CN110855254B - 一种射频功率放大器、芯片及通信终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器、芯片及通信终端。该射频功率放大器包括功率放大电路、输出匹配电路、功率检测电路和偏置比较电路。通过功率检测电路检测主信号通路上的输出功率，并得到与该输出功率成正比的等效电压输入到偏置比较电路，通过偏置比较电路调整等效电压数值，并与控制电压进行比较，为功率放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，由此形成一个闭环回路，使射频功率放大器工作在增益以及输出功率在不同的功率等级下都能保持稳定状态。

Description

一种射频功率放大器、芯片及通信终端
技术领域
本发明涉及一种射频功率放大器，同时也涉及包括该射频功率放大器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于射频集成电路技术领域。
背景技术
射频功率放大器是无线通信应用中不可或缺的关键部件，用于将收发机输出的已调制射频信号进行功率放大，以满足无线通信所需的射频信号的功率要求。由于无线通信对性能的要求，射频功率放大器需要进行功率控制。并且，由于工艺的偏差会也会导致射频功率放大器的增益以及输出功率发生变化。
现有技术中，射频功率放大器的功率控制方法主要有以下两种：
第一种是基于闭环控制的功率控制方法。该功率控制方法主要通过控制射频功率放大器的输入功率，实现控制射频功率放大器最终的输出功率。此外，由于该功率控制方法采用同一个偏置电压产生满足需求的输出功率，导致当射频功率放大器所需的输出功率较小时，会使得射频功率放大器的电流出现余量，从而造成不必要的浪费。
另一种是基于开环控制的功率控制方法。该功率控制方法主要通过控制电压，实现控制射频功率放大器最终的输出功率。由于该功率控制方法无法获知控制电压控制射频功率放大器的输出功率的大小，使得控制电压无法精确控制射频功率放大电路的偏置电压，进而无法精确控制射频功率放大器的输出功率。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种射频功率放大器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述射频功率放大器的集成电路芯片及相应的通信终端。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种射频功率放大器，包括功率放大电路、输出匹配电路、功率检测电路和偏置比较电路；所述功率放大电路和所述输出匹配电路连接，构成所述射频功率放大器的主信号通路，所述功率检测电路的输入端与所述主信号通路上的某一节点连接，所述功率检测电路的输出端与所述偏置比较电路的输入端连接，所述偏置比较电路的输出端与所述功率放大电路的偏置端和/或集电极端连接；
通过所述功率检测电路检测所述主信号通路上的输出功率，并得到与所述输出功率成正比的等效电压，所述等效电压输入到所述偏置比较电路后，根据所述功率放大电路不同偏置端所需要的不同的偏置状态调整所述等效电压的数值，得到一个或多个分支等效电压；
每个所述分支等效电压分别与预先输入到所述偏置比较电路的控制电压进行比较，持续为所述功率放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，直到所述控制电压与所述射频功率放大器的输出功率等级相对应，以控制所述射频功率放大器在不同功率等级下的输出功率稳定。
其中较优地，所述功率检测电路包括耦合器和包络检波器，所述耦合器的输入端通过所述输出匹配电路与所述功率放大电路的输出端连接，所述耦合器的直通输出端与输出负载连接，所述耦合器的耦合输出端与所述包络检波器的输入端连接，所述包络检波器的输出端与偏置比较电路的输入端连接。
其中较优地，采用电容替代所述耦合器。
其中较优地，所述包络检波器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一二极管、第四电阻和第一电容；所述第一电阻与所述第二电阻连接在电源与地之间，所述第三电阻连接在所述第一二极管的正极与所述第一电阻和所述第二电阻的公共节点之间，所述第一二极管的负极通过所述第四电阻与所述第一电容的并联网络连接到地。
其中较优地，所述偏置比较电路包括N个低压差线性稳压器，N为正整数；每个所述低压差线性稳压器的输入端分别连接所述控制电压和所述功率检测电路，每个所述低压差线性稳压器的输出端连接所述功率放大电路的偏置端和/或集电极端。
其中较优地，每个所述低压差线性稳压器分别包括第五电阻、第六电阻、运算放大器、PMOS晶体管和第七电阻，所述第五电阻与所述第六电阻连接在第三节点与地之间，所述运算放大器的正相输入端和所述第五电阻与所述第六电阻之间的公共节点连接，所述运算放大器的反相输入端连接外部的基带电路，所述运算放大器的输出端连接所述PMOS晶体管的栅极，所述PMOS晶体管的源极连接到电源，所述PMOS晶体管的漏极通过所述第七电阻连接到地。
其中较优地，所述功率放大电路包括一级或多级放大电路及与每一级放大电路对应的偏置电路，每一级放大电路与对应的所述偏置电路连接。
其中较优地，所述主信号通路上的某一节点包括所述功率放大电路的任意一级放大电路、第一节点和第二节点。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，所述集成电路芯片中包括上述的射频功率放大器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，所述通信终端中包括上述的射频功率放大器。
本发明所提供的射频功率放大器通过功率检测电路检测主信号通路上的输出功率，并得到与该输出功率成正比的等效电压输入到偏置比较电路，通过偏置比较电路调整等效电压数值，并与控制电压进行比较，为功率放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，这样形成一个闭环回路，使射频功率放大器工作在增益以及输出功率在不同的功率等级下都能保持稳定状态。
附图说明
图1为本发明所提供的射频功率放大器的电路框图；
图2为采用由包络检波器和耦合器组成的功率检测电路的射频功率放大器的电路框图；
图3为本发明所提供的射频功率放大器中，包络检波器的电路原理图；
图4为本发明所提供的射频功率放大器中，包络检波器的输入功率与输出直流电压的关系图；
图5为本发明所提供的射频功率放大器中，偏置比较电路的电路原理图；
图6为采用两级放大电路的射频功率放大器的电路原理图1；
图7为采用两级放大电路的射频功率放大器的电路原理图2；
图8为本发明所提供的射频功率放大器中，功率放大电路的集电极电压与输出功率的关系。
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做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所提供的射频功率放大器包括功率放大电路5、输出匹配电路2、功率检测电路3和偏置比较电路4；功率放大电路5、输出匹配电路2及输出负载9依次连接，构成射频功率放大器的主信号通路，实现对输入射频信号的放大以满足与基站通信所需要的功率；功率检测电路3的输入端与主信号通路上的某一节点(如图1所示的位于功率放大电路5与输出匹配电路2之间的第一节点7和输出匹配电路2与输出负载9之间的第二节点8)连接，功率检测电路3的输出端与偏置比较电路4的输入端连接，偏置比较电路4的输出端与功率放大电路5的偏置端和/或集电极端连接。
通过功率检测电路3检测主信号通路上的功率，并得到与主信号通路功率成正比的等效电压，该等效电压输入到偏置比较电路4后，根据功率放大电路5不同偏置端所需要的不同的偏置状态调整等效电压的数值，得到一个或多个分支等效电压；每个分支等效电压分别与外部的基带电路预先输入到偏置比较电路4的控制电压1进行比较，持续为功率放大电路5产生与控制电压，分支等效电压电压差值成反向变化的偏置电压6和/或集电极电压，直到所产生的偏置电压和/或集电极电压使得相应的分支等效电压与控制电压相等，进而使得控制电压与射频功率放大器的输出功率等级相对应，以控制射频功率放大器在不同功率等级下的输出功率稳定。
需要说明的是，外部的基带电路预先输入到偏置比较电路4的控制电压与射频功率放大器的输出功率等级相对应，即一个输出功率等级对应于一个控制电压。在基带电路中预设设置了多个与射频功率放大器的输出功率等级相对应的控制电压。基带电路为射频功率放大器提供的控制电压的数值根据通信终端(如手机)与基站进行交互信息时实际所需的输出功率而定。即通过设置不同的控制电压可以使得射频功率放大器得到不同的输出功率。例如，假设手机与基站进行通信，此时如果手机距离基站较近，那么手机与基站进行交互信息时需要的输出功率就会比较小，基站会将与手机进行交互信息时所需的输出功率反馈给手机，手机就会通过基带电路向其射频功率放大器提供与所需的输出功率等级对应的控制电压。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，功率检测电路3包括耦合器31和包络检波器30。耦合器31的输入端通过输出匹配电路2与功率放大电路5的输出端连接，耦合器31的直通输出端8与输出负载9连接，耦合器31的耦合输出端32与包络检波器30的输入端连接，包络检波器30的输出端与偏置比较电路4的输入端连接。
耦合器31，用于检测功率放大电路5、输出匹配电路2及输出负载9构成的射频功率放大器的主信号通路上某一位置的输出功率并产生耦合功率。该耦合功率与射频功率放大器的输出功率具有一定的比例关系。例如，耦合器31检测的射频功率放大器的主信号通路上某一位置的输出功率并产生耦合功率是射频功率放大器的输出功率的百分之一。
由于将耦合器31连接到主信号通路上的第二节点8比第一节点7时对功率放大电路5的输出功率影响小，并且耦合器31在第二节点8位置检测到的功率更接近最终的输出功率；因此，优选将耦合器31连接到主信号通路上的第二节点8上，不仅保证对主信号通路的射频信号影响小，而且还使得功率检测电路3检测到的功率更接近放大电路最终的输出功率。其中，耦合器31的耦合系数一般大于20dB，使得在检测主信号通路上某一位置的输出功率的同时还能减小对功率放大电路5输出功率的损耗。
此外，还可以采用电容替代耦合器，实现检测射频功率放大器的主信号通路上某一位置的输出功率。
包络检波器30，用于接收耦合器31的耦合输出端32输出的耦合功率并得到与该耦合功率成正比的等效电压33。如图3所示，包络检波器30包括第一电阻307、第二电阻308、第三电阻310、第一二极管302、第四电阻304和第一电容305；第一电阻307与第二电阻308连接在电源与地之间，通过分压作用为第一二极管302提供偏置电压，第三电阻310连接在第一二极管302的正极301与第一电阻307和第二电阻308的公共节点309之间，用于为第一二极管302提供合适的偏置电流。第一二极管302的负极303通过第四电阻304与第一电容305的并联网络连接到地。第四电阻304作为第一二极管302的负载，为第一二极管302提供直流状态，同时为第一二极管302提供功率到电压的转换增益；第一电容305作为第一二极管302的滤波电容，用于得到第一二极管302输出电压的直流部分；通过第四电阻304和第一电容305可以将耦合器31输出的耦合功率转换成预设摆幅的等效电压，该等效电压与耦合功率成正比。其中，耦合器31输出的耦合功率通过电容306输入到第一二极管302的正极301。包络检波器30将耦合器31输出的耦合功率转换成预设摆幅的等效电压后，通过以第四电阻304和第一电容305之间的公共节点303作为包络检波器30的输出端输入到偏置比较电路4。如图4所示，当第一二极管302的正极301处的输入功率(耦合器31输出的耦合功率)从-15dBm变化到10dBm时，则第一二极管302的负极303处的直流电压(与耦合功率对应的预设摆幅的等效电压)从0.3V变化到1.35V。
如图5所示，在本发明的一个实施例中，偏置比较电路4包括N个低压差线性稳压器，N为正整数，N的取值由功率放大电路5实际所需的偏置电压和集电极电压的个数决定。每个低压差线性稳压器分别包括第五电阻402、第六电阻403、运算放大器406、PMOS晶体管408和第七电阻411。每个低压差线性稳压器各部分的连接关系及工作原理如下：第五电阻402与第六电阻403连接在第三节点401与地之间，用于根据功率放大电路5的工作状态，通过第五电阻402与第六电阻403的分压作用将功率检测电路3输出的等效电压进行特定比例的复制，得到一个分支等效电压；运算放大器406的正相输入端和第五电阻402与第六电阻403之间的公共节点404连接，用于通过公共节点404接收经第五电阻402与第六电阻403分压作用得到的分支等效电压；运算放大器406的反相输入端连接外部的基带电路，用于接收与射频功率放大器实际所需的输出功率等级对应的控制电压；运算放大器406的输出端连接PMOS晶体管408的栅极，PMOS晶体管408的源极409连接到电源，PMOS晶体管408的漏极410通过第七电阻411接到地。
偏置比较电路4的工作原理为，通过将功率检测电路3输出的与其检测的输出功率成正比的等效电压33输入到每个低压差线性稳压器的运算放大器406，每个低压差线性稳压器根据功率放大电路5的工作状态，通过第五电阻402与第六电阻403的分压作用将功率检测电路3输出的等效电压进行特定比例的复制，得到一个分支等效电压；运算放大器406将分支等效电压与预先输入到运算放大器406的反相输入端的控制电压1进行比较后，PMOS晶体管408的漏极410通过第七电阻411产生电压为功率放大电路5提供偏置电压和/或集电极电压。其中，第七电阻411的数值可以根据需要选用不同的值。
由于功率放大电路5包括一级或多级放大电路及与每一级放大电路对应的偏置电路；因此，每个低压差线性稳压器根据功率放大电路5的工作状态可以指的是，功率放大电路5的某一级放大电路的工作状态；即每个低压差线性稳压器根据功率放大电路5的某一级放大电路的工作状态，通过第五电阻402与第六电阻403的分压作用将功率检测电路3输出的等效电压进行特定比例的复制，得到一个分支等效电压；即每个低压差线性稳压器可以为功率放大电路5中对应的某一级放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，通过偏置电压或集电极电压控制对应的某一级放大电路的输出功率。那么，采用多个低压差线性稳压器可以为功率放大电路5中对应的多级放大电路提供偏置电压和/或集电极电压。
由于每个低压差线性稳压器分别与功率放大电路5、输出匹配电路2、功率检测电路3之间形成闭环控制，因此，每个低压差线性稳压器会持续收到功率检测电路3输出的等效电压，低压差线性稳压器会将每次收到的等效电压进行动态调整，得到分支等效电压，并将分支等效电压与控制电压比较后，为功率放大电路5中对应的某一级放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，直到每个低压差线性稳压器相应的分支等效电压与控制电压相等，进而使得控制电压与射频功率放大器的输出功率等级相对应，以控制射频功率放大器在不同功率等级下的输出功率稳定。
输出匹配电路2，用于实现与外部的天线之间的阻抗匹配，使得功率放大电路5能够将射频信号输入到天线，并通过天线将射频信号发射至基站。输出匹配电路2包括串联电感与并联电容，即在第一节点7和第二节点8之前连接电感，在第二节点8与地之间连接电容。
下面以功率放大电路5采用两级放大电路及与两级放大电路对应的偏置电路为例，并以检测第二节点8的输出功率，为功率放大电路5的某一级放大电路提供集电极电压，或者为每一级放大电路分别提供偏置电压和集电极电压为典型，对本发明所提供的射频功率放大器的工作原理及每一级放大电路及对应的偏置电路的结构进行说明。
如图6所示，功率放大电路5的第一级放大电路包括第一三极管502，第一三极管502的集电极连接到第一电感509的一端，第一电感509作为第一级放大电路的负载。第一电感509的另一端通过第二电容510连接到地，第二电容510作为第一级放大电路的旁路电容，从而使得第一电感509与第二电容510的公共端511可以视为交流地。第八电阻505的一端与第二三极管504的集电极连接到节点508，第八电阻505的另一端连接到第二三极管504的基极，并且第八电阻505的另一端还通过第二二极管506，第三二极管507连接到地。第二三极管504的发射极通过第九电阻503连接到第一三极管502的基极，为第一三极管502提供偏置电流。其中，第八电阻505、第二三极管504、第二二极管506，第三二极管507和第九电阻503组成与第一级放大电路对应的偏置电路。第一三极管502的集电极通过第三电容512连接到第三三极管513的基极，第一级放大电路通过电容501接收射频信号，并将该射频信号通过第三电容512输入到第二级放大电路。同样，第二电感520的一端连接到第三三极管513的集电极，作为第三三极管513的负载。第二电感520的另一端通过第四电容521连接到地，第四电容521作为第二级放大电路的旁路电容，使得第二电感520与第四电容521的公共端522可以视为交流地。第十电阻516的一端与第四三极管515的集电极连接到节点519，第十电阻516的另一端连接到第四三极管515的基极，并且通过第四二极管517，第五二极管518连接到地。第四三极管51的发射极通过第十一电阻514连接到第三三极管513的基极，为第三三极管513提供偏置电流。第三三极管513的集电极通过输出匹配电路2输出到输出负载。
功率检测电路3检测第二节点8的输出功率，并得到与该输出功率成正比的等效电压526，该等效电压526输入到偏置比较电路4，偏置比较电路4通过将等效电压526与预先输入到偏置比较电路4的控制电压1进行比较得到偏置电压529。偏置电压529连接到第二电感520与第四电容521之间的公共节点522，为第二级放大电路提供集电极电压。通过集电极电压控制功率放大电路的输出功率。
如图8所示，当偏置比较电路4为第二极放大电路提供的集电极电压从0.4V变化到3.4V时，功率放大电路的输出功率从11dBm变化到35dBm。因此，由图4和图8可知，通过设置不同的控制电压可以使功率放大电路得到不同的输出功率。
如图7所示，通过功率检测电路3检测第二节点8的输出功率，并得到与该输出功率成正比的等效电压526，该等效电压526分别输入到偏置比较电路4的4个低压差线性稳压器中，其中两个低压差线性稳压器根据功率放大电路5的第一级放大电路的工作状态调整等效电压的数值，得到两个分支等效电压，这两个低压差线性稳压器分别将相应的分支等效电压与控制电压进行个比较，通过节点508和节点511持续为第一级放大电路产生相应的偏置电压534和集电极电压533，直到所产生的偏置电压和集电极电压使得相应的分支等效电压与控制电压相等；另两个低压差线性稳压器根据功率放大电路5的第二级放大电路的工作状态调整等效电压的数值，也得到两个分支等效电压，这两个低压差线性稳压器分别将相应的分支等效电压分别与控制电压进行个比较，通过节点519和节点522持续为第二级放大电路产生相应的偏置电压532和集电极电压531，直到所产生的偏置电压和集电极电压使得相应的分支等效电压与控制电压相等。
本发明所提供的射频功率放大器通过功率检测电路检测主信号通路上的输出功率，并得到与该输出功率成正比的等效电压输入到偏置比较电路，通过偏置比较电路调整等效电压数值，并与控制电压进行比较，为功率放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，这样形成一个闭环回路，达到稳定控制功率放大电路的输出功率的目的。另外，通过检测主信号通路上的输出功率，调整各级放大电路的工作状态，从而抑制由工艺变化导致的射频功率放大器工作状态变化，同时可以减小输入功率的变化对射频功率放大器工作状态的影响，使射频功率放大器工作在增益以及输出功率在不同的功率等级下都能保持稳定状态。
本发明所提供的射频功率放大器还可以被用在集成电路芯片中。对于该集成电路芯片中的射频功率放大器的具体结构，在此就不再一一详述了。
另外，上述射频功率放大器还可以被用在通信终端中，作为射频集成电路的重要组成部分。这里所说的通信终端是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他射频集成电路应用的场合，例如通信基站等。
以上对本发明所提供的射频功率放大器、芯片及通信终端进行了详细的说明。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，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (9)

1.一种射频功率放大器，其特征在于包括功率放大电路、输出匹配电路、功率检测电路和偏置比较电路；其中，所述功率放大电路、所述输出匹配电路及输出负载依次连接，构成主信号通路；所述功率检测电路的输入端与所述主信号通路上的节点连接，所述功率检测电路的输出端与所述偏置比较电路的输入端连接，所述偏置比较电路的输出端与所述功率放大电路的偏置端和/或集电极端连接；
通过所述功率检测电路检测所述主信号通路上的输出功率，并得到与所述输出功率成正比的等效电压，所述等效电压输入到所述偏置比较电路后，根据所述功率放大电路不同偏置端所需要的不同的偏置状态调整所述等效电压的数值，得到一个或多个分支等效电压；
每个所述分支等效电压分别与预先输入到所述偏置比较电路的控制电压进行比较，持续为所述功率放大电路提供偏置电压和/或集电极电压，直到所述控制电压与所述射频功率放大器的输出功率等级相对应；
所述偏置比较电路包括N个低压差线性稳压器，其中N为正整数；每个所述低压差线性稳压器的输入端分别连接所述控制电压和所述功率检测电路，每个所述低压差线性稳压器的输出端连接所述功率放大电路的偏置端和/或集电极端。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述功率检测电路包括耦合器和包络检波器，所述耦合器的输入端通过所述输出匹配电路与所述功率放大电路的输出端连接，所述耦合器的直通输出端与输出负载连接，所述耦合器的耦合输出端与所述包络检波器的输入端连接，所述包络检波器的输出端与偏置比较电路的输入端连接。
3.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：
采用电容替代所述耦合器。
4.如权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述包络检波器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一二极管、第四电阻和第一电容；所述第一电阻与所述第二电阻连接在电源与地之间，所述第三电阻连接在所述第一二极管的正极与所述第一电阻和所述第二电阻的公共节点之间，所述第一二极管的负极通过所述第四电阻与所述第一电容的并联网络连接到地。
5.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：
每个所述低压差线性稳压器分别包括第五电阻、第六电阻、运算放大器、PMOS晶体管和第七电阻，所述第五电阻与所述第六电阻连接在第三节点与地之间，所述运算放大器的正相输入端和所述第五电阻与所述第六电阻之间的公共节点连接，所述运算放大器的反相输入端连接外部的基带电路，所述运算放大器的输出端连接所述PMOS晶体管的栅极，所述PMOS晶体管的源极连接到电源，所述PMOS晶体管的漏极通过所述第七电阻连接到地。
6.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述功率放大电路包括一级或多级放大电路及与每一级放大电路对应的偏置电路，每一级放大电路与对应的所述偏置电路连接。
7.如权利要求6所述的射频功率放大器，其特征在于：
所述主信号通路上的某一节点包括所述功率放大电路的任意一级放大电路、第一节点和第二节点。
8.一种集成电路芯片，其特征在于所述集成电路芯片中包括权利要求1～7中任意一项所述的射频功率放大器。
9.一种通信终端，其特征在于所述通信终端中包括权利要求1～7中任意一项所述的射频功率放大器。
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