CN1520518A - 使用在功率放大器中的功率检测电路 - Google Patents
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Abstract
一种短路元件，优选地为一个谐振电感器－电容器电路，被与感应晶体管并联地插入，该感应晶体管本身与功率晶体管并联。与感应晶体管结合使用短路元件，提供一种具有单调功率检测技术，短路元件消除了由感应晶体管的固有的集电极－基极和集电极－衬底二极管造成的多余电流，并且还消除了由连接到功率和感应晶体管的电感间的互耦造成的感应晶体管的多余的集电极电压摆幅。
Description
本发明涉及监控电路，更具体地涉及用于当功率放大器、晶体管等使用在特定应用诸如无线通信时监控由其提供的功率的一种改进的技术。
固态功率设备被用在包括无线信号发生的多种应用中。在此类应用中，要求和/或希望确定由特定的设备输出的功率量。
图1表示了用于通过电容器102输入的射频(RF)信号测量提供给负载101的功率的一个示范性的现有技术电路结构。实际的芯片如轮廓103包围所示，具有电容器102，电路104和“片上”的晶体管Q1和Q2。焊盘110到112代表当向片外发射信号时从实际芯片到管脚的接口。电感器114代表接地电感，并且电感器115和116代表固有的电感诸如由丝焊和芯片封装的引线框电感引起的电感。
典型地，负载101通过片外匹配网络132由RF信号130驱动。为了测量被提供给负载的功率，可以使用多种技术。一些包括构造分压器电路并且接着测量提供给负载的信号的一小部分。其它一些技术使用片外的平均电路，还存在许多其它的技术。
图1的结构表示了一种用于测量提供给负载的功率的现有技术工艺。更具体地，晶体管Q2被选择具有比晶体管Q1小得多的值，以便流过晶体管Q2的电流仅仅为流过晶体管Q1的电流的1％或者更少。平均电路包括电阻140和电容器142。
图2显示了在图1的点Vdetect处的电压作为由设备提供的功率的函数的图。注意，在大约1.8瓦处，图2中曲线的斜率变正。斜率的这个变化归因于许多因数。该斜率变化的一个原因可以通过观看图3来理解，晶体管Q2的闭合表示了固有的基极-集电极二极管301和衬底集电极二极管302。这两个二极管在设备中是固有的并且是物理制造的结果。然而，在高功率级上，这些二极管变得正向偏压并且向Q2的集电极引入了额外的电流通道。因此，被测量的并且被显示在图1中的电流i-sense就不再是由设备提供的功率的精确测量。相反，测量的信号由于高电压在相对高的功率处变化造成其它的电流路径流进Q2的集电极而遭到改变。此外，电感器115和116之间的耦合造成电流i-sense的进一步的误差。因此，图1所示的测量系统只能工作在较低的功率信号，而不能正确地工作在较高功率处。
如上所述，现有技术需要一种用于在高输出功率水平处在设备中提供电流和功率测量的改进的技术。这点在使用类似于图1所示的电路的无线通信设备中尤其重要。
本发明的一个目的是以这样的方式提供此类功率测量，此方式不需要使用大的元件和体积大的有损耗的设备。
现有技术的上述和其它问题根据本发明被克服。测量晶体管Q2与功率晶体管Q1并联连接。一个短路设备与测量晶体管并联连接以便将只是与输入RF信号的频率基本上相同的信号短路到地。在一个优选实施例中，短路设备是一个电感器/电容器(LC)谐振电路。
根据本发明，将显著地改变电压并且造成如上所述的额外的电流路径的高频信号被短路到地。通过使用一个谐振电路，避免使用大电容，但仍实现了短路设备中的期望的阻抗。
在另一个优选实施例中，用于短路设备的电容器被构造在片上，并且谐振电路的电感部分包括芯片-焊盘上的固有电感。
图1表示了用于测量提供给负载的功率的现有技术的结构；
图2表示了图1的结构的电压功率曲线；
图3表示了图1的结构中使用的晶体管设备中的固有二极管；
图4表示了本发明的一个示范实施例；
图5显示了图4的结构的功率转换曲线；并且
图6显示了本发明的另一可选实施例。
图4显示了本发明的一个示范性实施例。在操作中，RF信号420通过电容器402和晶体管Q1被注入。偏压电路401以常规方式工作。由电阻409和电容器410形成的平均电路在Vdetect处提供一个直流电压，该电压基本上正比于被提供给负载电阻411的功率。
然而，由此电压Vdetect造成的并且因此通过晶体管Q2测量的电流由于先前描述的原因被改变。特别地，电感器408和409之间的耦合，以及晶体管Q2的集电极和衬底2之间的固有二极管和基极-集电极二极管，所有的这些都导致电流改变，将导致不精确的测量。
电容器406和407的存在用于最小化和/或消除Q2的集电极信号中的高频分量。这些高频分量是变化的，它们将导致其它的电流成分并且因此改变了提供给负载411的功率的测量。
优选地，电容器406和电感器407被设置成具有在期望的工作频率处谐振的值。如所述公知的，LC谐振电路的串联连接在关键频率处表示为一个短路电路，RF信号便是在该关键频率处提供的。并且，电容器可以以小的成本添加在片上，并且电感器407是一个在系统中固有的丝焊电感。
在优选实施例中，通过增加在其上沉积Q1的衬底层和在其上沉积Q2的第二衬底层之间的电阻来实现进一步消除Q2的集电极处不希望的外来的信号。一种此类技术包括将一个衬底抽头围绕Q2放置，将它与围绕Q1放置的衬底抽头分开。不管使用何种工艺，衬底用一个增加的电阻绝缘以便有效地并且基本上消除由L2和L3的耦合造成的交叉电感。
图5显示了Vdetect作为具有图4的修改的电路的设备的输出功率的函数。可以从图5中看到，曲线在较高的输出功率处不再有正斜率的部分。负斜率的曲线在反馈系统中是很重要的，在曲线的斜率为如前所述的图2的现有系统中变成正斜率时，反馈系统可能变得不稳定。
图6显示了本发明的一个可选实施例。大多数的元件和前面参照图4描述的元件大致类似，因此，不再重复说明。
平均电路601包括电阻602和电容器603。使用了两组电感器604和605。电感器604(也可以是一个传输线)在RF处提供一个大的电感。电感器608和电阻609是安装的电容器607中固有的寄生成分。电路的其余操作如前述的相同。
电感器605和608与电容器607共同作用作为谐振电路。电感器605代表焊盘606的电感。电容器607和电感器608以及605被选择以便电路的谐振频率基本上与输入RF信号的频率相同。
在期望的频率处，到Q2的集电极的路径被缩短，因此，减小了破坏测量的失真。但是，应该注意，图6的实施例或许不优于图4的实施例。这是由于图6所示的耦合K23不会通过使用图6的方式的谐振电路而显著地减小，然而在图4的实施例中实际消除了这一耦合。为了使K23耦合最小化，丝焊和引出管脚必需彼此分开。为了进一步降低耦合，接地丝焊/接地管脚可将他们分开。
然而，图6的实施例消除了上述关于图3的讨论的两个误差源，并且具有不需要在片上制造元件的潜在优势，而这在图4所述的实施例中是需要的。两种工艺之间的选择，或者实现与测量晶体管Q2并联的短路电路的选择都是设计者的选择。
因该理解，虽然前面描述了本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，各种其它的修改和增加是显而易见的。
Claims (19)
1.一种装置，包括：
用于为负载提供功率的第一晶体管(Q1)；
与所述第一晶体管并联连接的第二晶体管(Q2)；
与所述第一和第二晶体管并联连接的短路元件(406，407)，所述短路元件被设置成基本上作为规定频率范围内的短路电路。
2.如权利要求1所述的装置，还包括与所述第一晶体管连接的输入信号(420)源，所述输入信号(420)在所述规定范围内。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述短路电路包括一个电容器(406)和一个电感器(407)，所述电容器和电感器被设置成串联连接以便在基本上位于规定范围内的频率上谐振。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一和第二晶体管在不同的衬底上，并且其中每个所述衬底(450，460)被独立的衬底抽头包围。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述第一晶体管位于第一衬底上，并且其中所述电容器和所述第二晶体管位于第二衬底上。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述电感是一个丝焊电感(407)。
7.如权利要求3所述的装置，其中所述负载(411)是一个用于无线通信设备的发射机。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述第一晶体管被连接到一个匹配网络(490)。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第一晶体管(Q1)被制造在片上并且其中所述匹配网络(490)不被制造在片上。
10.一种装置，包括用于为特定的负载(411)提供功率的第一晶体管(Q1)，与所述第一晶体管并联连接的第二晶体管(Q2)，所述第二晶体管具有一个集电极(491)，所述集电极被连接到第一电感器(605)、第二电感器(604)和平均电路(602，603)的第一串联组合，所述第一和第二电感器(604，605)在一个节点处连接，所述节点还被连接到电阻(609)，电容器(607)和电感器(608)的第二串联组合。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述第一晶体管被连接到一个射频(RF)源(650)，并且其中所述第二串联组合和所述第一电感器组合具有与所述RF源基本上相同的谐振频率。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述第一和第二晶体管被制造在不同的衬底上。
13.如权利要求11所述的装置，还包括一个匹配网络，所述匹配网络(651)不位于所述第一晶体管所在的集成电路上。
14.一种集成电路结构，包括：在至少一个衬底上制造的形成一个集成电路的第一和第二晶体管(Q1，Q2)，以及与所述第二晶体管并联连接的谐振电路，所述谐振电路(406，407)包括由焊盘(455)形成的电感器。
15.如权利要求14所述的结构，其中所述第一晶体管位于一个与所述第二晶体管分开的衬底上，并且其中每个所述衬底被一个独立的衬底抽头包围。
16.如权利要求14所述的结构，还包括一个与所述第二晶体管连接的平均电路(409，410)。
17.如权利要求16所述的结构，其中所述第二晶体管具有一个集电极(491)，并且其中所述平均电路(409，410)被连接到所述集电极。
18.如权利要求16所述的结构，其中所述第一晶体管被设置成驱动一个包括无线通信设备的负载(411)。
19.如权利要求18所述的结构，其中所述第一晶体管在其基极被连接到电容器(402)和一组偏压电路(401)。
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