基于闭环功率控制的共源共栅射频功率放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种具有温度补偿功能和工艺偏差校正功能，可以提高射频功率放大器效率的基于闭环功率控制的共源共栅射频功率放大器及其功率控制方法。
【背景技术】
[0002]射频功率放大器是各种无线通信应用中不可或缺的关键部件，用于将收发信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。由于现代无线通讯对性能的要求，功率放大器需要进行功率控制，同时控制的精度需要达到±ldB。目前功率放大器的功率控制方法主要有以下几种:
1.基于功率放大器电源电压控制的功率控制:图1所示为一个典型的基于电源电压控制的射频功率放大器电路。射频功率放大器101把输入射频信号进行功率放大并输出到放大器的输出端口 RFout。射频功率放大器的供电电压端口连接到一个电源电压控制模块102。由于射频功率放大器的功率增益会随着它的电源电压减小而减小，在许多设计中会采用控制电源电压的方式控制射频功率放大器的功率增益并且最终控制放大器的输出功率。例如在许多GSM/EDGE手机射频功率放大器里，为了实现输出功率控制，一个电源电压控制模块会根据片外的功率控制信号调整射频功率放大器的电源电压。这种功率控制方式的优点是控制方式简便且可以达到很大的功率控制范围(>30dB)，但这一控制方式需要占用一部分电源电压从而降低了整个功率放大器的效率，而且这种功率控制并不是线性的，在电源电压高时，控制端的影响较小，在电源电压低时，控制端的影响较大。
[0003]2.基于功率放大器偏置电路控制的功率控制:图2所示为一个典型的基于功率放大器偏置电路控制的射频功率放大器电路，其功率控制是通过控制射频功率放大器的偏置电流或电压来完成的。射频功率放大器201的偏置电流会随着外界的控制电压或电流而变化，当射频功率放大器的偏置电流最大时，其输出功率最大，当偏置电流变小时，功率放大器的输出功率最小。这种控制方法的优点是简便高效，但是功率控制的动态范围较小。和基于功率放大器电源电压控制的功率控制一样，这种功率控制方法也不是线性的。
[0004]3.基于衰减器的功率控制:图3所示为一个基于衰减器功率控制的射频功率放大器电路，其功率控制是通过控制功率放大器301输出端级联的衰减器302的衰减量来实现输出功率的变化。这种功率控制方法可实现大动态范围的线性功率控制，结构简单；但是这种功率控制方法会牺牲功率放大系统的效率。
[0005]综上所述，上述3种方法虽然可以对功率放大器的功率控制，但是功率放大器功率控制的温度补偿较难实现，功率控制器会降低系统的综合效率。
【发明内容】
[0006]本发明目的是:提供一种基于闭环功率控制的共源共栅射频功率放大器，可以实现功率放大器功率控制的温度补偿和工艺偏差补偿。
[0007]本发明的技术方案是:
一种基于闭环功率控制的共源共栅射频功率放大器，包括至少一个由第一射频晶体管和第二射频晶体管组成的共源共栅晶体管对以及与之对应的由第三射频晶体管和第四射频晶体管组成的虚设共源共栅晶体管对，所述共源共栅晶体管对并联连接，所述第三射频晶体管和第四射频晶体管作为第一射频晶体管和第二射频晶体管的虚设晶体管；第一射频晶体管的栅极连接输入信号端，第一射频晶体管的栅极还与第三射频晶体管的栅极连接，第二射频晶体管的栅极与第四射频晶体管的栅极连接，第一射频晶体管的源极与第三射频晶体管的源极接地，第一射频晶体管的漏极连接第二射频晶体管的源极，第三射频晶体管的漏极连接第四射频晶体管的源极；第二射频晶体管的漏极通过扼流电感连接供电电压端，第四射频晶体管的漏极连接供电电压端，第二射频晶体管的漏极还连接输出信号端；第一去耦电容的一端与供电电压端连接，另一端接地；第一射频晶体管的栅极还连接第一偏置电路，第二射频晶体管的栅极还连接第一运算放大器的输出端，并连接第二去耦电容，第二去耦电容的另一端接地；所述第一偏置电路和第一运算放大器的同相输入端分别连接功率控制单元，所述第一运算放大器的反相输入端连接第三射频晶体管的漏极，所述功率控制单元具有至少一个用于调整第一偏置电路和第一运算放大器的输出偏置电压的输入控制信号端。
[0008]优选的，所述输入控制信号端连接系统控制器或者连接射频功率放大器输出检测处理电路的输出端。
[0009]优选的，所述第一运算放大器由至少两个GaAs pHEMT晶体管和片上电阻构成，所述第一运算放大器的输入和输出分别连接电平转换单元。
[0010]优选的，所述电平转换单元由至少四个GaAs pHEMT晶体管构成的二极管以及电阻构成，所述晶体管用于实现电平转换，所述电阻提供电平转换需要的电流。
[0011]优选的，所述第一射频晶体管、第二射频晶体管、第三射频晶体管、第四射频晶体管、扼流电感、第一去耦电容和第二去耦电容制作在GaAs E/D pHEMT工艺芯片上，由第一运算放大器、第一偏置电路、功率控制单元组成的功率控制电路制作在CMOS工艺芯片或SOI工艺芯片上，两颗芯片之间通过绑定线连接。
[0012]优选的，所述第一运算放大器包括由两个NMOS晶体管构成的输入级作为第一级放大，由两个PMOS晶体管作为负载和电流镜将双端输入转换成为单端信号，由PMOS晶体管和电流源构成的第二级放大，输入和输出端连接分别连接电平转换单元。
[0013]优选的，所述电平转换单元包括四个NMOS晶体管和两个电流源，所述晶体管用于实现电平转换，所述电流源提供电平转换所需的电流。
[0014]优选的，包括由第一射频晶体管和第二射频晶体管组成的第一共源共栅晶体管对，以及与之对应的由第五射频晶体管和第六射频晶体管组成的第一虚设共源共栅晶体管对，由第三射频晶体管和第四射频晶体管组成的第二共源共栅晶体管对，以及与之对应的由第七射频晶体管和第八射频晶体管组成的第二虚设共源共栅晶体管对，第一共源共栅晶体管对与第二共源共栅晶体管对并联连接，所述第五射频晶体管和第六射频晶体管作为第一射频晶体管和第二射频晶体管的虚设晶体管，所述第七射频晶体管和第八射频晶体管作为第三射频晶体管和第四射频晶体管的虚设晶体管；所述第一射频晶体管和第三射频晶体管的栅极通过隔直电容连接输入信号端，所述第一射频晶体管的栅极连接第一偏置电路，所述第三射频晶体管的栅极连接第二偏置电路，所述第二射频晶体管的栅极连接第一运算放大器的输出端，第四射频晶体管的栅极连接第二运算放大器的输出端，所述第一偏置电路、第二偏置电路、第一运算放大器和第二运算放大器的同相输入端分别连接功率控制单元，所述第一运算放大器的反相输入端连接第五射频晶体管的漏极，所述第二运算放大器的反相输入端连接第七射频晶体管的漏极，所述功率控制单元具有至少一个用于调整第一偏置电路、第二偏置电路、第一运算放大器和第二运算放大器的输出偏置电压的输入控制信号端。
[0015]本发明还公开了一种应用于本发明的基于闭环功率控制的共源共栅射频功率放大器的功率控制方法，包括以下步骤:
(1)通过调整运算放大器同相输入端的温度系数来调整射频功率放大器的温度特性，温度调整系数通过射频功率放大器的测试或仿真得到；
(2)测量与运算放大器连接的晶体管的栅极电压和源极电压，计算出晶体管的阈值电压，通过阈值电压调整运算放大器同相输入端电压来工艺偏差补偿；
(3)控制运算放大器反相输入端的电压等于功率控制器的要求电压。
[0016]优选的，在低输出功率等级时，输入控制信号端控制偏置电路和运算放大器的输出电压使得共源共栅晶体管对具有较高的偏置电压；在高输出功率等级时，输入控制信号端控制偏置电路和运算放大器使得共源共栅晶体管对具有较低的偏置电压。
[0017]本发明的优点是:
1.用一个具有高增益的闭环系统控制虚设晶体管的中间节点的电压等于功率控制器的要求电压。由于虚设共源共栅结构的晶体管和射频功率放大器的共源共栅结构的晶体管的直流状态是匹配的，运算放大器的输出控制信号可以保证共源共栅晶体管的中间节点的直流电压值等于虚设共源共栅晶体管的中间节点电压值。这样的处理极大的增强了控制电压对功率放大器输