CN111200403B - 相位补偿电路、方法及运算放大器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种相位补偿电路、方法及运算放大器，该相位补偿电路包括鉴幅器单元、运算电路以及移相器电路；其中，鉴幅器单元用于提取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息，并将幅度信息发送至运算电路以得到放大器电路的第一相位补偿电压，移相器电路根据第一相位补偿电压对所述放大器电路的所述输出信号进行相位补偿。通过上述方式，本申请能够提高环路相位裕量及稳定性，改善闭环相位补偿的补偿精度。

Description

相位补偿电路、方法及运算放大器

技术领域

本申请涉及运算放大器相位补偿技术领域，特别是涉及一种相位补偿电路、方法及运算放大器。

背景技术

随着现代无线通讯向高速大容量方向的演进，用户对宽带通讯的要求不断提高，下一代的技术对射频和微波运算放大器的性能也越来越苛刻，对射频运算放大器都有着相似的技术特点，要求更低的信号失真更高的信号峰均功率比。

同时不得不面对的一个问题，射频运算放大器在本质上是一个非线性器件，会产生不需要的交调失真产物，这会直接影响到射频信号的质量。射频放大器引入的失真将会导致放大的信号在幅度和相位上的失真，输入功率越大，其非线性特性就越明显。即射频电路进入非线性区，增益与相位会发生失真，且在P1dB范围内，相位失真度远大于幅度失真度，参见图1，图1为现有技术中对运算放大器的相位补偿电路，闭环相位补偿通过相位误差信号Vpe控制移相器电路进行补偿，补偿精度△θ为：△θ＝△θo/(1+Kv*K1*Kd)。其中，△θo开环失真相位变化量，Kv为移相器灵敏度，K1为反馈深度，Kd为鉴相器灵敏度，Vpe＝f(Kv,K1,Kd)，由公式可知，环路补偿精度要求越高，则Kv，K1，Kd要求越高，而Kv、Kd受限于器件本身性能决定，K1反馈深度受限于环路稳定性。同时，Vpe在低功率条件下是随机值(主要受限于鉴相器性能)，将导致移相器电路工作状态失控，恶化射频性能。

发明内容

本申请提供一种相位补偿电路、方法及运算放大器，能够解决现有技术中闭环相位补偿精度不高及射频性能恶化的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种相位补偿电路，所述相位补偿电路包括鉴幅器单元、运算电路以及移相器电路；其中，所述鉴幅器单元用于提取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息，并将所述幅度信息发送至所述运算电路以得到所述放大器电路的第一相位补偿电压，所述移相器电路根据所述第一相位补偿电压对所述放大器电路的所述输出信号进行相位补偿。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种相位补偿方法，所述相位补偿方法包括：获取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息；根据所述输入信号和所述输出信号的幅度信息得到所述放大器电路的第一补偿相位电压；根据所述第一相位补偿电压对所述放大器电路的所述输出信号进行相位补偿。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种运算放大器，所述运算放大器包括上述任一所述的相位补偿电路

本申请的有益效果是：提供一种相位补偿电路、方法及运算放大器，通过在放大器电路中设置鉴幅器单元来分别提取输入射频信号和输出射频信号的幅度信息，从而得到放大器电路的相位补偿电压，移相器电路根据相位补偿电压实现对放大器电路的相位进行补偿，从而保证在宽动态范围内，提高环路相位裕量及稳定性，改善闭环相位补偿的补偿精度。

附图说明

图1是现有技术中相位补偿电路一实施方式的结构示意图；

图2是本申请放大器电路输入/输出功率的曲线特性图；

图3是本申请相位补偿电路第一实施方式的结构示意图；

图4是本申请相位补偿电路第二实施方式的结构示意图；

图5是本申请相位补偿方法第一实施方式的流程示意图；

图6是本申请相位补偿方法第二实施方式的流程示意图；

图7是本申请步骤S240一实施方式的流程示意图；

图8是本申请放大器一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

运算放大器一般用于对射频电路输出的射频信号的功率进行放大。结合图2，图2为本申请放大器电路输入/输出功率的曲线特性图。如图2所示，运算放大器电路有一个线性动态范围，如图2所示输入射频信号的功率在[0，Pm]的范围，运算放大器电路的输出射频信号的功率和输入射频信号的功率呈现线性变化，即运算放大器电路的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增加，放大器电路进入非线性区，即其输入射频信号的功率值大于Pm时，其输出射频信号的功率值不再随输入信号的功率值增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。

可选地，当射频信号的输入功率增大，射频电路进入非线性区，增益与相位会发生失真，且在P1dB范围内，射频电路的相位失真度远大于幅度失真度。本申请提供一种相位补偿电路，可以实现放大器电路在大功率幅度失真和小功率相位失真的情况下对放大器电路进行相位补偿。

请参阅图3，图3为本申请相位补偿电路第一实施方式的结构示意图，如图3所示，本申请提供的相位补偿电路100包括鉴幅器单元110、运算电路120以及移相器电路130。

可选地，本申请提供的相位补偿电路100进一步包括功率耦合电路140。其中所述功率耦合电路140用于获取射频电路输出信号以及获取放大器电路200的输出信号，进一步得到输入信号的功率值P1和输出信号的功率值P2。

可选地，本申请中的功率耦合电路140可以包括输入功率耦合电路141和输出功率耦合电路142，分别用于提取所述输入信号和输出信号的功率值。当然，在其他实施方式中，该功率耦合电路140的数量也可以为一个，此处不做具体限定。

可选地，鉴幅器单元110用于提取放大器电路200的输入信号和输出信号的幅度信息。

本申请如图3所示的相位补偿电路100中，该鉴幅器单元110可以包括第一鉴幅电路111及第二鉴幅电路112。其中，第一鉴幅电路111及第二鉴幅电路112分别用于提取放大器电路200输入信号和输出信号的幅度信息。当然，本申请中只是示意性的列举该鉴幅器单元110可以包括2个鉴幅电路，在其他实施方式中，该鉴幅单元也可以只为一个，此处不做具体限定。

可选地，在分别获取到输入信号和输出信号的幅度信息后，该鉴幅器单元110将输入信号和输出信号的幅度信息发送至运算电路120。运算电路120对该输入信号和输出信号的幅度信息进行处理以得到放大器电路200的第一相位补偿电压V1。其中，该第一相位补偿电压V1满足如下关系：

V1＝A×(K1×P1-K2×P2) (1)

其中，A为放大器电路200输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数，K1为第一鉴幅电路111的灵敏度，K2为第二鉴幅电路112的灵敏度，P1为输入信号的功率值，P2为输出信号的功率值。由此可见，在鉴幅电路不变的情况下该第一相位补偿电压和输出信号和输入信号的功率值相关，由此可以直接控制输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数K1实现对放大器电路200的相位补偿。

可选地，运算电路120进一步将该第一相位补偿电压发送至移相器电路130，移相器电路130在第一相位补偿电压的控制下实现对放大器电路200的输出信号的相位进行补偿，以使得放大器电路200的输入信号和输出信号的相位相一致。

上述实施方式中，通过在放大器电路中设置鉴幅器单元来分别提取输入射频信号和输出射频信号的幅度信息，从而得到放大器电路的相位补偿电压，移相器电路根据相位补偿电压实现对放大器电路的相位进行补偿。

请参阅图4，图4为本申请相位补偿电路第二实施方式的结构示意图，本申请实施方式是在相位补偿电路第一实施方式上的进一步扩展，且和第一实施方式类似，具体描述如下：

本申请提供的相位补偿电路300包括鉴幅器单元310、运算电路320、移相器电路330、功率耦合电路340以及鉴相电路350。

其中，功率耦合电路340用于获取射频电路输出信号以及获取放大器电路200的输出信号，进一步得到输入信号的功率值P1和输出信号的功率值P2。

可选地，本申请中的功率耦合电路340可以包括输入功率耦合电路341和输出功率耦合电路342，分别用于提取所述输入信号和输出信号的功率值。当然，在其他实施方式中，该功率耦合电路340的数量也可以为一个，此处不做具体限定。

鉴幅器单元310用于提取放大器电路200的输入信号和输出信号的幅度信息。本实施例中鉴幅器单元310可以包括第一鉴幅电路311及第二鉴幅电路312。其中，第一鉴幅电路311及第二鉴幅电路312分别用于提取放大器电路200输入信号和输出信号的幅度信息。当然，本申请中只是示意性的列举该鉴幅器单元210可以包括2个鉴幅电路，在其他实施方式中，该鉴幅单元也可以只为一个，此处不做具体限定。

可选地，在分别获取到输入信号和输出信号的幅度信息后，该鉴幅器单元310将输入信号和输出信号的幅度信息发送至运算电路320。运算电路320对该输入信号和输出信号的幅度信息进行处理以得到放大器电路200的第一相位补偿电压V1。其中，该第一相位补偿电压V1满足如下关系：

V1＝A×(K1×P1-K2×P2) (1)

其中，A为放大器电路200输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数，K1为第一鉴幅电路311的灵敏度，K2为第二鉴幅电路312的灵敏度，P1为输入信号的功率值，P2为输出信号的功率值。

鉴相电路350用于提取放大器电路200输入信号和输出信号的相位信息，并将相位信息发送至运算电路320，以得到放大器电路的200第二相位补偿电压V2，其中第二相位补偿电压V2满足如下关系：

V2＝F×Δθ (2)

其中，F为鉴相电路350的灵敏度，Δθ为输入信号和所述输出信号的相位差，第二相位补偿电压V2为输入信号及输出信号的相位误差电压。

可选地，在输入信号的预设功率值范围内，移相器电路330根据第一相位补偿电压V1及第二相位补偿电压V2对放大器电路200的输出信号进行相位补偿。

可选地，本实施例中将第一相位补偿电压V1及第二相位补偿电压V2结合的方式，可以实现在不同的输入功率状态下，实现对放大器电路进行相位补偿。

请一并结合图2，当输入信号的功率值在预设的功率范围内，本申请中以P1dB压缩点为临界值，设该P1dB点对应的输入信号的功率值为Pm，当输入信号的功率值小于Pm，则认为该放大器电路为小功率状态。若输入信号的功率值大于Pm，则认为该放大器电路为小功率状态。当然，该临界值也可以是其他的取值范围，此处不做具体限定。

可选地，若输入信号等于预设功率值Pm，则运算电路320根据第一相位补偿电压V1及第二相位补偿电压V2得到放大器电路200的第三相位补偿电压V3。其中，第三补偿相位电压V3为钳位电压，其大小等于该预设功率值Pm下，第一相位补偿电压V1和第二相位补偿电压V2之和，即第三相位补偿电压V3满足：

V3＝V1+V2 (3)

可选地，在输入信号的功率值小于该预设功率值Pm值，放大器电路200处于小功率状态时，足P1＜Pm，则V1+V2＜V3，运算电路320输出第三相位补偿电压V3控制移相器电路330实现对放大器电路200的相位补偿。其中，第二相位补偿电压V2具有随机性，其最大值/最小值不超过鉴相器350正负端的供电电压。

可选地，在输入信号的功率值大于该预设功率值Pm值，放大器电路200处于大功率状态时，足P1＞Pm，则V1+V2＞V3，运算电路320输出第一相位补偿电压V1和第二相位补偿电压V2之和，即输出V1+V2控制移相器电路330实现对放大器电路200的相位补偿。

本实施例中，第三相位补偿电压V3(钳位电压)可以保证低功率状态下移相器电路330控制电压的稳定性，第二相位补偿电压V2(输入信号及输出信号的相位误差电压)又能对开环相位失真进行预补偿，降低开环失真相位的变化量，从而保证在宽动态范围内，改善闭环相位补偿的补偿精度。

可选地，最低补偿功率受鉴幅电路灵敏度的影响，本申请中鉴幅电路灵敏度一般可达-100dBm，而第二鉴幅电路312的耦合信号是经过放大器电路200进行放大后的信号，因此本申请中整个相位补偿的动态范围可超过100dB。

除此之外，本申请中当输入信号的功率值低于鉴相电路350的最低检测功率值时，鉴相电路350的输出状态不确定，此时可以直接通过控制第一相位补偿电压中放大器电路200的输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数A，保证第二相位补偿电压(相位误差电压)输出低于第三相位补偿电压V3(钳位电压)。

可选地，当输入信号的功率值大于一定功率值时，可以直接通过控制第一相位补偿电压中放大器电路200的输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数A，保证相位不会过度补偿。

上述实施方式中，通过将第一相位补偿电压和第二相位补偿电压进行结合实现在不同输入信号的功率值下对放大器电路的相位补偿，可以降低环路反馈放大倍数，提高环路相位裕量及稳定性，从而在宽动态范围内提高相位补偿精。

请参阅图5，图5为本申请相位补偿方法第一实施方式的流程示意图。参考本申请相位补偿电路第一实施方式及第二实施方式中的附图，本实施例中相位补偿方法均是在上述相位补偿电路的基础上进行的，如图5所示本申请的相位补偿方法包括如下步骤：

S100，获取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息。

在获取放大器电路输入信号及输出信号的幅度信息之前进一步包括：

获取输入信号和输出信号的功率值，本实施例中通过输入功率耦合电路和输出功率耦合电路分别获取输入信号和输出信号的功率值。且其具体的获取可以参见上文的具体描述，此处不再赘述。

进一步，通过鉴幅器单元分别提取输入信号和输出信号的幅度信息，当然本实施例中可以通过第一鉴幅电路及第二鉴幅电路分别提取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息。

S110，根据输入信号和输出信号的幅度信息得到放大器电路的第一补偿相位电压。

可选地，在获取到输入信号和输出信号的幅度信息后，进一步通过运算电路得到第一相位补偿电压V1，其满足：

V1＝A×(K1×P1-K2×P2)(1)

其中，A为放大器电路输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数，K1为第一鉴幅电路的灵敏度，K2为第二鉴幅电路的灵敏度，P1为输入信号的功率值，P2为输出信号的功率值。

S120，根据第一相位补偿电压对放大器电路的输出信号进行相位补偿。

步骤S120中，运算电路进一步将该第一相位补偿电压发送至移相器电路，移相器电路在第一相位补偿电压的控制下实现对放大器电路的输出信号的相位进行补偿，以使得放大器电路的输入信号和输出信号的相位相一致。

上述实施方式中，通过在放大器电路中设置鉴幅器单元来分别提取输入射频信号和输出射频信号的幅度信息，从而得到放大器电路的相位补偿电压，移相器电路根据相位补偿电压实现对放大器电路的相位进行补偿。

请参阅图6，图6为本申请相位补偿方法第二实施方式的流程示意图。本实施例为相位补偿方法第一实施方式的进一步扩展，其相同之处不再赘述，该补偿方法包括如下步骤：

S200，获取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息。

S210，根据输入信号和输出信号的幅度信息得到放大器电路的第一补偿相位电压。

S220，获取放大器电路输入信号和输出信号的相位信息。

步骤S220中，通过鉴相电路提取放大器电路输入信号和输出信号的相位信息。

S230，根据相位信息得到所述放大器电路的第二相位补偿电压。

步骤S230中，将相位信息发送至运算电路，以得到放大器电路的第二相位补偿电压V2，其中第二相位补偿电压V2满足如下关系：

V2＝F×Δθ(2)

其中，F为鉴相电路的灵敏度，Δθ为输入信号和所述输出信号的相位差，第二相位补偿电压V2为输入信号及输出信号的相位误差电压。

需要说明的是，本申请对上述实施方式中输入信号及输出信号幅度信息以及相位信息的提取的顺序不做具体限定，可以是幅度信息和相位信息进行同时提取，也可以是不同时提取，此处不做具体限定。

S240，在输入信号的预设功率范围内，根据第一相位补偿电压及第二相位补偿电压对放大器电路的输出信号进行相位补偿。

本实施例中，以P1dB压缩点为临界值，设该P1dB点对应的输入信号的功率值为Pm，当输入信号的功率值小于Pm，则认为该放大器电路为小功率状态。若输入信号的功率值大于Pm，则认为该放大器电路为小功率状态。当然，该临界值也可以是其他的取值范围，此处不做具体限定。参见图7，本实施例中分为两种情况，如图7步骤S240进一步包括如下子步骤：

S241，判断输入信号的功率值是否大于预设功率值。

若判断输入信号的功率值小于预设功率值Pm，则执行步骤S242，若判断为是，则执行步骤S244。

S242，获取放大器电路输出信号的第三相位补偿电压。

可选地，若输入信号等于预设功率值Pm，则运算电路根据第一相位补偿电压V1及第二相位补偿电压V2得到放大器电路的第三相位补偿电压V3。其中，第三补偿相位电压V3为钳位电压，其大小等于该预设功率值Pm下，第一相位补偿电压V1和第二相位补偿电压V2之和，即第三相位补偿电压V3满足：

V3＝V1+V2 (3)

S243，根据第三相位补偿电压对放大器电路的输出信号进行相位补偿。

可选地，在输入信号的功率值小于该预设功率值Pm值，放大器电路处于小功率状态时，足P1＜Pm，则V1+V2＜V3，运算电路输出第三相位补偿电压V3控制移相器电路实现对放大器电路的相位补偿。其中，第二相位补偿电压V2具有随机性，其最大值/最小值不超过鉴相器正负端的供电电压。

S244，则分别获取第一相位补偿电压及第二相位补偿电压。

可选地，在输入信号的功率值大于该预设功率值Pm值，放大器电路处于大功率状态时，足P1＞Pm，则分别获取第一相位补偿电压V1和第二相位补偿电压V2，其获取的具体过程此处不再赘述。

S245，根据第一相位补偿电压及第二相位补偿电压之和对放大器电路的输出信号进行相位补。

可选地，运算电路输出第一相位补偿电压V1和第二相位补偿电压V2之和，即输出V1+V2控制移相器电路实现对放大器电路的相位补偿。

上述实施方式中，通过将第一相位补偿电压和第二相位补偿电压进行结合实现在不同输入信号的功率值下对放大器电路的相位补偿，可以降低环路反馈放大倍数，提高环路相位裕量，提高环路稳定性，从而在宽动态范围内提高相位补偿精。

参见图8，图8为本申请放大器一实施方式的结构示意图。本申请提供的放大器包括上述任一实施方式所述的相位补偿电路F，其中该相位补偿电路F的具体结构和实现原理参见上文的具体描述，此处不再赘述。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种相位补偿电路、方法及运算放大器，通过在放大器电路中设置鉴幅器单元来分别提取输入射频信号和输出射频信号的幅度信息，从而得到放大器电路的相位补偿电压，移相器电路根据相位补偿电压实现对放大器电路的相位进行补偿，从而保证在宽动态范围内，提高环路相位裕量及稳定性，改善闭环相位补偿的补偿精度。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种相位补偿电路，其特征在于，所述相位补偿电路包括鉴幅器单元、运算电路以及移相器电路；

其中，所述鉴幅器单元用于提取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息，并将所述幅度信息发送至所述运算电路以得到所述放大器电路的第一相位补偿电压；

所述相位补偿电路还包括鉴相电路，所述鉴相电路用于提取所述放大器电路输入信号和输出信号的相位信息，并将所述相位信息发送至所述运算电路，以得到所述放大器电路的第二相位补偿电压；

所述运算电路根据所述第一相位补偿电压及所述第二相位补偿电压得到所述放大器电路的第三相位补偿电压；其中，所述第三相位补偿电压为钳位电压，且所述钳位电压的值为预设功率值下所述第一相位补偿电压和所述第二相位补偿电压之和；

其中，所述输入信号小于或等于所述预设功率值，所述移相器电路根据所述运算电路输出的所述第三相位补偿电压对所述放大器电路的所述输出信号进行相位补偿；所述输入信号大于所述预设功率值，所述移相器电路根据所述运算电路输出的所述第一相位补偿电压及所述第二相位补偿电压之和对所述放大器电路的所述输出信号进行相位补偿。

2.根据权利要求1所述的相位补偿电路，其特征在于，所述鉴幅器单元包括第一鉴幅电路及第二鉴幅电路，所述第一鉴幅电路及所述第二鉴幅电路分别用于提取所述放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息。

3.根据权利要求2所述的相位补偿电路，其特征在于，所述第一相位补偿电压满足：

V1＝A×(K1×P1-K2×P2) (1)

其中，A为所述放大器电路输入信号和输出信号的幅度误差信号放大倍数，K1为所述第一鉴幅电路的灵敏度，K2为所述第二鉴幅电路的灵敏度，P1为所述输入信号的功率值，P2为所述输出信号的功率值。

4.根据权利要求1所述的相位补偿电路，其特征在于，所述第二相位补偿电压满足：

V2＝F×Δθ (2)

其中，F为所述鉴相电路灵敏度，Δθ为所述输入信号和所述输出信号的相位差。

5.根据权利要求1所述的相位补偿电路，其特征在于，所述补偿电路还包括功率耦合电路，所述功率耦合电路用于提取所述输入信号及所述输出信号的功率值。

6.一种相位补偿方法，其特征在于，所述相位补偿方法包括：

获取放大器电路输入信号和输出信号的幅度信息；

根据所述输入信号和所述输出信号的幅度信息得到所述放大器电路的第一相位补偿电压；

获取所述放大器电路输入信号和输出信号的相位信息；

根据所述相位信息得到所述放大器电路的第二相位补偿电压；

判断所述输入信号的功率值是否大于预设功率值；

若判断为否，则获取所述放大器电路输出信号的第三相位补偿电压；其中，所述第三相位补偿电压为钳位电压，且所述钳位电压的值为所述预设功率值下所述第一相位补偿电压和所述第二相位补偿电压之和；

根据所述第三相位补偿电压对所述放大器电路的输出信号进行相位补偿；

若判断所述输入信号的功率值大于预设功率值，则分别获取所述第一相位补偿电压及所述第二相位补偿电压；

根据所述第一相位补偿电压及所述第二相位补偿电压之和对所述放大器电路的输出信号进行相位补偿。

7.一种运算放大器，其特征在于，所述运算放大器包括权利要求1～5中任一所述的相位补偿电路。

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