一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法及其装置.pdf

本发明公开了一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法，包括以下步骤：S1.读取电源电压信号与功率控制信号，生成与功率控制信号成线性关系的放大信号；S2.根据放大信号以及饱和度信息，生成一个或者多个受控电流，将各受控电流进行合并，并将合并后的总电流转换成电压；S3.对转换的电压进行线性稳压，生成功率放大器的基极控制电压。本发明通过动态监测过通元件的饱和度来改变功率放大器的基极电压，从而提高功率放大器在多功率水平、大电源电压范围下的功率附加效率，改善其射频开关谱特性。

权利要求书
1.  一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.读取电源电压信号与功率控制信号，生成与所述功率控制信号成线性关系的放大信号；
S2.根据所述放大信号以及饱和度信息，生成一个或者多个受控电流，将各受控电流进行合并，并将合并后的总电流转换成电压；
S3.对转换的电压进行线性稳压，生成功率放大器的基极控制电压。

2.  一种用于移动终端功率放大器的功率控制装置，用于实现权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于包括：第一线性稳压模块、电压感测模块、第二线性稳压模块，其中，
所述电压感测模块采集所述第一线性稳压模块的输出信号，进行处理后将结果传输给所述第二线性稳压模块。

3.  如权利要求2所述的功率控制装置，其特征在于：
所述第一线性稳压模块包括过通元件(105)、误差放大器(102)和反馈电路(104)，
所述误差放大器(102)是一个运算放大器，反相输入端连接外界提供的功率控制信号(Vramp)，同相输入端与所述反馈电路(104)一端相连，输出端(103)与所述过通元件(105)的栅极相连接；
所述过通元件(105)的源极连接至电源端，漏极(106)连接到所述反馈电路(104)的另一端，同时还连接到一个或多个功率放大器的基极。

4.  如权利要求3所述的功率控制装置，其特征在于：
所述过通元件(105)为PMOS管。

5.  如权利要求2所述的功率控制装置，其特征在于：
所述电压感测模块(201)包括多端分压器(203)、一个或者多个受控电流源、以及电流电压转换器(211)，
所述多端分压器的输入端连接至所述第一线性稳压模块的过通元件(105)的栅极相连接，各输出端分别连接至各所述受控电流源的电 压控制端；
所述受控电流源的电流输入端连接至所述第一线性稳压模块的过通元件(105)的漏极，电流输出端连接至所述电流电压转换器(211)；
所述电流电压转换器(211)将来自所有受控电流源的电流转换成电压并输出。

6.  如权利要求5所述的功率控制装置，其特征在于：
所述受控电流源中的任意一个受控电流源包括电流镜(2130)、共栅PMOS晶体管(2133)，所述电流镜(2130)的输入端(2131)与所述共栅PMOS晶体管(2133)的漏极相连接，所述电流镜(2130)的输出端(2132)与所述电流电压转换器(211)相连接；所述共栅PMOS晶体管(2133)的栅极为所述受控电流源的电压控制端(Vc)，与所述多端分压器的输出端相连接；所述共栅PMOS晶体管(2133)的源极与所述第一线性稳压模块的过通元件(105)的漏极相连接。

7.  如权利要求6所述的功率控制装置，其特征在于：
当功率控制信号(Vramp)较小时，所述多端分压器的输出端的电压较大，各所述受控电流源处于关闭状态；当所述功率控制信号(Vramp)逐渐增大时，按照所述多端分压器的输出端电压从小到大的顺序，各所述受控电流源依次开启。

8.  如权利要求5所述的功率控制装置，其特征在于：
所述多端分压器(203)由多个串联的电阻构成，并从连接点处引出电压连接至各所述受控电流源的电压控制端。

9.  如权利要求5所述的功率控制装置，其特征在于：
所述多端分压器(203)由一个或者多个MOS管构成，所述MOS管的栅极连接至所述受控电流源的电压控制端；
当所述MOS管为一个时，其源极与所述过通元件(105)的栅极相连接，漏极连接至电流源；
或者，当所述MOS管为多个时，其中第一个MOS管的源极与所述过通元件(105)的栅极相连接，其漏极连接至另一个MOS管的源极，所述另一个MOS管的漏极再连接至下一个MOS管的源极，依此类推；最后一个MOS管的漏极连接至电流源。

10.  如权利要求5所述的功率控制装置，其特征在于：
所述电流电压转换器(211)包括电流镜和恒定电流源；所述电流镜中的两个MOS管的源极相连接，并连接至电压源，其中一个MOS管的漏极连接至前述受控电流源的电流输出端，另一个MOS管的漏极与所述电流源的另一端并联且连接至电阻。

11.  如权利要求2所述的功率控制装置，其特征在于：
所述第二线性稳压模块(301)包括误差放大器(303)、反馈电路(305)、过通元件(304)；
所述误差放大器(303)是一个运算放大器，反相输入端连接所述电流电压转换器(211)的输入端(212)，同相输入端与所述反馈电路(305)一端相连，输出端与所述过通元件(304)的栅极相连接；
所述过通元件(304)的源极连接至电源端，漏极(307)连接到所述反馈电路(305)的另一端，同时还连接到一个或多个功率放大器的基极。

说明书一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种功率控制方法，尤其涉及一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法，同时还涉及一种用于实现上述功率控制方法的功率控制装置，属于射频电路技术领域。
背景技术
射频功率放大器(RF PA)广泛应用在手机等无线通信设备中。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过射频功率放大器进行一系列的放大—缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。在这个过程中，精确的功率控制对确保无线通信设备的正常使用是至关重要的。
目前，市面上存在多种移动通信标准或无线通信标准，例如GSM、TD-LTE、WCDMA、Wi-Fi等。各种通信标准都要求在很大的动态范围内实现精确的功率控制。功率放大器的功率水准可大致分为低输出功率、额定功率、高输出功率。现有技术中，对功率放大器的设计要求通常是在高输出功率(或额定功率)的情况下实现功率附加效率最大化。因而在低功率情况下，功率放大器的效率就很差。因此，能让功率放大器在各个功率范围内都能高效工作的设计仍然是一个挑战。
在现有技术中，一种常用的方案是功率控制线路提供两个电压，一个用于高功率输出模式偏置功率放大器的基极，另一个则用于低功率输出模式。显然，由于这两个电压是分离的，而不是连续的，在进行这两个电压切换时，输出功率要出现跃变，这会恶化功率频谱特性以及产生噪音。
另一种方案是在功率放大器的输出端加一个功率检测器，把输出功率的信息以电压或电流的形式通过反馈电路传到功率控制器，进而控制集电极或基极电压，达到优化控制功率的目的。这种方案的挑战之处是设计一个各种功率水平下都稳定的，有足够带宽的反馈回路。
第三种方案是在功率控制装置中，产生一个偏置功率放大器基极 的电压：该电压是一个功率控制信号和一个参考电压的线性组合。虽然该方案在低功率情况下，对功率附加效率有所提高，但在高功率下，尤其是高功率和低电源电压下，该方案容易出现开关谱和谐波恶化的现象。
众所周知，任何一个功率控制方案必须遵守相关的通信标准，例如输出功率控制必须满足突发时罩(Burst Mask)的要求。突发时罩对功率控制信号的上升和下降，以及对应的功率水平，都有明确的规定。因此，在满足突发时罩(Burst Mask)要求下实现用功率控制信号来线性控制基极电压，进一步提高功率放大器的效率而不影响开关谱特性，仍然是亟待解决的技术课题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种实现上述功率控制方法的功率控制装置。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法，包括以下步骤：
S1.读取电源电压信号与功率控制信号，生成与所述功率控制信号成线性关系的放大信号；
S2.根据所述放大信号以及饱和度信息，生成一个或者多个受控电流，将各受控电流进行合并，并将合并后的总电流转换成电压；
S3.对转换的电压进行线性稳压，生成功率放大器的基极控制电压。
一种用于移动终端功率放大器的功率控制装置，用于实现上述的功率控制方法，包括：第一线性稳压模块、电压感测模块、第二线性稳压模块，其中，
所述电压感测模块采集所述第一线性稳压模块的输出信号，进行处理后将结果传输给所述第二线性稳压模块。
其中较优地，所述第一线性稳压模块包括过通元件105、误差放大器102和反馈电路104，
所述误差放大器102是一个运算放大器，反相输入端连接外界提 供的功率控制信号Vramp，同相输入端与所述反馈电路104一端相连，输出端103与所述过通元件105的栅极相连接；所述过通元件105的源极连接电源端，漏极106连接到所述反馈电路104的另一端，同时还连接到各功率放大器的基极。
其中较优地，所述过通元件105为PMOS管。
其中较优地，所述电压感测模块201，包括多端分压器203、受控电流源(210、213)以及电流电压转换器211，
所述多端分压器的输入端202连接至所述第一线性稳压模块的过通元件105的栅极相连接，输出端(205、207)连接至所述受控电流源的电压控制端；所述受控电流源的电流输入端连接至所述第一线性稳压模块的过通元件105的漏极，所述受控电流源的电流输出端连接至所述电流电压转换器211；所述电流电压转换器211将来自所有受控电流源的电流转换成电压并输出。
其中较优地，所述受控电流源包括电流镜2130、共栅PMOS晶体管2133，所述电流镜2130的输入端2131与所述共栅PMOS晶体管2133的漏极相连接，所述电流镜2130的输出端2132与所述电流电压转换器211相连接；所述共栅PMOS晶体管2133的栅极为所述受控电流源的电压控制端Vc，与所述多端分压器的输出端相连接；所述共栅PMOS晶体管2133的源极与所述第一线性稳压模块的过通元件105的漏极相连接。
其中较优地，当功率控制信号Vramp较小时，所述多端分压器的输出端的电压都比较大，所述受控电流源处于关闭状态；当所述功率控制信号Vramp逐渐增大时，按照所述多端分压器的输出端电压从小到大的顺序，各所述受控电流源依次开启。
其中较优地，所述多端分压器203由多个串联的电阻构成，并从连接点处引出电压连接至所述受控电流源的电压控制端。
其中较优地，所述多端分压器203由一个或者多个MOS管构成，所述MOS管的栅极连接至所述受控电流源的电压控制端；
当所述MOS管为一个时，其源极与所述过通元件105的栅极相连接，漏极连接至电流源；
或者，当所述MOS管为多个时，其中一个MOS管的源极与所述过 通元件105的栅极相连接，漏极连接至另一个MOS管的源极，所述另一个MOS管的漏极再连接至其他任一个MOS管的源极，依此类推；最后一个MOS管的漏极连接至电流源。
其中较优地，所述电流电压转换器211包括电流镜和电流源；所述电流镜中的两个MOS管的源极相连接，并连接至所述电流源的一端，其中一个MOS管的漏极连接至所述电流源的电流输出端，另一个MOS管的漏极与所述电流源的另一端并联且连接至电阻。
其中较优地，所述第二线性稳压模块301包括误差放大器303、反馈电路305、过通元件304；所述误差放大器303是一个运算放大器，反相输入端连接所述电流电压转换器211的输入端212，同相输入端与所述反馈电路305的一端相连，输出端与所述过通元件304的栅极相连接；所述过通元件304的源极连接至电源端，漏极307连接到所述反馈电路305的另一端，同时还连接到各功率放大器的基极。
与现有技术相比较，本发明可以优化功率放大器在多功率水平、大电源电压范围下的功率附加效率，使功率放大器在低功率输出情况下降低工作电流，从而降低系统噪声。通过电压感测模块，有助于改善功率放大器的瞬态开关谱特性，提高额定输出功率下的工作效率。
附图说明
图1是本发明所提供的功率控制装置的拓扑结构示意图；
图2是图1所示的功率控制装置的电路原理图；
图3是本发明中，电压感测模块的拓扑结构示意图；
图4是本发明中，一个受控电流源的总电流和功率控制信号的关系示意图；
图5是本发明中，另一个受控电流源的总电流和功率控制信号的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作进一步的说明。
为实现功率放大器在多功率水平、大电源电压范围的条件下，优化功率附加效率的目的，本发明提供了一种用于移动终端功率放大器的功率控制方法，包括以下步骤：
1.读取电源电压信号与功率控制信号，生成与上述功率控制信号成线性关系的放大信号；
2.根据上述放大信号以及饱和度信息，生成一个或者多个受控电流，将这些受控电流进行合并，并转换成电压；
3.对转换的电压进行线性稳压，生成功率放大器的基极控制电压。
为实现上述方法，本发明提供了一种用于移动终端功率放大器的功率控制装置，包括：第一线性稳压模块，用于读取电源电压信号与功率控制信号，生成与上述功率控制信号成线性关系的放大信号；电压感测模块，用于将上述放大信号以及第一线性稳压模块中过通元件的饱和度信息生成变化的可控电流，并将可控电流转换成电压；第二线性稳压模块，用于将转换的电压进行线性稳压，生成功率放大器的基极控制电压。其中，第一线性稳压模块与电压感测模块相连，电压感测模块与第二线性稳压模块相连。
下面对上述功率控制装置进行详细描述。图1所示是本发明提供的用于移动终端功率放大器的功率控制装置，包括第一线性稳压模块101、电压感测模块201、第二线性稳压模块301；电压感测模块201通过两个输入端与第一线性稳压模块101耦合，第二线性稳压模块301与电压感测模块耦合。
其中，第一线性稳压模块101包括误差放大器102、反馈电路104、过通元件105。误差放大器102是一个运算放大器，反相输入端连接外界提供的功率控制信号Vramp，同相输入端与反馈电路104一端相连，输出端103与过通元件105的栅极相连接。过通元件105的源极连接至电压源(此处电压为Vdd)，漏极106连接到反馈电路的另一端，同时还连接到一个或者多个功率放大器的基极，图1中以负载表示。第一线性稳压模块101有两个输出端，其中一个输出端为过通元件105的漏极106，此处电压为Vcc；另一个输出端为误差放大器的输出端103。由于第一线性稳压模块101的负反馈特性，过通元件105的漏极106处的电压Vcc响应于功率控制信号Vramp。
第一线性稳压模块101的输出信号Vcc线性响应于功率控制信号Vramp，控制功率放大器的基极，图1、2中用负载表示。第二线性稳压模块301的输出信号Vapc非线性响应于功率控制信号Vramp，是功率控 制信号Vramp的多阶递增函数，控制功率放大器的基极。
众所周知，作为过通元件的PMOS管通常有两种工作状态：线性工作区和饱和工作区。当功率控制信号Vramp较小时，PMOS管处在饱和工作区。此时，整个第一线性稳压模块101有较大的工作带宽，具有很强的稳压功能。当功率控制信号Vramp增大时，PMOS管逐渐脱离饱和工作区而进入线性区。此时系统的带宽变窄，稳压功能减弱。PMOS管处于何种工作状态，可以由PMOS管各端口电压的相对大小来确定。具体来说，如果
Vsg〈Vsd+|Vtp|  (1)
其中Vsg是源极和栅极的电压差，Vsd是源极和漏极的电压差,Vtp是PMOS管的阈值电压，PMOS管处在饱和区。反之，则PMOS管处在线性区。这里当功率控制信号很大时，Vsg远远大于Vsd+|Vtp|，PMOS管处于深度线性区，其饱和度就很小。
由于第一线性稳压模块101中，过通元件105(即PMOS管)的饱和度对于整个功率控制装置的性能非常关键，因此，本发明中引入一个电压感测模块201，用来实时测量过通元件105的饱和度。
该电压感测模块包括：多端分压器、一个或者多个受控电流源以及电流电压转换器。该模块有两个输入信号和一个输出信号。第一线性稳压模块101的输出端,即过通元件105的漏极106和栅极103的电压为该电压感测模块的两个输入信号，在电流电压转换器处产生一个输出电压信号Vs。
其中，多端电压分压器由一个或者多个MOS管串联而成，MOS管的栅极连接至受控电流源的电压控制端；当MOS管为一个时，其源极与过通元件105的栅极相连接，漏极连接至电流源；当MOS管为多个时，其中第一个MOS管的源极与过通元件105的栅极相连接，其漏极连接至另一个MOS管的源极，另一个MOS管的漏极再连接至下一个MOS管的源极，依此类推；最后一个MOS管的漏极连接至电流源。当然，多端分压器203也可以由多个串联的电阻构成，并从连接点处引出电压连接至各受控电流源的电压控制端。
受控电流源包括电流镜2130、共栅PMOS晶体管2133，电流镜2130的输入端2131与共栅PMOS晶体管2133的漏极相连接，电流镜2130的 输出端2132与电流电压转换器211相连接；共栅PMOS晶体管2133的栅极为受控电流源的电压控制端Vc，与多端分压器的输出端相连接；共栅PMOS晶体管2133的源极与第一线性稳压模块的过通元件105的漏极相连接。
电流电压转换器211包括电流镜和恒定电流源；电流镜中的两个MOS管的源极相连接，并连接至电压源，其中一个MOS管的漏极连接至前述受控电流源的电流输出端，另一个MOS管的漏极与电流源的另一端并联且连接至电阻。
电压感测模块201的输出信号Vs连接到第二线性稳压模块301的输入端，最终在该线性稳压系统的输出端产生电压信号，用于控制功率放大器的基极。其中，第二线性稳压模块301包括误差放大器303、反馈电路305、过通元件304。误差放大器303是一个运算放大器，反相输入端连接电流电压转换器211的输入端212，同相输入端与反馈电路305一端相连，输出端与过通元件304的栅极相连接；过通元件304的源极连接至电源端，漏极307连接到反馈电路的另一端，同时还连接到一个或者多个功率放大器的基极，漏极307为功率放大器提供基极电压Vapc。
如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，电压感测模块201采用了2个受控电流源210、213，每个受控电流源有一个电流输入端I in、一个电流输出端Iout和一个电压控制端Vc。多端分压器203有一个输入端202和两个输出端205、206，目的就是把过通元件105的栅极电压分成依次递减的电压。其中，多端分压器203输入端202与第一线性稳压模块101的误差放大器102的输出端103相连，输出端205与受控电流源213的电压控制端Vc相连，输出端207与受控电流源210的电压控制端Vc相连。受控电流源的电压控制端的电压越低，所产生的电流越大。受控电流源210的电流输入端206与受控电流源213的电流输入端204同时连接到第一线性稳压模块101的过通元件105的漏极106，受控电流源210的电流输出端209与受控电流源213的电流输出端208合并后连接到电流电压转换器211的输入端212。电流电压转换器211将来自所有受控电流源的电流转换成电压Vs，即电压感测模块201的输出电压。受控电流源产生的电流越大，则电流电压转换器的输出电压信号Vs也就越大。
电压感测模块中的多端分压器把第一线性稳压模块101中过通元件105的栅极电压进行分压，产生一个或者多个依次递减的电压。这些电压分别连到对应的受控电流源的控制端，即受控电压，依次控制受控电流源工作，将所有受控电流源所产生电流进行合并，最终直接决定进入电流电压转换器电流的大小。其中，电流电压转换器，包括电流镜和恒定电流源。电流源用来产生恒定的电流，作为基本工作电源；电流镜将一个或者多个受控电流源输出的电流进行镜像。上述两路电流经过一个电阻后接地，产生电压，完成电流电压的转换过程。电流镜中的两个MOS管的源极相连接，并连接至电压源Vdd的一端。其中，一个MOS管的漏极连接各受控电流源的电流输出端，另一个MOS管的漏极与恒定电流源的另一端并联并连接至电阻，从连接点引起电压作为下一级的输入电压。
上文中，受控电流源的受控电压的大小有两种情况：
(1)当功率控制信号Vramp增大时，而电压源Vdd不变，由功率控制信号Vramp所确定的误差放大器102的输出电压降低，这导致过通元件105的栅极电压降低。过通元件105的漏极106输出Vcc随之变大，流经过通元件105的电流也就增大。多端分压器203的各个分压也相应的降低，因此各个受控电流源的受控电压随之降低。
(2)当功率控制信号Vramp不变，但是电源电压Vdd降低了，为了保持由功率控制信号Vramp所确定的输出Vcc不变，也就是流经过通元件105的电流不变，过通元件105的栅极电压会降低。多端分压器的各个分压也相应的降低，因此受控电流源的受控电压随之降低。
综上所述，本发明的电压感测模块201中的受控电流源具有如下特性：随着功率控制信号Vramp变得越大，或电源电压越小，受控电压将会越小，产生的电流越大。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，受控电流源213由一个改进的电流镜构成。电流镜2130的输入端2131有一路源电流，输出端2132为另一路镜像电流。在源电流输入端2131的路径上加一个共栅PMOS晶体管2133，该共栅PMOS晶体管2133的栅极为该受控电流源213的电压控制端Vc。该共栅PMOS晶体管2133的源极作为电压感测模块201另一个输入端204，连接到第一线性稳压模块101中过通元件105的漏极106。由于PMOS管的缘故，越小的栅极控制电压，产生的电流越大。由于受控 电流源210与受控电流源213相同，就不再一一赘述了。
本发明的电压感测模块201中的受控电流源可以有一个或者多个。在大于一个时，它们之间的连接类似串联。所有的输入电流端连在一起，所有的输出电流端连在一起。而电压控制端则连到电压分压器的各个分压输出(图1中的V1和V2)。实施例中的受控电流源的输出电流总和为
I＝I1(Vcc－V1)+I2(Vcc－V2)  (2)
其中，I1(Vcc－V1)为第一个受控电流源产生的电流，I2(Vcc－V2)为第二个受控电流源产生的电流。
随着功率控制信号Vramp增大，多端分压器的输出端电压V1和V2将减小，受控电流源电流I1和I2将增加。电流I1和I2有相同或相似的表达式(相差一个系数)，而它们的自变量的差{(Vcc－V1)－(Vcc－V2)}正好等于受控电压的差(V2－V1)。因此，电流I1可以看成电流I2的一个电压上延迟的版本。
在功率控制信号Vramp较小时，多端分压器的输出端电压V1和V2都比较大，所有受控电流源仍处于关闭状态。当功率控制信号Vramp逐渐增大时，第二受控电流源、第一受控电流源(即受控电流源210、213)先后开启。当电流I1与I2相加时，就会出现如图4的两段函数特性。当电路中有三个受控电流源时，就会有三段函数特性,如图5所示。依此类推，可以根据实际电路的需要设置有N(N为正整数)个受控电流源。通过调整受控电流源的个数，以及每个受控电流源的参数，就可以精确调整每段函数的拐点，进而实现在满足突发时罩(Burst Mask)条件下的功率控制、以及功率优化，实现在各个功率水准下的最佳功率附加效率。
因此，在本发明的电压感测模块201中，受控电流源在上述两种情况(即功率控制信号增加或者电源电压降低)时，受控电流源的受控电压都降低，直接导致受控电流增加，因而输出电压增加，最终使得功率放大器的基极电压增加。
由此可以得出，本发明中最终的输出电压Vapc，即功率放大器的基极电压，既不是以往方案中的一个固定电压或者分离的两个电压，也不是一个控制信号的简单线性函数。该输出电压Vapc包含了控制信号、电源电压、第一线性稳压模块101中过通元件105的饱和度等多项信息， 能有效提高功率放大器在各个功率水平下的功率附加效率，并且能更好地满足突发时罩(Burst Mask)的要求。
综上所述，本发明所提供的功率控制装置通过动态监测过通元件的饱和度来改变功率放大器的基极电压，从而提高功率放大器在多功率水平、大电源电压范围下的功率附加效率，改善其射频开关谱特性。利用本发明，还可以使功率放大器在低功率输出情况下降低工作电流，从而降低系统噪声。
以上对本发明所提供的用于移动终端功率放大器的功率控制方法及其装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。