的 负反馈支路，以确保在射频功率放大器的整个PVT工作区间内的负反馈电流控制环路能够 稳定可靠工作，有效避免了负反馈电流控制环路的振荡。
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。
其五，通过抗饱和电路，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的深度，改善了射频功率 放大器的开关谱，提升了射频功率放大器的性能。
附图说明
图1是本申请提供的抗饱和的射频功率放大器的一个实施例的电路结构示意图。
图1a是图1的一种变形电路结构示意图。
图2是图1、图1a中的预放大器的一个实施例的电路结构示意图。
图3是图1、图1a中的功率输出级的一个实施例的电路结构示意图。
图4是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第一实施例的电路结构示意 图。
图4a是图4的一种变形电路结构示意图。
图5是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第二实施例的电路结构示意 图。
图6是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第三实施例的电路结构示意 图。
图7是图4、图4a、图5、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、图1a中的电源电压补偿电路的一个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；Vldo为预放大器的电源电压；Vcc为功率输出级的电源电压；Iramp为参考电流；Icomp为补偿电流；Isense为采样电流；M为MOS晶体管；Rf为反馈电阻；L为电感； Vcascode为共栅晶体管的栅极偏置电压；FB为反馈节点；Vfb为反馈电压；OP为运算放大器； MA为低压差稳压器的调整管/辅助低压差稳压器的调整管；MB为PVT曲线调整电路的晶体管； MS为监测晶体管；RS、RSAT为监测电阻；ISAT为电流源；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。
具体实施方式
请参阅图1、图1a，这是本申请提供的抗饱和的射频功率放大器的一个实施例。该实 施例所示的抗饱和的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 源电压补偿电路和抗饱和电路。
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包括运算放大器、一个低压差稳压器(Low-dropoutregulator， LDO)、环路稳定辅助电路和反馈电路。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，并通过运算放大器与功率输出级的采样电流Isense进行 比较，比较结果(即运算放大器的输出)接入低压差稳压器，该低压差稳压器为预放大器提 供电源电压Vldo。环路稳定辅助电路和反馈电路串联在运算放大器的输出端和反馈节点FB(即 运算放大器的同相输入端)之间，用来提供额外的负反馈支路，以确保在射频功率放大器的 整个PVT工作区间内的负反馈电流控制环路能够稳定可靠工作。
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。
所述抗饱和电路用于将电压电流转换电路为预放大器提供的电源电压Vldo负反馈回反 馈节点FB即所述电压电流转换电路中的运算放大器的同相输入端(如图1所示)、或者负 反馈回控制电压Vramp输入端(如图1a所示)，由此减缓射频功率放大器的负反馈电流控制环 路进入饱和的深度，有效改进射频功率放大器的开关谱特性，并提升射频功率放大器的性 能。
在图1、图1a中的反馈节点FB的位置，有电压电流转换电路注入的参考电流Iramp，有电 源电压补偿电路抽取的补偿电流Icomp，有当前工作频段的功率输出级抽取的采样电流Isense， 并且Iramp＝Icomp+Isense。当控制电压Vramp升高时，参考电流Iramp随之升高，假定补偿电流Icomp不 变，那么功率输出级的采样电流Isense随之增大，这也从另一个角度反映出功率输出级中流过 功率晶体管的电流增大，使得射频功率放大器的输出功率Vout增大；反之亦然。
图1、图1a所示的抗饱和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、电压电流转换电路与预放大器依次连接构成了射频功率放大器 的负反馈电流控制环路。当控制电压Vramp升高时，电压电流转换电路提供给预放大器的电源 电压Vldo升高，预放大器的输出电压Vpre提高，从而提高了功率输出级的偏置电压，使得功率 输出级中流过功率晶体管的电流随之增大。此时，一方面使得功率输出级的输出功率Vout随之 增大，体现了控制电压Vramp对射频功率放大器的输出功率Vout的调节作用；另一方面使功率输 出级的采样电流Isense随之增大，从而使反馈节点FB的反馈电压Vfb升高。反馈电压Vfb通过电 压电流转换电路中的运算放大器拉高了为预放大器提供电源电压Vldo的那个低压差稳压器的 调整管的栅极电压，使预放大器的电源电压Vldo有减小的趋势。这样就通过负反馈构成一个 完整的电流控制环路，实现了对射频功率放大器的输出功率的闭环控制。
请参阅图2，这是图1、图1a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3，这是图1、图1a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，还包括晶体管八M8。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的栅极与漏极相连接，并连接晶体管六M6的漏极。晶体 管八M8的源极连接功率输出级的电源电压Vcc，漏极连接反馈节点FB并从反馈节点FB抽取 采样电流Isense。晶体管八M8和晶体管七M7的栅极相连接构成N：1的PMOS电流镜结构，将 共源共栅电流镜输出的中间采样电流进一步缩小N倍得到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和/或N，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4、图4a，这是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第一实施例。
图4、图4a中，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、 一个低压差稳压器、环路稳定辅助电路和反馈电路。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。功率输出级的采样电流Isense输出在电阻一R1和电阻二R2的并联支路上(此时假定虚线表示的晶体管MB不存在)，在反馈节点FB的位置产生反馈电压 Vfb，连接到到运算放大器OP的同相输入端。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的输出端连接到环路稳定辅助电路和调整管MA的栅极。环路稳定辅 助电路和反馈电路串联在运算放大器OP的输出端和反馈节点FB之间，用来在抗饱和电流控 制环路之外提供额外的负反馈支路，以确保在射频功率放大器的整个PVT工作区间内的负反 馈电流控制环路能够稳定可靠工作。调整管MA构成一个低压差稳压器。调整管MA的源极连接 电源电压Vcc，漏极连接预放大器的电源端向预放大器提供电源电压Vldo。所述电压电流转换 电路还具有电路简洁、功能完善、集成度高、工作稳定可靠的优点。
优选地，所述反馈电路为一个电阻、或者是多个电阻的串联和/或并联的任意组合。
图4、图4a中，所述抗饱和电路一方面连接了运算放大器OP的输出端和反馈节点FB(如 图4所示)，或是连接了运算放大器OP的输出端和控制电压Vramp的输入端(如图4a所示)， 另一方面连接了低压差稳压器的调整管MA的漏极和栅极。这样，所述抗饱和电路便引入了两 个负反馈支路。第一负反馈支路是在调整管MA的漏极与栅极之间引入电压负反馈，稳定了低 压差稳压器的输出电压。第二负反馈支路是在反馈节点FB(如图4所示)或者控制电压Vramp输入端(如图4a所示)引入电流负反馈。通过引入两个负反馈支路，所述抗饱和电路实现了 对当前工作频段的低压差稳压器的输出电压Vldo的动态调整，避免整个射频功率放大器的负反 馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的深度，改善了射频功 率放大器的开关谱。
当控制电压Vramp升高时，运算放大器OP的输出电压Vg降低，这使调整管MA的栅极电压降 低，进而使调整管MA的漏极电压即预放大器一电源电压Vldo升高，预放大器的输出电压Vpre提高，从而提高了功率输出级的栅极电压，使得功率输出级中流过功率晶体管的电流随之增 大。这使功率输出级的采样电流Isense随之增大，从而使反馈节点FB的反馈电压Vfb升高。最 终负反馈电流控制环路的高增益使得反馈节点FB的反馈电压Vfb最终稳定于控制电压Vramp。
请参阅图5，这是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第二实施例。与第 一实施例相比，第二实施例的区别仅为给出了环路稳定辅助电路和抗饱和电路的一种具体实 现方式。
图5中，所述环路稳定辅助电路主要由一个辅助低压差稳压器实现。所述辅助低压差稳 压器的调整管MA2的栅极连接运算放大器OP的输出端，源极连接电源电压Vcc，漏极一方面通 过负载电阻RL接地，漏极另一方面还通过反馈电路连接到反馈节点FB以实现额外的负反馈支 路。
图5中，所述抗饱和电路包括监测晶体管一MS1和监测电阻一RS1。监测晶体管一MS1例如 为PMOS晶体管，其栅极连接调整管MA的栅极，其源极连接调整管MA的漏极，其漏极通过监 测电阻一RS1连接反馈节点FB。监测晶体管一MS1和监测电阻一RS1用来监测负反馈电流控制环 路的饱和程度。当调整管MA的漏极电压Vldo升高时，通过监测晶体管一MS1使得运算放大器OP 的输出电压Vg也升高，实现了调整管MA的漏极电压Vldo的负反馈电压调整。当调整管MA的漏 极电压Vldo升高到使得负反馈电流控制环路饱和后，通过监测晶体管一MS1和监测电阻一RS1向反馈节点FB注入一个电流，从而使得反馈节点FB的电压反馈Vfb升高，运算放大器OP的 输出电压Vg也升高。这样便通过抗饱和电路的负反馈支路实现了对调整管MA的漏极电压Vldo输出的动态调整，避免整个射频功率放大器的负反馈电流控制环路过早进入饱和，减缓了负 反馈电流控制环路进入饱和的深度，改善了射频功率放大器的开关谱。
请参阅图6，这是图1、图1a中的电压电流转换电路和抗饱和电路的第三实施例。与第 二实施例相比，第三实施例的区别仅为给出了抗饱和电路的另一种具体实现方式。
图6中，所述抗饱和电路包括监测晶体管二MS2、监测晶体管三MS3、监测晶体管四MS4、 电流源ISAT和监测电阻二RSAT。监测晶体管二MS2的栅极连接调整管MA的栅极，其源极连接调整 管MA的漏极，其漏极连接监测晶体管三MS3的漏极。监测晶体管三MS3的栅极和漏极相连接， 其源极通过监测电阻二RSAT接地。监测晶体管四MS4的栅极连接监测晶体管三MS3的栅极，其漏 极连接运算放大器OP的反相输入端，其源极通过电流源ISAT接地。所述抗饱和电路用来检测 负反馈电流控制环路的饱和程度。当调整管MA的漏极电压Vldo升高时，通过监测晶体管二MS2使得运算放大器OP的输出电压Vg也升高，实现了调整管MA的漏极电压Vldo的负反馈电压调整。 当调整管MA的漏极电压Vldo升高到使得负反馈电流控制环路饱和后，监测晶体管二MS2、监测 晶体管三MS3和监测电阻二RSAT的支路导通，通过监测晶体管四MS4和电流源ISAT的支路将运算 放大器OP的反相输入端电压下拉到地，这样就降低了控制电压Vramp对运算放大器OP的反相 输入端的输入影响，提高了运算放大器OP的输出电压Vg。这样便通过抗饱和电路的负反馈支 路实现了对调整管MA的漏极电压Vldo输出的动态调整，避免整个射频功率放大器的负反馈电 流控制环路过早进入饱和，减缓了负反馈电流控制环路进入饱和的深度，改善了射频功率放 大器的开关谱。
图4、图4a、图5、图6给出的同一种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4、图4a、图5、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，这使得反馈节点FB的反馈电压Vfb升高，运算放大器OP的输出电压Vg升高，当前工作频段的预放大器的电源电压Vldo降低，当前工作频段的预放大器的输出电压Vpre降低，从而降低了当前工作频段的功率输出级中的晶体管三M3的栅极电压，使得流过功率晶体 管M3、M4的电流减小。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，这使得反馈节点FB的反馈电压Vfb降低，运算放大器OP的输出电压Vg降低，当前工作频段的预放大器的电源电压Vldo升高，当前工作频段的预放大器的输出电压Vpre升高，从而升高了当前工作频段的功率输出级中的晶体管三M3的栅极电压，使得流过功率晶体管M3、M4的电流增大。这有助于改进射频功率放大器的开关谱。基于图4、图4a、图5、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。所述密勒补偿电路一连接在 调整管MA的栅极与漏极之间，例如是一个密勒电容串联一个调零电阻；在图4、图4a、图5、 图6中以虚线表示。图5、图6给出的同一种环路稳定辅助电路中，可选地还包括密勒补偿 电路二。所述密勒补偿电路二连接在辅助低压差稳压器的调整管MA2的栅极与漏极之间，例如 是一个密勒电容串联一个调零电阻；在图5、图6中以虚线表示。所述密勒补偿电路通过极 点分离提高了负反馈电流控制环路的相位裕度，从而提高了负反馈电流控制环路稳定性。
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4、图4a、 图5、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4、图4a、图5、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、图1a中的电源电压补偿电路的一个实施例。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。所述差分放大电路主要由晶体管九M9至晶体管十 二M12和尾电流源Iss构成。晶体管九M9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)。晶体管十M10的栅极通过电阻四R4连 接电源电压Vcc。晶体管九M9的源极、晶体管十M10的源极相连接，并连接到尾电流源Iss的输 入端，尾电流源Iss的输出端接地。晶体管十一M11的源极、晶体管十二M12的源极均连接到电 源电压Vcc。晶体管十一M11的栅极和漏极、晶体管十二M12的栅极相连接。晶体管十一M11的漏 极连接晶体管九M9的漏极。晶体管十二M12的漏极连接晶体管十M10的漏极，并连接到晶体管 十三M13的漏极。所述电流镜主要由晶体管十三M13和晶体管十四M14构成。晶体管十三M13的源 极、晶体管十四M14的源极均连接到电源电压Vcc。晶体管十三M13的栅极与晶体管十四M14的栅 极相连接。晶体管十四M14的漏极从反馈节点FB抽取补偿电流Icomp。当电源电压Vcc升高时， 晶体管十M10的电流增大，晶体管十二M12的电流减小，从而使得晶体管十三M13的电流增大， 通过所述电流镜电路而使晶体管十四M14的电流也增大。这样从反馈节点FB抽取的补偿电流 Icomp增大，当参考电流Iramp不变时就使得采样电流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。
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)
1.一种抗饱和的射频功率放大器，其特征是，包括预放大器、功率输出级、电压电流转换电路、电源电压补偿电路和抗饱和电路；
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包括运算放大器、一个低压差稳压器、环路稳定辅助电路和反馈电路；所述电压电流转换电路用于将控制电压转换为参考电流，并通过运算放大器与功率输出级的采样电流进行比较，比较结果接入低压差稳压器，该低压差稳压器为预放大器提供电源电压；环路稳定辅助电路和反馈电路串联在运算放大器的输出端和同相输入端之间；
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；
所述抗饱和电路用于将电压电流转换电路为预放大器提供的电源电压负反馈回反馈节点或者负反馈回控制电压输入端；所述反馈节点是指所述运算放大器的同相输入端。
2.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，两个晶体管相连接的漏极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所述的抗饱和的射频功率放大器，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第二电流镜结构，第二电流镜结构将共源共栅电流镜输出的中间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所述的抗饱和的射频功率放大器，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，功率输出级的采样电流通过电压产生单元在反馈节点产生反馈电压连接到到运算放大器的同相输入端；运算放大器的输出端连接低压差稳压器的调整管的栅极；低压差稳压器的漏极为预放大器供电。
5.根据权利要求4所述的抗饱和的射频功率放大器，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所述的抗饱和的射频功率放大器，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，另一端连接反馈节点。
7.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，所述抗饱和电路一方面连接了运算放大器的输出端和反馈节点，另一方面连接了低压差稳压器的调整管的漏极和栅极。
8.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，所述抗饱和电路一方面连接了运算放大器的输出端和控制电压输入端，另一方面连接了低压差稳压器的调整管的漏极和栅极。
9.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，所述环路稳定辅助电路包括一个辅助低压差稳压器；所述辅助低压差稳压器的调整管的栅极连接运算放大器的输出端，源极连接电源电压，漏极一方面通过负载电阻接地，漏极另一方面还通过反馈电路连接到反馈节点。
10.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，所述抗饱和电路包括监测晶体管一和监测电阻一；监测晶体管一的栅极连接调整管的栅极，其源极连接调整管的漏极，其漏极通过监测电阻一连接反馈节点。
11.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，所述抗饱和电路包括监测晶体管二、监测晶体管三、监测晶体管四、电流源和监测电阻二；监测晶体管二的栅极连接调整管的栅极，其源极连接调整管的漏极，其漏极连接监测晶体管三的漏极；监测晶体管三的栅极和漏极相连接，其源极通过监测电阻二接地；监测晶体管四的栅极连接监测晶体管三的栅极，其漏极连接运算放大器的反相输入端，其源极通过电流源接地。
12.根据权利要求6所述的抗饱和的射频功率放大器，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。
13.根据权利要求1或9所述的抗饱和的射频功率放大器，其特征是，所述电压电流转换电路还包括密勒补偿电路；密勒补偿电路连接在低压差稳压器的调整管和/或辅助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。
14.根据权利要求6所述的抗饱和的射频功率放大器，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。
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。
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