CN201887469U

CN201887469U - 射频功率放大器过压保护电路

Info

Publication number: CN201887469U
Application number: CN2010206938412U
Authority: CN
Inventors: 张旭光; 彭凤雄
Original assignee: ZYW Microelectronics Inc
Current assignee: ZYW Microelectronics Inc
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-31

Abstract

本实用新型涉及一种射频功率放大器过压保护电路，包括与功率放大管基极连接偏置电路、电压检测电路及电压电流转换模块，其中电压检测电路与功率放大管电源端连接，其检测功率放大管工作电压后输出给电压电流转换模块转换为电流信号，该电流信号输出给偏置电路，由偏置电路调节功率放大管基极电流实现保护。所述过压保护电路采用偏置电路控制模式，能有效保护功率放大管，且能在功率放大器正常工作时避免过压保护电路中出现漏电流，造成能量损耗。

Description

射频功率放大器过压保护电路

技术领域

本实用新型涉及射频功率放大器技术领域，具体是指一种射频功率放大器过压保护电路。

背景技术

无线通信系统中，射频功率放大器(PA)是重要的组成元件之一，它广泛的应用在各种移动设备中，用于放大接收到的射频输入信号，产生通讯标准所需求的射频输出信号。这种射频功率放大器的放大增益、输出功率及工作电流均与电源电压VCC（加在射频功率放大器各级晶体管的集电极电压）直接相关。当由于移动设备充电或其他外在因素影响时，电源电压VCC可能会存在短暂或持续的升高，从而导致射频功率放大器的放大增益、输出功率及工作电流突然或持续的增加，这很可能使射频功率放大器的晶体管由于过压及热稳定性等因素而被烧毁。因此很有必要设计一款过压保护电路，当电压VCC由于移动设备充电或其他外在因素影响时超过射频功率放大器正常工作的额定电压时，通过控制偏置电路的供给电流来降低射频功率放大器的放大增益和输出功率，从而保证射频功率放大器在高电源电压下的正常工作。

典型的单级射频功率放大器电路如图1所示，其中包括功率放大晶体管T1、偏置电路、输出匹配电路、扼流电感L1和隔直电容C1。RF_in为射频输入信号，RF_out为射频输出信号，VCC为射频功率放大器的电源电压。功率放大晶体管T1用于放大接收到的射频输入信号，以达到通信标准所要求的功率值。偏置电路用于给输出射频功率放大晶体管T1提供直流的偏置，确定其正常工作时的直流工作点。输出匹配电路用于将天线端的50欧姆阻抗转换为一个较低的阻抗，以实现射频功率放大器的输出功率与效率的最优化。对于图1的电路来说，当VCC为额定工作电压时，此射频功率放大器正常工作。当电源电压VCC由于各种因素升高即超过额定电压3.8V时，此射频功率放大器的偏置电流及输出功率都将跟随着电源电压VCC的升高而增加。

综上所述，应用在通讯领域的射频功率放大器均需要增加过压保护电路，过压保护电路需保证当电源电压VCC为额定工作电压时，不影响射频功率放大器的整体性能，而当电源电压VCC超过额定电压时，触发过压保护电路工作，通过控制偏置电路来抑制射频功率放大器的放大增益及输出功率随电源电压VCC的正向变化，以防止高功率下由于过压过流而引起的射频功率放大器管子的烧毁。

发明内容

本实用新型需解决的问题是提供一种射频功率放大器过压保护电路。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案为：一种射频功率放大器过压保护电路，包括与功率放大管基极连接偏置电路、电压检测电路及电压电流转换模块，其中电压检测电路与功率放大管电源端连接，其检测功率放大管工作电压后输出给电压电流转换模块转换为电流信号，该电流信号输出给偏置电路，由偏置电路调节功率放大管基极电流实现保护。

具体的，所述电压检测电路包括一晶体管，该晶体管射极接地，集电极通过两串联的分压电阻接功率放大管电源端，基极通过限流电阻接入偏置电压；接于该晶体管集电极的两分压电阻连接点作为电压检测电路输出端，该输出端连接电压电流转换模块。

优选的，上述晶体管基极还接有一二极管，该二极管负极接上述晶体管基极，二极管正极接上述限流电阻。

具体的，所述电压电流转换模块采用四个晶体管即T3、T4、T5、T6；其中晶体管T3、T4基极相连，同时射极相连且接地，晶体管T4集电极通过电阻连接偏置电路；晶体管T5集电极与T6射极相连，晶体管T5射极通过电阻与晶体管T3集电极相连，晶体管T5基极通过电阻接偏置电压；晶体管T6集电极通过电阻接功率放大管电源端，基极连接电压检测电路。

具体的，所述偏置电路可根据所述保护电路的应用场合，进行相应调整。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

（1）所述过压保护电路采用偏置电路控制模式，即当移动通讯设备不工作时，此过压保护电路能够被关断，避免过压保护电路中出现漏电流，造成不必要能量损耗；

（2）对于多级的射频功率放大器来说，可根据输出功率和电流的限制范围，灵活的运用此过压保护电路，即可应用到驱动级，也可应用到输出级，或者同时应用到驱动级和输出级；当VCC超过额定工作电压时（此额定的工作电压可根据射频功率放大器的实际工作情况而定），射频功率放大器偏置电流与输出功率降低效果明显，从而能有效保证射频功率放大器在高电源电压情况下正常工作；

（3）所述过压保护电路结构简洁、便于集成。

附图说明

图1为单级射频功率放大器的典型实施电路图；

图2为本实用新型所述过压保护电路实施方案原理框图；

图3为本实用新型专利提出过压保护电路中的电压检测电路实施电路图；

图4为所述过压保护电路应用于AB类偏置的单级射频功率放大器的具体实施电路图；

图5为所述过压保护电路应用于AB类偏置的单级射频功率放大器的具体实施二电路图；

图6为所述过压保护电路应用于A类偏置的单级射频功率放大器的具体实施电路图；

图7为当功率放大管的电源VCC电压为4.5V时，带过压保护电路和不带过压保护电路的射频功率放大器的输出功率曲线图；

图8带过压保护电路的射频功率放大器输出功率管的静态电流随VCC变化曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图2所示为本实用新型原理框图，其揭示的过压保护电路中包括电压检测电路、电压-电流转换模块、偏置电路，图中输出功率管T1、扼流电感L1、隔直电容C1和输出匹配电路组成射频功率放大电路。RF_in为射频的输入信号，RF_out为射频的输出信号，VCC为加在输出功率管T1集电极的电源电压。

该实施例的工作原理为：电压检测电路检测VCC电压，当VCC为额定工作电压时，此电压检测电路的输出电压不足以开启电压-电流转换模块，即电压-电流转换模块不工作，对偏置电路无任何影响，此时过压保护电路不会影响射频功率放大器正常工作时的整体性能。当电压检测电路检测到VCC的电压超过额定电压时，电压检测电路的输出电压将开启电压-电流转换模块，此时电压-电流转换模块会将电压检测电路的输出电压信号转换成一个与VCC相关的电流信号，这个电流信号控制偏置电路的偏置电流进而降低射频功率放大器的静态电流、放大增益与输出功率，以防止高电源电压情况下射频功率放大器因过压过流而造成的晶体管烧毁。

图4为所述过压保护电路应用于AB类偏置的单级射频功率放大器的具体实施例电路图。图4中，RF_in为射频输入信号，RF_out为射频输出信号，VCC为加在输出功率管T1集电极的电源电压，Vbias为给射频功率放大器提供偏置的偏置电压，VCB为加在偏置晶体管T2集电极的电压。电阻R4与R5、二极管D1、D2和偏置晶体管T2构成偏置电路为射频功率放大晶体管T1提供偏置。电阻R4串接于Vbias端和偏置晶体管T2的基极之间。级联的二极管D1、D2串接于偏置晶体管T2的基极与地之间；偏置晶体管T2的集电极与VCB端连接；偏置晶体管T2的发射极通过电阻R5与地端连接。过压保护电路由电压检测电路、晶体管T3、T4、T5、T6和电阻R1、R2、R3、R6组成。电压检测电路串接于晶体管T6的基极与VCC端之间，晶体管T6的集电极通过电阻R6与VCC端连接，晶体管T6的发射极与晶体管T5的集电极相连接，晶体管T5的基极通过电阻R1与Vbias端连接，晶体管T5的发射极连接电阻R2；晶体管T3的发射极与地相连，晶体管T3的基极与集电极连在一起并与电阻R2相连接。晶体管T4的发射极与地端相连接，晶体管T4的基极与晶体管T3的发射极和集电极相连接。晶体管T4的集电极与电阻R3连接。电阻R2串接于晶体管T5的发射极和晶体管T3的集电极之间。电阻R3串接于晶体管T4的集电极和晶体管T2的基极之间。输出功率管T1的基极通过耦合电容C1连接到射频输入端RF_in，输出功率管的发射极连接到地，输出功率管的集电极一方面通过扼流电感L1连接到VCC端，另一方面通过匹配网络连接到射频输出端RF_out。电压检测电路主要是检测VCC的电压，当VCC电压超过额定电压时，电压检测电路的输出电压使晶体管T6开启，晶体管T6才会有电流I0流过并进入到晶体管T5、T3中。其中晶体管T5为偏置控制管，主要用于保证当移动通讯设备刚开始上电或者不需要工作时，通过偏置关闭此电压检测电路。晶体管T3、T4的作用是把从晶体管T6流出的电流I0镜像成所需要的下拉电流I1。电阻R1、R2、R3一方面用来调节电路工作状态下的电流，另一方面起到限流保护晶体管的作用。

上述实施例的工作原理为：当电源电压VCC电压为额定的电压值，电压检测电路的输出电压不足以开启晶体管T6，也就没有电流从晶体管T6中流出，此时整个过压保护电路不工作，不会对射频功率放大器的整体性能产生影响。由于外在的环境因素或者设备本身的内在问题，当电压检测电路检测到的VCC电压超过了额定电压值时，电压检测电路的输出电压使晶体管T6打开，则有电流I0流入晶体管T5、T3，并通过晶体管T3、T4的电流镜像作用把电流I0镜像成偏置电路所需要的下拉电流I1，此下拉电流端接到偏置电路中偏置管T2的基极，通过控制偏置电路的电流达到限制射频功率放大器的静态电流、放大增益和输出功率的目的。

当射频功率放大器通过偏置Vbias关断时，同时也会将过压保护电路中的晶体管T5关断，从而切断整个过压保护电路的电流通道，避免过压保护电路中出现漏电流，造成不必要能量损耗。

图3为所述电压检测电路实施例原理图。其中，VCC为电源电压，Vbias为给射频功率放大器提供偏置的偏置电压，Out为电压检测电路的输出电压端，晶体管T_1的基极通过级联的二极管D1和电阻R4连接到偏置端Vbias，晶体管T_1的发射极连到地端，晶体管T_1的集电极通过电阻R2连接到Out端，电阻R1串接于VCC端和Out端之间。电阻R1、R2和晶体管T_1用来分压，通过设置合适的电阻值，当VCC超过额定电压时，Out端的输出电压会使图4中的晶体管T6导通，产生流过晶体管T6的电流I0，当VCC没有超过额定电压时，晶体管T6关闭，无电流产生。晶体管T_1为偏置控制管，主要是保证当移动通讯设备刚开始上电或者不需要工作时，能够通过偏置关闭电压检测电路。晶体管T_1的基极与Vbias端串接了电阻R4和二极管D1。由于偏置电压Vbias正常工作时可能大于晶体管T_1二倍的开启电压，电阻R4和二极管D1被用来限制大的电流，对晶体管起到保护作用。

图5为所述过压保护电路应用于AB类偏置的单级射频功率放大器的具体实施二电路图。图5所示实施例与图4所示实施例的不同在于：下拉电流I1端的位置是连在偏置晶体管T2的基极还是偏置晶体管T2的发射极，其他工作原理同图4所示实施例。

图7为当功率放大管的电源VCC电压为4.5V时，带过压保护电路和不带过压保护电路的射频功率放大器的输出功率曲线图；图8带过压保护电路的射频功率放大器输出功率管的静态电流随VCC变化曲线图。从两图可以看出，带过压保护电路的射频功率放大器，其输出功率平稳，在输出功率管的静态电流突然增大瞬间，能够快速将静态电流拉低，保护功率放大管。

图6为所述过压保护电路应用于A类偏置的单级射频功率放大器的具体实施电路图。其工作原理和图5、6相同，都是通过下拉电流的方式对偏置电路进行控制，而不同的是偏置电路有所不同。该实施例中偏置电路由直接接在功率放大管T1基极的电阻R4，电阻R4另一端接偏置电压Vbias。

以上的实例都是以单级射频功率放大器为例来进行说明的，实际上，本实用新型所述过压保护电路不仅限于单级射频功率放大器，同样适用于多级的射频功率放大器。对于多级的射频功率放大器来说，可根据输出功率和电流的限制范围，把此过压保护电路应用到驱动级或功率输出级或者同时应用到驱动级和功率输出级。

以上仅为本实用新型较优选的实施例，需说明的是，在未脱离本实用新型构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.射频功率放大器过压保护电路，包括与功率放大管基极连接偏置电路，其特征在于，还包括电压检测电路及电压电流转换模块，其中电压检测电路与功率放大管电源端连接，其检测功率放大管工作电压后输出给电压电流转换模块转换为电流信号，该电流信号输出给偏置电路，由偏置电路调节功率放大管基极电流实现保护。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于：所述电压检测电路包括晶体管T_1，该晶体管T_1射极接地，集电极通过两串联的分压电阻接功率放大管电源端，基极通过限流电阻接入偏置电压；接于该晶体管T_1集电极的两分压电阻连接点作为电压检测电路输出端，该输出端连接电压电流转换模块。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于，所述晶体管T_1基极还接有二极管D1，二极管D1负极接晶体管T1基极，二极管D1正极接限流电阻。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于，所述电压电流转换模块包括晶体管T3、T4、T5、T6；其中晶体管T3、T4基极相连，同时射极相连且接地，晶体管T4集电极通过电阻连接偏置电路；晶体管T5集电极与T6射极相连，晶体管T5射极通过电阻与晶体管T3集电极相连，晶体管T5基极通过电阻接偏置电压；晶体管T6集电极通过电阻接功率放大管电源端，基极连接电压检测电路。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于：所述偏置电路包括晶体管T2，其集电极连接电源VCB，基极通过电阻连接偏置电压，基极还通过串联的二极管接地，同时基极作为偏置电路输入端连接电压电流转换模块；晶体管T2射极通过电阻接地，同时射极作为输出端连接功率放大管基极。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于，所述偏置电路包括晶体管T2，其集电极连接功率放大管电源，基极通过电阻连接偏置电压，基极还通过串联的二极管接地；晶体管T2射极作为输出端连接功率放大管基极，同时也连接电压电流转换模块。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的射频功率放大器过压保护电路，其特征在于，所述偏置电路包括电阻R4，其一端连接偏置电压，一端连接功率放大管基极，同时该端也作为输入端连接电压电流转换模块。