CN104617886A - 一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法，包括：(1)检测过通元件的栅极电压与漏极电压，或者栅极电压与电源电压，得到过通元件的饱和度信息；(2)如果饱和度信息显示过通元件即将脱离饱和工作区时，分流过通元件的漏极电流至误差放大器，降低漏极输出电压。同时，本发明还提供了一种实现上述方法的功率控制电路。本发明采用简洁、巧妙的电路设计，可以减小输出电压的变化率，防止其较快接近电源电压，维持过通元件的饱和度，显著改善功率放大器的开关谱特性。

Description

一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种功率控制方法，尤其涉及一种用于改善移动终端功率放大器的开关谱特性的功率控制方法，同时还涉及一种用于实现上述功率控制方法的功率控制电路，属于射频电路技术领域。

背景技术

射频功率放大器(RF PA)广泛应用在手机等无线通信设备中。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过射频功率放大器进行一系列的放大—缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。在这个过程中，精确的功率控制对确保无线通信设备的正常使用是至关重要的。

目前，市面上存在多种移动通信标准或无线通信标准，例如GSM、TD-LTE、WCDMA、Wi-Fi等。各种通信标准都要求在很大的动态范围内实现精确的功率控制。射频功率放大器的输出特性必须遵守相关的通信标准，例如输出功率控制必须满足突发时罩(Burst Mask)的要求。为了满足这一要求，功率控制电路中通常加有一个专门电路探测饱和度，但其实现方法往往过于复杂。

例如在现有的一种功率控制电路中，通过设置一个偏置功率放大器基极的电压来满足上述要求。该电压信号由一个功率控制信号和一个参考电压的线性组合而成。虽然在低功率情况下，该方案使功率附加效率有所提高，但在高功率情况下，尤其是高功率和低电源电压情况下，该方案容易出现开关谱恶化的现象。

在公布号为CN102354242A的中国专利申请中，公开了一种功率控制电路，可以根据不同输出功率的要求来动态调整功率放大器的基极电压从而达到优化电流的目的。该功率控制电路包括一个误差放大器，稳压器和一个电流检测电路。电流检测电路检测流过功率放大器的电流，并产生一个检测信号。这种信号可以是电压或电流。在一个具体实现中，流过功率放大器的电流可以被复制和按一定比例缩小。复制后的电流经输入功率控制信号的进一步调制并反馈到误差放大器上。误差放大器由此产生输出电压来控制在功率放大器的基极，从而达到动态控制基极电压进而优化电流的目的。但是，该方案也存在如下缺陷：当移动终端的电源电压过低时，功率放大器的开关谱特性仍然会存在恶化的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于改善移动终端功率放大器开关谱特性的功率控制方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于实现上述功率控制方法的功率控制电路。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法，包括以下步骤：

(1)检测过通元件的栅极电压与漏极电压，或者栅极电压与电源电压，得到过通元件的饱和度信息；

(2)如果所述饱和度信息显示过通元件即将脱离饱和工作区时，分流所述过通元件的漏极电流至误差放大器，降低漏极输出电压。

其中较优地，检测所述过通元件的栅极电压与电源电压，当所述栅极电压与电源电压之差达到设定值时，向所述过通元件的栅极充电以防止饱和度过低。

一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制电路，用于实现上述的功率控制方法，包括：线性稳压电路和动态电流源；其中，所述线性稳压模块还包括误差放大器102、反馈电路104和过通元件105；

所述误差放大器102是一个运算放大器，反相输入端连接外界提供的功率控制信号Vramp，同相输入端与反馈电路104一端相连，输出端103与过通元件105的栅极相连接；所述过通元件105的源极连接至电源端Vdd上，漏极106连接至反馈电路的另一端；反馈电路104的另一端与过通元件105的栅极相连接；

所述动态电流源201具有三端，第一端2011与误差放大器102的输出端103相连接，第二端2012与误差放大器102的同相输入端相连接，第三端2013连接至过通元件105的漏极或者电源端Vdd。

其中较优地，当所述功率控制信号Vramp较低或电源电压Vdd较大时，所述动态电流源201不工作，当所述功率控制信号Vramp逐渐升高大于设定值或电源电压Vdd降低到设定值时，即所述过通元件105的栅极降至设定的值时，所述动态电流源201导通进行工作。

其中较优地，所述动态电流源201由一个PMOS管202和一个NMOS管203组成；所述PMOS管202的栅极连接至所述误差放大器102的输出端103，漏极连接至所述误差放大器102的同相输入端，源极连接至过通元件105的漏极；所述NMOS管203的栅极和源极相连接，进一步连接至所述过通元件105的漏极，漏极连接至所述误差放大器102的同相输入端。

其中较优地，所述动态电流源201由第一PMOS管202、第二PMOS管204和一个NMOS管203组成；所述第一PMOS管202的栅极连接至所述误差放大器102的输出端103，漏极连接至所述误差放大器102的同相输入端，源极连接至所述NMOS管203的栅极和源极，进一步连接至所述第二PMOS管204的漏极；所述NMOS管203的漏极连接至所述误差放大器102的同相输入端；所述PMOS管204的栅极连接至过通元件105的栅极，源极连接至所述过通元件105的源极。

其中较优地，动态钳位器301的一端连接至电源端Vdd；另一端与所述误差放大器102的输出端103相连接。

其中较优地，所述功率控制信号Vramp较小时，所述误差放大器102的输出端103的电压较高，所述动态钳位器301不工作；所述功率控制信号Vramp超过设定值时，所述误差放大器102的输出端103的电压降低，所述动态钳位器301有电流通过，对所述过通元件105的栅极进行充电以防电压过度降低。

其中较优地，所述动态钳位器301可由一个或多个PMOS管串联构成，其中每一个PMOS管的栅极都连接至自身的漏极，上一个PMOS管的漏极连到下一个PMOS管的源极；

第一个PMOS管的源极连接至电源端Vdd，漏极与另一个PMOS管的源极相连接，依此类推，最后一个PMOS管的漏极连接至所述误差放大器102的输出端103。

与现有技术相比较，本发明采用简洁、巧妙的电路设计，可以减小输出电压的变化率，防止其较快接近电源电压，维持过通元件的饱和度，显著改善功率放大器的开关谱特性。本发明特别适合在低电源电压情况下使用。

附图说明

图1是用于实施本发明的线性稳压电路的示意图；

图2是本发明的一个实施例中，一种用于改善功率放大器开关谱特性的功率控制电路原理图；

图3是本发明的一个实施例中，采用第一种动态电流源的功率控制电路原理图；

图4是本发明的一个实施例中，采用第二种动态电流源的功率控制电路原理图；

图5是图2基础上增加动态钳位器的功率控制电路原理图；

图6是图3基础上增加动态钳位器的功率控制电路原理图；

图7是图4基础上增加动态钳位器的功率控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作进一步的说明。

如图1所示，用于实施本发明的线性稳压电路101包括误差放大器102、反馈电路104、过通元件105。误差放大器102是一个运算放大器，反相输入端连接外界提供的功率控制信号Vramp，同相输入端与反馈电路104一端相连，输出端103与过通元件105的栅极相连接；过通元件105的源极连接至电源端Vdd上，漏极106连接至反馈电路的另一端，同时还连接至一个或多个功率放大器的集电极，在图1中以负载表示。线性稳压电路101有两个输出：一个输出为过通元件105的漏极106，此处电压为Vcc；另一个输出为误差放大器的输出端103。由于线性稳压电路101的负反馈特性，过通元件105的漏极106处的电压Vcc响应于功率控制信号Vramp。线性稳压电路101的输出电压信号Vcc线性响应于功率控制信号Vramp，控制功率放大器的集电极，图1～4中用负载表示。过通元件105通常是PMOS管，同理，PMOS管也可采用NMOS管进行替代，再做稍微的调整即可。

众所周知，作为过通元件的PMOS管通常有两种工作状态：线性工作区和饱和工作区。当功率控制信号较小时，PMOS管处在饱和工作区。此时，整个线性稳压电路有较大的工作带宽，具有很强的稳压功能。当功率控制信号增大时，PMOS管逐渐脱离饱和工作区而进入线性区。此时***的带宽变窄，稳压功能减弱。PMOS处于何种工作状态，可以由PMOS管各端口电压的相对大小来确定。具体来说，如果

Vsg〈Vsd+|Vtp|   (1)

那么，PMOS管处在饱和区。反之，则在线性区。这里的Vsg是PMOS管的源极电压和栅电压之差，Vsd是源极电压和漏极电压之差。Vtp是PMOS管的阈值电压。当功率控制信号很大时，Vsg远远大于Vsd+|Vtp|，PMOS管处于深度线性区，其饱和度就很小，开关谱特性很差。

由于在线性稳压电路中，过通元件105的饱和度对于功率放大器的开关谱特性来说很关键。其饱和度越小，功率放大器的开关谱特性越差。因此，本发明中引入一个动态电流源以及一个动态钳位器来提高低电源电压下开关谱的性能。

图2所示是本发明提供的一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制电路，包括：线性稳压电路101、动态电流源201。其中，动态电流源201具有三端，第一端2011与误差放大器102的输出端103相连接，第二端2012与误差放大器102的同相输入端相连接，第三端2013连接至过通元件105的漏极106或者电源端。动态电流源201的作用是，当过通元件105的栅极电压降低时，过通元件105的漏极106会有很大的电流通过，此时电压Vcc会变得很大，引起电压Vcc的跃升，对整个电路***来说，此时的射频开关谱会增加高频噪声；当动态电流源201的第一端2011测得误差放大器102的输出端103电压瞬间降低时，此时动态电流源201导通，对过通元件105的漏极106的较大电流进行分流，通过电阻R1的电流会变小，使得电压Vcc降低，即瞬间变化会得到一定的缓解，从而改善电流或者电压的变化率，降低高频噪声。也就是说，实现了电压Vcc在接近电源电压Vdd的时候，降低其变化速率的目的。

动态电流源可以有几种实施方案。参见图3，第一种实施方案是由一个PMOS管202和一个NMOS管203组成。PMOS管202的栅极连接至误差放大器102的输出端103，漏极连接至误差放大器102的同相输入端，源极连接至过通元件105的漏极。NMOS管203的栅极和源极相连，进一步连接至过通元件105的漏极，其漏极连接至误差放大器102的同相输入端。

当功率控制信号较小时，过通元件105的栅极电压较高，此时有较小的电流通过漏极，即输出电压Vcc较低，PMOS管202和NMOS管不导通由于PMOS管栅极电压较高，有较小的电流通过；NMOS管由于电压较低，也有较小的电流通过，即动态电流源201有较小的电流通过，但是不影响其他电路的正常工作。也就是说，当Vramp较小时，动态电流源不导通。该电路不影响其他电路的正常工作。当Vramp超过一定的阈值，动态电流源导通，开始有电流流过；当功率控制信号逐渐增加的过程中，过通元件105的栅极电压逐渐降低，通过漏极的电流也逐渐增大，即输出电压Vcc逐渐升高；当过通元件105即将脱离饱和区时，其开关谱会恶化；此时PMOS管202的栅极电压较低，达到设计值，开始工作，并且输出电压Vcc也较高，会有较大电流通过PMOS管202；而NMOS管203的栅极电压较高，漏极电压即输出电压Vcc也较高，开始工作会有较大电流通过NMOS管203。由于Vcc＝Vramp*R1/R2+Vramp*R2/R2,即输出电压Vcc等于电阻R1的电压Vramp*R1/R2与电阻R2的电压Vramp*R2/R2之和，当动态电流源201工作时，由于动态电流源201的分流作用，流过电阻R1的电流会小于流过电阻R2的电流，因此，输出电压Vcc变小。即动态电流源201可以减小输出电压Vcc的变化率，防止其较快接近电源电压Vdd，维持过通元件105的饱和度，在一定程度上缓解功率放大器的开关谱恶化情况。

参见图4，动态电流源的第二种实施方案是由PMOS管202、PMOS管204和一个NMOS管203组成。PMOS管202的栅极连接至误差放大器102的输出端103，漏极连接至误差放大器102的同相输入端，源极连接至NMOS管203的栅极和源极，进一步连接至PMOS管204的漏极；NMOS管203漏极连接至误差放大器102的同相输入端；PMOS管204的栅极连接至过通元件105的栅极，源极连接至过通元件105的源极，也可连接至电源端。

第二种实施方案是在第一种实施方案的基础上增加了一个PMOS管204。当PMOS管204的栅极电压较低，并且电源电压Vdd也较低时，PMOS管204会有较大电流通过，使得PMOS管202和NMOS管203也同时工作。PMOS管204的主要作用是将电源电压Vdd变低，而功率控制信号Vramp又较大的情况检测出来，然后触发PMOS管202和NMOS管203工作。其他的工作过程与第一种实施方案相同，在此就不具体说明了。

为进一步优化本功率控制电路的实施效果，本发明还提供了一种动态钳位器，参见图5。动态钳位器301的一端与电源端连接，即一端为电源电压Vdd；另一端与误差放大器102的输出端103相连接。该动态钳位器301的作用是：防止过通元件105的栅极电压瞬间变得太低，一定程度上缓解功率控制信号Vramp的瞬时变大所带来的影响。

动态钳位器301可由一个或多个PMOS管构成，其中每一个管子的栅极都连接至其漏极，多个PMOS管进行串联，并且首个PMOS管的源极连接到电源电压Vdd，末尾的PMOS管的漏极连接到误差放大器102的输出端103。参见图6和图7，在本发明的一个实施例中，动态钳位器301包括两个PMOS管：PMOS管3011和PMOS管3012。PMOS管3011、PMOS管3012的栅极连接至自身漏极，PMOS管3011的源极连接电源端，其电压为电源电压Vdd；PMOS管3011的漏极连接至PMOS管3012的源极；PMOS管3012的漏极连接至误差放大器102的输出端103。

在功率控制信号Vramp较小时，误差放大器102的输出端103的电压较高，动态钳位器201不起作用，不影响基本电路的功能。在功率控制信号Vramp较大时，误差放大器102的输出端103的电压降低，使得动态钳位器201有电流通过，对过通元件105的栅极进行充电，防止其过度降低。

以上对本发明所提供的用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法及其电路进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)检测过通元件的栅极电压与漏极电压，或者栅极电压与电源电压，得到过通元件的饱和度信息；

(2)如果所述饱和度信息显示过通元件即将脱离饱和工作区时，分流所述过通元件的漏极电流至误差放大器，降低漏极输出电压。

2.如权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于进一步包括如下步骤：

检测所述过通元件的栅极电压与电源电压，

当所述栅极电压与电源电压之差达到设定值时，向所述过通元件的栅极充电以防止饱和度过低。

3.一种用于改善功率放大器开关谱的功率控制电路，用于实现权利要求1或2所述的功率控制方法，其特征在于包括：线性稳压电路和动态电流源；所述线性稳压模块还包括误差放大器(102)、反馈电路(104)和过通元件(105)；其中，

所述误差放大器(102)的反相输入端连接外界提供的功率控制信号(Vramp)，同相输入端与反馈电路(104)一端相连，输出端(103)与过通元件(105)的栅极相连接；过通元件(105)的源极连接至电源端(Vdd)上，漏极(106)连接至反馈电路的另一端；反馈电路(104)的另一端与过通元件(105)的栅极相连接；

所述动态电流源(201)具有三端，第一端(2011)与误差放大器102的输出端(103)相连接，第二端(2012)与误差放大器(102)的同相输入端相连接，第三端(2013)连接至过通元件(105)的漏极或者电源端(Vdd)。

4.如权利要求3所述的功率控制电路，其特征在于：

当所述功率控制信号(Vramp)较低或电源电压(Vdd)较大时，所述动态电流源(201)不工作，当所述功率控制信号(Vramp)逐渐升高大于设定值或电源电压(Vdd)降低到设定值时，即所述过通元件(105)的栅极降至设定的值时，所述动态电流源(201)导通进行工作。

5.如权利要求4所述的功率控制电路，其特征在于：

所述动态电流源(201)由一个PMOS管(202)和一个NMOS管(203)组成；所述PMOS管(202)的栅极连接至所述误差放大器(102)的输出端(103)，漏极连接至所述误差放大器(102)的同相输入端，源极连接至所述过通元件(105)的漏极；所述NMOS管(203)的栅极和源极相连接，进一步连接至所述过通元件(105)的漏极，漏极连接至所述误差放大器(102)的同相输入端。

6.如权利要求4所述的功率控制电路，其特征在于：

所述动态电流源(201)由第一PMOS管(202)、第二PMOS管(204)和一个NMOS管(203)组成；所述第一PMOS管(202)的栅极连接至所述误差放大器(202)的输出端(103)，漏极连接至所述误差放大器(102)的同相输入端，源极连接至所述NMOS管(203)的栅极和源极，进一步连接至所述第二PMOS管(204)的漏极；所述NMOS管(203)的漏极连接至所述误差放大器(102)的同相输入端；所述PMOS管(204)的栅极连接至过通元件(105)的栅极，源极连接至所述过通元件(105)的源极。

7.如权利要求5或6所述的功率控制电路，其特征在于还包括动态钳位器(301)；

所述动态钳位器(301)的一端连接至电源端(Vdd)；另一端与所述误差放大器(102)的输出端(103)相连接。

8.如权利要求7所述的功率控制电路，其特征在于：

所述功率控制信号(Vramp)较小时，所述误差放大器(102)的输出端(103)的电压较高，所述动态钳位器(301)不工作；所述功率控制信号(Vramp)超过设定值时，所述误差放大器(102)的输出端(103)的电压降低，所述动态钳位器(301)有电流通过，对所述过通元件(105)的栅极进行充电以防电压过度降低。

9.如权利要求7所述的功率控制电路，其特征在于：

所述动态钳位器(301)由一个或多个PMOS管串联构成，其中每一个PMOS管的栅极都连接至自身的漏极；

第一个PMOS管的源极连接至电源端(Vdd)，漏极与下一个PMOS管的源极相连接，依此类推，最后一个PMOS管的漏极连接至所述误差放大器(102)的输出端(103)。