CN112511109B - 功率放大电路以及无线发射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大电路以及无线发射设备。功率放大电路包括功率放大器、储能单元、开关管、电流采样电阻、差分放大器、电压比较器以及切换开关；功率放大器的栅极用于接收射频输入信号，并与储能单元的一端电连接；电流采样电阻的一端分别与功率放大器的第二端和差分放大器的第一输入端电连接，另一端分别与差分放大器的第二输入端和供电电源电连接；电压比较器的第一输入端与差分放大器的输出端电连接，第二输入端与切换开关的第一端连接，输出端与开关管的控制端连接。本发明通过差分放大器、电压比较器、储能单元、开关管以及切换开关的配合能够实现自动调节功率放大器的栅极电压，从而将功率放大器配置在最佳工作点。

Description

功率放大电路以及无线发射设备

技术领域

本发明涉及电子通信领域，特别涉及一种功率放大电路以及无线发射设备。

背景技术

功率放大器的最佳工作点是指，控制功率放大器的栅极电压，使功率放大器的输出功率、线性度以及工作效率达到最佳平衡时的漏极电流值，此漏极电流值即对应型号功率放大器的最佳工作点。通过读取功率放大器的漏极电流值，并判断漏极电流值是否在预定的最佳工作点门限范围内，如在预定的最佳工作点门限范围内，则说明功率放大器处于最佳工作点。

在以往寻找功率放大器的最佳工作点时，需要通过调节栅极电压来控制漏极电流的大小，并使漏极电流达到预定的门限范围。由于每个功率放大器都存在一定差异，所以其最佳工作点对应的栅极电压也各不相同。但是对于同一种型号的功率放大器，其最佳工作点对应的漏极电流的门限范围是相同的。另外，当外部环境温度变化时，功率放大器的内阻也会发生变化，导致功率放大器的漏极电流发生变化，从而偏移最佳工作点，所以需要增大或减小栅极电压使得功率放大器重新回到最佳工作点。

现有技术中，为了寻找每个功率放大器的最佳工作点，需要利用模拟数字转换器ADC读取漏极电流，利用数字模拟转换器DAC设置功率放大器的栅极电压，同时还需要FPGA等逻辑运算、控制电路，并且需要软件根据特定的算法来编写程序实现控制。这种寻找功率放大器最佳工作点的方法占用了过多的人力和物力，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中寻找功率放大器最佳工作点的方法存在成本高的缺陷，提供一种自动配置功率放大器最佳工作点的功率放大电路以及基站。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明的第一方面提供一种功率放大电路，包括功率放大器、储能单元、开关管、电流采样电阻、差分放大器、电压比较器以及切换开关；

所述功率放大器的栅极用于接收射频输入信号，并与所述储能单元的一端电连接；所述功率放大器的第一端接地；

所述电流采样电阻的一端分别与所述功率放大器的第二端和所述差分放大器的第一输入端电连接，另一端分别与所述差分放大器的第二输入端和供电电源电连接；

所述电压比较器的第一输入端与所述差分放大器的输出端电连接，第二输入端与所述切换开关的第一端连接，输出端与所述开关管的控制端连接，且用于控制所述开关管导通或关断；所述开关管的一端与所述储能单元的另一端电连接，另一端连接第三参考电源；

所述切换开关的第二端连接第一参考电源，第三端连接第二参考电源，其中，所述第一参考电源的电压为所述功率放大器处于最佳静态工作点时所述差分放大器的输出电压，所述第二参考电源的电压为所述功率放大器处于最佳工作点且为最大额定输出功率时所述差分放大器的输出电压；

在所述功率放大器的输出功率达到额定功率时，所述切换开关用于连通第一端和第三端，否则，所述切换开关用于连通第一端和第二端。

较佳地，所述功率放大器包括NMOS管，所述功率放大器的第一端为所述NMOS管的源极，第二端为所述NMOS管的漏极。

较佳地，所述储能单元包括第一电感、第一电容以及二极管，所述功率放大器的栅极分别与所述第一电感的一端以及所述第一电容的一端连接，所述第一电感的另一端分别与所述二极管的阴极以及所述开关管的一端连接，所述第一电容的另一端以及所述二极管的阳极均接地。

较佳地，所述开关管为MOS管或三极管。

较佳地，所述功率放大电路还包括第二电感和第二电容；

所述第二电感串联于所述功率放大器的栅极与所述储能单元之间，所述第二电容的一端用于接收射频输入信号，另一端与所述功率放大器的栅极电连接。

较佳地，所述功率放大电路还包括第三电感和第三电容；

所述第三电感串联于所述功率放大器的第二端与所述电流采样电阻之间，所述第三电容的一端与所述功率放大器的第二端电连接，另一端用于输出射频输出信号。

较佳地，所述功率放大电路还包括第四电容，一端与所述储能单元的一端连接，另一端接地。

较佳地，所述功率放大电路还包括第五电容，一端连接所述第三参考电源，另一端接地。

较佳地，所述第三参考电源的电压大于等于所述功率放大器处于最佳工作点对应的最大栅极电压。

本发明的第二方面提供一种无线发射设备，包括第一方面所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于TDD(时分双工)工作模式，且达到发射的最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。

本发明的第三方面提供一种无线发射设备，包括第一方面所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于FDD(频分双工)工作模式，且达到最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。

本发明的积极进步效果在于：通过比较差分放大器输出的电压与第一参考电源或第二参考电源的电压，根据比较的结果控制开关管导通或关断。具体地，若开关管导通，则第三参考电源向储能单元储能，随着储能单元不断储能，功率放大器的栅极电压迅速上升。若开关管关断，则储能单元缓慢放能，随着储能单元不断放能，功率放大器的栅极电压逐渐下降。本发明通过差分放大器、电压比较器、储能单元、开关管以及切换开关的配合能够实现自动调节功率放大器的栅极电压，从而将功率放大器配置在最佳工作点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种功率放大电路的电路结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的一种差分放大器的电路图。

图3为本发明实施例1提供的一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。

图4为本发明实施例1提供的另一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。

图5为本发明实施例1提供的又一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供一种功率放大电路，内部电路结构如图1所示，包括功率放大器、储能单元、开关管、电流采样电阻Ra、差分放大器、电压比较器以及切换开关。

功率放大器的栅极用于接收射频输入信号RFin，并与储能单元的一端电连接；功率放大器的第一端接地。

电流采样电阻Ra的一端分别与功率放大器的第二端和差分放大器的第一输入端电连接，电流采样电阻Ra的另一端分别与差分放大器的第二输入端和供电电源VCC电连接。其中，功率放大器的第二端还用于输出射频输出信号RFout。需要说明的是，本实施例中的功率放大器用于将射频输入信号RFin的功率进行放大，从而得到射频输出信号RFout。

其中，功率放大器的漏极电流经过电流采样电阻Ra时，会在电流采样电阻Ra的两端产生电压差，差分放大器用于放大这个电压差。图2用于示出一种差分放大器的电路图。在图2所示的例子中，差分放大器第一输入端的电压为U1，第二输入端的电压为U2，R1＝R2，R3＝R4，则输出电压Uo＝(U2-U1)R4/R1。其中，电流采样电阻Ra上的压降为U2-U1，其放大倍数为R4/R1。具体实施中，可以通过选取不同阻值的R4和R1以达到需要的放大倍数。

电压比较器的第一输入端与差分放大器的输出端电连接，电压比较器的第二输入端与切换开关的第一端连接，电压比较器的输出端与开关管的控制端连接，且用于控制所述开关管导通或关断。开关管的一端与储能单元的另一端电连接，开关管的另一端连接第三参考电源VDD。

在可选的一种实施方式中，上述开关管为MOS管或三极管。在具体实施的一个例子中，上述开关管默认处于关断状态。

在可选的一种实施方式中，第三参考电源VDD的电压大于等于所述功率放大器处于最佳工作点对应的最大栅极电压。

在可选的一种实施方式中，第三参考电源VDD在供电电源VCC之后上电。

切换开关的第二端连接第一参考电源V1，切换开关的第三端连接第二参考电源V2。其中，第一参考电源V1的电压为所述功率放大器处于最佳静态工作点时差分放大器的输出电压，第二参考电源V2的电压为所述功率放大器处于最佳工作点且为最大额定输出功率时差分放大器的输出电压。

在具体实施中，切换开关可以为单刀双掷开关，也可以为开关芯片等。

在功率放大器的输出功率达到最大额定功率时，切换开关用于连通第一端和第三端，否则，切换开关用于连通第一端和第二端。

在具体实施的一个例子中，默认情况下切换开关连通第一端和第二端，即电压比较器的第二输入端连接第一参考电源V1。由无线发射设备控制功率放大器是否需要以最大额定功率输出，若功率放大器的输出功率需要达到最大额定功率，则向切换开关发送第一控制信号，以使得切换开关的第一端切换至与第三端连接。

本实施方式中，通过比较差分放大器输出的电压与第一参考电源或第二参考电源的电压，根据比较的结果控制开关管导通或关断。具体地，若开关管导通，则第三参考电源VDD向储能单元储能，随着储能单元不断储能，功率放大器的栅极电压迅速上升。若开关管关断，则储能单元缓慢放能，随着储能单元不断放能，功率放大器的栅极电压逐渐下降。本实施方式通过差分放大器、电压比较器、储能单元、开关管以及切换开关的配合能够实现自动调节功率放大器的栅极电压，从而将功率放大器配置在最佳工作点。

在可选的一种实施方式中，上述储能单元包括第一电感L1、第一电容C1以及二极管D1，所述功率放大器的栅极分别与第一电感L1的一端以及第一电容C1的一端连接，第一电感L1的另一端分别与二极管D1的阴极以及所述开关管的一端连接，第一电容C1的另一端以及二极管D1的阳极均接地。

在可选的一种实施方式中，上述功率放大电路还包括第二电感L2和第二电容C2。第二电感L2串联于所述功率放大器的栅极与所述储能单元之间，第二电容C2的一端用于接收射频输入信号，另一端与所述功率放大器的栅极电连接。本实施方式中，第二电感L2用于阻隔射频输入信号进入储能单元等电路，第二电容C2用于阻隔直流信号进入功率放大器。

在可选的一种实施方式中，上述功率放大电路还包括第三电感L3和第三电容C3。第三电感L3串联于所述功率放大器的第二端与采样电阻Ra之间，第三电容C3的一端与所述功率放大器的第二端电连接，第三电容C3的另一端用于输出射频输出信号RFout。本实施方式中，第三电感L3用于阻隔射频输出信号进入差分放大器等电路，第三电容C3用于阻隔直流信号从射频输出信号的输出端输出。

在可选的一种实施方式中，上述功率放大电路还包括第四电容C4，第四电容C4的一端与上述储能单元的一端连接，第四电容C4的另一端接地。本实施方式中，第四电容C4用于实现滤波功能，以减小功率放大器栅极电压上的电压波动。

在可选的另一种实施方式中，上述功率放大电路还包括第五电容C5，一端连接第三参考电源VDD，另一端接地。本实施方式中，第五电容C5用于实现滤波功能，以减小第三参考电源VDD的电压波动。

图3用于示出一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。在图3所示的例子中，开关管为NMOS管Q1，切换开关为单刀双掷开关K1。

在可选的一种实施方式中，功率放大器包括NMOS管Q3，上述功率放大器的第一端为NMOS管Q2的源极，上述功率放大器的第二端为NMOS管Q2的漏极。

在可选的其他实施方式中，除了NMOS管以外，功率放大器还可以为其他功率MOS管，例如LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)、GaAs HBT(砷化镓异质结双极晶体管)或者GAN HBT(氮化镓异质结双极晶体管)等。

图4用于示出另一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。

下面结合图4详细介绍一下本实施例功率放大器的工作原理。

假设NMOS管Q2在无射频信号输入时最佳静态工作点对应的漏极电流为α，在输出功率达到最大额定功率时最佳工作点对应的漏极电流为β。NMOS管Q2最佳工作点对应的栅极电压范围为δ_min～δ_max。差分放大器的放大倍数为20倍。那么，第一参考电源V1的电压值为Ra*α*20；第二参考电源V2的电压值为Ra*β*20。切换开关K1连通第一端与第二端，即Ve＝V1。第三参考电源VDD的电压值为δ_max。

在一个具体的例子中，供电电源VCC先上电，第三参考电源VDD后上电。在另一个具体的例子中，供电电源VCC和第三参考电源VDD同时上电，开关管Q1处于关断状态。

在上述两个例子中，供电电源VCC上电后，NMOS管Q2均没有栅极电压，因此NMOS管Q2没有导通，即没有漏极电流，所以差分放大器输出的电压Vb极低，电压比较器用于比较Vb和V1，当Vb＜V1时，电压比较器输出高电平，开关管Q1导通。开关管Q1导通后给第一电感L1和第一电容C1充能。随着第一电感L1和第一电容C1不断充能，NMOS管Q2的栅极电压不断上升，漏极电流也会不断上升，使得差分放大器输出的电压Vb也上升。

当Vb＞V1时，电压比较器输出低电平，开关管Q1关断，第一电感L1、第一电容C1以及二极管D1形成放电回路，NMOS管Q2的栅极电压不断下降，直至Vb＜V1，重复上述步骤。

在NMOS管Q2的输出功率达到最大额定功率时，切换开关K1用于连通第一端和第三端，即Ve＝V2。电压比较器用于比较Vb和V2。当Vb＜V2时，电压比较器输出高电平，开关管Q1导通。开关管Q1导通后给第一电感L1和第一电容C1充能。随着第一电感L1和第一电容C1不断充能，NMOS管Q2的栅极电压不断上升，漏极电流也会不断上升，使得差分放大器输出的电压Vb也上升。

当Vb＞V2时，电压比较器输出低电平，开关管Q1关断，第一电感L1、第一电容C1以及二极管D1形成放电回路，NMOS管Q2的栅极电压不断下降，直至Vb＜V2，重复上述步骤。

本实施方式提供的功率放大电路通过自动调节功率放大器即NMOS管Q2的栅极电压，能够使得功率放大器的漏极电流保持不变，从而工作在最佳工作点。另外，无论外部环境温度如何变化，本实施方式提供的功率放大电路也能够自动调节功率放大器即NMOS管Q2的栅极电压，使得漏极电流保持不变，从而达到温度补偿的目的。

在可选的另一种实施方式中，为了提升第三参考电源VDD到功率放大器栅极的电压效率，将上述储能元件中的二极管替换成MOS管或开关管。本实施方式中，由于MOS管或开关管没有导通压降，因此，电路的等效电阻会减小，从而使得第三参考电源VDD到功率放大器栅极的电压效率提升。

图5用于示出又一种具体的功率放大电路的电路结构示意图。

如图5所示，将上述实施方式中储能单元中的二极管D1替换为NMOS管Q3。其中，电压比较器的输出端通过反相器与NMOS管Q3的栅极连接，NMOS管Q3的源极接地，NMOS管Q3的漏极与第一电感L1的另一端连接。当电压比较器输出高电平时，NMOS管Q1导通，NMOS管Q2截止，给第一电容C1和第一电感L1充能。当电压比较器输出低电平时，NMOS管Q1截止，NMOS管Q2导通，第一电容C1、第一电感L1以及NMOS管Q2形成一个电流回路，用于释放储存的电能。

实施例2

本实施例提供一种无线发射设备，包括实施例1所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于TDD工作模式，且达到发射的最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。

实施例3

本实施例提供一种无线发射设备，包括实施例1所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于FDD工作模式，且达到最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率放大电路，其特征在于，包括功率放大器、储能单元、开关管、电流采样电阻、差分放大器、电压比较器以及切换开关；

所述功率放大器的栅极用于接收射频输入信号，并与所述储能单元的一端电连接；所述功率放大器的第一端接地；

所述电流采样电阻的一端分别与所述功率放大器的第二端和所述差分放大器的第一输入端电连接，另一端分别与所述差分放大器的第二输入端和供电电源电连接；

所述电压比较器的第一输入端与所述差分放大器的输出端电连接，第二输入端与所述切换开关的第一端连接，输出端与所述开关管的控制端连接，且用于控制所述开关管导通或关断；所述开关管的一端与所述储能单元的另一端电连接，另一端连接第三参考电源；

所述切换开关的第二端连接第一参考电源，第三端连接第二参考电源，其中，所述第一参考电源的电压为所述功率放大器处于最佳静态工作点时所述差分放大器的输出电压，所述第二参考电源的电压为所述功率放大器处于最佳工作点且为最大额定输出功率时所述差分放大器的输出电压；

在所述功率放大器的输出功率达到额定功率时，所述切换开关用于连通第一端和第三端，否则，所述切换开关用于连通第一端和第二端。

2.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大器包括NMOS管，所述功率放大器的第一端为所述NMOS管的源极，第二端为所述NMOS管的漏极。

3.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述储能单元包括第一电感、第一电容以及二极管，所述功率放大器的栅极分别与所述第一电感的一端以及所述第一电容的一端连接，所述第一电感的另一端分别与所述二极管的阴极以及所述开关管的一端连接，所述第一电容的另一端以及所述二极管的阳极均接地。

4.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述开关管为MOS管或三极管。

5.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路还包括第二电感和第二电容；

所述第二电感串联于所述功率放大器的栅极与所述储能单元之间，所述第二电容的一端用于接收射频输入信号，另一端与所述功率放大器的栅极电连接。

6.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路还包括第三电感和第三电容；

所述第三电感串联于所述功率放大器的第二端与所述电流采样电阻之间，所述第三电容的一端与所述功率放大器的第二端电连接，另一端用于输出射频输出信号。

7.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路还包括第四电容，一端与所述储能单元的一端连接，另一端接地；和/或，

所述功率放大电路还包括第五电容，一端连接所述第三参考电源，另一端接地。

8.如权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述第三参考电源的电压大于等于所述功率放大器处于最佳工作点对应的最大栅极电压。

9.一种无线发射设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于TDD工作模式，且达到发射的最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。

10.一种无线发射设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的功率放大电路，所述无线发射设备被配置为：

若所述功率放大器处于FDD工作模式，且达到最大额定功率，则控制所述切换开关连通第一端和第三端，否则，控制所述切换开关连通第一端和第二端。