CN116015225A - Pa功率保护功能电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PA功率保护功能电路及装置，包括：过流保护模块和运算放大器模块，所述运算放大器模块用于外接PA，并向PA集电极供电；所述过流保护模块与运算放大器模块电连接，过流保护模块监控PA的负载电流；当PA的负载电流超过阈值时，所述运算放大器模块向过流保护模块输出过载信号，所述过流保护模块限制运算放大器模块对PA的输出电流。当PA功率管由于天线端电压驻波比失配或低温等出现异常大负载电流时，通过过流保护模块直接牵制PA的输出电流和功率，更加简单、直接、高效地保护了电路及PA。

Description

PA功率保护功能电路及装置

技术领域

本发明涉及电子电路的技术领域，具体地，涉及一种PA功率保护功能电路及装置。

背景技术

功率放大器PA在工作时集电极会产生较大的电压和电流摆幅，在一些情况下会发生晶体管过压，这会导致集电极电流瞬间增大，从而发生PA内部功率管烧毁。现有技术一般是通过控制功率放大器基极参考电流来间接控制集电极电流来保护PA正常工作，然而这种方法存在非常大的局限性，其局限性在于功率管的静态电流放大倍数会随温度和电流发生波动，致使间接控制方式存在一定误差，最终无法有效保护PA。

因此，需要一种功率放大器保护电路来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种PA功率保护功能电路及装置。

根据本发明提供的一种PA功率保护功能电路，包括：过流保护模块和运算放大器模块，所述运算放大器模块用于外接PA，并向PA集电极供电；所述过流保护模块与运算放大器模块电连接，过流保护模块监控PA的负载电流；当PA的负载电流超过阈值时，所述运算放大器模块向过流保护模块输出过载信号，所述过流保护模块限制运算放大器模块对PA的输出电流。

优选地，所述过流保护模块包括第一支路、第二支路、第三支路、第四支路以及第五支路；

所述第一支路与第二支路电连接，向第二支路输出偏置电压，所述第二支路与第三支路电连接，向第三支路输出偏置电压，所述第三支路分别与第四支路和第五支路电连接，所述第四支路与运算放大器模块电连接，监控负载电流，所述第五支路与运算放大器模块电连接，限制运算放大器模块对PA的输出电流。

优选地，所述第一支路包括电流源I3和MOS管M1；所述电流源I3的一端连接VDD，另一端连接MOS管M1的漏极；所述MOS管M1的源极和衬底接地，MOS管M1的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibn。

优选地，所述第二支路包括串联设置的MOS管M3和MOS管M4；所述MOS管M4的源极和衬底连接VDD，所述MOS管M4的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibp；所述MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极电连接，所述MOS管M3的源极和衬底接地，MOS管M3的栅极与第一支路中MOS管M1的栅极电连接形成电流镜。

优选地，所述第三支路包括串联的MOS管M5和MOS管M6；所述MOS管M6的源极和衬底连接Vdd，MOS管M6的栅极与MOS管M4的栅极电连接构成电流镜，MOS管M6的漏极与MOS管M5的漏极以及第五支路电连接；所述MOS管M5的源极和衬底接地，MOS管M5的栅极与第四支路电连接。

优选地，所述第四支路包括串联的MOS管M7和MOS管M8；所述MOS管M8的源极和衬底连接Vdd，MOS管M8的栅极与运算放大器模块电连接，用于监控PA的负载电流，MOS管M8的漏极与MOS管M7的漏极电连接，所述MOS管M7的栅极与MOS管M7漏极电连接并与MOS管M5的栅极电连接形成电流镜，所述MOS管M7的源极和衬底接地。

优选地，所述第五支路包括MOS管M11，所述MOS管M11的源极和衬底电连接Vdd，所述MOS管M11的栅极与MOS管M6的漏极以及MOS管M5的漏极电连接，所述MOS管M11的漏极与运算放大器模块电连接，限制运算放大器模块对PA的输出电流。

优选地，还包括MOS管M9、MOS管M10和MOS管M12；

所述MOS管M10的源极与MOS管M8的漏极电连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M7的漏极电连接，MOS管M10衬底连接Vdd，MOS管M10栅极与MOS管M12的栅极电连接；所述MOS管M12的栅极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M12的衬底连接Vdd，MOS管M12源极连接放大器模块中PA的供电电压；MOS管M9的漏极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M9的衬底接地，MOS管M9的栅极连接偏置电压ibn，MOS管M9的源极接地。

优选地，所述运算放大器模块包括运算放大器、电流源I1、电流源I2、MOS管M0、MOS管M2，电阻R0和电阻R1；

所述运算放大器的正电源端、电流镜I1的一端以及MOS管M0的源极电连接Vdd，运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正向输入端与参考电压源Vramp电连接，运算放大器的输出端与MOS管M2的栅极电连接，MOS管M2的源极与电流源I1的另一端以及MOS管M0的栅极电连接，MOS管M2的漏极接地；所述MOS管M0的漏极分别连接电流源I2的一端和电阻R0的一端，电流源I2的另一端用于连接PA，电阻R0的另一端电连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，所述运算放大器的负向输入端与电阻R1的一端电连接，所述MOS管M2的衬底和所述MOS管M0的衬底电连接Vdd；

所述MOS管M2的栅极与MOS管M11的漏极电连接，所述MOS管M0的栅极与MOS管M8的栅极电连接形成电流镜。

根据本发明提供的一种PA功率保护功能装置，包括PA功率保护功能电路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

当PA功率管由于天线端电压驻波比失配或低温等出现异常大负载电流时，通过过流保护模块直接牵制PA的输出电流和功率，更加简单、直接、高效地保护了电路及PA。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明功能电路中过流保护模块电路结构图；

图2为本发明功能电路中运算放大器模块电路结构图；

图3为本发明功能电路中V1节点电压变化图；

图4为本发明功能电路中V3节点电压变化图；

图5为本发明功能电路中功率放大器PA的负载电压Vload的变化图；

图6为本发明功能电路中功率放大器PA的负载电流Iload的变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种PA功率保护功能电路，包括：过流保护模块和运算放大器模块，所述运算放大器模块用于外接PA，并向PA集电极供电；所述过流保护模块与运算放大器模块电连接，过流保护模块监控PA的负载电流；当所述运算放大器模块向过流保护模块输出过载信号，PA的负载电流超过阈值时，所述过流保护模块限制运算放大器模块对PA的输出电流。当PA负载电流处于正常值时，过流保护模块不开启，PA正常工作。

参照图1所示，过流保护模块包括并联设置的第一支路、第二支路、第三支路、第四支路以及第五支路。图中，M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12为MOS晶体管。I1、I3为Imirror(即外界参考电流)，I2为运算放大器模块为PA集电极提供的负载电流，Vload为负载电压，ibn、ibp为偏置电压，Vramp为参考电压，Vdd为外部供电电压，R0和R1为电阻，gnd为接地。

第一支路包括电流源I3和MOS管M1，所述电流源I3的一端连接VDD，另一端连接MOS管M1的漏极，所述MOS管M1的源极和衬底接地，MOS管M1的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibn。

第二支路包括串联设置的MOS管M3和MOS管M4，所述MOS管M4的源极和衬底连接VDD，所述MOS管M4的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibp，所述MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极电连接，所述MOS管M3的源极和衬底接地，MOS管M3的栅极与第一支路中MOS管M1的栅极电连接形成电流镜。

第三支路包括串联的MOS管M5和MOS管M6，所述MOS管M6的源极和衬底连接Vdd，MOS管M6的栅极与MOS管M4的栅极电连接构成电流镜，MOS管M6的漏极与MOS管M5的漏极以及第五支路电连接，MOS管M5的源极和衬底接地，MOS管M5的栅极与第四支路电连接。

第四支路包括串联的MOS管M7和MOS管M8，所述MOS管M8的源极和衬底连接Vdd，MOS管M8的栅极与运算放大器模块电连接，用于监控PA的负载电流，MOS管M8的漏极与MOS管M7的漏极电连接，所述MOS管M7的栅极与MOS管M7漏极电连接并与MOS管M5的栅极电连接形成电流镜，所述MOS管M7的源极和衬底接地。

第五支路包括MOS管M11，所述MOS管M11的源极和衬底电连接Vdd，所述MOS管M11的栅极与MOS管M6的漏极以及MOS管M5的漏极电连接，所述MOS管M11的漏极与运算放大器模块电连接，限制运算放大器模块对PA的输出电流。

在一种实施例中，过流保护模块还包括MOS管M9、MOS管M10和MOS管M12；该部分电路主要用于抑制沟道长度调制效应，以保证过流保护模块和运算放大器模块镜像电流的精确度。具体的包括：

所述MOS管M10的源极与MOS管M8的漏极电连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M7的漏极电连接，MOS管M10衬底连接Vdd，MOS管M10栅极与MOS管M12的栅极电连接，所述MOS管M12的栅极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M12的衬底连接Vdd，MOS管M12源极连接放大器模块中PA的负载电压Vload，MOS管M9的漏极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M9的衬底接地，MOS管M9的栅极连接偏置电压ibn，MOS管M9的源极接地。

参照图2所示，运算放大器模块包括运算放大器、电流源I1、电流源I2、MOS管M0、MOS管M2，电阻R0和电阻R1。

所述运算放大器的正电源端、电流镜I1的一端以及MOS管M0的源极电连接Vdd，运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正向输入端与参考电压源Vramp电连接，运算放大器的输出端与MOS管M2的栅极电连接，M MOS管M2的源极与电流源I1的另一端以及MOS管M0的栅极电连接，MOS管M2的漏极接地；所述MOS管M0的漏极分别连接电流源I2的一端和电阻R0的一端，电流源I2的另一端用于连接PA，电阻R0的另一端电连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，所述运算放大器的负向输入端与电阻R1的一端电连接，所述MOS管M2的衬底和所述MOS管M0的衬底电连接Vdd；

所述MOS管M2的栅极与MOS管M11的漏极电连接，如图1中的V1和图2中的V1电连接，所述MOS管M0的栅极与MOS管M8的栅极电连接形成电流镜，如图1中的V2和图2中的V2电连接。

工作原理：

本发明的功能电路存在两种工作状态：PA正常工作状态；PA非正常工作状态，该状态主要由天线端电压驻波比失配、低温、异常大电流等因素引发。接下来，对PA两种工作状态下功能电路的工作过程作进一步说明。

PA正常工作状态，此时Iload未超过限定值。因过流保护模块中MOS管M8栅极与运算放大器模块中MOS管M0栅极通过V2节点电连接，故通过MOS管M0的电流可由V2节点比例镜像至过流保护模块中MOS管M8所在的第四支路。进一步在过流保护模块中，第四支路的电流通过MOS管M5和MOS管M7组成的电流镜像至第三支路，使MOS管M5处于饱和工作区域，且具有小电流I4流经MOS管M6漏极。与此同时，参考电流I3通过MOS管M3镜像至第二支路，再通过MOS管M4镜像至MOS管M6使MOS管M6具有饱和电流I5。因为前述流经MOS管M6漏极为小电流I4且小于I5，故MOS管M6处于线性工作区，进而MOS管M11栅极处V3节点电压接近MOS管M11源极处电压Vdd使得MOS管M11处于截止区。最终，MOS管M11不导通使过流保护模块不影响运算放大器模块，此时则由运算放大器模块中Vramp调整Vload来控制PA功率输出，PA继续正常工作。

PA非正常工作状态时，此时Iload超过设定值并具有大的负载电流。通过MOS管M0的大电流由V2节点镜像至过流保护模块中MOS管M8所在的第四支路，第二支路的大电流通过MOS管M5和MOS管M7组成的电流镜镜像至第三支路，大电流使得MOS管M5处于线性工作区。与此同时，参考电流I3通过MOS管M3镜像至第二支路，再通过MOS管M4镜像至MOS管M6栅极使MOS管M6具有饱和电流I5。因流经MOS管M6漏极为大电流且超过I5，故V3节点电压瞬间被拉低，经短暂波动后达到平稳状态，此时MOS管M5、MOS管M6都处于饱和工作区，进而固定V1节点电压。又因为过流保护模块V1节点与运算放大器模块V1节点电连接，因此MOS管M2栅极电压固定，再加上参考电流I1不变使得V2节点电压固定。最终，MOS管M2栅极和漏极形成固定压差，将Iload固定在限定值，同时将Vload拉低，保护PA不受损坏，提升ruggedness表现。

参照图3-图6所示，在天线端电压驻波比失配、低温等出现异常大电流情况下，限流保护模块开启限流，保护PA功率管不受损坏，提升ruggedness表现；正常情况下则不影响PA工作。如下图非正常工作状态下V1和V3节点电压大致在44us后固定，以及Vload大致在43us后拉低，Iload大致在43us后固定在限定值，体现功能电路对PA的保护效果以及提升ruggedness表现。

本发明还公开了一种PA功率保护功能装置，该装置包括上述的PA功率保护功能电路。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种PA功率保护功能电路，其特征在于，包括：过流保护模块和运算放大器模块，所述运算放大器模块用于外接PA，并向PA集电极供电；所述过流保护模块与运算放大器模块电连接，过流保护模块监控PA的负载电流；当PA的负载电流超过阈值时，所述运算放大器模块向过流保护模块输出过载信号，所述过流保护模块限制运算放大器模块对PA的输出电流。

2.根据权利要求1所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述过流保护模块包括第一支路、第二支路、第三支路、第四支路以及第五支路；

所述第一支路与第二支路电连接，向第二支路输出偏置电压，所述第二支路与第三支路电连接，向第三支路输出偏置电压，所述第三支路分别与第四支路和第五支路电连接，所述第四支路与运算放大器模块电连接，监控负载电流，所述第五支路与运算放大器模块电连接，限制运算放大器模块对PA的输出电流。

3.根据权利要求2所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述第一支路包括电流源I3和MOS管M1；所述电流源I3的一端连接VDD，另一端连接MOS管M1的漏极；所述MOS管M1的源极和衬底接地，MOS管M1的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibn。

4.根据权利要求3所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述第二支路包括串联设置的MOS管M3和MOS管M4；所述MOS管M4的源极和衬底连接VDD，所述MOS管M4的栅极和漏极电连接提供偏置电压ibp；所述MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极电连接，所述MOS管M3的源极和衬底接地，MOS管M3的栅极与第一支路中MOS管M1的栅极电连接形成电流镜。

5.根据权利要求4所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述第三支路包括串联的MOS管M5和MOS管M6；所述MOS管M6的源极和衬底连接Vdd，MOS管M6的栅极与MOS管M4的栅极电连接构成电流镜，MOS管M6的漏极与MOS管M5的漏极以及第五支路电连接；所述MOS管M5的源极和衬底接地，MOS管M5的栅极与第四支路电连接。

6.根据权利要求5所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述第四支路包括串联的MOS管M7和MOS管M8；所述MOS管M8的源极和衬底连接Vdd，MOS管M8的栅极与运算放大器模块电连接，用于监控PA的负载电流，MOS管M8的漏极与MOS管M7的漏极电连接，所述MOS管M7的栅极与MOS管M7漏极电连接并与MOS管M5的栅极电连接形成电流镜，所述MOS管M7的源极和衬底接地。

7.根据权利要求6所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述第五支路包括MOS管M11，所述MOS管M11的源极和衬底电连接Vdd，所述MOS管M11的栅极与MOS管M6的漏极以及MOS管M5的漏极电连接，所述MOS管M11的漏极与运算放大器模块电连接，限制运算放大器模块对PA的输出电流。

8.根据权利要求1-7任一项所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，还包括MOS管M9、MOS管M10和MOS管M12；

所述MOS管M10的源极与MOS管M8的漏极电连接，所述MOS管M10的漏极与MOS管M7的漏极电连接，MOS管M10衬底连接Vdd，MOS管M10栅极与MOS管M12的栅极电连接；所述MOS管M12的栅极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M12的衬底连接Vdd，MOS管M12源极连接放大器模块中PA的供电电压；MOS管M9的漏极与MOS管M12的漏极电连接，MOS管M9的衬底接地，MOS管M9的栅极连接偏置电压ibn，MOS管M9的源极接地。

9.根据权利要求1所述的PA功率保护功能电路，其特征在于，所述运算放大器模块包括运算放大器、电流源I1、电流源I2、MOS管M0、MOS管M2，电阻R0和电阻R1；

所述运算放大器的正电源端、电流镜I1的一端以及MOS管M0的源极电连接Vdd，运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正向输入端与参考电压源Vramp电连接，运算放大器的输出端与MOS管M2的栅极电连接，MOS管M2的源极与电流源I1的另一端以及MOS管M0的栅极电连接，MOS管M2的漏极接地；所述MOS管M0的漏极分别连接电流源I2的一端和电阻R0的一端，电流源I2的另一端用于连接PA，电阻R0的另一端电连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，所述运算放大器的负向输入端与电阻R1的一端电连接，所述MOS管M2的衬底和所述MOS管M0的衬底电连接Vdd；

所述MOS管M2的栅极与MOS管M11的漏极电连接，所述MOS管M0的栅极与MOS管M8的栅极电连接形成电流镜。

10.一种PA功率保护功能装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的PA功率保护功能电路。

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