CN112583370A - 一种具有高效率和高线性度的功率放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，属于半导体、微电子和通信技术领域。本发明是根据输入的射频信号RF的峰值功率，把功放模块的供电和电压运算模块的电压以及可调预失真器的补偿量相结合，产生固定约束，使它们产生同步变化。从而解决了现有技术中存在的在低输出功率到高输出功率这个较大的输出功率范围内，不能同时兼顾高效率和高线性度的问题。

Description

一种具有高效率和高线性度的功率放大装置
技术领域
本发明涉及半导体、微电子和通信技术领域，尤其涉及射频功率放大器设计领域，具体为一种具有高效率和高线性度的功率放大装置。
背景技术
在射频功率放大器电路的设计中，效率和线性度是两个核心指标，两者相互矛盾又相互制约。优良的线性指标意味着较低的功放效率，而较高的功放效率往往导致较差的线性指标，所以作为无线电发射机末端的重要部件，如何使功率放大器兼顾高效率和高线性度一直是工业界关注的焦点问题。
目前来看，运用模拟预失真器APD和高效功放相结合的方式可以确保功放具有较高效率同时维持较为优良的线性度。但是随着无线通信技术的迅猛发展，通信场景日益复杂，对能耗要求也愈加严苛。这就要求无线发射机在工作时需要根据实际应用场景不断地调整输出功率，且在不同的输出功率下均保持高效率。当功放输出功率较大时(高输出功率模式)，由于模拟预失真器APD的存在且功放接近饱和状态，因此可以高线性度和实现高效率；但当功放输出功率较低时(低输出功率模式)，由于此时功放处于回退状态，其效率下降明显。图1为功放漏极效率和输出功率关系曲线图，具体可参阅1。
为了解决这个问题，可以通过改变功放的漏极电压的方式，使功放实现较大功率输出范围的同时达到更高的输出效率。图2为功放在不同漏极偏压下漏极效率DE和输出功率关系曲线图，在图2中，曲线从左到右漏极偏压依次为：13V、18V、23V、28V；图3为功放在不同漏极偏压下增益和输出功率关系曲线图。参阅图2、图3可得知，采用改变漏极电压的方式虽然实现了大输出功率范围内的高输出效率，但也存在着不同的漏极偏置电压下功放的非线性特征差异较大、不能始终保持高线性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，以用于解决背景技术中存在的在低输出功率到高输出功率这个较大的输出功率范围内，不同的漏极偏置电压下功放的非线性特征差异较大、不能始终保持高线性的问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，包括供电控制电路和线性补偿电路；
所述供电控制电路包括依次电连接的峰值检测模块、第一电压运算模块、DC-DC电源模块和功放模块；
其中，峰值检测模块接外部输入的射频信号RF，并检测射频信号RF的峰值功率，转换成与峰值功率大小相应的电压信号；第一电压运算模块对电压信号进行运算处理后生成参考电压VRef并输出；DC-DC电源模块的输入端外接输入电压Vin，根据第一运算模块提供的参考电压VRef输出与参考电压VRef成正比关系的电压值，为功放模块提供不同的漏极电压。
所述线性补偿电路包括可调模拟预失真器APD，可调模拟预失真器输入接射频信号RF，输出与功放模块相连；
线性补偿电路还包括第二电压运算模块，第二电压运算模块的输入与DC-DC电源模块的输出端相连，输出与可调模拟预失真器APD相连；第二电压运算模块根据DC-DC电源模块输出的电压值进行运算处理后生成调控电压，以用于调整可调模拟预失真器APD的补偿量，改善功放在不同漏极偏压下的非线性失真。
进一步的，所述第一电压运算模块和第二电压运算模块都采用了加、减和乘法的运算方式进行运算处理。
进一步的，所述DC-DC电源模块采用的是一种降压电源变换器。
进一步的，所述功放模块采用的是工作于AB类的单管功率放大器，它包括输入匹配网络、栅极偏置网络、场效应晶体管、漏极偏置网络和输出匹配网络。输入匹配网络的输入端作为单管功率放大器的输入端，与可调模拟预失真器APD的输出端连接；输入匹配网络的输出端与栅极偏置网络的输入端连接。栅极偏置网络的输出端与场效应晶体管的输入端连接。场效应晶体管的输出端与漏极偏置网络的第一输入端连接，漏极偏置网络的第二输入端与DC-DC电源模块的输出端电连接。漏极偏置网络的输出端与输出匹配网络的输入端连接，输出匹配网络的输出端为单管功率放大器的输出端。当DC-DC电源模块提供Vmin～Vmax范围内的漏极电压，该功率放大器在接近饱和状态时输出功率范围较大。
进一步的，由于反射式预失真器线性化器可调性更好，因此本发明采用了反射式预失真器线性化器作为可调模拟预失真器APD。
本发明所提供的功率放大装置，是根据输入的射频信号RF的峰值功率，把功放模块的供电和电压运算模块的电压以及可调模拟预失真器的补偿量相结合，产生固定约束，使它们产生同步变化。其具体的工作过程为：
峰值检测模块通过检测输入射频信号RF的大小向第一电压运算模块输出对应的电压信号，第一电压运算模块对电压信号通过加减和乘法运算后，生成与电压信号之间存在线性变换关系的参考电压VRef提供给DC-DC电源模块。DC-DC电源模块输入端外接输入电压Vin，并依据第一电压运算模块提供的参考电压VRef输出与参考电压VRef成正比关系的电压值，为功放提供不同的漏极电压。同时第二电压运算模块对DC-DC电源模块的输出电压采用加减和乘法运算后，根据运算结果生成不同的调控电压提供给可调模拟预失真器APD。由于可调模拟预失真器APD的补偿量随着偏置电压的增大而增大，而功放在高漏极偏压下的线性度要优于在低漏极偏压下的线性度，所以第二电压运算模块输出与输入电压信号大小相反的调控电压。可调模拟预失真器APD便可根据功放模块漏极偏压的不同调整到对应的补偿量，实现不同漏极偏压下非线性失真的补偿。
综上所述，本发明提供的功率放大装置克服了现有技术存在的低输出功率到高输出功率这个较大的输出功率范围内，不同的漏极偏置电压下功放的非线性特征差异较大、不能始终保持高线性的问题。
附图说明
图1功放漏极效率和输出功率关系曲线；
图2功放在不同漏极偏压下漏极效率和输出功率关系曲线；
图3功放在不同漏极偏压下增益和输出功率关系曲线；
图4是本发明实施例的电路结构图；
图5是本发明实施例中可调模拟预失真器APD示意图；
图6是本发明实施例中可调模拟预失真器APD在不同偏置电压下的增益曲线图；
图7是本发明实施例的功放模块在ADS中的原理图。
具体的实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
图4是本发明实施例提供的一种功率放大装置的电路结构图。本实施例提供的功率放大装置能够在较大输出功率范围内均维持良好的效率和线性度。
如图4所示，该功率放大装置包括供电控制电路和线性补偿电路，所述供电控制电路由依次电连接的峰值检测模块10、第一电压运算模块11、DC-DC电源模块12和功放模块15组成。所述峰值检测模块10用于检测外部输入的射频信号RF的峰值功率，并将检测到的峰值功率转换成与峰值功率大小相应的电压信号提供给第一电压运算模块11；在峰值检测模块10中，功率和电压对应的关系式为：Pmax＝V^2/R，其中Pmax表示峰值功率，V表示电压，R表示电阻；本实施例在进行对应转换时R为额定电阻50欧姆。所述第一电压运算模块11对接收到的电压信号采用先加减，后乘法的方式进行运算，然后将运算结果作为参考电压VRef输出给DC-DC电源模块12。所述DC-DC电源模块12的第一输入端接参考电压VRef，第二输入端外接输入电压Vin，DC-DC电源模块12根据参考电压VRef输出与参考电压成正比关系的电压值、分别提供给功放模块15和第二电压运算模块13；其中DC-DC电源模块12输出的电压值的范围是Vmax至Vmin且满足Vin>Vmax。由于DC-DC电源模块12给功放模块15提供了不同的漏极电压，因此功放在较大输出功率范围内均能达到更高的漏极效率。
所述线性补偿电路包括可调模拟预失真器APD14，可调预失真器的输入端接射频信号RF，输出与功放模块15相连，用于对功放进行线性补偿。本实施选用补偿量可调的反射式预失真线性化器作为可调模拟预失真器APD14，用于改善功放在不同漏极偏置电压下的线性度。
由于DC-DC电源模块12为功放模块15提供的是不同的漏极电压，为保证功放在较大输出功率范围内始终维持良好的线性度，需要在线性补偿电路中设置第二电压运算模块13，通过第二电压运算模块13将供电单元的供电结合起来。第二电压运算模块13的输入与DC-DC电源模块12的输出端相连，输出与可调模拟预失真器APD14相连；第二电压运算模块13根据DC-DC电源模块12输出的电压值通过加减和乘法运算后，生成调控电压来调整可调模拟预失真器APD14的补偿量，使得在低输出功率(线性度较低)时的补偿量要大于在高输出功率(线性度较高)时的补偿量，从而保证功放在较大输出功率范围内始终维持良好的线性度。
图5为本发明实施例提供的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置的可调模拟预失真器APD示意图。可调模拟预失真器APD14包括90°电桥17、偏置网络18和非线性产生电路19。其中，90°电桥17的输入端作为可调模拟预失真器APD14的输入端用于接收射频信号，90°电桥17的隔离端用于整个预失真器的信号输出；偏置网络18的电源输入端VI与第二电压运算模块13的输出端电连接，由于调控电压的不同改变了非线性产生电路19中肖特基二极管的偏置电压，而其阻抗会随着偏置电压的改变而改变，实现预失真器补偿量的调节。此外，偏置网络18包含有扼流圈，其作用是防止射频信号进入第二电压运算模块13，导致第二电压运算模块13损坏，同时防止第二电压运算模块13对非线性产生电路19的特性造成干扰。图6所示为可调模拟预失真器APD的增益仿真曲线，图中V1、V2、V3和V4为预失真器不同的偏置电压值且V1>V2>V3>V4。
图7为本发明实施例提供的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置的功放模块在ADS中的原理图。该功放模块15的工作类型为AB类功率放大器，工作频点为0.9GHz、1.5GHz和2.1GHz。其中功放的栅极偏压值固定，为-2.8V，而漏极偏压由DC-DC电源模块12提供，范围是13V到28V，使得功放在工作频点处接近饱和状态时可以实现较大的输出功率范围。
该功率放大装置的工作流程如下：
峰值检测模块10通过检测输入射频信号RF的大小向第一电压运算模块11输出对应的电压信号，第一电压运算模块11对电压信号通过先加减、后乘法运算后，将其运算结果生成参考电压VRef输出给DC-DC电源模块12，
DC-DC电源模块12第一输入端接收参考电压VRef，第二输入端接外接电压信号Vin，DC-DC电源模块12根据参考电压VRef输出范围在13V到28V的电压，提供给功放模块15。同时第二电压运算模块13对DC-DC电源模块12的输出电压采用加减和乘法运算后，根据运算结果生成不同的调控电压提供给模拟预失真器APD14。由于可调模拟预失真器APD14的补偿量随着偏置电压的增大而增大，而功放在高漏极偏压下的线性度要优于在低漏极偏压下的线性度，所以第二电压运算模块13输出与输入电压信号大小相反的调控电压。可调模拟预失真器APD14便可根据功放模块15漏极偏压的不同调整到对应的补偿量，实现不同漏极偏压下非线性失真的补偿。

Claims (5)

1.一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，其特征在于：包括供电控制电路和线性补偿电路；
所述供电控制电路包括依次电连接的峰值检测模块、第一电压运算模块、DC-DC电源模块和功放模块；
其中，峰值检测模块接外部输入的射频信号RF，并检测射频信号RF的峰值功率，转换成与峰值功率大小相应的电压信号；第一电压运算模块对电压信号进行运算处理后生成参考电压VRef并输出；DC-DC电源模块的输入端外接输入电压Vin，根据第一运算模块提供的参考电压VRef输出与参考电压VRef成正比关系的电压值，为功放模块提供不同的漏极电压；
所述线性补偿电路包括可调模拟预失真器APD，可调模拟预失真器输入接射频信号RF，输出与功放模块相连；
线性补偿电路还包括第二电压运算模块，第二电压运算模块的输入与DC-DC电源模块的输出端相连，输出与可调模拟预失真器APD相连；第二电压运算模块根据DC-DC电源模块输出的电压值进行运算处理后生成调控电压，以用于调整可调模拟预失真器APD的补偿量，改善功放在不同漏极偏压下的非线性失真。
2.根据权利要求1所述的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，其特征在于：所述第一电压运算模块和第二电压运算模块都采用了加减和乘法的运算方式进行运算处理。
3.根据权利要求1所述的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，其特征在于：所述DC-DC电源模块采用的是一种降压电源变换器。
4.根据权利要求1所述的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，其特征在于：所述功放模块采用的是工作于AB类的单管功率放大器。
5.根据权利要求1所述的一种具有高效率和高线性度的功率放大装置，其特征在于：可调模拟预失真器APD为反射式预失真器线性化器。
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