CN114089803A - 一种带有温度补偿功能的功率检测电路及其射频前端模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有温度补偿功能的功率检测电路及其射频前端模块。该功率检测电路包括至少一级功率检测单元和整合单元，整合单元的输入端连接功率检测单元的输出端；功率检测单元中与偏置电压连接的电阻为热敏电阻，和/或整合单元中与参考地电位连接的电阻为热敏电阻。本发明解决了不同电路模块的偏置电压Vreg的温度系数要求不同，需要多个不同温度系数的偏置电压Vreg供电的技术问题。因此，本发明所提供的功率检测电路及其射频前端模块具有结构设计简单、生产成本降低，使用性能可靠等有益效果。

Description

一种带有温度补偿功能的功率检测电路及其射频前端模块

技术领域

本发明涉及一种带有温度补偿功能的功率检测电路，同时也涉及包括该功率检测电路的射频前端模块及相应的电子设备，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

射频前端（Radio Frequency Front-End, 简写为RFFE）模块是智能手机等电子设备的核心组件，主要用于实现射频信号在不同频率下的收发。典型的射频前端模块包括射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器（Power Amplifier）等组件。

如图1所示，在现有射频前端模块的一个示例中，包括由三级功率放大单元（PA1～PA3）组成的功率放大器、电源电路以及功率检测电路。其中，电源负责给功率放大器提供工作所需要的电源。功率放大器负责射频信号的放大和处理工作。功率检测电路的作用是将射频前端的功率转变为对应的电压值，反馈给电子设备的处理器来校准输出功率。

在现有技术中，电子设备中使用的射频前端模块，通常要求的工作环境温度范围是-25℃～85℃，或者-40℃～110℃。一般为了弥补HBT（heterojunction bipolartransistor，异质结双极型晶体管）在高、低温下的性能差异，需要在电源中提供负温度系数的温度补偿电路，用来调节给HBT晶体管供电的电压，从而补偿HBT晶体管的温度特性。对于集成在HBT晶体管工艺上的功率检测电路，需要带有温度系数的电压，以调节不同温度下输入功率和功率检测电路的输出电压的对应关系曲线，使得不同温度下的输出功率都是稳定的。但是，现有的射频前端模块往往采用多个电压，不同电路模块的电压的温度系数要求不同，所以需要多个不同温度系数的电压分别给不同的电路模块供电。这样使得电路设计的复杂度提高、射频前端模块的生产成本大幅增大。

在申请号为201710575269.6的中国专利申请中，公开了一种射频功放功率补偿系统，包括：功率放大器，用于对射频信号进行放大并输出；功率检测电路，其输出端与功率环路控制电路的输入端连接，用于多点采集功率放大器的实际输出功率；温度补偿电路，其输出端与功率环路控制电路的输入端连接，用于检测功率放大器的实时温度，并传输至功率环路控制电路；频率补偿电路，其输出端与功率环路控制电路的输入端连接，用于检测输入的射频信号频率，并传输至功率环路控制电路；功率环路控制电路，与功率放大器的输出控制端口连接，用于根据实际输出功率、温度和频率对功率放大器的输出功率进行控制。该技术方案充分考虑了温度和频率这两个影响射频功率输出主要两个因素，并根据这两个因素进行功率补偿，确保射频功率放大器实际输出值稳定可靠，进一步提高补偿精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种带有温度补偿功能的功率检测电路。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述功率检测电路的射频前端模块及电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种带有温度补偿功能的功率检测电路，包括至少一级功率检测单元和整合单元，所述整合单元的输入端连接所述功率检测单元的输出端；

所述功率检测单元中与偏置电压连接的电阻为热敏电阻，和/或所述整合单元中与参考地电位连接的电阻为热敏电阻。

其中较优地，所述偏置电压为具有温度系数的电压。

其中较优地，所述整合单元包括第七HBT晶体管、第十电容，以及第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻；其中，所述功率检测单元的输出端与第七HBT晶体管的基极连接，第七HBT晶体管的集电极与所述偏置电压连接，第七HBT晶体管的发射极一方面通过第十一电阻与参考地电位连接，另一方面通过第十二电阻与整合单元的输出端连接；第十电阻的两端分别与第七HBT晶体管的基极和集电极连接；第十三电阻的一端与参考地电位连接，另一端与输出端连接；第十电容的一端与第七HBT晶体管的发射极连接，另一端与参考地电位连接。

其中较优地，所述整合单元中的第十电阻与所述偏置电压同时为正温度系数或负温度系数。

其中较优地，在所述整合单元中，满足如下公式：

V7e＝（Vreg-Vbe7）－I*R10

其中，V7e为第七HBT晶体管的发射极电压，Vreg为偏置电压，Vbe7为第七HBT晶体管的基极与发射极之间的电压，R10为第十电阻的阻值，I为功率检测单元的输出电流。

其中较优地，所述功率检测单元中，包括第一HBT晶体管和第二HBT晶体管，第一电容、第二电容和第三电容，以及第一电阻、第二电阻和第七电阻；所述功率检测电路的信号输入端与第一电容连接，第一电容的另一端与第一电阻及第一HBT晶体管的集电极连接，第一电阻的另一端与第一HBT晶体管的基极相连，第一HBT晶体管的发射极与参考地电位连接；第一HBT晶体管的集电极一方面通过第七电阻与偏置电压连接，另一方面通过第二电阻与第二HBT晶体管的基极连接；第二HBT晶体管的发射极与参考地电位连接，第二HBT晶体管的集电极连接所述整合单元的输入端；第二电容的一端与第一电阻连接，另一端与第一HBT晶体管的发射极连接；第三电容的一端与第二电阻连接，另一端与第二HBT晶体管的发射极连接。

其中较优地，所述功率检测单元中与偏置电压连接的第七电阻为正温度系数时，所述偏置电压为负温度系数；或者，所述功率检测单元中与偏置电压连接的第七电阻为负温度系数时，所述偏置电压为正温度系数。

其中较优地，所述功率检测单元为至少两级时，每一级功率检测单元中的第二HBT晶体管的集电极作为该级功率检测单元的输出端，共同连接至所述整合单元的输入端。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种射频前端模块，其中包括上述的功率检测电路。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括上述的功率检测电路。

与现有技术相比较，本发明所提供的带有温度补偿功能的功率检测电路采用单一输出电压的电源电路为两级或多级功率放大单元以及一级或多级功率检测单元提供工作所需的偏置电源的技术方案，解决了不同电路模块的偏置电压Vreg的温度系数要求不同，需要多个不同温度系数的偏置电压Vreg供电的技术问题。因此，本发明所提供的功率检测电路及其射频前端模块具有结构设计简单、生产成本降低，使用性能可靠等有益效果。

附图说明

图1为现有技术中，一个典型的射频前端模块的示例图；

图2为本发明实施例所提供的射频前端模块的电路原理图；

图3为图2所示的射频前端模块中，功率检测电路的一个实施例的电路原理图；

图4(a)为图2所示的射频前端模块中，功率检测电路的另一个实施例的电路原理图；

图4(b)为图2所示的射频前端模块中，功率检测电路的又一个实施例的电路原理图；

图5为本发明的实施例中，没有温度补偿的功率检测电路的输入功率和输出电压的关系曲线图，其中横坐标为功率检测电路的输入功率，纵坐标为功率检测电路的输出电压；

图6为本发明的实施例中，带有温度补偿功能的功率检测电路的输入功率和输出电压的关系曲线图，其中横坐标为功率检测电路的输入功率，纵坐标为功率检测电路的输出电压；

图7为采用本发明提供的功率检测电路的电子设备的示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明实施例所提供的射频前端模块包括功率放大器1、电源电路2以及功率检测电路（简写为VDET）3。其中，功率放大器1的输出端与功率检测电路3的输入端连接，电源电路2的输出端分别与功率放大器1及功率检测电路3的偏置电源端连接。电源电路2提供功率放大器1和功率检测电路3工作所需要的偏置电压和电流，功率检测电路3检测功率放大器1的输出功率并转化为与功率成正比的输出电压（Vdet_out）。

在本发明的一个实施例中，功率放大器1优选采用三五族化合物工艺的元器件实现。该功率放大器1中包括三级功率放大单元，分别为第一级功率放大单元PA1、第二级功率放大单元PA2、第三级功率放大单元PA3。其中，第一级功率放大单元PA1的输入端（PAIN）连接外部射频信号，第一级功率放大单元PA1的输出端与第二级功率放大单元PA2的输入端连接，第二级功率放大单元PA2的输出端与第三级功率放大单元PA3的输入端连接，第三级功率放大单元PA3的输出端与功率检测电路3的输入端连接。

在本发明的一个实施例中，电源电路2优选采用CMOS或者SOI工艺的元器件实现。其中，电源电路2输出偏置电压Vreg1,分别为功率放大器1中的三级功率放大单元和功率检测电路3提供工作用的偏置电压。

如图3所示，本发明所提供的功率检测电路3为带有温度补偿功能的功率检测电路，包括三级功率检测单元和整合单元Sum。其中，三级功率检测单元分别为第一级功率检测单元Class 1，第二级功率检测单元Class 2，第三级功率检测单元Class 3。各级功率检测单元分别由两个HBT晶体管、三个电容和三个电阻组成。整合单元Sum由一个HBT晶体管、一个电容和四个电阻组成。为了实现温度补偿功能，其中各级功率检测单元及整合单元中与偏置电压Vreg连接的电阻为热敏电阻，和/或整合单元中与参考地电位（即接地端，下同）连接的电阻也为热敏电阻。

在图3所示的实施例中，第一级功率检测单元Class 1包括第一HBT晶体管1和第二HBT晶体管2，以及第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，以及第一电阻R1、第二电阻R2和第七电阻R7，其中第七电阻R7为热敏电阻。功率检测电路的信号输入端RFIN与第一电容C1连接，第一电容C1的另一端与第一电阻R1及第一HBT晶体管1的集电极连接，第一电阻R1的另一端与第一HBT晶体管1的基极相连，第一HBT晶体管1的发射极与参考地电位连接。第一HBT晶体管1的集电极一方面通过第七电阻R7与偏置电压Vreg连接，另一方面通过第二电阻R2与第二HBT晶体管2的基极连接。第二HBT晶体管2的发射极与参考地电位连接。第二HBT晶体管2的集电极作为该级功率检测单元的输出端，与第二级功率检测单元及第三级功率检测单元的输出端连接后，共同连接至整合单元的输入端。第二电容C2的一端与第一电阻R1连接，第二电容C2的另一端与第一HBT晶体管1的发射极连接，第三电容C3的一端与第二电阻R2连接，第三电容C3的另一端与第二HBT晶体管2的发射极连接。

在图3所示的实施例中，第二级功率检测单元Class 2包括第三HBT晶体管3和第四HBT晶体管4，以及第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6，以及第三电阻R3、第四电阻R4和第八电阻R8，其中第八电阻R8为热敏电阻。功率检测电路的信号输入端RFIN通过第一级功率检测单元的第一电容C1与第二级功率检测单元的第四电容C4连接，第四电容C4的另一端与第三电阻R3及第三HBT晶体管3的集电极连接，第三电阻R3的另一端与第三HBT晶体管3的基极连接，第三HBT晶体管3的发射极与参考地电位连接，第三HBT晶体管3的集电极一方面通过第八电阻R8与偏置电压Vreg连接，另一方面通过第四电阻R4与第四HBT晶体管4的基极连接,第四HBT晶体管4的发射极与参考地电位连接, 第四HBT晶体管4的集电极与第一级功率检测单元及第三级功率检测单元的输出端连接后，共同连接至整合单元的输入端。第五电容C5的一端与第三电阻R3连接，第五电容C5的另一端与第三HBT晶体管3的发射极连接。第六电容C6的一端与第四电阻R4连接，第六电容C6的另一端与第四HBT晶体管4的发射极连接。

在图3所示的实施例中，第三级功率检测单元Class 3包括第五HBT晶体管5和第六HBT晶体管6，以及第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9，以及第五电阻R5、第六电阻R6和第九电阻R9，其中第九电阻R9为热敏电阻。功率检测电路的信号输入端RFIN通过第一级功率检测单元的第一电容C1及第二级功率检测单元的第四电容C4与第三级功率检测单元的第七电容C7连接，第七电容C7的另一端与第五电阻R5及第五HBT晶体管5的集电极连接，第五电阻R5的另一端与第五HBT晶体管5的基极连接，第五HBT晶体管5的发射极与参考地电位连接，第五HBT晶体管5的集电极一方面通过第九电阻R9与偏置电压Vreg连接，另一方面通过第六电阻R6与第六HBT晶体管6的基极连接,第六HBT晶体管6的发射极与参考地电位连接,第六HBT晶体管6的集电极与第一级功率检测单元及第二级功率检测单元的输出端连接后，共同连接至整合单元的输入端。第八电容C8的一端与第五电阻R5连接，第八电容C8的另一端与第五HBT晶体管5的发射极连接，第九电容C9的一端与第六电阻R6连接，第九电容C9的另一端与第六HBT晶体管6的发射极连接。

在图3所示的实施例中，整合单元Sum包括第七HBT晶体管7、第十电容C10，以及第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13，其中第十电阻R10、第十一电阻R11、第十三电阻R13中的一个或多个为热敏电阻。第三级功率检测单元的输出端与整合单元Sum中的第七HBT晶体管7的基极连接，第七HBT晶体管7的集电极与偏置电压Vreg连接，第七HBT晶体管7的发射极一方面通过第十一电阻R11与参考地电位连接，另一方面通过第十二电阻R12与整合单元Sum的输出端Vout连接。第十电阻R10的两端分别与第七HBT晶体管7的基极和集电极连接，第十三电阻R13的一端与参考地电位连接，第十三电阻R13的另一端与输出端Vout连接。第十电容C10的一端与第七HBT晶体管7的发射极连接，第十电容C10的另一端与参考地电位连接。

下面，结合图3详细说明本发明所提供的功率检测电路实现温度补偿功能的工作原理：

V7e＝（Vreg-Vbe7）－（I2＋I4＋I6）*R10 （1）

I2≈（Vreg-Vbe1）/R7 （2）

I4≈（Vreg-Vbe3）/R8 （3）

I6≈（Vreg-Vbe5）/R9 （4）

其中，V7e为第七HBT晶体管7的发射极电压；Vreg为偏置电压；Vbe7为第七HBT晶体管7的基极与发射极之间的电压；Vbe1为第一HBT晶体管1的基极与发射极间的电压；Vbe3为第三HBT晶体管3的基极与发射极间的电压；Vbe5为第五HBT晶体管5的基极与发射极间的电压；I2、I4、I6分别为第一级功率检测单元Class 1、第二级功率检测单元Class 2、第三级功率检测单元Class 3的输出电流。

假设偏置电压Vreg为负温度系数，则温度降低，偏置电压Vreg增大。在此情况下，电阻R10采用负温度系数的热敏电阻，则电阻R10的电阻值会增大；同时电阻R7、电阻R8、电阻R9 采用正温度系数的热敏电阻，则电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻值均会减小，使I2、I4、I6增大。根据上述公式1、公式2、公式3及公式4可知，由于I2、I4、I6均增大，所以V7e会减小，则输出电压Vout也随之减小，实现温度补偿功能。

假设偏置电压Vreg为正温度系数，则温度降低，偏置电压Vreg减小。在此情况下，电阻R10采用正温度系数的热敏电阻，则电阻R10的电阻值会减小；同时电阻R7、电阻R8、电阻R9 采用负温度系数的热敏电阻，则电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻值均会增大，使I2、I4、I6减小。根据上述公式1、公式2、公式3及公式4可知，由于I2、I4、I6均减小，所以V7e会增大，则输出电压Vout也随之增大，实现温度补偿功能。

需要说明的是，在上述实施例中所选用的功率放大器为三级功率放大单元，相应的功率检测电路为三级功率检测单元。在功率检测电路中，电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11及电阻R13中的一个或多个为热敏电阻。在本发明的其它实施例中，根据温度条件和测试精度的要求不同，一方面，功率放大器中可以包含两级或多于两级的功率放大单元；相应的功率检测电路可以包含一级或多级的功率检测单元，上述公式1、公式2、公式3及公式4中的内容相应进行调整。例如：如图4（a）所示，即为包含两级功率检测单元的功率检测电路原理图，其中，第一级功率检测单元中的第二HBT晶体管的集电极作为本级功率检测单元的输出端，与第二级功率检测单元中的第二HBT晶体管的集电极并联后共同连接至整合单元的输入端。如图4（b）所示，即为包含四级功率检测单元的功率检测电路原理图，其中，第一级、第二级、第三级和第四级功率检测单元中的第二HBT晶体管的集电极分别作为本级功率检测单元的输出端，相互并联后共同连接至整合单元的输入端。 另一方面，在功率检测电路中，各级功率检测单元及整合单元中与偏置电压Vreg连接的电阻，以及整合单元中与参考地电位连接的电阻，其中可以全部或者部分为热敏电阻。

为了体现本发明实施例提供的功率检测电路及其射频前端模块的实际技术效果，发明人对其进行了实验测试。在其中一次实验中，功率放大器的偏置电压Vreg是负温度系数，在没有温度补偿功能的现有功率检测电路中，测得输入功率和输出电压的关系曲线如图5所示。其中，横坐标为功率检测电路的输入功率，纵坐标为功率检测电路的输出电压。从图5中可以看到，对于相同的输入功率，在不同温度条件下，功率检测电路输出的电压曲线不重合，导致不同温度下的输出电压不同。

在其它条件完全相同的另一次实验中，功率放大器的偏置电压Vreg是负温度系数，在本发明提供的带有温度补偿功能的功率检测电路中，测得输入功率和输出电压的关系曲线如图6所示。其中，横坐标为功率检测电路的输入功率，纵坐标为功率检测电路的输出电压。从图6中可以看到，对于相同的输入功率，在不同温度条件下，本发明实施例所提供的功率检测电路输出的电压曲线基本重合。对比图5和图6，可以看出本发明的技术效果非常明显。

本发明所提供的功率检测电路可以应用在多种射频前端模块中，该射频前端模块除了包括功率放大器、电源电路以及功率检测电路之外，还可以包括射频前端接收链路、射频前端发射链路等其它现有常规器件，在此就不赘述了。

另外，本发明所提供的功率检测电路还可以被用在电子设备中，作为通信组件的重要组成部分。这里所说的电子设备是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE、5G等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他通信组件应用的场合，例如通信基站等。

如图7所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器（SRAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、可编程只读存储器（PROM）、只读存储器（ROM）、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理（DSP）芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

通过实施例对本发明技术方案的具体描述可以看出，本发明所提供的带有温度补偿功能的功率检测电路采用单一输出电压的电源电路为两级或多级功率放大单元以及一级或多级功率检测单元提供工作所需的偏置电源的技术方案，解决了不同电路模块的偏置电压Vreg的温度系数要求不同，需要多个不同温度系数的偏置电压Vreg供电的技术问题。因此，本发明所提供的功率检测电路及其射频前端模块具有结构设计简单、生产成本降低，使用性能可靠等有益效果。

以上对本发明所提供的带有温度补偿功能的功率检测电路及其射频前端模块进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有温度补偿功能的功率检测电路，其特征在于包括至少一级功率检测单元和整合单元，所述整合单元的输入端连接所述功率检测单元的输出端；

所述功率检测单元中与偏置电压连接的电阻为热敏电阻，和/或所述整合单元中与参考地电位连接的电阻为热敏电阻。

2.如权利要求1所述的功率检测电路，其特征在于：

所述偏置电压为具有温度系数的电压。

3.如权利要求1或2所述的功率检测电路，其特征在于：

所述整合单元包括第七HBT晶体管、第十电容，以及第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻；其中，所述功率检测单元的输出端与第七HBT晶体管的基极连接，第七HBT晶体管的集电极与所述偏置电压连接，第七HBT晶体管的发射极一方面通过第十一电阻与参考地电位连接，另一方面通过第十二电阻与整合单元的输出端连接；第十电阻的两端分别与第七HBT晶体管的基极和集电极连接；第十三电阻的一端与参考地电位连接，另一端与输出端连接；第十电容的一端与第七HBT晶体管的发射极连接，另一端与参考地电位连接。

4.如权利要求3所述的功率检测电路，其特征在于：

所述整合单元中的第十电阻与所述偏置电压同时为正温度系数或负温度系数。

5.如权利要求4所述的功率检测电路，其特征在于在所述整合单元中，满足如下公式：

V7e＝（Vreg-Vbe7）－I*R10

其中，V7e为第七HBT晶体管的发射极电压，Vreg为偏置电压，Vbe7为第七HBT晶体管的基极与发射极之间的电压，R10为第十电阻的阻值，I为功率检测单元的输出电流。

6.如权利要求1所述的功率检测电路，其特征在于：

所述功率检测单元中，包括第一HBT晶体管和第二HBT晶体管，第一电容、第二电容和第三电容，以及第一电阻、第二电阻和第七电阻；所述功率检测电路的信号输入端与第一电容连接，第一电容的另一端与第一电阻及第一HBT晶体管的集电极连接，第一电阻的另一端与第一HBT晶体管的基极相连，第一HBT晶体管的发射极与参考地电位连接；第一HBT晶体管的集电极一方面通过第七电阻与偏置电压连接，另一方面通过第二电阻与第二HBT晶体管的基极连接；第二HBT晶体管的发射极与参考地电位连接，第二HBT晶体管的集电极连接所述整合单元的输入端；第二电容的一端与第一电阻连接，另一端与第一HBT晶体管的发射极连接；第三电容的一端与第二电阻连接，另一端与第二HBT晶体管的发射极连接。

7.如权利要求6所述的功率检测电路，其特征在于：

所述功率检测单元中与偏置电压连接的第七电阻为正温度系数时，所述偏置电压为负温度系数；或者，所述功率检测单元中与偏置电压连接的第七电阻为负温度系数时，所述偏置电压为正温度系数。

8.如权利要求6所述的功率检测电路，其特征在于：

所述功率检测单元为至少两级时，每一级功率检测单元中的第二HBT晶体管的集电极作为该级功率检测单元的输出端，共同连接至所述整合单元的输入端。

9.一种射频前端模块，其特征在于所述射频前端模块中包括有权利要求1～8中任意一项所述的功率检测电路。

10.一种电子设备，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述的功率检测电路。

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