CN112994623B - 一种应用于功率放大器的功率检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于功率放大器的功率检测电路。解决现有功率检测电路结构复杂，成本增加，不能完全集成，功率放大器输出功率受影响的问题。电路包括第一转换电路和第二转换电路，误差放大器，功率检测输出电路，第一转换电路输出射频信号连接误差放大器正相输入端，第二转换电路输出参考信号连接误差放大器反相输入端，第一转换电路接收由功率放大器的耦合器获得的信号，结合直流偏置共同控制输入误差放大器正相输入端信号；误差放大器对比第一转换电路和第二转换电路的电压变化输出功率检测电压；功率检测输出电路与误差放大器输出端连接。电路结构简单，易于集成，降低了成本。功率检测电路精度高，对功率放大器性能影响小。

Description

一种应用于功率放大器的功率检测电路

技术领域

本发明涉及射频功率检测技术领域，尤其是涉及一种应用于功率放大器的功率检测电路。

背景技术

功率放大器是现代通信模块中射频前端的重要组成部分，所有含有信号发射功能的通信模块均需要功率放大器进行信号的放大并发射出去。随着现代通信技术的发展，功率放大器的需求量越来越多，同时系统的集成度也越来越高，数字自动控制技术的发展又需要监控功率放大器的输出功率大小，再反馈回到主控芯片中，进而自动地调整输出功率得到所需要的准确的输出功率。为了准确地控制通信模块中功率放大器的输出功率，系统设计中会增加输出功率检测电路模块得到输出功率的大小。

早期设计中，功率检测电路在系统设计中是分立的电路模块，系统设计中还需要增加一个分立的耦合器将功率放大器的输出功率耦合到功率检测电路的输入端，进一步地，功率检测电路的输出电压可以跟随功率放大器的输出功率的变化。

分立的器件的加入显然会影响芯片本身的性能，比如耦合器的增加会改变功率放大器的输出阻抗，而输出阻抗匹配对输出功率的最大幅值有非常大的影响，对输出阻抗非常敏感的功率放大器而言，增加耦合器降低了功率放大器的最大输出功率，恶化了芯片本身的性能。而且系统设计中，增加了分立的耦合器和功率检测电路对于系统设计的面积和系统成本无疑是影响很大的，提高了系统设计的复杂度。将耦合器和功率检测电路集成于功率放大器是符合系统设计的发展方向，在同一芯片集成这些电路，可以在设计功率放大器的时候就考虑耦合器对输出阻抗的影响，并可以稳定该功率放大器的一致性，同时集成功率检测电路，可以降低系统复杂度和系统成本。

目前，芯片集成方案很多，但是常见的问题有功率放大器输出功率检测精度受限，或者功率检测电路复杂增加了芯片成本，或者功率放大器的输出功率受到影响，芯片集成方案相对于传统方案并没有显示出非常优越地性能优势

发明内容

本发明主要是解决现有技术中功率检测电路结构复杂，成本增加，不能完全集成，以及功率放大器输出功率受影响的问题，提供了一种应用于功率放大器的功率检测电路。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种应用于功率放大器的功率检测电路，包括第一转换电路和第二转换电路，误差放大器，功率检测输出电路，

第一转换电路和第二转换电路，具有相同直流偏置，将电流信号转换成电压信号，第一转换电路输出射频信号连接误差放大器正相输入端，第二转换电路输出参考信号连接误差放大器反相输入端，第一转换电路接收由功率放大器的耦合器获得的信号，结合直流偏置共同控制输入误差放大器正相输入端信号；

误差放大器，对比第一转换电路和第二转换电路的电压变化，驱动输出的功率检测电压变化；误差放大器将输入信号成比例转换为电压信号。

功率检测输出电路，与误差放大器输出端连接，输出随功率检测电压同步变化的反馈电压。

本发明采用第一转换电路和第二转换电路分别作为误差放大器的射频信号和参考信号输入，第一转换电路和第二转换电路为具有相同的直流偏置的电流信号转换电压信号的电路，第一转换电路和第二转换电路将偏置电压转换成电流信号，根据电流信号控制输出电压信号，其中第一转换电路输入端连接由功率放大器的耦合器产生的信号，结合偏置电压共同控制输出电压信号，误差放大器根据输入的信号控制输出功率检测电压，功率检测电压变化控制功率检测输出电路的反馈电压变化。本发明电路结构简单，不会大幅度增加芯片成本和设计复杂度，且电路结构设计易于集成，提高了系统，减小了系统设计面积，降低了成本。功率检测电路精度高，对功率放大器性能影响小。

作为一种优选方案，所述第一转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、晶体管M1、尾电流源IB1，电阻R1第一端连接产生偏置电压VB1的偏置电路，电阻R1第二端连接晶体管M1栅端，晶体管M1漏端连接电源，晶体管M1源端分别连接电阻R2第一端、尾电流源IB1输入端，尾电流源IB1输出端接地，电阻R2第二端连接电阻R3第一端、电阻R3第二端连接电阻R4第一端，电阻R4第二端接地，电阻R2第二端连接到误差放大器正相输入端。本方案第一转换电路由偏置电压控制流过晶体管M1的电流信号，结合尾电流源调节流入电阻R2、电阻R3、电阻R4构成的支路的电流，输出随电流变化的射频信号。偏置电路和尾电流源采用现有常用的电路。

作为一种优选方案，所述第二转换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、晶体管M2、尾电流源IB2，电阻R5第一端连接产生偏置电压VB2的偏置电路，电阻R5第二端连接晶体管M2栅端，晶体管M2漏端连接电源，晶体管M2源端分别连接电阻R6第一端、尾电流源IB2输入端，尾电流源IB2输出端接地，电阻R6第二端连接电阻R7第一端、电阻R7第二端连接电阻R8第一端，电阻R8第二端接地，电阻R6第二端连接到误差放大器反相输入端。本方案第二转换电路由偏置电压控制流过晶体管M2的电流信号，结合尾电流源调节流入电阻R6、电阻R7、电阻R8构成的支路的电流，输出随电流变化的射频信号。偏置电路和尾电流源采用现有常用的电路。

作为一种优选方案，所述第一转换电路和第二转换电路中输入的偏置电压相等，尾电流源输出电流相等。 偏置电压VB1=VB2，尾电流源输出电流IB1=IB2。

作为一种优选方案，由功率放大器的耦合器获得的信号通过电容C1后进入晶体管M1栅端。由功率放大器的耦合器获得的信号结合偏置电压共同输入到晶体管M1栅端，共同控制流过晶体管M1的电流信号。

作为一种优选方案，所述功率检测输出电路包括晶体管M3、电阻R9、电阻R10，晶体管M3栅极连接误差放大器输出端，晶体管M3漏端连接电源，晶体管M3源端连接电阻R9第一端，电阻R9第二端连接电阻R10第一端，电阻R10第二端接地，电阻R9第二端作为输出端反馈电压，电阻R9第一端连接至电阻R7第二端。本方案中功率检测电压控制流过晶体管M3的电流信号，在与第二转换电路连接中，第二转换电路偏置电压和尾电流源是稳定的，则控制流入电阻R9和电阻R10构成的支路，输出端输出随电流变化的反馈电压，即反馈电压也跟随功率放大器的输出功率同步变化，其中电阻R9和电阻R10串联，在电阻串中输出反馈电压信号，这样设计可以灵活控制功率检测电路的输出电压范围，易于调整电路达到电路的设计要求。反馈电压信号为误差放大器输出电压转换为电流后与电阻R10的乘积，通过调整R10的大小即有效调整反馈电压的范围而不会影响内部电路的工作状态。

作为一种优选方案，所述尾电流源IB1和尾电流源IB2具有高输出电阻。

作为一种优选方案，所述误差放大器采用高阻输入运算放大器。本方案误差放大器采用高阻输入运算放大器，需要具有足够大的增益保证能将输入端的误差放大进而改变输出的电压，同时误差放大器还需要足够的带宽保证工作的速度。

作为一种优选方案，第一转换电路、第二转换电路的元器件的元器件以及偏置电流相同，或是第一转换电路、第二转换电路的元器件以及偏置电流成比例。

作为一种优选方案，第一转换电路、第二转换电路、功率检测输出电路中晶体管还可以为HBT或pHEMT。本发明实现工艺不限于CMOS工艺，还包括HBT、pHEMT等类型。

因此，本发明的优点是：

1.电路结构简单，不会大幅度增加芯片成本和设计复杂度，且电路结构设计易于集成，提高了系统集成端，减小了系统设计面积，降低了成本。

2.功率检测电路精度高，对功率放大器性能影响小。

附图说明

图1是功率放大器、耦合器和功率检测电路的一种电路拓扑结构图；

图2是本发明一种电路结构示意图；

图3是本发明功率检测电路反馈电压与功率放大器输出功率的关系图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种应用于功率放大器的功率检测电路，应用于功率放大器中，将分离的耦合器和功率检测电路基础到功率放大器中，降低基础器件对功率放大器的性能影响。解决了传动方案系统集成度低，系统设计复杂的缺点。

如图1所示，传统方案中功率放大器、耦合器和功率检测电路均为分立器件。射频信号通过功率放大器放大以后通过耦合器的其中两端再将信号传输到负载上，同时通过电磁感应，耦合器的另外两端会有信号输出，功率检测电路将采集耦合出来的射频信号，并将其转化为电压信号，明显地，由耦合器耦合得到的射频信号也会跟随着功率放大器的信号幅度增大而增大，进而功率检测器的反馈电压也同步增大。跟随功率放大器的输出功率变化的反馈电压再传输到其他电路模块进一步处理后即可去控制功率放大器的输出幅度保持稳定。理论上，耦合器和功率检测电路的接入不会影响功率放大器的性能，但实际上功率放大器设计的最佳阻抗并未考虑耦合器和功率检测电路的影响，而耦合器和功率检测电路的接入会影响功率放大器的输出阻抗，降低功率放大器的输出功率等性能。因此需要发明适合集成的功率检测电路，并将耦合器和功率检测电路基础到功率放大器中，考虑三者之间的连接关系，将相互的影响降低。

功率检测电路包括第一转换电路和第二转换电路，误差放大器，功率检测输出电路，

第一转换电路和第二转换电路，具有相同直流偏置，将电流信号转换成电压信号，第一转换电路输出射频信号连接误差放大器正相输入端，第二转换电路输出参考信号连接误差放大器反相输入端，第一转换电路接收由功率放大器的耦合器获得的信号，结合直流偏置共同控制输入误差放大器正相输入端信号；

误差放大器，对比第一转换电路和第二转换电路的电压变化，驱动输出的功率检测电压变化；

功率检测输出电路，与误差放大器输出端连接，输出随功率检测电压同步变化的反馈电压。

如图2所示，第一转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、晶体管M1、尾电流源IB1，电阻R1第一端连接产生偏置电压VB1的偏置电路，电阻R1第二端连接晶体管M1栅端，另外由功率放大器的耦合器获得的信号通过电容C1后进入晶体管M1栅端。晶体管M1漏端连接电源，晶体管M1源端分别连接电阻R2第一端、尾电流源IB1输入端，尾电流源IB1输出端接地，电阻R2第二端连接电阻R3第一端、电阻R3第二端连接电阻R4第一端，电阻R4第二端接地，电阻R2第二端连接到误差放大器正相输入端。

第二转换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、晶体管M2、尾电流源IB2，电阻R5第一端连接产生偏置电压VB2的偏置电路，电阻R5第二端连接晶体管M2栅端，晶体管M2漏端连接电源，晶体管M2源端分别连接电阻R6第一端、尾电流源IB2输入端，尾电流源IB2输出端接地，电阻R6第二端连接电阻R7第一端、电阻R7第二端连接电阻R8第一端，电阻R8第二端接地，电阻R6第二端连接到误差放大器反相输入端。其中第一转换电路和第二转换电路中输入的偏置电压相等，尾电流源输出电流相等，即VB1=VB2，IB1=IB2。尾电流源IB1和尾电流源IB2具有高输出电阻。误差放大器采用高阻输入运算放大器。第一转换电路和第二转换电路的元器件的元器件以及偏置电流可以相同，或为不相同，但是成比例。

功率检测输出电路包括晶体管M3、电阻R9、电阻R10，晶体管M3栅极连接误差放大器输出端，晶体管M3漏端连接电源，晶体管M3源端连接电阻R9第一端，电阻R9第二端连接电阻R10第一端，电阻R10第二端接地，电阻R9第二端作为输出端反馈电压，电阻R9第一端连接至电阻R7第二端。其中电阻R9和电阻R10串联，在电阻串中输出反馈电压信号，可以灵活控制功率检测电路的输出电压范围。本实施例中第一转换电路、第二转换电路、功率检测输出电路中晶体管采用CMOS工艺，但并不限于CMOS工艺，还可以为HBT或pHEMT等类型。

上述提到的耦合器本实施例擦用片上耦合器，耦合器采用全对称的结构，包括两路线圈，两路线圈呈双螺旋结构，耦合器包括四个端头S1、S2、S3、S4，其中S1和S2为一路线圈的两端头，S3和S4为另一路线圈的两端头。耦合器线圈设计参数考虑功率放大器输出功率的影响，工作的频率不同，圈数、线宽以及线间距都会有很大的不同。同时，两路的线宽可以不一样，及耦合器的耦合系数可以通过调整两路线圈的线宽实现。

如图3为本实施例测试结果的发明功率检测电路反馈电压与功率放大器输出功率的关系图，在功率放大器的输出功率较低时，功率检测电路的反馈电压V_DET较低，保持比较稳定，随着功率放大器输出功率的增加，功率检测电路的输出电压V_DET也同步增加。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征在于：包括第一转换电路和第二转换电路，误差放大器，功率检测输出电路，

第一转换电路和第二转换电路，具有相同直流偏置，将电流信号转换成电压信号，第一转换电路输出射频信号连接误差放大器正相输入端，第二转换电路输出参考信号连接误差放大器反相输入端，第一转换电路接收由功率放大器的耦合器获得的信号，结合直流偏置共同控制输入误差放大器正相输入端信号；所述第一转换电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、晶体管M1、尾电流源IB1，电阻R1第一端连接产生偏置电压VB1的偏置电路，电阻R1第二端连接晶体管M1栅端，晶体管M1漏端连接电源，晶体管M1源端分别连接电阻R2第一端、尾电流源IB1输入端，尾电流源IB1输出端接地，电阻R2第二端连接电阻R3第一端、电阻R3第二端连接电阻R4第一端，电阻R4第二端接地，电阻R2第二端连接到误差放大器正相输入端；所述第二转换电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、晶体管M2、尾电流源IB2，电阻R5第一端连接产生偏置电压VB2的偏置电路，电阻R5第二端连接晶体管M2栅端，晶体管M2漏端连接电源，晶体管M2源端分别连接电阻R6第一端、尾电流源IB2输入端，尾电流源IB2输出端接地，电阻R6第二端连接电阻R7第一端、电阻R7第二端连接电阻R8第一端，电阻R8第二端接地，电阻R6第二端连接到误差放大器反相输入端；

误差放大器，对比第一转换电路和第二转换电路的电压变化，驱动输出的功率检测电压变化；

功率检测输出电路，与误差放大器输出端连接，输出随功率检测电压同步变化的反馈电压；所述功率检测输出电路包括晶体管M3、电阻R9、电阻R10，晶体管M3栅极连接误差放大器输出端，晶体管M3漏端连接电源，晶体管M3源端连接电阻R9第一端，电阻R9第二端连接电阻R10第一端，电阻R10第二端接地，电阻R9第二端作为输出端反馈电压，电阻R9第一端连接至电阻R7第二端。

2.根据权利要求1所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是所述第一转换电路和第二转换电路中输入的偏置电压相等，尾电流源输出电流相等。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是由功率放大器的耦合器获得的信号通过电容C1后进入晶体管M1栅端。

4.根据权利要求1或2所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是所述尾电流源IB1和尾电流源IB2具有高输出电阻。

5.根据权利要求1或2所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是所述误差放大器采用高阻输入运算放大器。

6.根据权利要求1或2所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是第一转换电路和第二转换电路的元器件以及偏置电流相同，或是成比例。

7.根据权利要求1所述的一种应用于功率放大器的功率检测电路，其特征是第一转换电路、第二转换电路、功率检测输出电路中晶体管还可以为HBT或pHEMT。

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