专利名称：一种射频功率放大器中提高功率控制精度的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种射频功率放大器中提高功率控制精度的电路。
背景技术：
在射频功率放大器(功放)特别是饱和功放中，需要功率控制电路来控制功放的输出功率。功率控制一般有两种方式，分别是集电极功率控制(
图1)和基极功率控制(图2)。集电极功率控制的一个原理图如图1所示，放大管Q为功率晶体管，在这里可以是BJT, GaAs, LDMOS等。射频输入信号通过隔直电容Cl连接到放大管Q的基极，放大管Q的基极还连接一个由基极偏置电路提供的固定的偏置电压vb。放大管Q的发射极通过阻抗Ze连接到地，Q的集电极通过阻抗Zc连接到LDO (线性稳压器)的输出Vcc，放大管Q的集电极还连接隔直电容C2。LDO根据功率控制电压Vramp来控制输出电压Vcc的大小，进而控制功放的饱和输出功率。集电极功率控制方式的优点是功率控制精度好，因为LDO的输出电压Vcc可以通过其输入控制电压Vramp来精确的控制。集电极功率控制的缺点是功率附加效率比较低，因为LDO的输入和输出之间存在一定的电压差，当输出功率较大时，LDO流过很大的电流其自身功耗比较大。如图2所示的基极功率控制的方法是通过控制功率放大器中放大管Q的基极偏置电压vb进而控制其偏置电流。当功率放大器需要较大的饱和功率时，通过提高基极偏置电压来增加偏置电流，其饱和输出功率也相应较大；当功率放大器需要较小的饱和功率时，通过减小基极偏置电压来增加偏置电流，其饱和输出功率也相应较小。基极功率控制的优点是具有较高的功率附加效率，与集电极功率控制相比，一方面避免了集电极控制中的LDO的功率损耗，另一方面在小输出功率时能够减小偏置电流。基极功率控制的主要缺点是在小功率输出时功率控制精度不高，由于放大管Q的偏置电流与基极偏置电压vb呈指数关系，在小输出功率时，偏置电流对vb的变化非常敏感，基极偏置电压由于温度电压等因素产生的微小偏差会使得饱和功率偏差很大。从以上的分析可以看出，单独采用集电极功率控制或基极功率控制难以同时实现高功率下的高效率和低功率下的高功率控制精度，因此难以达到最佳的性能。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是在饱和功放中同时实现在大输出功率下的高效率以及小功率下的高功率控制精度。为了解决上述问题本实用新型提供的方法是饱和功率放大器由两个最大输出功率不同并分别工作在大功率和小功率模式下的功放构成。其中大功率功放采用基极功率控制，在大功率下具有较高的效率；小功率功放采用集电极功率控制，在小输出功率下具有较好的功率控制精度。两个功放的输出通过一个带开关的匹配电路进行隔离和匹配并连接在一起。所述的开关匹配电路具有双重功能，在大功率模式下，小功率功放处于关断状态，开关匹配电路中的开关端口，并且其中的一个电容与小功率功放的集电极电感谐振，为大功率功放的集电极提供高阻抗，避免了小功率功放的阻抗影响大功率功放的阻抗匹配。在小功率模式下，小功率功放处于工作状态，由于小功率功放的输出阻抗较高，匹配的在负载阻抗也比较高，因此需要开关匹配网络将被输出阻抗匹配电路降低的阻抗转换到一个较高的阻抗，以实现最大功率传输。该小功率功放的匹配电路由LC构成，其中匹配电路中的一个一端连接到地的电容与小功率功放的扼流电感谐振，在小功放输出端的开关关闭时，匹配电路为大功率功放提供一个高阻抗，不影响大功率功放原有的阻抗匹配。前面所述的两个功放的工作切换控制是通过判决电路检测负载之前的耦合器的耦合端口的功率大小并控制两个功放的基极偏置来实现。所述的电路提高了射频功率放大器的功率控制精度和动态范围，并且在高输出功率时具有较高的效率。
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细的说明图1是通常的采用集电极功率控制的射频功率放大器图2是通常的采用基极功率控制的射频功率放大器图3是本实用新型中的功率放大器电路的原理图。图4是本实用新型中小功率功放的匹配电路图。图5是集电极功率控制方式的输出功率曲线。图6是基极功率控制方式的输出功率曲线。图7是本实用新型中的功率控制方式的输出功率曲线。图8是不同功率控制方式的功率附加效率曲线。
具体实施方式
在图3中，射频功率放大器中包括两个子功率放大器，其中一个大功率功放HPA的饱和输出功率较大，另一个小功率功放LPA的饱和输出功率较小。两个功率放大器的射频输入都接到功放的射频输入RFin。大功率功放HPA的集电极输出vcl通过扼流电感Lcl与电源VBAT相连，其功率控制由基极控制电压vcl完成。LPA采用集电极功率控制方式，其集电极输出电压vc2经过扼流电感Lc2连接到LDO的输出Vcc2，LPA的基极偏置电压vb2用于确定其偏置电流。LDO的输出还有一个并联到地的大电容用于稳定输出电压，并使LDO的输出成为一个射频低阻抗点。小功率功放LPA的输出vc2经过一个开关Si和匹配电路Tl与大功率功放HPA的输出vcl相连。开关Si在LPA工作，HPA关闭时导通，在LPA关闭，HPA工作是关断。其开通和关闭受判决电路Jl的控制，开关Si关断时能够隔离vc2与vcl，避免LPA对HPA的负载造成影响。HPA的输出vcl接匹配电路T2，T2的作用是将负载阻抗变换到一个比较小的阻抗与HPA的输出阻抗进行匹配。Τ2的另一端连接和耦合器DCl的输入端口。DCl的直通端口连接功放的负载，DCl的隔离端口接一 50欧姆的匹配电阻，DCl的耦合端口接判决电路Jl，Jl的作用是根据耦合器耦合端口的功率大小和功率控制输入Vramp来决定开启HPA或LPA。判决电路Jl的一路输出控制HPA的基极控制电路，Jl的另两路路输出控制LPA的基极偏置电压vb2和开关SI。[0020]当功放输出功率较大时，HPA开启，LPA关闭，由于开关SI断开，匹配电路TI在ΗΡΑ的输出端呈现一个高阻抗，不影响HPA的阻抗匹配。此时HPA为基极功率控制方式。当功放输出功率较小是，HPA关闭，LPA开启，开关SI打开，由于LPA输出功率小其输出阻抗较高，因此需要通过Tl将Τ2变换过来的较低的阻抗转换成一个较高的阻抗。匹配电路Tl的一种实现方式如图4所示。图4是匹配电路Tl的一种实现方式。Tl由串联的电感Lll和电容C12以及电容Cll构成。当功放工作在大功率模式时，Tl需要在VCl提供一个高阻抗。由于LC串联电路阻抗不高，因此需要Vx节点为高阻抗。首先Vx到vc2的开关SI断开为高阻抗，其次LDO的输出电压Vcc2由于有较大的输出电容C2因此可以看作射频的地。这样vx节点可以等效成由电感Lc2和电容Cll并联到地的电路。通过使Lc2和Cll谐振在电路的工作频率可以使它们的并联电路呈现高阻抗。这样便满足了 vcl点高输出阻抗的要求。当功放工作在小功率模式时，由LPA提供输出功率。由于图1中的阻抗匹配电路T2主要是为了匹配HPA，T2将负载阻抗变换到一个比较低的值，而LPA的输出功率小，其输出端需要的阻抗比HPA要高，这是通过Tl将vcl节点的阻抗往上变换来实现。在图3中，小功率工作是开关SI闭合可以等效成一个较小的电阻，由Cll，Lll, C12和Lc2构成的L型匹配电路能够将vcl节点的较低的阻抗变换到vx节点较高的输出阻抗，从而实现最佳的功率传输。图5显示了集电极功率控制的输出功率在不同温度，电压，工艺参数下的曲线，从图中可以看到，在不同的条件下，集电极功率控制的输出功率随控制信号的变动范围较小，说明集电极功率控制具有较高的精度。图6显示了基极功率控制的输出功率在不同温度，电压，工艺参数下的曲线，从图中可以看到，在不同的条件下，基极功率控制的输出功率在功率较大时，变动范围不大，但是在输出功率较小时，会变得非常分散甚至超过的系统的允许误差范围，因此输出功率较小是应用基极功率控制比较困难。图7显示了本实用新型的功率控制方法下，输出功率在不同温度，电压工艺参数下的曲线。该曲线在输出功率较大的情况下与基极控制方式的输出结果类似，在小功率下的功率控制曲线与集电极功 率控制的方式类似，因此避免了基极功率控制在小功率下的输出功率不容易准确控制的缺点。使得整个曲线随工艺，温度等参数的偏差在较小的范围内。图8显示基极功率控制，集电极功率控制，以及本实用新型中的功率控制方法的功率附加效率曲线。从图中可以看出，基极功率控制的效率始终高于集电极功率控制。本实用新型的功率控制方法在输出功率较大时，采用基极功率控制，其功率附加效率与基极功率控制相同；当功率减小并切换到集电极功率控制时，由于采用了小尺寸的放大管，其偏置电流降低，功率附加效率会比基极功率控制还要高。图8显示了本实用新型的功率控制方法在功率附加效率方面的优势。综上所述，本实用新型通过采用两个功率放大器分别工作在大功率和小功率模式下，能够同时利用利用大功率功放基极功率控制效率高的特点和小功率功放集电极功率控制精度高的特点。同时通过设计的开关匹配电路简化了两个功放的输出功率合并电路。本实用新型可以用做手机等通讯设备的射频功率放大器，尤其是在对效率和功率控制精度有较高要求的便携式设备中。
权利要求1.一种射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于由两个输出功率大小不同的功放构成，两个功放分别工作在大功率和小功率模式下，两个功放的输出经过一个带开关的匹配电路连接在一起，并通过输出匹配电路和耦合器输出到负载，通过检测耦合器的耦合端口的功率大小并控制两个功放的基极偏置来实现功率控制。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于功率放大器由两个功放组成,其中一个大功率功放工作在大功率模式下,其中的放大管尺寸较大，另一个小功率功放工作在小功率模式下，其中的放大管尺寸较小。
3.根据权利要求1所述的射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于大功率功放采用基极功率控制方式，小功率功放采用集电极功率控制方式。
4.根据权利要求1所述的射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于小功率功放的输出经过一开关和匹配电路后与大功率功放的输出直接相连，并通过输出匹配电路和耦合器连接到负载。
5.根据权利要求1所述的射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于用判决电路检测耦合器耦合端口的输出功率，并根据该功率大小来控制大功率功放和小功率功放的基极偏置。
6.根据权利要求1所述的射频功率放大器中提高功率控制精度的电路，其特征在于小功率功放的匹配电路由LC构成，其中匹配电路中的一个一端连接到地的电容与小功率功放的扼流电感谐振，在小功放输出端的开关关闭时，匹配电路为大功率功放提供一个高阻抗，不影响大功率功放原有的阻抗匹配。
专利摘要本实用新型公开了一种射频功率放大器中提高功率控制精度的电路。该电路由两个尺寸不同可提供不同最大输出功率的放大器构成。其中大功率放大器采用基极功率控制方式以提高在大功率输出时的效率，小功率功放采用集电极功率控制方式能够提高小功率输出时的功率控制精度。两个放大器的输出通过一个开关匹配电路连接在一起。两个功放的输出通过匹配电路和功率耦合器后输出到负载。耦合器的耦合端口检测功放输出功率大小并控制判决电路来控制两个功率放大器的工作切换。本实用新型通过采用集电极和基极功率控制既提高了大输出功率下的效率又提高了小输出功率时的功率控制精度。
文档编号H03F3/189GK202906841SQ20122028092
公开日2013年4月24日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者郭耀辉, 李阳, 奕江涛, 彭振飞 申请人:李阳