CN115136490A - 射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

根据一个方面，提出了一种包括功率放大器的集成电路，该功率放大器包括：至少两个放大器级(DS，PS)的系列，包括第一放大器级(DS)和最后放大器级(PS)，第一放大器级(DS)被配置为接收射频信号作为输入，最后放大器级(PS)被配置为传送放大的射频信号作为输出；安全电路，包括：控制部件(CM)，被配置为将放大的射频信号(RFAMP)的电压与阈值电压(VTH)进行比较，增益降低部件(GRM)，被配置为当放大的射频信号(RFAMP)的电压大于阈值电压(VTH)时，降低最后放大器级(PS)的上游放大器级(DS)的偏置电压。

Description

射频功率放大器

实施例和实施方式涉及射频功率放大器，特别是具有多个放大器级的功率放大器。

射频功率放大器通常用于在将射频信号传送到无线电天线之前对其进行放大。

多级功率放大器通常用于在到达功率放大器的输入的信号与功率放大器的输出处的信号之间获得高增益。特别地，多级功率放大器可以包括驱动器级和功率级。

最后放大器级，特别是功率级，包括连接到射频天线的输出。

多级放大器可用于物联网(也被缩写为IOT)的设备中。

每个放大器级可以是CMOS放大器(“互补金属氧化物半导体”的缩写)。

无线电天线具有阻抗，阻抗可根据无线电天线放置的环境而变化。特别是，在一些环境中，特别是当无线电天线位于金属元件附近时，其阻抗可能变化，使得天线不再相对于功率放大器适用。换句话说，天线具有很高的驻波比。

相对于天线的标称工作，阻抗的这些变化会导致功率放大器的输出处的过电压。

然而，功率放大器的最后放大器级并不总是被配置为经受这种过电压。特别地，最后放大器级可以包括具有低于这些过电压的安全工作范围的晶体管。因此，过电压会损坏功率放大器的最后放大器级。

为了解决这个缺点，一些功率放大器的最后放大器级包括专用的高压组件，例如具有厚氧化物的LDMOS晶体管或MOS晶体管。这种专用高压元件特别具有大于15V的击穿电压。然而，这样的高频组件在高频下效率较低，并且其制造更昂贵。也有GaAs晶体管等高效晶体管，但这些高效晶体管的制造成本较高。

可选地，可以增加最后放大器级的级联晶体管的数目。这种解决方案的缺点是增加了最后放大器级所需的空间。

此外，可以实现限幅，允许限制最后放大器级的输出处的过电压。然而，这种解决方案可能会降低放大器的性能。

因此，需要提出一种功率放大器，该功率放大器被保护以防止在其最后放大器级的输出处可能出现的过电压，并且具有良好的性能，同时价格低廉。

根据一个方面，提出了一种包括功率放大器的集成电路，该功率放大器包括：

至少两个放大器级的系列，包括第一放大器级和最后放大器级，第一放大器级被配置为接收射频信号作为输入，最后放大器级被配置为传送放大的射频信号作为输出，

安全电路，包括：

控制部件，被配置为将放大的射频信号的电压与阈值电压进行比较，

增益降低部件，被配置为当放大的射频信号的电压大于阈值电压时，降低最后放大器级上游的放大器级的偏置电压。

放大器级允许放大由第一级接收的射频信号。

最后一级的输出处的电压可以等于最后放大器级的漏极处的直流电压与放大的射频信号的电压摆幅之和。

只有最后放大器级才能连接到无线电天线上。因此，只有最后放大器级应该被保护免受过电压的影响。

控制部件被配置为测量在最后放大器级的输出处的放大的射频信号，然后将该放大的射频信号与阈值电压进行比较。

控制部件允许通过将最后放大器级的输出处的放大信号的电压与阈值电压进行比较，来控制该最后放大器级的输出处的放大信号的电压。

此外，当最后放大器级的输出处的电压超过阈值电压时，增益降低部件允许降低最后放大器级上游的放大器级的增益。

特别地，当功率放大器仅包括两个放大器级时，增益降低部件允许降低第一放大器级的增益。然而，当功率放大器包括两个以上的放大器级时，增益降低部件可以允许降低第一放大器级的增益，或者降低第一放大器级和最后放大器级之间的中间放大器级的增益。

优选地，阈值电压被选择为小于可能损坏最后放大器级的最小电压。

通过降低上游放大器级的增益，也减小了放大的射频信号的电压摆幅。因此，通过降低上游放大器级的增益，放大的射频信号的最大电压降低到低于阈值电压。

这允许将放大的射频信号的电压维持在可能损坏最后放大器级的电压以下。

因此，安全电路允许保护最后放大器级。

此外，安全电路不会干扰功率放大器的性能。实际上，增益降低部件在天线的标称工作期间不介入。

此外，不是降低最后放大器级的增益，而是降低最后放大器级上游的级的增益，这一事实允许获得快速的放大信号电压降低。

安全电路允许使用简单和廉价的放大器级。

此外，这种安全电路的制造成本也不高。

在有利的实施例中，控制部件包括阈值电压发生器。

有利地，阈值电压发生器包括电流源和电阻器。优选地，该电流源和/或该电阻器是可修改的，以便能够调整阈值电压。

优选地，控制部件还包括：

整流器，被配置为整流放大的射频信号的电压，

比较器，被配置为将放大的射频信号的整流电压与阈值电压进行比较，并在放大的射频信号的整流电压大于阈值电压时生成信号作为输出，

滤波器，被配置为从比较器的输出处的信号中去除射频。

在有利的实施例中，增益降低部件被配置为通过降低该放大器级的偏置电压来降低上游放大器级的增益。

优选地，增益降低部件包括放大部件，放大部件被配置为放大控制部件的滤波器的输出处的信号，并将放大信号传送到上游放大器级的输入，以便降低上游放大器级的输入晶体管的栅极电压。

在有利的实施例中，功率放大器仅包括两个放大器级，第一放大器级是驱动器级，最后放大器级是功率级，增益降低部件被配置为当放大的射频信号的电压大于阈值电压时降低驱动器级的偏置电压。

可选地，功率放大器可以例如包括三个放大器级。第一放大器级可以是预驱动器级，第二放大器级可以是驱动器级，第三级可以是功率级。在这种情况下，增益降低部件可以被配置为降低预驱动器级的增益或驱动器级的增益。

根据另一方面，提出了一种包括以下的物体：

无线电天线，

如前所述的集成电路，功率放大器连接到无线电天线，以便能够从该功率放大器的输入处接收的射频信号中向无线电天线传送放大的射频信号。

本发明的其他优点和特征将在审阅实施例和实施方式以及附图的详细描述时显现出来，这些实施例和实施方式绝不是限制性的，其中：

[图1]

[图2]示意性地示出了本发明的实施例和实施方式。

图1示出了根据本发明的实施例的集成电路。

集成电路包括功率放大器AMP。功率放大器AMP被配置为放大在输入DSIN处接收的射频RF信号，并在输出PSOUT处传送放大的射频信号。该放大的射频信号能够被传送到无线电天线(未示出)。

这种功率放大器AMP尤其可以集成到包括无线电天线的物体中，特别是以便能够在物联网的框架内使用。

在所表示的实施例中，功率放大器AMP包括两个放大器级DS、PS。第一放大器级是驱动器级DS。第二放大器是功率级PS。

第一放大器级(驱动器级DS)被放置在第二放大器级(功率级PS)的上游。

特别地，驱动器级DS被配置为接收射频信号RF作为输入DSIN，功率级PS被配置为传送放大的射频信号RFAMP。

驱动器级DS和功率级PS各包括两个级联晶体管，以放大它们作为输入而接收的信号。

驱动器级DS被配置为接收该驱动器级的输入晶体管的栅极上的偏置电压。

在标称操作中，偏置电压由直流电压源VGDS0和电阻器R1定义。电阻R1可以在1kΩ范围内。

功率放大器AMP还包括安全电路SFTC。安全电路SFTC包括控制部件CM和增益降低部件GRM。

这些部件CM、GRM被配置为根据功率级PS的输出PSOUT处的放大的射频信号RFAMP的电压来调节功率放大器AMP的增益。

具体地，控制部件CM被配置为检测放大的射频信号RFAMP的过电压。

控制部件CM包括整流器RDS，整流器RDS被配置为接收放大的射频信号RFAMP并从该放大的射频信号RFAMP传送直接信号。

控制部件CM还包括阈值电压发生器GVTH。阈值电压发生器GVTH被配置为能够生成阈值电压VTH。

特别地，阈值电压发生器GVTH包括串联的电流源SCG和电阻器R0。具体地，电阻器R0具有连接到电流源的第一端子和连接到地GND的第二端子。如图2所示，第二晶体管T0的栅极连接到电流源SCG和电阻器R0的第一端子，以便接收阈值电压VTH。

特别地，电流源被配置为传送等于Vbg/Rbg的电流，其中Vbg和Rbg是电流源的电压和电阻参数。因此，第二晶体管的栅极可接收的阈值电压VTH等于Vbg/Rbg*R0。

优选地，可以使用允许设置由电流源SCG传送的电流和/或电阻R0的值的数模转换器DAC来调节阈值电压VTH。

在图1所示的实施例中，数模转换器DAC允许设置电流源SCG传送的电流。

特别地，阈值电压被选择为小于功率级PS的输出PSOUT处的电压，这会损害后者。例如，阈值电压可以在伏特范围内。

此外，控制部件CM还包括比较器COMP，其被配置为将从放大的射频信号导出的直接信号与阈值电压VTH进行比较。

如图2所示，比较器可以由两个晶体管T1、T0，特别是NMOS晶体管制成。晶体管T1、T0各自具有连接到另一晶体管的源极的源极。

第一晶体管T1具有配置为接收放大的射频信号RFAMP的栅极。

更具体地，可以在第一晶体管T1的栅极上游提供电容分压器DCP，以便降低放大的射频信号RFAMP的电压，以便使其适应第一晶体管T1。该电容分压器DCP包括两个串联的电容Ct、Cb。

第一电容器Ct具有连接到功率级DS的输出，特别是连接到功率级的输出晶体管的漏极的第一端子。因此，该第一电容器Ct被配置为从功率级的输出接收电压VDRAIN。

第一电容器Ct还具有连接到电容分压器DCP的第二电容器Cb的第一端子的第二端子。

第二电容器Cb具有连接到地GND的第二端子。

第一晶体管T1的栅极连接到电容器Ct的第二端子和电容器Cb的第一端子。

此外，电阻器Rb具有第一端子，该第一端子连接到第一晶体管的栅极、电容器Ct的第二端子和电容器Cb的第一端子。

此外，比较器的第二晶体管T0具有被配置为接收阈值电压VTH的栅极。

此外，第一晶体管T1的源极和第二晶体管T0的源极连接到并联安装的电流源SC0和电容器CP0。

例如，电流源SC0可以传送10μA范围内的电流。

电容器CP0可以具有几皮法范围内的电容。

此外，第二晶体管T0具有连接到电压源VDD的漏极，第一晶体管T1具有形成比较器的输出的漏极。

因此，当由第一晶体管的栅极接收的放大的射频信号RFAMP的分压大于阈值电压VTH时，电流I1通过第一晶体管T1。

因此，该电流I1允许指示射频信号RFAMP的电压过高。

为了从电流I1中消除某些频率，控制部件CM包括滤波器FT，如图1所示。因此，滤波器FT连接到比较器COMP的输出。该滤波器FT可以使用电容器CFT制成，电容器CFT具有连接到比较器COMP的第一晶体管T1的漏极的第一端子和连接到地GND的第二端子。

此外，增益降低部件GRM包括用于放大由滤波器传送的电流I1的部件AM。

这些放大部件AM包括两个电流镜CM1、CM2。第一电流镜CM1包括两个PMOS晶体管T2和T3。

特别地，晶体管T2具有连接到滤波器输出FT的漏极，即连接到电容器CFT的第一端子。晶体管T2还具有连接到晶体管T3的栅极和晶体管T2的漏极的栅极。晶体管T2和晶体管T3各自具有连接到电压源VDD的源极。

第二电流镜CM2包括两个NMOS晶体管T4和T5。

特别地，晶体管T4具有连接到晶体管T3的漏极的漏极和连接到地GND的源极。晶体管T4具有连接到晶体管T5的栅极和晶体管T4的漏极的栅极。

晶体管T5具有连接到驱动器级的输入晶体管的栅极的漏极和连接到地的源极。

因此，晶体管T5的漏极连接到电阻器R1的第一端子。

两个电流镜CM1、CM2允许将滤波器的输出处的电流乘以晶体管T2、T3之间以及晶体管T4和T5之间的比值。

因此，这两个电流镜CM1、CM2允许在晶体管T5的漏极处产生电流IVGDS。该电流IVGDS允许降低驱动器级的输入晶体管的栅极的偏置电压。该电流IVGDS将与离开滤波器的电流I1成比例，并且其比值k等于晶体管T2、T3之间以及晶体管T4和T5之间的比值的乘积。

通过电阻器R1的电流IVGDS提供等于(-k*I1*R1)的压降。

因此，等于(VGDS0-k*I1*R1)的驱动器级的栅极电压被降低。

这允许降低该驱动器级的增益。驱动器级的增益的减小允许减小放大的射频信号的电压摆幅。因此，当放大的射频信号的电压被充分降低时，在比较器处(即在第一晶体管T1的栅极处)的放大的射频信号的电压变得低于阈值电压VTH。因此，不再产生电流I1，使得偏置电流是由电压源VGDS0和电阻器R1定义的偏置电流。

因此，安全电路允许将放大的射频信号的电压限制在可能损坏功率级的电压以下。

此外，提供包括晶体管T2和晶体管T6的电流镜CM3，以产生相对于电流IVGDS的相反电流IVGDS_N。

晶体管T6是PMOS晶体管。该晶体管T6具有栅极和漏极，该栅极连接到晶体管T2的栅极；该漏极连接到电阻器R1的第二端子并且连接到电压源VGDS0的电压源。晶体管T6还具有连接到电压源VDD的源极。

因此，在晶体管的漏极处产生相反的电流IVGDS_N，并在电压源VGDS0的输出处传送。以这种方式，电流VGDS0将始终接近0mA，而电压源VGDS0没有任何扰动。

如前所述，安全电路SFTC允许保护最后放大器级。

此外，安全电路SFTC不会干扰功率放大器的性能。实际上，增益降低部件在天线的标称操作期间不介入。

此外，不是降低最后放大器级的增益，而是降低最后放大器级上游的级的增益，允许获得快速的放大信号电压降低。

安全电路允许使用简单和廉价的放大器级。此外，这种安全电路的制造成本也不高。

Claims (8)

1.一种集成电路，包括功率放大器，所述功率放大器包括：

至少两个放大器级(DS，PS)的系列，包括第一放大器级(DS)和最后放大器级(PS)，所述第一放大器级(DS)被配置为接收射频信号作为输入，所述最后放大器级(PS)被配置为传送放大的射频信号作为输出，

安全电路，包括：

控制部件(CM)，被配置为将所述放大的射频信号(RFAMP)的电压与阈值电压(VTH)进行比较，

增益降低部件(GRM)，被配置为当所述放大的射频信号(RFAMP)的电压大于所述阈值电压(VTH)时，降低所述最后放大器级(PS)的上游放大器级(DS)的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制部件(CM)包括阈值电压发生器(GVTH)。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述阈值电压发生器(GVTH)包括电流源(SCG)和电阻器(R0)，所述电流源(SCG)和/或所述电阻器(R0)是能够修改的，以便能够调整所述阈值电压。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的集成电路，其中所述控制部件(CM)还包括：

整流器(RDS)，被配置为整流所述放大的射频信号的电压，

比较器(COMP)，被配置为将所述放大的射频信号(RFAMP)的整流电压与所述阈值电压(VTH)进行比较，并在所述放大的射频信号的所述整流电压大于所述阈值电压时生成信号作为输出，

滤波器(FT)，被配置为从所述比较器的所述输出处的所述信号中移除射频。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成电路，其中所述增益降低部件(GRM)被配置为通过减小所述放大器级的所述偏置电压来降低所述上游放大器级的增益。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的集成电路，其中所述增益降低部件包括放大部件(AM)，所述放大部件(AM)被配置为放大在所述控制部件(CM)的所述滤波器(FT)的所述输出处的所述信号，并将这个放大的信号传送到所述上游放大器级的输入，以便降低所述上游放大器级的输入晶体管的栅极电压。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的集成电路，其中所述功率放大器仅包括两个放大器级，所述第一放大器级是驱动器级(DS)，并且所述最后放大器级是功率级(PS)，所述增益降低部件被配置为当所述放大的射频信号(RFAMP)的电压大于所述阈值电压(VTH)时，降低所述驱动器级(DS)的偏置电压。

8.一种物体，包括：

无线电天线，

根据权利要求1至7中任一项所述的集成电路，所述功率放大器被连接到所述无线电天线，以便能够从在所述功率放大器的所述输入处接收的射频信号中向所述无线电天线传送放大的射频信号。

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