CN102769433B - 采用nmos调整管的射频功率放大器功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面积紧凑的射频功率放大器功率控制电路。在集电极功率控制的射频功放中，集电极的输出电压直接控制了射频输出电压幅度。本发明将通常功率控制中的PMOS型调整管以NMOS管取代，并通过升压型电荷泵电路来提高NMOS调整管的驱动电压。通过提高NMOS管的驱动电压能够提高控制电压的范围。采用NMOS调整管的好处是功率控制电路的输出为低阻抗，补偿电路简单，在不需要外接大的输出电容的情况下能实现稳定的电压输出。其次在具有相同导通能力的情况下NMOS管的面积比同等情况下的PMOS管要小，可以节约芯片面积，降低设计成本。

Description

采用NMOS调整管的射频功率放大器功率控制电路

技术领域

本发明涉及一种减小射频功率放大器功率控制电路面积的方法。

技术背景

在当今的移动通讯系统中，手持移动终端的发射功率需要根据距离基站的距离或者信号强弱来进行动态控制。当采用恒定包络调制时，射频功率放大器一般工作在饱和状态以获得最高的功率效率。饱和状态的功率放大器的功率控制一般采用控制功放电源电压来实现，因为理论上功放的饱和输出电压幅度与功放电源电压幅度成正比。通常设计中采用集电极功率控制方式，即通过控制功放的集电极电压控制输出功率。由于移动设备一般采用电池供电，最高电压一般在3～4V之间。为了满足功放的输出功率指标，功放的电源电压不能太低，因此要求功率控制电路的输入输出电压差尽量小。通常设计中采用PMOS管作为调整管，如图1所示，PMOS管M1的源极与电池输出电压VBAT相连。PMOS管的漏极作为功率控制电路的输出端也就是功放的电压VCC。PMOS管工作在饱和状态，设计中只需0.1～0.2V即可保证PMOS工作在饱和区，因此这种功率控制电路具有较小的输入输出电压差。但是PMOS作为调整管存在如下几个问题：(1)PMOS管的导通特性不如NMOS管，因此当需要输出大电流时，PMOS管的尺寸较大，增加了芯片面积和成本。(2)PMOS管的漏极作为功率控制电路的输出是一个高阻抗节点，因此输出节点对应于一个频率比较低的极点。如果该极点与反馈运放OP1的极点距离太近会因此稳定性问题，为此通常采用米勒补偿即增加电容Cc来达到极点分离的效果。这导致了设计的复杂性增加。(3)采用米勒补偿后的功率控制电路环路带宽较小，当输出负载存在快速变化时，如果LDO环路跟不上负载的变化速度，这将导致输出电压不稳定，这在射频功率放大电路中是不可接受的。因此为了稳定输出电压需要在功率控制电路的输出也就是功放的VCC增加一个到地的输出电容Cload。该电容必须足够大以衰减高频电压纹波。引入电容Cload进一步降低的输出极点的频率，恶化了环路的稳定性。

发明内容

本发明解决的问题是克服在射频功率放大器的功率控制电路中采用PMOS调整管带来的一系列问题。

为了解决上述问题本发明提供的方法是：通过采用NMOS调整管并利用升压电荷泵提高NMOS管驱动电压的方法来提高了NMOS调整管的输出电压。克服了NMOS管输出电压不高的缺点。同时简化了功率控制电路环路的补偿并降低了调整管的尺寸，减小了芯片面积和成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细的说明：

图1是通常的采用PMOS调整管的功率放大器功率控制电路结构

图2是本发明的采用NMOS调整管的功率放大器功率控制电路结构

具体实施方式

本发明提供了一种以NMOS管作为功率放大器功率控制电路调整管的方法。采用一个升压电荷泵提高NMOS管的驱动电压，克服了采用NMOS调整管的功率控制电路的最高输出电压低的缺点。避免了对功放输出功率的限制。

本发明的一个实施例如图2所示。图中显示了一种功率放大电路的输出级结构，输出级由扼流电感Lc，隔直电容C1，C2，发射极阻抗Ze和放大管Q1组成。功放的输出功率是通过控制功率控制电路的输出电压来完成。功率控制电路的输入电压是电池电压VBAT，功率控制电路的输出电压VCC作为功率放大器的电源电压。图中的反馈网络由电阻R1和R2构成。VCC经电阻R1，R2分压后反馈回误差放大器OP1的反相输入端，误差放大器的正相输入端节参考电压Vref用来调节输出电压。功率控制电路的补偿网络在这里用一个电容Cc来完成。Cc作为补偿电容可以控制功率控制电路环路的主极点，保证环路稳定。PVG(正电压产生器)是由升压电荷泵构成，其作用是将OP1的输出电压抬高，PVG通过电荷泵的升压作用使得输出电压超过电池电压VBAT，PVG的输出驱动NMOS调整管M1，虽然M1的栅源之间至少有一个阈值电压的降低，但是由于M1的栅极电压高于VBAT，因此M1的源极电压Vcc可以接近VBAT，因此功率控制电路的输入输出电压差较小。

由于功率控制电路为NMOS管源极输出因此其输出阻抗低，驱动负载能力强，即使是功放电路由于扼流电感不是无穷大而导致射频信号泄漏到功率控制电路的输出极，功率控制电路的低输出阻抗有助于快速的稳定输出电压。保证功率放大器的输出功率稳定。虽然图2中功率控制电路输出阻抗较低，但是其输出端仍然增加了一个小电容Cout作为输出的稳压电容，该电容相比图1中的输出电容Cload小的多。由于功率控制电路的输出为低阻抗，因此该电容的加入对环路的稳定性并无重大影响。

以图2的电路实习形式，可以根据电路中的电流和电压参数计算调整管的尺寸。假设MOS管的迁移率为U0，栅氧化层厚度为Cox，功率控制电路能提供的最大电流为Imax，要求的输入输出间最小压降为Vdsmin，则根据MOS管饱和区电流公式：

$I\max =\frac{1}{2}\×U0\×\mathrm{Cox}\×\frac{W}{L}\×{(\mathrm{Vgs}-\mathrm{Vth})}^2$

保证MOS管工作在饱和区的最小漏源压Vdsmin约等于栅源电压与阈值电压之差：

Vdsmin≈Vgs-Vth

可以得出所需的晶体管的宽长比为：

$\frac{W}{L}=\frac{2\×I\max }{U0\×\mathrm{Cox}\×{\mathrm{Vds}\min }^2}$

一般的CMOS工艺中NMOS管的迁移率一般的PMOS管的2～3倍，栅氧化层厚度基本相同。因此在相同的输出电流和电压差要求下，NMOS管的尺寸仅仅是PMOS管的三分之一到二分之一大小。因此采用NMOS调整管可以减小芯片面积，降低成本。

综上所述，本发明在射频功率放大器的功率控制电路中采用NMOS调整管以及辅助的升压电荷泵来驱动该调整管的方法来减小调整管的尺寸，同时可以减小功率控制电路的输出电容，简化了环路补偿的复杂度，有效的降低了芯片成本。

Claims (4)

1.一种采用NMOS调整管降低射频功率放大器功率控制电路面积的方法，其特征在于，在射频功率放大器中采用集电极功率控制方式，在功率控制电路中采用NMOS管作为导通管，并通过升压电荷泵来提高NMOS管驱动电压实现高输出电压范围，其中：

功率控制电路的输入电压是电池电压VBAT，功率控制电路的输出电压VCC作为射频功率放大器的电源电压，功率控制电路中的反馈网络由电阻R1和R2构成，VCC经电阻R1，R2分压后反馈回误差放大器OP1的反相输入端，误差放大器的正相输入端接参考电压Vref用来调节输出电压，功率控制电路的补偿网络用一个电容Cc来完成，Cc作为补偿电容可以控制功率控制电路环路的主极点，保证环路稳定；正电压产生器PVG是由升压电荷泵构成，其作用是将OP1的输出电压抬高，PVG通过电荷泵的升压作用使得功率控制电路的输出电压超过电池电压VBAT，PVG的输出驱动NMOS调整管M1，功率控制电路的输出端设置一个电容Cout作为输出的稳压电容；采用升压电荷泵来提高NMOS调整管的驱动电压，通过提高NMOS管的驱动电压，补偿了NMOS管的栅源电压导致的输出电压下降，提高了功率控制电路的最高输出电压。

2.根据权利要求1所述的采用NMOS调整管降低射频功率放大器功率控制电路面积的方法，其特征在于，功率控制电路的输出电压控制功率放大器的输出电压幅度，从而控制输出功率大小。

3.根据权利要求1所述的采用NMOS调整管降低射频功率放大器功率控制电路面积的方法，其特征在于采用NMOS管作为调整管，NMOS调整管的面积小于PMOS调整管的面积，同时由于NMOS调整管面积减小使驱动电路的设计也更易于实现。

4.根据权利要求1所述的采用NMOS调整管降低射频功率放大器功率控制电路面积的方法，其特征在于采用NMOS管作为调整管，NMOS管的源极输出结构使得功率控制电路的输出阻抗低，输出端的极点频率高，功率控制电路环路的补偿电路得以简化，在误差放大器的输出增加简单的补偿网络即可完成频率补偿。