CN116366013A - 一种cmos功率放大及功率控制电路及控制方法 - Google Patents

一种cmos功率放大及功率控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种CMOS功率放大及功率控制电路及控制方法，包括功率控制电路、第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器分别与功率控制电路相连；功率控制电路接收控制芯片输出电压后为第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器提供偏置信号；所述第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器依次相连，第一功率放大器和第二功率放大器为驱动级，驱动第三功率放大器输出射频输出信号。本发明采用功率控制电路为功率放大电路中的三级功率放大器提供偏置信号，实现良好的功率控制的情况下，省去了较大尺寸的低压线性稳压器，降低了控制芯片的制造成本。

Description

一种CMOS功率放大及功率控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及种功率放大器设计领域，特别是涉及CMOS功率放大及功率控制电路及控制方法。
背景技术
应用于2G通信的射频功率放大器需要精准和实时的功率控制。为实现功率控制，传统的功率放大器会采用一个输出电压随控制芯片输出电压Vramp线性变化的低压差线性稳压器来给功率放大器电路供电，如图1所示，第一功率放大器stage1、第二功率放大器stage2和第三功率放大器stage3依次相连后与低压差线性稳压器LDO相连，低压线性稳压器LDO为功率放大器提供足够的电流，由第三功率放大器stage3输出射频输出信号。
为了给功率放大器电路提供足够的电流，低压差线性稳压器的物理尺寸一般会比较大，使得控制芯片成本上升。且传统的功率放大器在输出失配的情况下，会发生射频输出信号的反射，从而使功率放大器内部器件承受过大的射频电压，导致器件击穿和控制芯片烧毁。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种采用多级放大器混合偏置的CMOS功率放大及功率控制电路及控制方法，摒弃了传统的低压差线性稳压器，降低了射频控制芯片的设计成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS功率放大及功率控制电路，包括：功率控制电路、第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；
所述第一功率放大器、所述第二功率放大器和所述第三功率放大器分别与所述功率控制电路相连；所述功率控制电路接收控制芯片输出的电压信号后为所述第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器提供偏置信号；
所述第一功率放大器、所述第二功率放大器和所述第三功率放大器依次相连，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器驱动所述第三功率放大器输出射频输出信号。
进一步的，所述第一功率放大器电路包括第一NMOS管、第一PMOS管和第一电阻；
射频输入信号与所述第一NMOS管的栅极、第一PMOS管的栅极和所述第一电阻的一端相连；所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极相连，并作为所述第一功率放大器的输出端，输出第二射频输出信号；所述第一NMOS管的源极接所述偏置信号；所述第一PMOS管的源极接地。
进一步的，所述第二功率放大器包括第二PMOS管、第一电感和第二电阻；
所述第二PMOS管的栅极接收所述第二射频信号，且与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端接所述偏置信号；所述第二PMOS管的漏极与所述第一电感的一端相连，并作为所述第二功率放大器的输出端，输出第三射频信号，所述第一电感的另一端与电源相连；所述第二PMOS管的源极接地。
进一步的，所述第三功率放大器包括第二电感、第三电阻、第三PMOS管和第四PMOS管；
所述第四PMOS管的栅极接收所述第三射频信号；所述第四PMOS管的栅极与所述第三电阻相连后接收所述偏置信号；所述第四PMOS管的漏极与所述第三PMOS管的源极相连，所述第四PMOS管的源极接地；所述第三PMOS管的栅极接第一固定偏置电压；所述第三PMOS管的漏极与所述第二电感的一端相连，并作为所述第三功率放大器的输出端，输出所述射频输出信号；所述第二电感的另一端接电源。
进一步的，所述第三功率放大器还包括第五PMOS管MP5；
所述第五PMOS管MP5的栅极接第二固定偏置电压；所述第五PMOS管MP5的源极与所述第四PMOS管的漏极相连；所述第五PMOS管MP5的漏极与所述第二电感的一端相连，并作为所述第三功率放大器的输出端，输出所述第四射频输出信号；所述第二电感的另一端接电源。
进一步的，还包括一幅度检测模块，所述幅度检测模块与所述第三功率放大器的输出端以及所述功率控制电路相连；所述幅度检测模块将所述第三功率放大器输出的所述第四射频信号与设定阈值进行对比，控制所述功率控制电路调整所述偏置信号的大小。
进一步的，所述幅度检测模块包括第六PMOS管、第一电容和第四电阻；
所述第六PMOS管的漏极与电源相连，所述第六PMOS管的栅极接收所述第四射频输出信号，所述第六PMOS管的源极通过所述第四电阻接地，并作为所述幅度检测模块的输出端，所述输出端输出模拟电压信号；所述第一电容的一端与所述输出端相连，另一端接地。
本发明还提供一种CMOS功率放大及功率控制方法，采用上述的CMOS功率放大及功率控制电路，包括如下步骤：
所述功率控制电路接收控制芯片输出的所述电压信号后为所述第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器提供所述偏置信号；
所述第一功率放大器控制所述第二功率放大器驱动所述第三功率放大器输出所述第四射频输出信号；
所述幅度检测模块将所述第三功率放大器输出的所述第四射频输出信号转化为模拟电压信号输入至所述功率控制电路，所述幅度检测模块内设有一阈值；当所述模拟电压信号超过所述设定阈值时，所述功率控制电路调整所述偏置信号的大小。
进一步的，所述功率控制电路为所述第一功率放大器提供偏置电压或偏置电流，为所述第二功率放大器提供偏置电压并为所述第三功率放大器提供偏置电流。
进一步的，所述设定阈值包括5V。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
本发明摈弃了传统的低压线性稳压器为功率放大器电路供电的方法，采用功率控制电路为功率放大电路中的三个功率放大器提供偏置信号，实现良好的功率控制的情况下，省去了较大尺寸的低压线性稳压器，降低了控制芯片的制造成本。
进一步的，本发明中设计的幅度检测模块可实时检测第三功率放大器输出的射频输出信号，若高于设定阈值，则会调整偏置信号降低第三功率放大器的输出信号幅度，避免因功率放大器输出幅度过大导致的器件击穿和控制芯片烧毁。
附图说明
图1为背景技术中传统功率放大电路的电路图；
图2为本发明实施例一中CMOS功率放大及功率控制电路的结构框图；
图3为本发明实施例一中第一功率放大器的结构示意图；
图4为本发明实施例一中第二功率放大器的结构示意图
图5为本发明实施例一中第三功率放大器的结构示意图；
图6为本发明实施例一中另一第三功率放大器的结构示意图；
图7为本发明实施例一中CMOS功率放大及功率控制电路的结构框图；
图8为本发明实施例一中幅度检测模块的结构示意图；
图9为本发明实施例二中射频功率放大器输出功率和控制芯片输出电压信号的关系示意图；
图10为本发明实施例二中电压信号与第一偏置电流的关系曲线图；
图11为本发明实施例二中电压信号与第一偏置电压和第二偏置电压的关系曲线图；
图12为本发明实施例二中电压信号与第二偏置电流的关系曲线图；
图13为本发明实施例二中控制芯片输出电压与功率放大器输出射频输出信号额度关系曲线图；
图14为本发明实施例一中另一CMOS功率放大及功率控制电路的结构框图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的一种CMOS功率放大及功率控制电路及控制方法，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种CMOS功率放大及功率控制电路，参考图2所示，包括功率控制电路Power control&Bias、第一功率放大器Stage1、第二功率放大器Stage2和第三功率放大器Stage3。
所述第一功率放大器Stage1、所述第二功率放大器Stage2和所述第三功率放大器Stage3分别与所述功率控制电路Power control&Bias相连；所述功率控制电路Powercontrol&Bias接收控制芯片输出的控制信号Vramp后为所述第一功率放大器Stage1、第二功率放大器Stage2和第三功率放大器Stage3提供偏置信号。
所述第一功率放大器Stage1、所述第二功率放大器Stage2和所述第三功率放大器Stage3依次相连，第一功率放大器Stage1接收射频输入信号RFIN，所述第一功率放大器Stage1和所述第二功率放大器Stage2驱动所述第三功率放大器Stage3输出射频输出信号RFOUT。
在本示例中，摈弃了传统的低压线性稳压器为功率放大器电路供电的方法，通过采用功率控制电路为功率放大电路中的三个功率放大器提供偏置信号，实现良好的功率控制的情况下，省去了较大尺寸的低压线性稳压器，降低了控制芯片的制造成本。
在一具体示例中，所述功率控制电路Power control&Bias为所述第一功率放大器Stage1和所述第三功率放大器Stage3提供偏置电流；所述功率控制电路Power control&Bias为所述第二功率放大器Stage2提供偏置电压。即，所述第一功率放大器Stage1和所述第三功率放大器Stage3分别接受第一偏置电流Ic1和第二偏置电流Ic2，所述第二功率放大器Stage2接受第二偏置电压Vc2。
优选的，请参考图14，所述功率控制电路Power control&Bias还可以为所述第一功率放大器Stage1提供第一偏置电压，即，可以通过采用两个所述第一功率放大器Stage1相互串联后再与所述第三功率放大器Stage3串联的方式保证所述第三功率放大器Stage3最终的输出功率达到预期目标。
由此可知，用功率控制电路Power control&Bias为功率放大电路中的三个功率放大器提供偏置信号，能够实现良好的功率控制与放大，不仅如此，本实施例省去了较大尺寸的低压线性稳压器，降低了控制芯片的制造成本。
进一步的，所述第一功率放大器Stage1电路包括第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1和第一电阻R1。
具体的，请参考图3，射频输入信号ROUT与所述第一NMOS管MN1的栅极、第一PMOS管MP1的栅极和所述第一电阻的一端相连；所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管MN1的漏极和所述第一PMOS管MP1的漏极相连，并作为所述第一功率放大器Stage1的输出端，输出第二射频输出信号Vin2；所述第一NMOS管MN1的源极接所述第一偏置电流Ic；所述第一PMOS管MP1的源极接地。
此外，所述第一PMOS管MP1的源极还可以接第一偏置电压Vc。
进一步的，所述第二功率放大器Stage2包括第二PMOS管MN2、第一电感L1和第二电阻R2。
具体的，如图4所示，所述第二PMOS管MP2的栅极接收所述第二射频输出信号Vin2，且与所述第二电阻R2的一端相连，所述第二电阻R2的另一端接第二偏置电压Vc2；所述第二PMOS管MP2的漏极与所述第一电感L1的一端相连，并作为所述第二功率放大器Stage2的输出端，输出第三射频输出信号Vin3，所述第一电感L1的另一端与电源相连；所述第二PMOS管MP2的源极接地。
进一步的，所述第三功率放大器Stage3包括第二电感L2、第三电阻R3、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4。
具体的，请参考图5，所述第四PMOS管MP4的栅极接收所述第三射频输出信号Vin3；所述第四PMOS管MP4的栅极与所述第三电阻R3相连后接收所述第二偏置电流Ic2；所述第四PMOS管MP4的漏极与所述第三PMOS管MP3的源极相连，所述第四PMOS管MP4的源极接地；所述第三PMOS管MP3的栅极接第一固定偏置电压Vasc1；所述第三PMOS管MP3的漏极与所述第二电感L2的一端相连，并作为所述第三功率放大器Stage3的输出端，输出所述第四射频输出信号Vin4；所述第二电感L2的另一端接电源。
此外，所述第三功率放大器Stage3还可以是：包括第二电感L2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5；
具体的，请参考图6，所述第五PMOS管MP5的栅极接第二固定偏置电压Vcas2；所述第五PMOS管MP5的源极与所述第四PMOS管MP4的漏极相连；所述第五PMOS管MP5的漏极与所述第二电感L2的一端相连，并作为所述第三功率放大器Stage3的输出端，所述输出端输出第四射频输出信号Vin4；所述第二电感L2的另一端接电源。
进一步的，请参考图5与图6，第三偏置电压Vc3是由所述第二偏置电流Ic2产生的一偏置电压，所述第三偏置电压驱动所述第三功率放大器Stage1产生所述第四射频输出信号Vin4。
通过所述第一功率放大器Stage1、所述第二功率放大器Stage2和所述第三功率放大器Stage3内的PMOS管对射频输入信号Vin进行逐级放大，为控制芯片提供足够的功率。
进一步的，请参考图7，所述CMOS功率放大及功率控制电路Power control&Bias还包括一幅度检测模块PD，所述幅度检测模块PD与所述第三功率放大器Stage3的输出端以及所述功率控制电路Power control&Bias相连；所述幅度检测模块PD将所述第三功率放大器Stage3输出的所述第四射频输出信号Vin4与设定阈值进行对比，控制所述功率控制电路Power control&Bias调整所述偏置信号的大小，直到输出符合条件的所述射频输出信号ROUT。
在本示例中，请参考图8，所述幅度检测模块包括第六PMOS管MP6、第一电容C1和第四电阻R4。
所述第六PMOS管MP6的漏极与电源相连，所述第六PMOS管MP6的栅极接入所述第四射频输出信号Vin4，所述第六PMOS管MP6的源极通过所述第四电阻R4接地，并作为所述幅度检测模块PD的输出端，所述输出端输出模拟电压信号；所述第一电容C1的一端与所述输出端相连，另一端接地。
在一具体示例中，所述射频输出信号ROUT一般通过电容和电感组成的射频匹配网络与50欧姆负载相连。
通过幅度检测模块PD实时检测第三功率放大器Stage3输出的所述第四射频输出信号Vin4的幅度大小，若高于设定阈值，所述功率控制电路Power control&Bias则会调整偏置信号以降低第三功率放大器Stage3输出的所述第四射频信号Vin4的幅度，避免因功率放大器输出幅度过大导致的器件击穿和控制芯片烧毁。
实施例二
本实施例提供一种CMOS功率放大及功率控制方法，包括如下步骤：
所述功率控制电路Power control&Bias接收所述控制芯片SOC输出的所述电压信号Vramp后为所述第一功率放大器Stage1、第二功率放大器Stage2和第三功率放大器Stage3提供偏置信号。
所述第一功率放大器Stage1控制所述第二功率放大器Stage2驱动所述第三功率放大器Stage3输出第四射频输出信号Vin4。
所述幅度检测模块PD将所述第三功率放大器Stage3输出的所述第四射频输出信号Vin4转化为模拟电压信号输入至所述功率控制电路Power control&Bias，所述幅度检测模块PD内设有一阈值；当所述模拟电压信号超过所述设定阈值时，所述功率控制电路Powercontrol&Bias调整所述偏置信号的大小。
具体的，应用于2G通信的射频功率放大器需要精准和实时的功率控制，输出功率控制是由控制信号来实现的，所述控制信号是由所述控制芯片SOC输出的一电压信号Vramp，具体的，射频功率放大器的输出功率和所述控制信号Vramp的关系如图9所示。
此外，如图13所示，图12中三个点(Vcal，Pcal)、(Vrat，Prat)和(Vsat，Psat)分别对应校准功率、额定功率和饱和功率。所述控制芯片SOC会根据图9进行***校准，从而精确控制输出功率。
在本示例中，所述第一功率放大器Stage1、所述第二功率放大器Stage2和所述第三功率放大器Stage3依次相连；所述功率控制电路Power control&Bias为所述第一功率放大器Stage1和所述第三功率放大器Stage3提供偏置电流；所述功率控制电路Powercontrol&Bias为所述第二功率放大器Stage2提供偏置电压。
优选的，所述功率控制电路Power control&Bias还可以为所述第一功率放大器Stage1提供偏置电压。
具体的，所述偏置信号与所述控制芯片SOC输出的所述电压信号Vramp之间的关系如图10、11和12所示，所述偏置电压和所述偏置电流在V_offset点后，随着控制芯片SOC输入电压Vramp的增加呈现出线性放大的趋势。通过上述具体实施例所述的控制方式可以保证所述第三功率放大器Stage3最终的输出功率与所述控制芯片SOC输出电压呈如图12所示的曲线关系。
在一具体实施例中，所述设定阈值为5V。需要说明的是，所述阈值并不限于此，本领域技术人员可以根据实际需求，进行灵活调整。
进一步的，所述功率控制电路Power control&Bias和所述幅度检测模块PD构成反馈回路，所述幅度检测模块PD把所述第三功率放大器Stage3输出的第四射频输出信号Vin4转换为模拟电压信号并输入至所述功率控制电路Power control&Bias中。在所述功率控制电路Power control&Bias检测到所述第四射频输出信号Vin4的幅度超过某个阈值时，此模块会自动调整偏置信号的偏置量，从而降低所述第四射频输出信号Vin4的幅度，得到理想的射频输出信号VOUT，避免因功率放大器输出幅度过大导致的器件击穿和控制芯片SOC烧毁。
综上所述，本实施例摈弃了传统的低压线性稳压器为功率放大器电路供电的方法，采用功率控制电路Power control&Bias为功率放大电路中的三个功率放大器提供偏置信号，实现良好的功率控制的情况下，省去了较大尺寸的低压线性稳压器，降低了控制芯片SOC的制造成本。
进一步的，本示例中设计的幅度检测模块可实时检测第三功率放大器Stage3输出的第四射频输出信号Vin4，若高于设定阈值，则会调整偏置信号降低第三功率放大器Stage3的输出信号幅度，避免因功率放大器输出幅度过大导致的器件击穿和控制芯片烧毁。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，包括功率控制电路、第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器；
所述第一功率放大器、所述第二功率放大器和所述第三功率放大器分别与所述功率控制电路相连；所述功率控制电路接收控制芯片输出的电压信号后为所述第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器提供偏置信号；
所述第一功率放大器、所述第二功率放大器和所述第三功率放大器依次相连，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器驱动所述第三功率放大器输出射频输出信号。
2.如权利要求1所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，所述第一功率放大器电路包括第一NMOS管、第一PMOS管和第一电阻；
射频输入信号与所述第一NMOS管的栅极、第一PMOS管的栅极和所述第一电阻的一端相连；所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极相连，并作为所述第一功率放大器的输出端，输出第二射频输出信号；所述第一NMOS管的源极接所述偏置信号；所述第一PMOS管的源极接地。
3.如权利要求2所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，所述第二功率放大器包括第二PMOS管、第一电感和第二电阻；
所述第二PMOS管的栅极接收所述第二射频信号，且与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端接所述偏置信号；所述第二PMOS管的漏极与所述第一电感的一端相连，并作为所述第二功率放大器的输出端，输出第三射频信号，所述第一电感的另一端与电源相连；所述第二PMOS管的源极接地。
4.如权利要求3所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，所述第三功率放大器包括第二电感、第三电阻、第三PMOS管和第四PMOS管；
所述第四PMOS管的栅极接收所述第三射频信号；所述第四PMOS管的栅极与所述第三电阻相连后接收所述偏置信号；所述第四PMOS管的漏极与所述第三PMOS管的源极相连，所述第四PMOS管的源极接地；所述第三PMOS管的栅极接第一固定偏置电压；所述第三PMOS管的漏极与所述第二电感的一端相连，并作为所述第三功率放大器的输出端，输出第四射频输出信号；所述第二电感的另一端接电源。
5.如权利要求4所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，所述第三功率放大器还包括第五PMOS管MP5；
所述第五PMOS管MP5的栅极接第二固定偏置电压；所述第五PMOS管MP5的源极与所述第四PMOS管的漏极相连；所述第五PMOS管MP5的漏极与所述第二电感的一端相连，并作为所述第三功率放大器的输出端，输出所述第四射频输出信号；所述第二电感的另一端接电源。
6.如权利要求5所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，还包括一幅度检测模块，所述幅度检测模块与所述第三功率放大器的输出端以及所述功率控制电路相连；所述幅度检测模块将所述第三功率放大器输出的所述第四射频信号与设定阈值进行对比，控制所述功率控制电路调整所述偏置信号的大小。
7.如权利要求6所述的CMOS功率放大及功率控制电路，其特征在于，所述幅度检测模块包括第六PMOS管、第一电容和第四电阻；
所述第六PMOS管的漏极与电源相连，所述第六PMOS管的栅极接收所述第四射频输出信号，所述第六PMOS管的源极通过所述第四电阻接地，并作为所述幅度检测模块的输出端，所述输出端输出模拟电压信号；所述第一电容的一端与所述输出端相连，另一端接地。
8.一种CMOS功率放大及功率控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中的任一CMOS功率放大及功率控制电路，包括如下步骤：
所述功率控制电路接收控制芯片输出的所述电压信号后为所述第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器提供所述偏置信号；
所述第一功率放大器控制所述第二功率放大器驱动所述第三功率放大器输出所述第四射频输出信号；
所述幅度检测模块将所述第三功率放大器输出的所述第四射频输出信号转化为模拟电压信号输入至所述功率控制电路，所述幅度检测模块内设有一阈值；当所述模拟电压信号超过所述设定阈值时，所述功率控制电路调整所述偏置信号的大小。
9.如权利要求8所述的CMOS功率放大及功率控制方法，其特征在于，所述功率控制电路为所述第一功率放大器提供偏置电压或偏置电流，为所述第二功率放大器提供偏置电压并为所述第三功率放大器提供偏置电流。
10.如权利要求8所述的CMOS功率放大及功率控制方法，其特征在于，所述设定阈值包括5V。
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