CN202334449U - 具有功率检测功能的射频或微波放大电路 - Google Patents
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Abstract
一种集成功率检测功能的射频/微波放大器，该放大器包括信号输入端口(201、301)、信号输出端口(202、306)、功率水平检测输出端口(203、307)、复用器(212、316)以及N级放大单元和N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)。本实用新型的方案使集成功率检测功能放大器可以工作在在射频/微波，甚至毫米波波段，并通过级联检测使功率检测范围的增加，同时不牺牲增益，噪声系数，线性度，功耗等性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信系统接收机或者发射机中所实用的放大电路，尤其是涉及其中的具有自动功率水平检测功能的放大电路。
背景技术
随着集成电路和多标准通信系统的快速发展，具有功率控制电路的放大器的得到越来越多的关注。同时由于功率放大电路PA是一个温度敏感的非线性器件，它很难直接准确反应传输功率水平，若应用于发射功率控制，使对发射功率不能准确控制。在通信的收发机中，一般对传输功率水平控制的准确性依赖于功率检测器的准确性，即检测低噪声放大器LNA和PA的功率水平。所以人们提出了多个针对功率控制功能在低噪声放大器，功率放大器和其他放大器块中的实现的方法。
第一个方法是使用独立功率检测电路来检测接收机或发射机链中的功率水平。通常情况下，功率检测模块被连接到输入或输出放大器电路的节点。例如，通常接收信号强度指示计RSSI的输入是连接到LNA和混频器之间的节点。同样，功率检测PD的输入通常是连接到PA和天线之间的节点。但是，为了增加RSSI和PD的检测范围，额外的衰减器和放大器应加在RSSI或PD中。这将大大增加总功率消耗，有时也会使得芯片面积大的不可接受。
第二种方法是在级联cascode放大器中集成RSSI或PD功能的功能。几个N dB的放大器级联以获得大动态范围的可编程增益放大器PGA。检测单元是直接连接到内部放大级，这种拓扑结构能同时实现放大和检测功能。不幸的是，这种方法只能用于低频率的CMOS工艺。在高频率，尤其是多达几十GHz时，探测器的阻抗会极大的影响的内部放大器的输入和输出阻抗。
实用新型内容
为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型给出的方案是使功率检测功能集成在射频/微波放大器中，并通过使用一个功率耦合器，使放大器的阻抗匹配网络与RSSI或PD的信号阻抗隔离。此外，通过多级级联检测功率使检测范围增加。即本发明在射频、微波和毫米波波段，提供了一种在不牺牲增益，噪声系数，线性度，功耗等性能的具有很宽的信号功率检测范围的放大器拓扑。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，该放大器包括信号输入端口、信号输出端口、功率水平检测输出端口、复用器以及N级放大单元和N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)，其中N为大于等于1的整数，其特征在于：所述的N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)依次串联连接，且在每2级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)之间还串联1级放大单元，信号输入端口与作为输入匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)的第N级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接，信号输出端口同作为输出匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)的第N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)级连接，每级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)输出的功率检测信号都连接到所述复用器。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述N级放大单元中的各个放大单元基于III-V族HEMT、MESFET器件、HBT晶体管、MOSFET、SOI晶体管以及宽的带隙晶体管中的一种实现。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，各级放大单元的输入端口与其之前一级的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接，输出端口与其后一级的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，该放大器作为低噪声放大器、功率放大器、可变增益放大器或可编程增益放大器。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述的放大单元适用于30吉赫兹以上的工作频率，同时也适用于频率低于10吉赫兹的工作频率。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)包括匹配单元、偏置单元和功率检测单元，且由电阻和电容构成偏置单元为放大单元提供偏置电压，由传输线构成匹配单元，第N级放大单元经过传输线同在其之后串联的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)中的匹配单元连接，功率检测单元同传输线耦合并将检测信号提供给复用器。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述的传输线为微带线、共面波导、带线中的一种，且传输线的形状为蜿蜒线、折叠线、或螺旋线。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述的功率检测器是峰值功率探测器、对数真值的功率检测器、或者均方根功率检测器。
根据本实用新型的一种集成功率检测功能的射频/微波放大器的一个实施例，所述的复用器视为一个多输入、单输出的开关阵列。
本实用新型针对具有自动功率水平检测功能的放大电路，比如具有接收信号强度指示的低噪声放大器(LNA)和具有功率检测的功率放大器(PA)，在设计中使用传输线技术，可以使集成了功率检测功能的放大器工作在射频/微波甚至毫米波频段。该技术通过优化放大器的跨导、级间的传输线、功率耦合器、功率检测器，并通过它们的有机组合后和多路复用器的配合工作，使集成成功率检测功能的放大器不牺牲增益，噪声系数(NF)，线性度，功耗等方面性能，实现很宽的信号功率或强度检测范围。此技术适用于射频/微波及毫米波频段的单级或多级放大器。
附图说明
图1示出了具有自动功率水平控制电路的传统收发器的框图；
图2为根据本实用新型的一个实施例的在内部集成功率检测功能的射频和微波放大器200的框图；
图3为是基于2级放大结构的实现自动功率检测功能的射频/微波放大器300的具体电路原理图；
图4显示了作为图2或者图3中的放大级的晶体管的一种CMOS工艺布局；
图5示出了应用于图2或者图4中的匹配传输线309、311和具有功率检测器耦合的匹配传输线308、310、312的传输线类型；
图6说明了实现与功率检测器耦合的一些可能的传输线308、310、312的类型；
图7显示了图3所示放大器的功率检测范围的仿真图。
具体实施方式
图1的框图显示了具有自动功率水平控制电路的传统收发器100，其包括一个RF RSSI 106，中频RSSI 109和PD(110)。接收器由低噪声放大器101，下变频混频器102，滤波器103和中频可变增益放大器VGA 104等组成。发射器由中频可变增益放大器VGA 115，滤波器(114)，上变频混频器(113)和PA(112)组成。频率合成器107产生向上/向下混频器102、113的LO信号。在发射器中，PD 110可以连接到输出的PA 112。从110PD的输出信号连接到一个可以采用模拟或数字方式实现的增益控制电路111。射频模块中的RSSI106是用来检测输入信号的强度，并为增益控制模块105产生一个参考信号。增益控制模块105控制的LNA 101的增益是可调的。中频RSSI 109是用于检测输出信号电平，并为增益控制模块108产生一个参考信号。增益控制块模块108用来控制中频可变增益放大器VGA的增益。一般来说，RSSI 106，RSSI 109和PD 110将占有相当大的芯片面积，同时使内部的放大器或衰减器增加额外直流功耗。如果将106、109、110以及105、108、111和LNA 104、VGA 101和PA(112)一样集成在主通道，则收发器模块的芯片尺寸和功耗将大大降低。
图2是根据本实用新型的一个实施例在内部集成功率检测功能的射频RF和微波放大器200框图。这种放大器拓扑结构可对应于图1中的低噪声放大器LNA 101，中频可变增益放大器VGA 104，和功率放大器PA 112等模块。
如图2所示，射频和微波放大器200包含N级放大单元208、209、210，N+1级匹配、偏置和功率检测电路CMBP204、205、206、207和复用器212。信号从输入端口201进入放大器，同时连接到输入匹配、偏置和功率检测电路CMBP的输入端204。放大后的信号经过输出匹配、偏置和功率检测电路CMBP 207后传送到输出端口202。根据当前的实施例，与传统拓扑结构的放大器相比，本实用新型的放大器200增加了一个功率水平检测的输出端口203。放大单元208、209和210的设计是通过选择合适的大小电流或电压偏置和元件尺寸，以实现每个单元的适当增益。每个单元的增益设计必须考虑到总增益和功率检测范围。每个放大单元208有三个端口头，一个是连接到地面，一个是连接到输入匹配、偏置和功率检测电路CMBP 204，另一个是连接到输出匹配、偏置和功率检测电路CMBP 205。针对几十吉赫兹的应用，匹配、偏置和功率检测电路CMBP(204、205、206、207)，在设计中需使用传输线和有源的信号检测单元。每一级的检测信号输出都连接到复用器212上，复用器可由开关阵列组成。
根据本实用新型的实施例，这种集成了功率检测功能的放大器至少要有一级放大单元208和连接在该放大单元两侧的两级匹配、偏置和功率检测电路CMBP 204 205。为简便起见，其余的单元被省略虚线211所替代。在各级增益相同的情况下，不牺牲放大器的其他性能，功率检测范围得到了增加。
图3给出了是基于2级放大结构的实现自动功率检测功能的射频/微波放大器300的具体电路原理图。其包括两级放大单元和三级匹配、偏置和功率检测电路CMBP。第一级放大单元317通过R1、C1和一个偏置电压302获得合适的偏置。第二级放大单元318通过R2、C2和偏置电压304获得合适的偏置。射频信号进入输入端口301，然后传递到输出端口306。放大单元317和318设计中为了得到合适的增益，需要选择合适大小的电流或电压偏置以及元件尺寸。直流电源加在节点303和305上。输入匹配是基于传输线308实现的。该放大器内部的匹配是基于传输线309和310实现的。输出匹配是基于传输线311和312实现的。功率检测器器与匹配的传输线308、310、312连接，传输线把信号耦合到功率检测器PD 313、314、315。其中，功率检测器PD包括峰值检测、对数检测和均方根RMS检测类型的PD。功率检测器PD的输出连接到复用器316，复用器可由开关阵列组成。
需要说明的是，图3中的所示的放大器是基于两级放大结构的，本实用新型的其他实施例可采用单级或者多级的放大结构。
图2中的208、209、210和图3中的317(318)的放大单元可以是基于III-V族HEMT、MESFET器件、各种HBT晶体管、MOSFET、SOI晶体管以及宽的带隙晶体管，如氮化镓和碳化硅材料。图4显示了其中的一个例子，CMOS工艺布局。
图5示出了应用于匹配传输线309、311和具有功率检测器耦合的匹配传输线308、310、312的传输线类型。共面波导501由置于中心的信号导体(506)和两侧与506的间距相等的接地导体505构成。有接地屏蔽的共面波导CPWG502也有类似的信号导体508和两个侧接地导体507，它与传统的共面波导CPW传输线不同之处是在传统的共面波导CPW传输线下面增加了接地导体平面509。微带线503由信号导体511和与511在不同的金属层的接地导体(510)组成。条线504也有类似的信号导线513和接地导体平面512，然而，它有一个额外的接地导体平面514与另一侧接地导体平面512关于中心导体513对称。传输线308、309、310、311、312和本实用新型的其他实施例中所涉及的传输线可以基于一种或几种如图5所示的传输线结构实现，其他的结构的传输线也是可以实现的。
图6说明了实现与功率检测器耦合的一些可能的传输线308、310、312的类型。共面波导功率耦合器601，由中心导体604两侧放置的间距相等的两个接地导线603以及传输线中心导体604下的导体605构成，其中导体605耦合功率到功率检测器313、314、315。微带线功率耦合器602由一个信号导体606和在不同金属层的接地导体608以及在信号导体606一侧的信号导体607构成，信号导体607用于耦合信号功率并送到功率检测器313、314和315。本实用新型的实施例中所涉及的功率耦合器308、310、312可以基于如图6所示一个或几种结构的传输线来实现，但是，其他结构也有可能实现。
图7显示了图3所示放大器的功率检测范围的仿真图。如图所示，当前放大器的功率检测范围增加。第一级的功率检测器313的输出电压与输入功率的关系曲线是右侧的曲线701。第二级的功率检测器314的输出电压与输入功率关系曲线如曲线702所示。第三级的功率检测器315的输出电压与输入功率关系曲线如曲线703。通过一个复用器选择输出，宽的线性检测范围即可实现。
本实用新型提出的技术方案使集成功率检测功能放大器可以工作在在射频/微波，甚至毫米波波段，并通过级联检测功率使检测范围的增加，同时不牺牲增益，噪声系数，线性度，功耗等性能。
Claims (9)
1.一种集成功率检测功能的射频/微波放大器，该放大器包括信号输入端口(201、301)、信号输出端口(202、306)、功率水平检测输出端口(203、307)、复用器(212、316)以及N级放大单元和N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)，其中N为大于等于1的整数，其特征在于：所述的N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)依次串联连接，且在每2级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)之间还串联1级放大单元，信号输入端口与作为输入匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)的第N级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接，信号输出端口同作为输出匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)的第N+1级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)级连接，每级匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)输出的功率检测信号都连接到所述复用器。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述N级放大单元中的各个放大单元基于III-V族HEMT、MESFET器件、HBT晶体管、MOSFET、SOI晶体管以及宽的带隙晶体管中的一种实现。
3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，其中的各级放大单元的输入端口与其之前一级的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接，输出端口与其后一级的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)连接。
4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，该放大器作为低噪声放大器、功率放大器、可变增益放大器或可编程增益放大器。
5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述的放大单元适用于30吉赫兹以上的工作频率，同时也适用于频率低于10吉赫兹的工作频率。
6.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)包括匹配单元、偏置单元和功率检测单元，且由电阻和电容构成偏置单元为放大单元提供偏置电压，由传输线构成匹配单元，第N级放大单元经过传输线同在其之后串联的匹配、偏置和功率检测电路(CMBP)中的匹配单元连接，功率检测单元同传输线耦合并将检测信号提供给复用器。
7.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，所述的传输线为微带线、共面波导、带线中的一种，且传输线的形状为蜿蜒线、折叠线、或螺旋线。
8.如权利要求6所述的放大器，其特征在于，所述的功率检测器是峰值功率探测器、对数真值的功率检测器、或者均方根功率检测器。
9.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述的复用器视为一个多输入、单输出的开关阵列。
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