用于增强的功率放大器正向功率检测的集成技术的制作方法

用于增强的功率放大器正向功率检测的集成技术的制作方法
【专利摘要】一种功率放大器，具有功率检测能力，其包括具有增益级的射频(RF)功率放大器，该增益级包括增益级输入、增益级输出、以及耦合在功率放大器的输入和输出之间的反馈环路。检测电路具有电耦合至增益级输入的第一检测电路输入以及具有检测电路输出。振幅控制电路和相位控制电路在增益级输出与第二检测电路输入之间串联地电耦合在一起。振幅控制电路和相位控制电路产生由第二检测电路输入接收的信号，以使检测电路能在检测电路输出处检测与功率放大器的正向功率输出成比例的信号，且检测电路对功率放大器输出负载不匹配不敏感。
【专利说明】用于增强的功率放大器正向功率检测的集成技术 发明领域
[0001] 本发明涉及增强功率放大器性能，尤其涉及改善由于环境导致的可变负载条件下 的正向功率检测。
[0002] 发明背景
[0003] 在所发射信号的功率量必需在指定范围内的环境中，使用许多功率放大器。例如， 类似联邦通信委员会（FCC)之类的联邦机关对无线LAN通信中所发射的信号所准许的功率 量有所限制。此类受控环境中包括功率放大器的电路中的功率检测对于确保所发射信号的 功率遵循FCC管制至关重要。
[0004] 功率放大器中的准确功率检测可能是具有挑战性的，特别是在功率放大器的输出 端上的负载条件随时间变化时尤其如此，诸如蜂窝电话的用户从建筑物外部移动到建筑物 内部时。功率放大器的性能在新的负载条件下变化，并且此性能变化必须被可靠地检测。检 测功率放大器中功率的现成方案会依赖既大又贵的印刷电路板（PCB)级定向耦合器。其他 现成方案依靠功率放大器的输出端的功率检测，这对检测正向功率造成了明显的变化量。 另一些其他现成方案依靠功率放大器的最末增益级的输入端的功率检测，但是此类布置受 到功率放大器设计与检测器之间的依存关系的影响，并且要求功率放大器设计考虑检测器 的设计参数，这限制了功率放大器能力。
[0005] 因此，存在对可集成在单片电路方案（诸如标准CMOS/BiCMOS或GaAs工艺）中的 功率放大器中的功率检测的改进的需要，其中该单片电路方案可独立于功率放大器设计参 数并且相对于功率放大器的性能提供自由度而不牺牲准确检测功率放大器的输出信号中 的功率的能力。 发明概要
[0006] 本发明的目的是提供适于改进功率放大器的正向功率检测的方法和设备结构。
[0007] 示例性功率放大器具有功率检测能力。此类设备和方法可包括射频（RF)功率放 大器，其具有增益级，该增益级包括增益级输入、增益级输出、以及耦合在功率放大器的输 入和输出之间的反馈环路。检测电路具有电耦合至增益级输入的第一检测电路输入以及检 测电路输出。振幅控制电路和相位控制电路在增益级输出与第二检测电路输入之间串联地 电耦合在一起。振幅控制电路和相位控制电路产生由第二检测电路输入接收的信号，以使 检测电路能在检测电路的输出处检测具有与功率放大器的正向功率输出成比例的功率的 信号。
[0008] 还公开了在耦合至功率放大器的检测电路中检测正向功率的方法。将第一振幅控 制电路串联地耦合至功率放大器的增益级的输入以产生经校正的输入信号。将第二振幅控 制电路和相位控制电路串联地耦合至功率放大器的增益级的输出以产生经校正的输出信 号。累加经校正的输入信号和经校正的输出信号以产生与功率放大器的正向功率输出成比 例的累加节点信号。累加节点信号被应用于检测电路以检测功率放大器的正向功率输出。
[0009] 根据参照附图开展的本发明的实施例的以下详细描述，本发明的上述和其他目 标、特征、和优点将变得显而易见。
[0010] 附图简述
[0011] 图1是在匹配功率条件下与功率放大器联用的现有技术功率检测电路。
[0012] 图2是在不匹配功率条件下图1中所示的现有技术功率检测电路。
[0013] 图3是在不匹配条件下具有外部定向耦合器的现有技术集成正向功率检测电路。
[0014] 图4是在不匹配条件下的现有技术集成正向功率检测电路，该集成正向功率检测 电路具有检测功率放大器的输出处的电压的检测电路。
[0015] 图5是在不匹配条件下的现有技术集成正向功率检测电路，该集成正向功率检测 电路具有检测功率放大器的最末增益级的输入处的电压的检测电路。
[0016] 图6是根据本发明的诸方面的集成正向功率检测器。
[0017] 图7是根据本发明的诸方面的集成正向功率检测器的另一实施例。
[0018] 图8是电耦合至第一振幅与相位控制电路和第二振幅与相位控制电路的示例累 加检测电路。
[0019] 图9是用于振幅与相位控制电路组合的示例电阻器与电容器调谐电路。
[0020] 图10是当所公开的功率检测器执行功率放大器的功率检测时对VWSR不敏感的正 向功率检测改进的图形表示。
[0021] 详细描述
[0022] 在不一定按比例的附图中，所公开系统和方法的类似或对应元素由相同附图标记 来标示。
[0023] 为了检测功率放大器，诸如Microsemi Corporation?所制造的LX5586和LX5588 集成前端模块中的那些功率放大器中的功率，所公开的电路和方法提供了一种集成功率检 测方案，该方案提供相对于功率放大器的设计自由度。所公开的带有集成功率检测器的功 率放大器使功率损耗最小化，具有平坦的频率响应、改善的方向性，能靠着功率放大器并独 立于功率放大器被集成，并且物理上较小以节省管芯面积。所公开的带有集成功率检测器 的功率放大器的所有这些特征改善了用于功率放大器的功率检测的尺寸和成本。本发明的 电路和方法对功率放大器的末级的输入和输出采样以准确地检测从功率放大器传送的信 号中的功率。
[0024] 图1-5示出了检测功率放大器中的功率的现有技术方案。图1和2分别示出了在 匹配和不匹配信号条件下具有定向耦合器102的现有技术功率放大器100,定向耦合器102 检测通过天线104从功率放大器100发射的信号的功率。在图1和2所示的现有技术功 率检测器中，定向耦合器102和天线104位于集成电路管芯或芯片106之外。在图1所示 的匹配条件下，电压驻波比（VSWR)为零。在图2所示的不匹配条件下，VSWR大于零。计算 VSWR是传输路径上最大和最小射频（RF)电压振幅之比。电压振幅的变化由非零的反射功 率（PMV)引起。此反向功率由于功率放大器的输出端的负载不匹配所引起，负载不匹配反 射正向功率回到功率放大器。
[0025] 匹配信号是具有等于被传递给负载（即，发射来自功率放大器的信号的天线）的 功率的正向功率P fwd 108的信号。在这些条件下，反射功率PMV 110为零。正向功率Pfwd 108是通过天线104从功率放大器100正被发射的信号的功率。反射功率P,ev 110是由于 关于天线104的负载匹配而正被反射回到放大器的功率。反射功率110在天线104返 回信号时产生，经常发生于在信号有可能被诸如金属盒、建筑物、车辆等对象反射的区域中 发射信号之时。
[0026] 图2示出了其中正向功率Pfwd 108不再等于传递给负载的功率的现有技术功率检 测方案。取决于不匹配的程度，一些量的功率被反射。在这些条件下，PMV不再为零。此类 不匹配条件导致传输路径中的电压振幅变化，并且使正向功率P fwd 108不再与来自功率放 大器输出的功率信号的电压振幅成比例。这种变化妨碍了基于电压检测的方案的准确功率 检测。不匹配的相位和振幅的变化使准确检测正向功率P fwd 108变得困难，因为集成检测 方案在电压域中最各易实现。
[0027] 在存在不匹配的情况下，系统中任何给定位置上的电压信号在相位和振幅上皆有 变化。图1和2中所示的现有技术检测器仅依靠采样输出电压，这使得此类方案本质上就 不准确，因为正向功率P fwd 108不再与来自功率放大器的输出信号的功率的电压振幅成比 例。
[0028] 图3示出了实现外部片上定向耦合器302的现有技术功率放大器，该定向耦合器 302检测全部在同一芯片306上的功率放大器300输出的正向功率P fwd304。定向耦合器302 所检测的信号的振幅和频率响应是该片上定向耦合器302的尺寸的正函数。随着定向耦合 器302的尺寸增长，该结构的损耗也增大并且该片上方案的面积成本也增大。定向耦合器 302的行为由信号波长规定，定向耦合器302可能经历频率响应与尺寸之间的显著折衷，这 转换为损耗。此外，这种现有技术的片上定向耦合器302与功率放大器300的行为密切联 系，这使得功率放大器300的设计复杂化并且损害了关于检测器的功率放大器性能或定向 奉禹合器性能。
[0029] 图4示出了带有功率检测器402的另一现有技术功率放大器400,其中定向耦合器 402位于功率放大器400所在的芯片404之外。图4所示的示例中来自功率放大器400的 功率在功率放大器400的输出处被检测。如上所述，反射功率P, ev 408与正向功率Pfwd 410 相互作用，从而使得功率放大器400输出端与不匹配之间的给定点上的电压振幅导致电压 振幅变化。功率放大器400输出处的电压检测产生恒定正向功率P fwd 410的明显变化量。
[0030] 图5示出带有位于同一芯片504上的功率检测器502的又一现有技术功率放大器 500。功率检测器502片上地检测功率放大器500的最末增益级506的输入处的功率，而不 需要如上文参考图1-4所述的现有技术示例中所示的定向耦合器。功率放大器500的最末 增益级506的输入对不匹配信号较不敏感，因为功率放大器的最末级中的晶体管具有负电 压增益和有限反向隔离，所以由于不匹配信号引起的VSWR的影响能够被消除。然而，检测 功率放大器的最末增益级的输入处的功率的检测器设计，诸如图5中所示的检测器502,受 到依赖于功率放大器设计的影响，控制功率放大器的最末增益级的输入处可见的相位和振 幅不匹配的能力下降、以及检测具有相对较低功率值的信号的能力下降。
[0031] 现在参照图6和7,根据本案的诸方面公开了具有功率检测器的两个功率放大器， 功率检测器检测从功率放大器输出的信号的功率。在图6中，功率放大器600和检测器602 两者皆位于同一芯片604上。功率放大器600可以是具有包括最末增益级606在内的多个 增益级的射频RF功率放大器。功率放大器600的最末增益级606具有输入和输出，并且在 功率放大器600的该输入和输出之间耦合有反馈环路608。检测器602包括检测电路610， 检测电路610具有电耦合至功率放大器600的最末增益级606输入的检测电路输入，检测 电路610还具有检测电路输出（图8示例中的840)。振幅控制电路612和相位控制电路 614被电耦合在最末增益级606输出与第二检测电路610输入之间。振幅控制电路612和 相位控制电路614串联地电耦合，并且在其他示例中它们的次序可以颠倒。振幅控制电路 612和相位控制电路614产生信号，该信号被第二检测电路610输入所接收以使得检测电路 610产生与功率放大器600的正向功率输出成比例的输出信号。
[0032] 图6所示的功率放大器600的检测电路610可以独立于功率放大器600设计参数， 这带来功率放大器600输出信号中对VSWR不敏感的正向功率检测。在功率放大器600的 最末增益级606的输入处被检测电路610输入所检测到的信号与已经由振幅控制电路612 和相位控制电路614针对振幅和相位信号不匹配进行了校正的输出信号在独立于功率放 大器600本质固有的性能特性的检测电路610中被累加。在此示例中，检测电路610与功 率放大器610分开地操作。
[0033] 图7示出了根据本发明的诸方面功率放大器700的另一实施例，该功率放大器700 具有功率检测器702,功率检测器702检测从功率放大器700输出的信号的功率。类似于图 6,功率放大器700和检测器702两者皆位于同一芯片704上。在此示例中，功率放大器700 的最末增益级706具有输入和输出，并且反馈环路708耦合在该输入与输出之间。检测器 702包括检测电路710,检测电路710具有电耦合至第一相位控制电路712和第一振幅控制 电路714的检测电路输入。第一相位控制电路712和第一振幅控制电路714的输入电耦合 至功率放大器700的最末增益级706的输入。
[0034] 检测电路710还包括电耦合至第二相位控制电路716和第二振幅控制电路718的 检测电路输出。第二相位控制电路716和第二振幅控制电路718的输出电耦合至功率放大 器700的最末增益级706的输出。第一和第二相位控制712、716与振幅控制电路714、718 的次序可以颠倒。按照上文参照图6描述的类似方式，第一相位和振幅控制电路712、714 产生的信号与第二相位和振幅控制电路716、718产生的信号在检测电路710中累加以产生 累加 RF信号。该累加 RF信号具有与功率放大器700的正向功率输出成比例的功率。
[0035] 在振幅控制电路714保持电耦合至最末增益级706输入时，相位控制电路712可 以被省略。如上所述，功率放大器的最末增益级具有输入和输出，并且反馈环路耦合在该输 入和输出之间。检测器包括检测电路，检测电路具有电耦合至第一振幅控制电路的检测电 路输入。该第一振幅控制电路的输入电耦合至功率放大器的最末增益级的输入。此检测电 路还包括电耦合至相位控制电路和第二振幅控制电路的检测电路输出，该相位控制电路和 第二振幅控制电路串联地电耦合在一起。该相位控制电路和第二振幅控制电路的输出电耦 合至功率放大器的最末增益级的输出。该相位控制电路和第二振幅控制电路的次序可以颠 倒。在此示例中，检测电路电耦合在第一振幅控制电路与组合的第二振幅控制电路及相位 控制电路之间。在上述任何示例功率放大器和检测器中，功率放大器输出的增益级输出或 信号输出呈现出大于零的VSWR。
[0036] 现在参照图8,公开了示例累加检测电路，其说明图7中所示的检测器。该累加检 测电路包括第一相位与振幅控制电路804、第二相位与振幅控制电路806、累加节点808、以 及检测电路810。该第一相位与振幅控制电路804的输入电耦合至功率放大器的最末增益 级的输入812。该第二相位与振幅控制电路的输出814电耦合至功率放大器的最末增益级 的输出。第一相位与振幅控制电路804包括电容器816、可变或可选阻隔电容器818、晶体 管820、以及电流源822。第二相位与振幅控制电路806包括两个电容器824、826、可变或可 选阻隔电容器828、以及可编程电阻器830。第一相位与振幅控制电路804的输出与第二相 位与振幅控制电路806的输入在检测电路810的累加节点808处被电耦合或累加在一起。 图8示出了累加节点808的示例，但是可以各种其他方式实现第一相位与振幅控制电路804 的输出和第二相位与振幅控制电路806的累加。
[0037] 图8所示的检测电路702包括整流器834,诸如二极管或能够将RF信号变换成DC 电压的任何其他电路元件、电流源836、以及电容器838。检测电路702的输出840与功率 放大器的RF信号输出成比例。检测电路创生与累加节点808处的RF信号的振幅成比例的 直流（DC)电压。检测电路702产生的该DC电压还与关联于从功率放大器输出的信号的功 率的电压成比例。由于该信号现在是低频信号，即DC信号，所以能将其准确地传达给RF传 输系统的其他元件。
[0038] 图9示出图8中所示的第二相位与振幅控制电路806的示例。阻隔电容器828包 括一系列三个电容器932、934、936及相应开关，它们根据哪些开关938、940、942被断开或 闭合而提供不同的电容器值。这三个电容器932、934、936并联地电耦合在一起。可编程电 阻器832包括一系列三个电阻器944、946、948及相应开关950、952、954,在一些示例中这 些开关可以是门控的FET。当所有电阻器开关950、952、954都断开时，总电阻等于所有三 个电阻器944、946、948的值的和。当所有电阻器开关950、952、954都闭合时，总电阻为线 电阻，而这三个电阻器944、946、948不为电路增添电阻。该可编程电阻器上的电阻可通过 断开和闭合开关950、952、954中的一个或更多个来按需变化。由于图9所示的相位与振幅 控制电路806的可编程的性质，可响应于功率放大器的输出信号的功率变化来对检测器编 程。例如，上文参照图6-8讨论的任何相位与振幅控制电路都可具有可编程组件，可响应于 功率放大器的输出信号的功率变化对这些可编程组件进行编程。
[0039] 图10示出了使用所公开的带有功率检测器的功率放大器进行正向功率检测的性 能改善的图形表示。对于每一幅图，沿X轴采样正向功率，而沿Y轴绘制恒定电压。每条线 表示具有3:1VSWR(不匹配的量）且具有可变相位（60度步长）的不同负载条件。第一幅 图1000示出了对正向功率的最终检测器响应，并且表示输入到功率放大器的最末增益级 的RF信号的振幅。第二幅图1002表不RF输出电压信号的振幅。输出电压信号对于相同 的正向功率具有比输入到功率放大器的最末增益级的RF信号的振幅和变化高得多的振幅 和更大的变化。
[0040] 第一幅图1000示出125mV的恒定RF振幅具有几近1. 9dB的正向功率变化，其表示 功率放大器的正向功率检测，在1004处是未用所公开的检测器而在1006处是采用了所公 开的检测器。单依靠检测功率放大器的最末增益级的输入处的RF振幅的检测器方案（诸 如图5所示的检测器）无法在此变化上有所改进。在对功率放大器使用了所公开的检测器 时，对于相同的RF振幅，最后检测器输出电压V DET[(I]的变化仅为1. 4dB。同样，第二幅图不出 了具有8dB正向功率变化的恒定RF输出电压，其中在1008处是未用所公开的检测器而在 1010是采用了所公开的检测器所测得的输出值。单依靠检测功率放大器的输出处的RF振 幅的检测器，诸如图4所示的检测器受到恒定正向功率的检测器电压过度变化的困扰。使 用所公开的检测器的功率放大器的功率检测相比于其他可能的方案提供了明显的性能优 势。
[0041] 还公开了在耦合至功率放大器的检测电路中检测正向功率的方法。此方法可包括 将第一振幅控制电路串联地耦合至功率放大器的增益级的输入以产生经校正的输入信号， 将第二振幅控制电路和第二相位控制电路串联地耦合至功率放大器的增益级的输出以产 生经校正的输出信号，累加该经校正的输入信号和经校正的输出信号以产生与功率放大器 的正向功率输出成比例的累加节点信号，以及将该累加节点信号应用于检测电路以检测正 向功率输出。在此示例中，累加节点信号可以是具有功率的RF信号。该方法还可包括产生 具有与累加节点信号功率成比例的功率的DC输出信号。此输出信号可具有大于零的VSWR。 如上所述，检测累加节点信号可独立于功率放大器的输出信号的VSWR变化来执行。
[0042] 已经在本发明的优选实施例中描述和说明了本发明的原理，但应当显而易见的 是，能在安排和细节方面修改本发明而不背离这样的原理。 申请人:要求保护落在所附权利 要求的精神和范围内的所有修改和变化。
【权利要求】
1. 一种具有功率检测的功率放大器，包括： 射频（RF)功率放大器，具有增益级，所述增益级包括增益级输入、增益级输出、以及耦 合在所述功率放大器的输入和输出之间的反馈环路； 检测电路，具有电耦合至所述增益级输入的第一检测电路输入以及具有检测电路输 出； 振幅控制电路和相位控制电路，在所述增益级输出与第二检测电路输入之间串联地电 奉禹合在一起； 其中，所述振幅控制电路和所述相位控制电路产生由所述第二检测电路输入接收的信 号，以使所述检测电路在所述检测电路的输出处检测具有与所述功率放大器的正向功率输 出成比例的功率的信号。
2. 如权利要求1所述的功率检测设备，其特征在于，所述振幅控制电路是第一振幅控 制电路，并且还包括串联地电耦合在所述第一检测电路输入与所述增益级输入之间的第二 振幅控制电路。
3. 如权利要求2所述的功率检测设备，其特征在于，所述相位控制电路是第一相位控 制电路，并且还包括串联地电耦合在所述第一振幅控制电路与所述第一检测电路输入之间 的第二相位控制电路。
4. 如权利要求3所述的功率检测设备，其特征在于，所述第一相位控制电路的输出与 所述第二相位控制电路的输出被累加以产生累加 RF信号。
5. 如权利要求1所述的功率检测设备，其特征在于，所述功率放大器的所述增益级输 出呈现大于1的电压驻波比（VSWR)。
6. 如权利要求1所述的功率检测设备，其特征在于，所述功率放大器、所述振幅控制电 路、所述相位控制电路、以及所述检测电路各自物理上一起位于集成电路管芯上。
7. -种在耦合至功率放大器的检测电路中检测正向功率的方法，包括： 将第一振幅控制电路串联地耦合至功率放大器的增益级的输入以产生经校正的输入 信号； 将第二振幅控制电路和第二相位控制电路串联地耦合至所述功率放大器的所述增益 级的输出以产生经校正的输出信号； 累加所述经校正的输入信号和所述经校正的输出信号以产生与所述功率放大器的正 向功率输出成比例的累加节点信号；以及 将所述累加节点信号应用于所述检测电路以检测所述正向功率输出。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述累加节点信号是具有功率的射频（RF) 信号，并且所述方法还包括产生具有与累加节点信号功率成比例的功率的直流（DC)输出 信号。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在所述增益级输入和所述第一振幅 控制电路之间将第一相位控制电路与所述第一振幅控制电路串联地耦合。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述功率放大器的输出信号具有大于1的 电压驻波比。
11. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，将第一振幅控制电路耦合至所述功率放大 器的所述增益级的输入、将所述第二振幅控制电路和所述第二相位控制电路耦合至所述功 率放大器的所述增益级的输出、以及累加所述经校正的输入信号和所述经校正的输出信号 与所述功率放大器的所述增益级的反馈环路并行地发生。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括独立于所述功率放大器的输出信 号的VSWR变化而检测所述累加节点信号。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，将第一振幅控制电路耦合至功率放大器 的增益级的输入、将第二振幅控制电路和第二相位控制电路耦合至所述功率放大器的所述 增益级的输出、以及累加所述经校正的输入信号和所述经校正的输出信号以产生累加节点 信号、以及检测所述累加节点信号全部在同一集成电路管芯上发生。
14. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括响应于所述功率放大器的输出信号 的功率变化对所述第一振幅控制电路、所述第二振幅控制电路、和所述第二相位控制电路 中的至少一者进行编程。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一振幅控制电路、所述第二振幅控 制电路、以及所述第二相位控制电路各自包括阻隔电容器。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，对所述第一振幅控制电路、所述第二振幅 控制电路、和所述第二相位控制电路中的至少一者进行编程包括调节所述阻隔电容器的电 容。
17. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测所述累加节点信号包括在检测电 路的输入处接收所述经校正的输入信号和所述经校正的输出信号。
【文档编号】H03F1/56GK104303416SQ201380025819
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】B·艾普莱特 申请人:美高森美公司