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深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路

阅读:88发布:2024-02-12

专利汇可以提供深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 揭示了一种深AB类功率 放大器 的前馈式幅度线性化方法及 电路 ,所述方法包括如下步骤:将输入 信号 包络检测器 输出信号 转换为CMOS射频 功率放大器 PA偏置 电压 ,让偏置电压随着 输入信号 幅度升高而降低,从而用CMOS射频功率放大器PA偏置电压降低带来的增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚 阈值 区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益。本发明提出的PA偏置电压自动调整电路、深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,可以实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。,下面是深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路专利的具体信息内容。

1.一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,其特征在于,所述前馈式幅度线性化电路包括:
偏置电压产生电路,从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为偏置电压;从而能用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
2.根据权利要求1所述的前馈式幅度线性化电路,其特征在于:
所述偏置电压产生电路包括:
偏置电流控制电路,用以将包络检测器输出的和输入信号幅度平方成正比的电流从一固定电流Ib1中减去,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,从而用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益的目的;
偏置电压转换电路,用以将偏置电流控制电路产生的与信号幅度负相关的偏置电流转换为CMOS射频功率放大器PA的偏置电压。
3.根据权利要求1所述的前馈式幅度线性化电路,其特征在于:
所述偏置电压产生电路包括:电流镜电路、第一电流源Ib1、偏置电压生成电路;
所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大;
所述第一电流源用以生成第一固定电流,第一电流源连接电流镜电路;
所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
4.根据权利要求3所述的前馈式幅度线性化电路,其特征在于:
所述偏置电压产生电路还包括第二电流源Ib2、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源、偏置电压生成电路;
所述第二电流源用以生成第二固定电流,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流与第二电流源生成的第二固定电流隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
5.根据权利要求1所述的前馈式幅度线性化电路,其特征在于:
所述前馈式幅度线性化电路还包括包络检测电路,用以输出正比于输入信号包络平方的电流。
6.根据权利要求5所述的前馈式幅度线性化电路,其特征在于:
所述包络检测电路包括:平方器电路、高频分量滤除电路,所述高频分量滤除电路连接平方器电路;
所述平方器电路的输入为电压,输出为正比于输入电压平方的电流;
所述高频分量滤除电路用以将所述平方器电路输出的电流滤除高频分量,得到的输出电流正比于输入信号幅度的平方。
7.根据权利要求1所述的PA偏置电压自动调整电路,其特征在于:
所述偏置电压产生电路包括:电流镜电路、第一电流源Ib1、偏置电压生成电路;
所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大;
所述第一电流源Ib1用以生成第一固定电流,第一电流源Ib1连接电流镜电路;
所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
8.根据权利要求7所述的PA偏置电压自动调整电路,其特征在于:
所述偏置电压产生电路还包括第二电流源Ib2、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源Ib2、偏置电压生成电路;
所述第二电流源Ib2用以生成第二固定电流,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流与第二电流源生成的第二固定电流隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
9.根据权利要求1所述的PA偏置电压自动调整电路,其特征在于:
所述包络检测电路包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3;
所述偏置电压产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第一电流源Ib1、第二电流源Ib2;
所述第二电容C2的第二端分别连接第三电阻R3的第一端、第二MOS管M2的栅极,第三电容C3的第二端分别连接第二电阻R2的第一端、第一MOS管M1的栅极,第三电阻R3的第二端连接第二电阻R2的第二端;
所述第一MOS管M1的漏极分别连接第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的漏极、第一电阻R1的第一端;第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的源极分别接地;
所述第三MOS管的源极分别连接第四MOS管M4的源极、第一电流源Ib1的第一端、第二电流源Ib2的第一端;
所述第一电阻R1的第二端分别连接第一电容C1的第一端、第四MOS管M4的栅极;第一电容C1的第二端接地;
所述第四MOS管M4的漏极分别连接第五MOS管的漏极、第五MOS管的栅极、第六MOS管M6的栅极;第五MOS管的源极、第六MOS管M6的源极分别接地;
所述第一电流源Ib1的第二端分别连接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的源极;第二电流源Ib2的第二端连接第八MOS管M8的源极;
所述第七MOS管M7的栅极连接第八MOS管M8的栅极;第七MOS管M7的漏极分别连接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的栅极、第九MOS管M9的漏极;第九MOS管M9源极接地。
10.根据权利要求1所述的PA偏置电压自动调整电路,其特征在于:
设定偏置电压Vpb与第一MOS管M1、第二MOS管M2的阈值电压相近,则输出电流Ip近似为:
其中A为输入信号幅度,ω0为输入信号频率,K1,2与工艺和第一MOS管M1、第二MOS管M2的宽长比相关;
此电流通过带有低通滤波的电流镜后,滤除高频分量,得到的电流Ipd近似为固定偏置电流Ib1与Ipd相减,再与小固定偏置电流Ib2相加后灌入偏置电压产生晶体管M9产生偏置电压Vbias;Ib2用共栅管和电流相减电路隔开,以限制Vbias最低值,避免M9的漏端电流降为0,伤害PA的最大输出功率;故第九MOS管M9的漏端电流为
输出偏置电压为
其中K9与工艺和第九MOS管M9的宽长比相关,Vth9为第九MOS管M9的阈值电压;
随着输入信号幅度的增大,到达偏置管第九MOS管M9的电流越来越小,使得输出的偏置电压Vbias也逐渐减小,直到达到一个稳定值。
11.一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
包络检测器输出正比于输入信号包络平方的电流;
从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为CMOS射频功率放大器的偏置电压,该偏置电压随着输入信号幅度升高而降低;从而能用CMOS射频功率放大器PA偏置电压降低带来的增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
12.根据权利要求11所述的深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,其特征在于:
所述方法包括如下步骤:
设定偏置电压Vpb与第一MOS管M1、第二MOS管M2的阈值电压相近,则输出电流Ip近似为:
其中,A为输入信号幅度,ω0为输入信号角频率,K1,2与工艺和第一MOS管M1、第二MOS管M2的宽长比相关;
此电流通过带有低通滤波的电流镜后,滤除高频分量,得到的电流Ipd近似为固定偏置电流Ib1与Ipd相减,再与小固定偏置电流Ib2相加后灌入偏置电压产生第九MOS管M9产生偏置电压Vbias;Ib2用共栅管和电流相减电路隔开,以限制Vbias最低值,避免第九MOS管M9的漏端电流降为0,伤害PA的最大输出功率;故第九MOS管M9的漏端电流为:
输出偏置电压为:
其中K9与工艺和第九MOS管M9的宽长比相关,Vth9为第九MOS管M9的阈值电压。
随着输入信号幅度的增大,到达偏置管第九MOS管M9的电流越来越小,使得输出的偏置电压Vbias也逐渐减小,直到达到一个稳定值。

说明书全文

深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路技术领域,涉及一种CMOS射频功率放大器,尤其涉及一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法。

背景技术

[0002] CMOS射频功率放大器(PA)具有可片上集成的优点,但由于器件性能的限制,设计出高效率高性能的PA也是一项巨大的挑战。OFDM技术由于其信道利用率高,抗干扰等优势被大量运用在WLAN、LTE等协议中,但由于OFDM本身所固有的高峰值平均功率比(PAPR)的缺点,在发射端要求PA具有优秀的线性度,同时需要平均发射功率在峰值发射功率基础上充分回退,这会大大降低PA的发射效率。
[0003] 提高回退发射效率的一种方式是将PA偏置在深AB类状态,即在最大输出功率下PA的导通接近180°。比起A类偏置,这种偏置方式可以大大降低回退功率下的直流功耗,但也会导致PA的线性度变得很差。如图1(a)所示是PA功率管的输出电流与输入电压的关系,输出电流Iout和输入电压Vin近似满足
[0004]
[0005] 其中Vth为功率管的阈值电压,K与工艺和功率管的宽长比相关。
[0006] Vin-Iout增益为
[0007]
[0008] 当输入信号是电压幅度为A的正弦信号,偏置电压为Vb时,输入信号表达式为[0009] Vin=A·sin(ω0t)+Vb
[0010] 输出电流为
[0011]
[0012] 选择偏置电压Vb靠近阈值电压时,随着图1(b)中输入正弦电压幅度逐渐增大,输出电流先工作在Vin-Iout增益较小的区域,逐渐进入Vin-Iout增益较大的区域,信号也逐渐失真,如图1(c)所示。
[0013] 输出失真信号中与输入信号频率相同的分量即基频分量是PA真正关心的输出。图2显示了在不同幅度的正弦电压输入下PA从输入到输出的基频信号增益(AM-AM),虚线是不考虑输出电压电源电压限幅的增益,实线考虑了电源电压的限幅作用。当输入信号幅度由小变大,基频信号增益增大3dB以上,这会引入非常严重的非线性。要使用偏置在深AB类状态的PA,必须解决此非线性问题。
[0014] 数字预失真线性化技术
[0015] 请参阅图3,图3揭示一种解决的方式是使用数字预失真技术(DPD),经过数据训练得到PA的AM-AM失真形状,要发送的数据先通过DPD处理,相当于通过AM-AM的反函数,再通过PA,即可得到没有失真的输出信号。这种方法存在的问题一是较剧烈的DPD处理会降低DAC动态范围的利用率,二是当信号带宽较宽,PA的记忆效应有显著影响时,DPD处理的作用会大大降低。
[0016] 包络反馈线性化技术
[0017] 请参阅图4,图4揭示另一种方式是通过一个反馈环路调整PA的偏置电压,强行将PA的增益设置在固定值。如图4,PA的输出电压经过一个衰减器后进行包络检测,输出包络信号和输入包络信号进行对比,调整PA偏置使输出包络保持为输入包络的固定倍数,从而抑制AM-AM曲线的非线性。这种方式的问题是环路的稳定性很难保证,且能够实现的带宽有限。信号带宽越宽,环路带宽要求越宽,设计难度越大,稳定性也更难得到保证。
[0018] 有鉴于此,如今迫切需要设计一种新的PA偏置电压调整方式,以便克服现有调整方式存在的上述缺陷

发明内容

[0019] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种PA偏置电压自动调整电路,可实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。
[0020] 本发明提供一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,可实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。
[0021] 本发明提供一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,可实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。
[0022] 为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
[0023] 一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,所述前馈式幅度线性化电路包括:
[0024] 偏置电压产生电路,从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为偏置电压;从而能用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
[0025] 作为本发明的一种实施方式,所述偏置电压产生电路包括:
[0026] 偏置电流控制电路,用以将包络检测器输出的和输入信号幅度平方成正比的电流从一固定电流Ib1中减去,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,从而用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益的目的;
[0027] 偏置电压转换电路,用以将偏置电流控制电路产生的与信号幅度负相关的偏置电流转换为CMOS射频功率放大器PA的偏置电压。
[0028] 作为本发明的一种实施方式,所述偏置电压产生电路包括:电流镜电路、第一电流源Ib1、偏置电压生成电路;
[0029] 所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大;
[0030] 所述第一电流源用以生成第一固定电流,第一电流源连接电流镜电路;
[0031] 所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
[0032] 作为本发明的一种实施方式,所述偏置电压产生电路还包括第二电流源Ib2、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源、偏置电压生成电路;
[0033] 所述第二电流源用以生成第二固定电流,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流与第二电流源生成的第二固定电流隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
[0034] 作为本发明的一种实施方式,所述前馈式幅度线性化电路还包括包络检测电路,用以输出正比于输入信号包络平方的电流。
[0035] 作为本发明的一种实施方式,所述包络检测电路包括:平方器电路、高频分量滤除电路,所述高频分量滤除电路连接平方器电路;
[0036] 所述平方器电路的输入为电压,输出为正比于输入电压平方的电流;
[0037] 所述高频分量滤除电路用以将所述平方器电路输出的电流滤除高频分量,得到的输出电流正比于输入信号幅度的平方。
[0038] 作为本发明的一种实施方式,所述偏置电压产生电路包括:电流镜电路、第一电流源Ib1、偏置电压生成电路;
[0039] 所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大;
[0040] 所述第一电流源用以生成第一固定电流,第一电流源Ib1连接电流镜电路;
[0041] 所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源Ib1,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
[0042] 作为本发明的一种实施方式,所述偏置电压产生电路还包括第二电流源Ib2、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源Ib2、偏置电压生成电路;
[0043] 所述第二电流源Ib2用以生成第二固定电流,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流与第二电流源生成的第二固定电流隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
[0044] 作为本发明的一种实施方式,所述包络检测电路包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3;
[0045] 所述偏置电压产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第一电流源Ib1、第二电流源Ib2;
[0046] 所述第二电容C2的第二端分别连接第三电阻R3的第一端、第二MOS管M2的栅极,第三电容C3的第二端分别连接第二电阻R2的第一端、第一MOS管M1的栅极,第三电阻R3的第二端连接第二电阻R2的第二端;
[0047] 所述第一MOS管M1的漏极分别连接第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的漏极、第一电阻R1的第一端;第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的源极分别接地;
[0048] 所述第三MOS管的源极分别连接第四MOS管M4的源极、第一电流源Ib1的第一端、第二电流源Ib2的第一端;
[0049] 所述第一电阻R1的第二端分别连接第一电容C1的第一端、第四MOS管M4的栅极;第一电容C1的第二端接地;
[0050] 所述第四MOS管M4的漏极分别连接第五MOS管的漏极、第五MOS管的栅极、第六MOS管M6的栅极;第五MOS管的源极、第六MOS管M6的源极分别接地;
[0051] 所述第一电流源Ib1的第二端分别连接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的源极;第二电流源Ib2的第二端连接第八MOS管M8的源极;
[0052] 所述第七MOS管M7的栅极连接第八MOS管M8的栅极;第七MOS管M7的漏极分别连接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的栅极、第九MOS管M9的漏极;第九MOS管M9源极接地。
[0053] 作为本发明的一种实施方式,设定偏置电压Vpb与第一MOS管M1、第二MOS管M2的阈值电压相近,则输出电流Ip近似为:
[0054]
[0055] 其中A为输入信号幅度,ω0为输入信号角频率,K1,2与工艺和第一MOS管M1、第二MOS管M2的宽长比相关;
[0056] 此电流通过带有低通滤波的电流镜后,滤除高频分量,得到的电流Ipd近似为[0057]
[0058] 固定偏置电流Ib1与Ipd相减,再与小固定偏置电流Ib2相加后灌入偏置电压产生晶体管M9产生偏置电压Vbias;Ib2用共栅管和电流相减电路隔开,以限制Vbias最低值,避免M9的漏端电流降为0,伤害PA的最大输出功率;故第九MOS管M9的漏端电流为
[0059]
[0060] 输出偏置电压为
[0061]
[0062] 其中K9与工艺和第九MOS管M9的宽长比相关,Vth9为第九MOS管M9的阈值电压;
[0063] 随着输入信号幅度的增大,到达偏置管第九MOS管M9的电流越来越小,使得输出的偏置电压Vbias也逐渐减小,直到达到一个稳定值。
[0064] 一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,所述方法包括如下步骤:
[0065] 包络检测器输出正比于输入信号包络平方的电流;
[0066] 从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为CMOS射频功率放大器的偏置电压,该偏置电压随着输入信号幅度升高而降低;从而能用CMOS射频功率放大器PA偏置电压降低带来的增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
[0067] 作为本发明的一种实施方式,所述方法包括如下步骤:
[0068] 设定偏置电压Vpb与第一MOS管M1、第二MOS管M2的阈值电压相近,则输出电流Ip近似为:
[0069]
[0070] 其中A为输入信号幅度,ω0为输入信号角频率,K1,2与工艺和第一MOS管M1、第二MOS管M2的宽长比相关;
[0071] 此电流通过带有低通滤波的电流镜后,滤除高频分量,得到的电流Ipd近似为[0072]
[0073] 固定偏置电流Ib1与Ipd相减,再与小固定偏置电流Ib2相加后灌入偏置电压产生第九MOS管M9产生偏置电压Vbias;Ib2用共栅管和电流相减电路隔开,以限制Vbias最低值,避免第九MOS管M9的漏端电流降为0,伤害PA的最大输出功率;故第九MOS管M9的漏端电流为:
[0074]
[0075] 输出偏置电压为:
[0076]
[0077] 其中K9与工艺和第九MOS管M9的宽长比相关,Vth9为第九MOS管M9的阈值电压。
[0078] 随着输入信号幅度的增大,到达偏置管第九MOS管M9的电流越来越小,使得输出的偏置电压Vbias也逐渐减小,直到达到一个稳定值。
[0079] 本发明的有益效果在于:本发明提出的深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路,可以实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。本发明电路结构简单,设计复杂度较低,不需要考虑大信号下电路的稳定性等问题,性能可靠,得到的结果足够线性。附图说明
[0080] 图1(a)为PA功率管V-I特性示意图。
[0081] 图1(b)为输入电压Vin特性示意图。
[0082] 图1(c)为输出电流Iout特性示意图。
[0083] 图2为基频信号增益与输入幅度关系示意图(虚线:不考虑电压限幅的基频信号增益与输入幅度关系,实线:考虑电压限幅的基频信号增益与输入幅度关系)。
[0084] 图3为数字预失真线性化技术的结构框图
[0085] 图4为包络反馈线性化技术的结构框图。
[0086] 图5为包络前馈线性化技术的结构框图。
[0087] 图6为深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路的电路示意图。
[0088] 图7(a)为基频信号增益与输入幅度的关系示意图(虚线:固定偏置电压下的基频信号增益与输入幅度的关系,实线:采用包络前馈式偏置电压得到的基频信号增益与输入幅度的关系)。
[0089] 图7(b)为偏置电压和PA输入端电压与输入电压幅度的关系

具体实施方式

[0090] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例
[0091] 实施例一
[0092] 请参阅图5,图5揭示了前馈式线性化技术;前馈式的偏置电压调整技术能改善A类或浅AB类放大器因为输出软限幅或晶体管部分进入亚阈值区导致的增益下降。如图5所示,一个包络检测器用来检测输入信号的幅度,同时输出一个和输入幅度正相关的偏置电压,当PA输入信号幅度增大,偏置电压升高,可以缓解浅AB类偏置的PA功率管进入亚阈值区的程度,从而提高幅度增益的线性度。
[0093] 请参阅图6,本发明揭示了一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,所述前馈式幅度线性化电路包括:包络检测电路、偏置电压产生电路。
[0094] 包络检测电路用以输出正比于输入信号包络平方的电流。偏置电压产生电路用以从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为偏置电压;从而能用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
[0095] 在本发明的一些实施方式中,所述包络检测电路包括:平方器电路、高频分量滤除电路,所述高频分量滤除电路连接平方器电路。所述平方器电路的输入为电压,输出为正比于输入电压平方的电流。所述高频分量滤除电路用以将所述平方器电路输出的电流滤除高频分量,得到的输出电流正比于输入信号幅度的平方。
[0096] 本实施例中,包络检测电路包括图6中的M1~4和C1~3,R1~3,其核心是一个M1~2组成的平方器,其输入为电压,输出为正比于输入电压平方的电流,经过R1和C1滤除高频分量,得到的输出电流正比于输入信号幅度的平方。
[0097] 在本发明的一些实施方式中,所述偏置电压产生电路包括:电流镜电路、第一电流源、偏置电压生成电路。
[0098] 所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大。
[0099] 所述第一电流源用以生成第一固定电流Ib1,第一电流源连接电流镜电路。
[0100] 所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流Ib1减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
[0101] 所述偏置电压产生电路还可以包括第二电流源、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源、偏置电压生成电路。所述第二电流源用以生成第二固定电流Ib2,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流Ib1与第二电流源生成的第二固定电流Ib2隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
[0102] 本实施例中,偏置电压产生电路包括M5~9和两个电流源Ib1、Ib2,作用是将包络检测电路输出的包含包络信息的电流转换为偏置电压。其中M5、M6是电流镜,将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大,它和固定电流Ib1相减,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,灌入二极管连法的M9以产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。Ib2用cascode管M7,8与上述电流隔开,保证M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
[0103] 具体地,所述包络检测电路包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。
[0104] 所述偏置电压产生电路包括第五MOS管M5、第六MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第一电流源Ib1、第二电流源Ib2。
[0105] 所述第二电容C2的第二端分别连接第三电阻R3的第一端、第二MOS管M2的栅极,第三电容C3的第二端分别连接第二电阻R2的第一端、第一MOS管M1的栅极,第三电阻R3的第二端连接第二电阻R2的第二端。
[0106] 所述第一MOS管M1的漏极分别连接第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的漏极、第一电阻R1的第一端;第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的源极分别接地。
[0107] 所述第三MOS管的源极分别连接第四MOS管M4的源极、第一电流源Ib1的第一端、第二电流源Ib2的第一端。
[0108] 所述第一电阻R1的第二端分别连接第一电容C1的第一端、第四MOS管M4的栅极;第一电容C1的第二端接地。
[0109] 所述第四MOS管M4的漏极分别连接第五MOS管的漏极、第五MOS管的栅极、第六MOS管M6的栅极;第五MOS管的源极、第六MOS管M6的源极分别接地。
[0110] 所述第一电流源Ib1的第二端分别连接第六MOS管M6的漏极、第七MOS管M7的源极;第二电流源Ib2的第二端连接第八MOS管M8的源极;
[0111] 所述第七MOS管M7的栅极连接第八MOS管M8的栅极;第七MOS管M7的漏极分别连接第八MOS管M8的漏极、第九MOS管M9的栅极、第九MOS管M9的漏极;第九MOS管M9源极接地。
[0112] 对于深AB类偏置的PA,幅度增益随着输入功率的提高而升高,故本发明提出一种PA偏置电压自动调整电路(及深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路),可以根据输入功率反方向自动调整PA的偏置电压,主动降低PA增益,从而大大减轻深AB类PA的幅度增益非线性。
[0113] 如图5所示,本发明的原理是通过检测幅度输入射频信号的包络检测电路控制PA的偏置电压,产生一个随着输入信号幅度增加而单调降低的PA偏置电压,利用偏置电压降低导致的PA功率增益的减小来抵消图2所示深AB类偏置导致的PA功率增益的增加。图6所示是包络检测和偏置电压产生电路的示意图,其中第一MOS管M1、第二MOS管M2组成包络检测电路,假设偏置电压Vpb与第一MOS管M1、第二MOS管M2的阈值电压相近,则输出电流Ip可以近似为:
[0114]
[0115] 其中A为输入信号幅度,ω0为输入信号角频率,K1,2与工艺和第一MOS管M1、第二MOS管M2的宽长比相关。
[0116] 此电流通过带有低通滤波的电流镜后,滤除高频分量,得到的电流Ipd近似为:
[0117]
[0118] 固定偏置电流Ib1与Ipd相减,再与小固定偏置电流Ib2相加后灌入偏置电压产生晶体管M9产生偏置电压Vbias。Ib2用共栅管和电流相减电路隔开,以限制Vbias最低值,避免M9的漏端电流降为0,伤害PA的最大输出功率。故M9漏端电流为
[0119]
[0120] 输出偏置电压为
[0121]
[0122] 其中K9与工艺和M9的宽长比相关,Vth9为M9的阈值电压。
[0123] 可以看到,随着输入信号幅度的增大,到达偏置管M9的电流越来越小,使得输出的偏置电压Vbias也逐渐减小,直到达到一个稳定值。
[0124] 此方法得到的PA输入偏置随输入幅度的变化情况如图7(b)所示,随着输入功率的增大,包络检测电路产生的泄流电流Ipd也随之增大,偏置电压从最初Ib1和Ib2完全注入M9产生的Vb0逐渐下降,当Ipd增大到等于Ib1时,Vbias完全由Ib2产生,此时Vbias达到最低值Vbmin。由此结构得到的PA功率增益如图7(a)实线曲线所示,可以看到,它比虚线曲线表示的输入偏置固定在Vb0时的功率增益更加平坦,增益随输入幅度增大导致的上翘大大降低,这保证了PA在深AB类偏置下的良好幅度增益特性。
[0125] 实施例二
[0126] 本发明揭示一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法,所述方法包括如下步骤:将输入信号包络检测器输出信号转换为CMOS射频功率放大器PA偏置电压,让偏置电压随着输入信号幅度升高而降低,从而用CMOS射频功率放大器PA偏置电压降低带来的增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益。
[0127] 本发明还揭示一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,所述前馈式幅度线性化电路包括:偏置电压转换电路、偏置电压控制电路。
[0128] 偏置电压转换电路,用以将输入信号包络检测器输出信号转换为CMOS射频功率放大器PA偏置电压;
[0129] 偏置电压控制电路,用以让所述偏置电压转换电路转换到的偏置电压随着输入信号幅度升高而降低,从而用CMOS射频功率放大器PA偏置电压降低带来的增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益的目的。
[0130] 实施例三
[0131] 本发明揭示一种深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化电路,所述前馈式幅度线性化电路包括偏置电压产生电路。偏置电压产生电路用以从一固定电流中减去包络检测电路输出的包含包络信息的电流,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,而后转换为偏置电压;从而能用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高。
[0132] 所述偏置电压产生电路包括:偏置电流控制电路、偏置电压转换电路。
[0133] 偏置电流控制电路,用以将包络检测器输出的和输入信号幅度平方成正比的电流从一固定电流Ib1中减去,以产生和输入信号幅度负相关的偏置电流,从而用偏置电压的降低带来的CMOS射频功率放大器PA增益降低抵消CMOS射频功率放大器PA晶体管从亚阈值区进入饱和区而导致的增益升高,达到线性化幅度增益的目的。
[0134] 偏置电压转换电路,用以将偏置电流控制电路产生的与信号幅度负相关的偏置电流转换为CMOS射频功率放大器PA的偏置电压。
[0135] 所述偏置电压产生电路可以包括:电流镜电路、第一电流源Ib1、偏置电压生成电路。
[0136] 所述电流镜电路连接包络检测电路,电流镜电路用以将包络检测电路输出的包络信息电流镜像为Ipd,Ipd随着输入信号幅度的增大而增大。
[0137] 所述第一电流源用以生成第一固定电流,第一电流源连接电流镜电路。
[0138] 所述偏置电压生成电路分别连接电流镜电路、第一电流源,偏置电压生成电路用以接收电流镜电路、第一电流源的数据,将第一电流源生成的第一固定电流减电流镜电路输出的包络信息电流的镜像Ipd,得到的电流随着输入信号幅度的增大而减小,产生随着输入信号幅度的增大而减小的偏置电压。
[0139] 此外,所述偏置电压产生电路还可以包括第二电流源Ib2、偏置电压保护电路;偏置电压保护电路分别连接第一电流源、第二电流源、偏置电压生成电路。
[0140] 所述第二电流源用以生成第二固定电流,偏置电压保护电路将第一电流源生成的第一固定电流与第二电流源生成的第二固定电流隔开,保证偏置电压生成电路的第九MOS管M9的最小漏端电流大于0,以防止偏置电压降低至0。
[0141] 综上所述,本发明提出的深AB类功率放大器的前馈式幅度线性化方法及电路,可以实现对深AB类偏置下的PA的幅度增益的线性化,达到降低功耗同时保持PA线性的目的。本发明电路结构简单,设计复杂度较低,不需要考虑大信号下电路的稳定性等问题,性能可靠,得到的结果足够线性。
[0142] 这里本发明的描述和应用是说明性的,并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的,对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其它形式、结构、布置、比例,以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下,可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
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