CN117200717A - 功率放大器及其devm改善电路、相应wifi系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频放大器技术领域，具体公开了一种功率放大器及其DEVM改善电路、相应WIFI系统。功率放大器DEVM改善电路，由依次串接的瞬态电流控制电路、瞬态电流抽取电路、参考偏置产生电路和比例放大电路组成。功率放大器包含上述功率放大器DEVM改善电路和放大级电路，WIFI系统包含上述功率放大器。本发明基于提高功率放大器初始工作状态工作电流的思想，提出一种瞬态过冲电压产生电路，采用电流抽取的方式，使功率放大器偏置电压在放大器切入工作的初始状态瞬间增大，并缓慢下降，以提高放大器初始增益，补偿初始阶段输出功率，改善功率放大器DEVM。本发明适用于改善WiFi射频前端模块中功率放大器DEVM。

Description

功率放大器及其DEVM改善电路、相应WIFI系统

技术领域

本发明属于射频放大器技术领域，涉及一种功率放大器及其DEVM改善电路、相应WIFI系统。

背景技术

WiFi射频前端模块是WiFi收发系统中的重要模块之一，WiFi射频前端模块主要包括功率放大器、低噪声放大器和开关电路。为了降低通信误码率，WiFi系统对功率放大器提出了极高的线性度要求，而动态矢量幅度误差(DEVM)是WiFi功率放大器中体现线性度的一个非常关键的指标。

WiFi系统在实际工作时，为了节省功耗，功率放大器工作在时分双工(TDD)状态，即工作在固定占空比的周期性开关状态。功率放大器动态切换产生的瞬态电热效应，使放大器在切入的初始状态出现功率缓慢爬升现象，如图1所示。此现象会导致放大器DEVM严重恶化。因此，对功率放大器初始阶段输出功率进行补偿，在放大器动态工作时段内维持固定的输出功率至关重要。

如何补偿功率放大器动态工作时初始阶段功率值，使放大器动态工作时段内维持固定的输出功率一直是研究热点。申请公布号为CN113162557A的中国发明专利申请公开了用于功率放大器的DEVM补偿电路、功率放大器，其在功率放大器工作初始态，输入端通过射频开关注入瞬态额外功率，以补偿初始阶段输出功率，但其增加了输入匹配电路设计的难度。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种功率放大器DEVM改善电路，以提高放大器初始增益，补偿初始阶段输出功率，改善放大器功率与时间关系曲线初始阶段缓慢爬升的现象；

本发明的第二个目的，是要提供包含上述功率放大器动态DEVM改善电路的功率放大器；

本发明的第三个目的，是要提供包含上述功率放大器的WIFI系统。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种功率放大器DEVM改善电路，由瞬态电流控制电路、瞬态电流抽取电路、参考偏置产生电路和比例放大电路组成；

瞬态电流控制电路的第一输入端输入基准电压，瞬态电流控制电路的第二输入端输入第一使能信号，瞬态电流控制电路根据所述基准电压产生第一电流，并根据第一使能信号控制第一电流的流向；

瞬态电流抽取电路的输入端与瞬态电流控制电路的输出端相连，以接收瞬态电流控制电路输出的第一电流；瞬态电流抽取电路输出第二电流，并根据第一电流控制第二电流的大小；

瞬态电流抽取电路的输出端与参考偏置产生电路的输入端相连，将产生的第二电流输出至参考偏置产生电路；参考偏置产生电路根据第二电流的变化产生变化的第一电压，并输出至比例放大电路；

比例放大电路的第一输入端输入第二使能信号；比例放大电路的第二输入端与参考偏置产生电路的输出端相连，以输入第一电压；比例放大电路将第一电压根据比例系数放大之后产生第二电压并输出至外部连接的功率放大器，同时根据第二使能信号控制自身的开启与关断。

作为限定，所述瞬态电流控制电路由第一运算放大器和使能管组成；

第一运算放大器的同相输入端为瞬态电流控制电路的第一输入端、反相输入端连接自身的输出端，同时自身的输出端一方面作为瞬态电流控制电路的输出端、另一方面与使能管的漏极相连，使能管的栅极为瞬态电流控制电路的第二输入端，使能管的源极接地，第一运算放大器的正电源端接入电源、负电源端接地。

作为进一步限定，所述瞬态电流抽取电路由控制管、第一电容和第一电阻组成；

第一电容的一端一方面作为瞬态电流抽取电路的输入端、另一方面与控制管的栅极相连，第一电容的另一端接地，控制管的源极与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端连接电源电压；控制管的漏极作为瞬态电流抽取电路的输出端。

作为第二种限定，所述参考偏置产生电路由固定电流产生支路、电流注入支路和第二电阻组成；

固定电流产生支路的输入端作为参考偏置产生电路的输入端，固定电流产生支路的输出端一方面与电流注入支路的输出端相连、另一方面与第二电阻的一端相连，第二电阻的另一端接地；

固定电流产生支路、电流注入支路、第二电阻三者的公共端作为参考偏置产生电路的输出端。

作为第三种限定，所述比例放大电路由比例运算放大器、第三电阻和第四电阻组成；

比例运算放大器的同相输入端作为比例放大电路的第二输入端，比例运算放大器的输出端一方面作为比例放大电路的输出端、另一方面与第三电阻的一端相连、第三电阻的另外一端通过第四电阻接地，比例运算放大器的反相输入端与第三电阻、第四电阻的公共端相连；

比例运算放大器的使能端作为比例放大电路的第一输入端、正电源端接入电源、负电源端接地；

比例放大电路的放大系数为A＝1+R₃/R₄，R₃为第三电阻的阻值，R₄为第四电阻的阻值。

一种功率放大器，包括上述的功率放大器DEVM改善电路，还包括放大级电路；功率放大器DEVM改善电路的输出端与放大级电路的偏置输入端相连，放大级电路的输入匹配网络信号输入端作为功率放大器的射频信号输入端，放大级电路的输出匹配网络信号输出端作为功率放大器的输出端。

一种WIFI系统，包括上述的功率放大器。

作为限定，WIFI系统工作在接收状态时，第一使能信号控制第一电流由瞬态电流控制电路内部流入地，瞬态电流抽取电路产生接收状态的第二电流并输出至参考偏置产生电路，参考偏置产生电路产生接收状态的第一电压并输出至比例放大电路，第二使能信号控制比例放大电路输出截止；

WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，第二使能信号控制比例放大电路开启，比例放大电路将接收状态的第一电压根据比例系数放大之后产生瞬态第二电压并输出至功率放大器；同时，第一使能信号控制第一电流流入瞬态电流抽取电路，瞬态电流抽取电路在第一电流的控制下逐步减小第二电流的大小至第二电流为0，参考偏置产生电路产生发射状态的第一电压并输出至比例放大电路，比例放大电路将发射状态的第一电压根据比例系数放大之后产生发射状态的第二电压并输出至功率放大器；

WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，功率放大器切入初始工作状态；瞬态第二电压大于发射状态的第二电压。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

(1)本发明基于提高功率放大器初始工作状态工作电流的思想，提出一种新型的瞬态过冲电压产生电路，它采用电流抽取的方式，使功率放大器偏置电压在放大器切入工作的初始状态瞬间增大，并缓慢下降，以提高放大器初始增益，补偿初始阶段输出功率，补偿放大器PVT曲线初始阶段缓慢爬升的现象，保持放大器动态工作时段较小的输出功率波动，改善功率放大器DEVM；

(2)本发明提供了一种新型的、可以改善功率放大器动态EVM的栅极偏置电压产生结构，它可以补偿功率放大器在频繁切换工作时初始阶段功率值，从而补偿功率放大器功率与时间关系(PVT)曲线初始阶段缓慢爬升的现象，从而改善功率放大器动态EVM特性；

总之，本发明提供的新型的瞬态过冲电压产生电路，使放大器偏置电压在放大器切入工作的初始状态瞬间增大，增大了初始电流，补偿了初始阶段输出功率，保持放大器动态工作时段较小的输出功率波动，改善了功率放大器DEVM。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明现有技术中功率放大器初始PVT曲线图；

图2为本发明实施例1的电路原理图；

图3为本发明实施例1的电路详细原理图；

图4为本发明实施例2的电路原理图；

图5为本发明实施例2的电路详细原理图；

图6为本发明实施例3中WIFI系统接收路工作时动态EVM改善电路工作原理图；

图7为本发明实施例3中WIFI系统发射路工作时动态EVM改善电路工作原理图；

图8为本发明实施例3中WIFI系统功率放大器偏置电压的时序变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1一种功率放大器DEVM改善电路

如图2和图3所示，本实施例由瞬态电流控制电路、瞬态电流抽取电路、参考偏置产生电路和比例放大电路组成。

瞬态电流控制电路的第一输入端输入基准电压V_REF，瞬态电流控制电路的第二输入端输入第一使能信号R_EN，瞬态电流控制电路根据基准电压V_REF产生第一电流I_OP1，并根据第一使能信号R_EN控制第一电流I_OP1的流向。

瞬态电流抽取电路的输入端与瞬态电流控制电路的输出端相连，以接收瞬态电流控制电路输出的第一电流I_OP1；瞬态电流抽取电路输出第二电流I_tran，并根据第一电流I_OP1控制第二电流I_tran的大小。

瞬态电流抽取电路的输出端与参考偏置产生电路的输入端相连，将产生的第二电流I_tran输出至参考偏置产生电路；参考偏置产生电路根据第二电流I_tran的变化产生变化的第一电压V_R，并输出至比例放大电路。

比例放大电路的第一输入端输入第二使能信号T_EN；比例放大电路的第二输入端与参考偏置产生电路的输出端相连，以输入第一电压V_R；比例放大电路将第一电压V_R根据比例系数放大之后产生第二电压V_B并输出至外部连接的功率放大器，同时根据第二使能信号T_EN控制自身的开启与关断。

具体地，如图2和图3所示，瞬态电流控制电路由第一运算放大器OP₁和使能管NM_EN组成。第一运算放大器OP₁的同相输入端为瞬态电流控制电路的第一输入端、反相输入端连接自身的输出端，同时自身的输出端一方面作为瞬态电流控制电路的输出端、另一方面与使能管NM_EN的漏极相连，使能管NM_EN的栅极为瞬态电流控制电路的第二输入端，使能管NM_EN的源极接地，第一运算放大器OP₁的正电源端接入电源、负电源端接地。

瞬态电流抽取电路由控制管PM₁、第一电容C₁和第一电阻R₁组成。第一电容C₁的一端一方面作为瞬态电流抽取电路的输入端、另一方面与控制管PM₁的栅极相连，第一电容C₁的另一端接地，控制管PM₁的源极与第一电阻R₁的一端相连，第一电阻R₁的另一端连接电源电压；控制管PM₁的漏极作为瞬态电流抽取电路的输出端。

参考偏置产生电路由固定电流产生支路、电流注入支路和第二电阻R₂组成。固定电流产生支路的输入端作为参考偏置产生电路的输入端，固定电流产生支路的输出端一方面与电流注入支路的输出端相连、另一方面与第二电阻R₂的一端相连，第二电阻R₂的另一端接地；固定电流产生支路、电流注入支路、第二电阻R₂三者的公共端作为参考偏置产生电路的输出端。本实施例中，电流注入支路通过其包含的电流镜产生固定电流I_con。

比例放大电路由比例运算放大器OP₂、第三电阻R₃和第四电阻R₄组成。比例运算放大器OP₂的同相输入端作为比例放大电路的第二输入端，比例运算放大器OP₂的输出端一方面作为比例放大电路的输出端、另一方面与第三电阻R₃的一端相连、第三电阻R₃的另外一端通过第四电阻R₄接地，比例运算放大器OP₂的反相输入端与第三电阻R₃、第四电阻R₄的公共端相连。

比例运算放大器OP₂的使能端作为比例放大电路的第一输入端、正电源端接入电源、负电源端接地。

比例放大电路的放大系数为A＝1+R₃/R₄，R₃为第三电阻R₃的阻值，R₄为第四电阻R₄的阻值。

本实施例中，基准电压V_REF由带隙基准提供，使能管NM_EN采用NMOS管，控制管PM₁采用PMOS管。

实施例2一种功率放大器

如图4所示，本实施例包括实施例1提供的功率放大器DEVM改善电路，还包括放大级电路；功率放大器DEVM改善电路的输出端与放大级电路的偏置输入端相连。

放大级电路由放大管Q₁、输入匹配网络和输出匹配网络组成。放大级电路的输入匹配网络信号输入端作为功率放大器的射频信号输入端，放大级电路的输出匹配网络信号输出端作为功率放大器的输出端，放大管Q₁的基极作为放大级电路的偏置输入端。

实施例3一种WIFI系统

本实施例中包括实施例2提供的功率放大器，实施例2提供的功率放大器用于WIFI系统中WiFi射频前端模块中，将微小信号进行线性放大。

结合图5-图7说明一下本实施例的工作原理：WIFI系统工作在接收状态时，第一使能信号R_EN控制第一电流I_OP1由瞬态电流控制电路内部流入地，瞬态电流抽取电路产生接收状态的第二电流I_tran并输出至参考偏置产生电路，参考偏置产生电路产生接收状态的第一电压V_R并输出至比例放大电路，第二使能信号T_EN控制比例放大电路输出截止。WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，第二使能信号T_EN控制比例放大电路开启，比例放大电路将接收状态的第一电压V_R根据比例系数放大之后产生瞬态第二电压V_B并输出至功率放大器；同时，第一使能信号R_EN控制第一电流I_OP1流入瞬态电流抽取电路，瞬态电流抽取电路在第一电流I_OP1的控制下逐步减小第二电流I_tran的大小至第二电流为0，参考偏置产生电路产生发射状态的第一电压V_R并输出至比例放大电路，比例放大电路将发射状态的第一电压V_R根据比例系数放大之后产生发射状态的第二电压V_B并输出至功率放大器。WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，功率放大器切入初始工作状态；瞬态第二电压与发射状态的第二电压的差值为ΔV_B。

具体地：使能管NM_EN栅极使能信号R_EN为“高”时，WiFi系统接收路工作，为“低”时，WiFi系统发射路工作。瞬态电流抽取电路中瞬态支路电流，即第二电流I_tran＝(V_C-V_SG1)/R₁。参考偏置产生电路输出端的第一电压为V_R＝(I_tran+I_con)R_con，其中R_con为第二电阻R₂的阻值。

如图6，WiFi系统工作在接收状态时，瞬态电流控制电路正常工作，第一使能信号R_EN为“高”，使能管NM_EN处于开启状态，第一运算放大器OP₁输出端提供的第一电流I_OP1全部流入使能管NM_EN，瞬态电流抽取电路中控制管PM₁栅压为“低”，管子正常开启，瞬态电流抽取电路开启，第二电流I_tran＝(V_C-V_SG1)/R₁灌入参考偏置产生电路中。参考偏置产生电路中固定电流I_con由电流镜提供，此时产生的第一电压V_R＝(I_tran+I_con)R_con。此时，比例放大电路第二输入端输入电压为(I_tran+I_con)R_con，第二使能信号T_EN为“低”，比例运算放大器OP₂处于关断态，放大级电路偏置电压为0，功率放大器处于截止态。

如图7所示，WiFi系统切换到发射工作状态时，在切换到发射工作状态的瞬间，第二使能信号T_EN为“高”，比例运算放大器OP₂开启，通过比例电阻网络后，输出的偏置电压，即第二电压V_B＝A(I_tran+I_con)R_con，A为比例运放放大系数。与此同时，第一使能信号R_EN变为“低”，使能管NM_EN关断，第一运算放大器OP₁输出的第一电流I_OP1无到地通路，开始向第一电容C₁充电，第一电容C₁端电压，即控制管PM₁栅压V_G1持续增加。由于I_tran＝(V_C-V_SG1-V_G1)/R₁，所以瞬态电流抽取电路中的第二电流I_tran持续减小，直到控制管PM₁栅压V_G1增大到使控制管PM₁截止，此时不再有瞬态电流抽取电路产生的电流灌入参考偏置产生电路中，至此完成了一次电流抽取的过程。固定电流产生支路产生的第一电压此刻为V_R＝I_conR_con。比例放大电路输入电压为I_conR_con，输出的偏置电压，即第二电压为V_B＝AI_conR_con，即在功率放大器切入工作的初始状态，功率放大器栅压V_B从A(I_tran+I_con)R_con降低到AI_conR_con，等效于产生了幅度为AI_tranR_con的过冲电压。

图8给出了WiFi系统从接收工作状态到发射工作状态时，功率放大器偏置电压的时序变化图。从图中看以看到，本实施例中采用的瞬态过冲电压产生电路，即实施例1提供的功率放大器DEVM改善电路，通过瞬态电流抽取的方式，在功率放大器工作初始态对功率放大器偏置电路产生了过冲电压的效果，过冲电压值ΔV_B＝AI_tranR_con，提高了功率放大器增益，补偿了初始阶段输出功率，补偿了功率放大器PVT曲线初始阶段缓慢爬升的现象，从而改善了功率放大器DEVM。

Claims (8)

1.一种功率放大器DEVM改善电路，其特征在于，由瞬态电流控制电路、瞬态电流抽取电路、参考偏置产生电路和比例放大电路组成；

瞬态电流控制电路的第一输入端输入基准电压，瞬态电流控制电路的第二输入端输入第一使能信号，瞬态电流控制电路根据所述基准电压产生第一电流，并根据第一使能信号控制第一电流的流向；

瞬态电流抽取电路的输入端与瞬态电流控制电路的输出端相连，以接收瞬态电流控制电路输出的第一电流；瞬态电流抽取电路输出第二电流，并根据第一电流控制第二电流的大小；

瞬态电流抽取电路的输出端与参考偏置产生电路的输入端相连，将产生的第二电流输出至参考偏置产生电路；参考偏置产生电路根据第二电流的变化产生变化的第一电压，并输出至比例放大电路；

比例放大电路的第一输入端输入第二使能信号；比例放大电路的第二输入端与参考偏置产生电路的输出端相连，以输入第一电压；比例放大电路将第一电压根据比例系数放大之后产生第二电压并输出至外部连接的功率放大器，同时根据第二使能信号控制自身的开启与关断。

2.根据权利要求1所述的功率放大器DEVM改善电路，其特征在于，所述瞬态电流控制电路由第一运算放大器和使能管组成；

第一运算放大器的同相输入端为瞬态电流控制电路的第一输入端、反相输入端连接自身的输出端，同时自身的输出端一方面作为瞬态电流控制电路的输出端、另一方面与使能管的漏极相连，使能管的栅极为瞬态电流控制电路的第二输入端，使能管的源极接地，第一运算放大器的正电源端接入电源、负电源端接地。

3.根据权利要求2所述的功率放大器DEVM改善电路，其特征在于，所述瞬态电流抽取电路由控制管、第一电容和第一电阻组成；

第一电容的一端一方面作为瞬态电流抽取电路的输入端、另一方面与控制管的栅极相连，第一电容的另一端接地，控制管的源极与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端连接电源电压；控制管的漏极作为瞬态电流抽取电路的输出端。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的功率放大器DEVM改善电路，其特征在于，所述参考偏置产生电路由固定电流产生支路、电流注入支路和第二电阻组成；

固定电流产生支路的输入端作为参考偏置产生电路的输入端，固定电流产生支路的输出端一方面与电流注入支路的输出端相连、另一方面与第二电阻的一端相连，第二电阻的另一端接地；

固定电流产生支路、电流注入支路、第二电阻三者的公共端作为参考偏置产生电路的输出端。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的功率放大器DEVM改善电路，其特征在于，所述比例放大电路由比例运算放大器、第三电阻和第四电阻组成；

比例运算放大器的同相输入端作为比例放大电路的第二输入端，比例运算放大器的输出端一方面作为比例放大电路的输出端、另一方面与第三电阻的一端相连、第三电阻的另外一端通过第四电阻接地，比例运算放大器的反相输入端与第三电阻、第四电阻的公共端相连；

比例运算放大器的使能端作为比例放大电路的第一输入端、正电源端接入电源、负电源端接地；

比例放大电路的放大系数为A＝1+R₃/R₄，R₃为第三电阻的阻值，R₄为第四电阻的阻值。

6.一种功率放大器，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的功率放大器DEVM改善电路，还包括放大级电路；功率放大器DEVM改善电路的输出端与放大级电路的偏置输入端相连，放大级电路的输入匹配网络信号输入端作为功率放大器的射频信号输入端，放大级电路的输出匹配网络信号输出端作为功率放大器的输出端。

7.一种WIFI系统，其特征在于，包括权利要求6所述的功率放大器。

8.根据权利要求7所述的WIFI系统，其特征在于，WIFI系统工作在接收状态时，第一使能信号控制第一电流由瞬态电流控制电路内部流入地，瞬态电流抽取电路产生接收状态的第二电流并输出至参考偏置产生电路，参考偏置产生电路产生接收状态的第一电压并输出至比例放大电路，第二使能信号控制比例放大电路输出截止；

WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，第二使能信号控制比例放大电路开启，比例放大电路将接收状态的第一电压根据比例系数放大之后产生瞬态第二电压并输出至功率放大器；同时，第一使能信号控制第一电流流入瞬态电流抽取电路，瞬态电流抽取电路在第一电流的控制下逐步减小第二电流的大小至第二电流为0，参考偏置产生电路产生发射状态的第一电压并输出至比例放大电路，比例放大电路将发射状态的第一电压根据比例系数放大之后产生发射状态的第二电压并输出至功率放大器；

WIFI系统由接收状态切入发射状态的瞬间，功率放大器切入初始工作状态；

瞬态第二电压大于发射状态的第二电压。