CN117498808B - 一种提升射频功率放大器性能的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信系统技术领域，为一种提升射频功率放大器性能的电路及方法，该电路包括：缓冲器Buffer1，输入端输入控制信号，输出端连接开关SW1，开关SW1包括两个输出端，一个开关输出端连接电流源I1，另一个开关输出端连接电流源I0，并连接接地的电阻R1，另一个开关输出端通过电阻R2连接至运算放大器OP的正向输入端，运算放大器OP的正向输入端还连接有接地的电容C1；两个电阻串联分压构成运算放大器OP的反馈网络，运算放大器OP的输出端通过开关SW2连接反相器Inv1，反相器Inv1的另一端连接在缓冲器Buffer1的输入端；运算放大器OP的输出端连接至射频功率放大器PA，本发明实现功率增益在信号包的整个传输时间内都保持恒定，达到最优DEVM性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统技术领域，具体地而言为一种提升射频功率放大器性能的电路及方法。
背景技术
在时分复用（TDD）无线通信系统中，发射电路功率的很大一部分是射频功率放大器（Power Amplifier，PA）所消耗的，因此采用多种技术减少射频功率放大器的功耗和提高效率很有必要。为了最大化功率转换的效率，射频功率放大器必须能工作在快速的开启与关闭模式下。通过一个使能信号PA_EN来控制直流电源对射频功率放大器进行供电和断电，即可实现快速开启或关闭射频功率放大器。由于射频功率放大器在供电、断电过程中会引起暂态及热效应，从而降低发射机性能，因此需要重点关注动态EVM（Dynamic EVM，DEVM）这个关键技术指标。与静态EVM（Static EVM，SEVM）相比，DEVM通常会恶化许多。DEVM的恶化是由于射频功率放大器的瞬态响应影响数据包开头的序列，导致信道估计不完美。动态EVM的评估可以通过使用矩形波作为PA_EN信号来模仿射频功率放大器的开关动态工作来测量EVM性能。
随着近几年无线通信技术的高速发展，通信信道容量急速扩增，调制技术也不断地升级换代，要求通信系统必须提供非常优秀的信噪比和线性度，随之而来的是对发射链路中射频功率放大器性能提出了更高的需求。射频功率放大器需要提供更高的线性度和更好的DEVM性能，而且能够支持不断增加的信号包长。
当工作在热稳定状态时，射频功率放大器能够保证稳定的增益响应和相位响应，实现非常良好的信号质量，对应的是非常低的静态EVM性能。而当射频功率放大器的工作状态发生改变时，比如从关断状态变成开启状态，射频功率放大器内部会发生一系列非理想的物理效应，比如电磁场、热记忆效应、电子碰撞等等，这些物理效应将造成射频功率放大器的增益响应和相位响应发生剧烈波动，导致信号质量和EVM性能急剧恶化。在这些非理想的物理效应中，热记忆效应对射频功率放大器的工作性能影响最关键，更深层次的因素是结温变化引起的。当射频功率放大器的结温增加时，晶体管的自热效应（self-heating）引起晶体管的各项电学参数（如电流放大倍数β、跨导gm、特征频率fT、最大工作频率fmax等等）均发生退化，造成射频功率放大器的功率增益严重下降。当信号包在被发射传输时，射频功率放大器的结温一直在不停变化，射频功率放大器的功率增益随着时间增加而不断降低。DEVM性能对功率增益的变化非常敏感，由结温变化引起的功率增益波动将导致DEVM性能急剧恶化。随着信号包的长度不断增加，射频功率放大器的结温变化更加剧烈，射频功率放大器的功率增益降低更明显，DEVM性能恶化更多。
因此，为了实现系统要求的DEVM性能，必须对射频功率放大器的功率增益进行补偿，使得信号包在发射过程中，射频功率放大器的功率增益变化尽量小。
申请公布号为CN.115189656A的发明专利公开了一种改善动态EVM的电路系统，通过功率耦合电路采集和获取功率输出单元的结温信息，反馈至控制单元，由控制单元对偏置单元进行调节，使得功率输出单元的结温下降或上升。该专利的方法本质上与传统的有源偏置电路的思路是一样的，都是通过热耦合反馈环路动态调节功率输出单元的结温，使得结温保持相对稳定，从而优化DEVM性能。但是这种调节结温的方法强烈依赖采集结温信息的精度和速度，结温信息变化太小或变化太快，采集电路可能就无法及时做出反应，从而大大降低了该方法的实用性。
申请公布号为CN.115913136A的发明专利公开了一种功率放大器DEVM优化电路。该功率放大器DEVM优化电路利用过冲模块在偏置电压的初始时段提供过冲电压，使偏置电压增高，以补偿功率放大器初始时段缓慢爬升的状态。但是，这种条件利用过冲电压补偿偏置电压的方法比较粗糙，无法精准地控制过冲电压的过冲量，很容易出现过补偿或欠补偿，导致补偿效果不佳，而且很容易出现过冲电压太大造成功率放大器损坏。
通常情况下，参见图1所示，为了保证射频功率放大器的静态EVM性能，当PA_EN信号开启以后，射频功率放大器PA的偏置电压VBIAS很快达到需要的电压值，并保持恒定。但是PA中晶体管的热记忆效应使得PA的功率增益随着时间增加和结温上升而出现塌陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提升射频功率放大器性能的电路，解决射频功率放大器的结温变化，引起功率增益随时间增加而下降导致DEVM性能恶化的问题。
本发明还提供一种提升射频功率放大器性能的方法。
本发明是这样实现的，
一种提升射频功率放大器性能的电路，该电路包括：
缓冲器Buffer1，输入端输入控制信号，输出端连接开关SW1，所述开关SW1包括两个输出端，一个开关输出端连接电流源I1，另一个开关输出端连接电流源I0，并连接电阻R1，电阻R1另一端接地，另一个开关输出端通过电阻R2连接至运算放大器OP的正向输入端，所述运算放大器OP的正向输入端还连接有电容C1，电容C1的另一端接地；
电阻R3和电阻R4串联分压构成跨接在运算放大器OP输入端与输出端的反馈网络，运算放大器OP的输出端通过开关SW2连接反相器Inv1，反相器Inv1的另一端连接在缓冲器Buffer1的输入端；
所述运算放大器OP的输出端连接至射频功率放大器PA的偏置电压端。
进一步地，通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，使得电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS= (1+ R3/R2) * VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作。
进一步地，通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，使得电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，使得偏置电压VBIAS与地线相连接，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作。
进一步地，控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS由VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0缓慢爬升至VBIAS1=(1+ R3/R2) * VREF1。
进一步地，控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V。
进一步地，通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置。
进一步地，通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间。
一种提升射频功率放大器性能的方法，该方法包括：
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS= (1+ R3/R2)* VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作；
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作；
控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS由VBIAS0=(1+ R3/R2) *VREF0缓慢爬升至VBIAS1=(1+ R3/R2) * VREF1；
控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V；
通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置；
通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明采用数字控制的可调电流源对射频功率放大器的偏置电压进行补偿，以改善射频功率放大器在传输信号包时出现的增益不平坦现象，通过调节偏置电压VBIAS随时间增加而增加以提高功率增益，从而补偿因结温上升导致的功率增益下降，实现功率增益在信号包的整个传输时间内都保持恒定，达到最优DEVM性能。
附图说明
图1为现有技术中功率增益随时间的变化图；
图2为本发明实施例提供的电路的电路原理图；
图3为本发明实施例提供的本发明实施例提供的实现效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图2所示，一种提升射频功率放大器性能的电路，该电路包括：
缓冲器Buffer1，输入端输入控制信号，输出端连接开关SW1，所述开关SW1为包括两个输出端的单刀双掷开关，一个开关输出端连接电流源I1，另一个开关输出端连接电流源I0，并连接电阻R1，电阻R1另一端接地，另一个开关输出端通过电阻R2连接至运算放大器OP的正向输入端，所述运算放大器OP的正向输入端还连接有电容C1，电容C1的另一端接地；
电阻R3和电阻R4串联分压构成跨接在运算放大器OP输入端与输出端的反馈网络，运算放大器OP的输出端通过开关SW2连接反相器Inv1，反相器Inv1的另一端连接在缓冲器Buffer1的输入端；
所述运算放大器OP的输出端连接至射频功率放大器PA的偏置电压端。
通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，这里的开启指的是将电流源I0和电流源I1接入，电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS= (1+ R3/R2) * VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作。
通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，这里的闭合指的是电流源I1无法流入电阻R1，当电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，使得偏置电压VBIAS与地线相连接，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作。
控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS由VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0缓慢爬升至VBIAS1=(1+ R3/R2) * VREF1。
控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，使得偏置电压VBIAS与地线相连接，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V。
通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置，实现对不同射频功率放大器热记忆效应造成的功率增益偏差进行补偿。
通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间，实现对不同长度的信号包进行DEVM性能优化。
本发明电路的实现效果如图3所示，从图3中可以看出，随着时间增加，功率增益几乎不发生变化，始终维持在一条平行线上，实现了对射频功率放大器功率增益的补偿，从而提升射频功率放大器的DEVM性能。
本发明还提供了一种采用上述的电路提升射频功率放大器性能的方法，包括：
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS= (1+ R3/R2)* VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作；
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作；
控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0=(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS由VBIAS0=(1+ R3/R2) *VREF0缓慢爬升至VBIAS1=(1+ R3/R2) * VREF1；
控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V；
通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置；
通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，该电路包括：
缓冲器Buffer1，输入端输入控制信号，输出端连接开关SW1，所述开关SW1包括两个输出端，一个开关输出端连接电流源I1，另一个开关输出端连接电流源I0，并连接电阻R1，电阻R1另一端接地，另一个开关输出端通过电阻R2连接至运算放大器OP的正向输入端，所述运算放大器OP的正向输入端还连接有电容C1，电容C1的另一端接地；
电阻R3和电阻R4串联分压构成跨接在运算放大器OP输入端与输出端的反馈网络，运算放大器OP的输出端通过开关SW2连接反相器Inv1，反相器Inv1的另一端连接在缓冲器Buffer1的输入端；
所述运算放大器OP的输出端连接至射频功率放大器PA的偏置电压端；
通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，使得电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS = (1+R3/R2) * VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作；
通过控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，使得电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，使得偏置电压VBIAS与地线相连接，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作。
2.根据权利要求1所述的提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，使得偏置电压VBIAS与地线之间断开，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0 =(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS 由VBIAS0 =(1+R3/R2) * VREF0缓慢爬升至VBIAS1 =(1+ R3/R2) * VREF1。
3.根据权利要求1所述的提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V。
4.根据权利要求2所述的提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置。
5.根据权利要求2所述的提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，
通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间。
6.一种提升射频功率放大器性能的方法，采用权利要求1所述的提升射频功率放大器性能的电路，其特征在于，该方法包括：
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为高，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为高，开关SW1开启，电流源I0和电流源I1流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG1，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF1，作为运算放大器OP的输入参考电压，在运算放大器OP输出端产生电压VBIAS给射频功率放大器PA提供偏置电压；电压VBIAS的电压值由计算公式VBIAS = (1+ R3/R2) * VREF决定，反相器Inv1的输出电压EN2为低，开关SW2关闭，此时偏置电压VBIAS不受影响，射频功率放大器PA正常工作；
控制缓冲器Buffer1的输入的控制信号为低，缓冲器Buffer1的输出电压EN1为低，开关SW1关闭，电流源I1无法流入电阻R1，电流源I0流入电阻R1并产生电压VBG，记为VBG0，经过电阻R2后产生电压VREF，记为VREF0，反相器Inv1的输出电压EN2为高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被拉至地，射频功率放大器PA断电并停止工作；
控制信号从低变成高的过程中，在时刻t0，开关SW2关闭，偏置电压VBIAS被释放，运算放大器OP与电阻R3和电阻R4构成的反馈环路开启工作，偏置电压VBIAS从0V开始增加至VBIAS0 =(1+ R3/R2) * VREF0，在时刻t1，电压VBG由VBG0跃升至VBG1，经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波器以后，电压VREF由VREF0缓慢爬升至VREF1，偏置电压VBIAS 由VBIAS0 =(1+ R3/R2) * VREF0缓慢爬升至VBIAS1 =(1+ R3/R2) * VREF1；
控制信号从高变成低时，反相器Inv1的输出电压EN2变高，开关SW2开启，偏置电压VBIAS被快速拉低至0V；
通过多位数字控制信号对电流源I1大小进行调节，调整VBIAS0和VBIAS1的相对位置；
通过多位数字控制信号对电容C1的大小进行调节，调整VBIAS从VBIAS0到VBIAS1的上升时间。
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