一种基于E类功率放大器的功率控制电路的制作方法

一种基于e类功率放大器的功率控制电路
技术领域
1.本发明属于射频集成电路领域，更具体地，涉及一种基于e类功率放大器的功率控制电路。


背景技术：

2.传统的a、b、c类功率放大器(power amplifier，pa)中，晶体管作为受控电流源，工作在饱和区，对输入信号进行线性放大，可应用于所有调制方式中。然而，晶体管固有的直流偏置电流会带来较大的能量损耗，因此，传统线性放大器的效率较低。非线性的e类功率放大器中输入开关管工作在截止区和线性区，数字调频信号控制输入mos管的周期性导通与断开，输出放大后的电压电流信号，再通过选频网络获得与输入信号同频的正弦波信号，从而实现对输入调频信号的放大。
3.e类功率放大器主要用于低通信速率、低功耗领域，其输出功率的可调节范围十分重要。较小的最低输出功率可以降低近距离通信时的功耗，较大的最高输出功率保证了其最大通信距离。传统的增加e类功率放大器输出功率调节范围的措施，很大程度上增加了电路设计的复杂度，这与其低成本应用场景的初衷相违背。因此，如何采用简单的电路实现最大的输出功率调节范围是很重要的方向。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于e类功率放大器的功率控制电路，其目的在于利用方波信号的非理想特性，通过控制输入信号直流偏置实现占空比调节，简化电路设计复杂度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于e类功率放大器的功率控制电路，包括：数字控制模块，用于产生与目标功率值对应的数字控制比特并输出；数模转换模块，输入端连接到所述数字控制模块的输出端，用于将所述数字控制比特转换为相应的直流偏置电压并通过第一输出端口输出；功率放大模块，输入侧设置偏置电路，所述偏置电路的偏置节点连接到所述第一输出端口，外部的方波信号经所述偏置电路输入到所述功率放大模块，所述方波信号为非理想方波信号，所述直流偏置电压用于改变所述方波信号的直流偏置以调节输入到所述功率放大模块的信号的占空比，从而调节所述功率放大模块的输出功率。
6.更进一步地，所述数模转换模块还用于将所述数字控制比特转换为相应的参考电压并通过第二输出端口输出，所述功率控制电路还包括：低压差线性稳压器，输入连接所述第二输出端口，输出连接所述功率放大模块中功率放大器漏端电压输入端口，用于根据所述参考电压调节输出至所述功率放大器漏端的漏端电压，以调节所述功率放大模块的输出功率。
7.更进一步地，所述低压差线性稳压器包括误差放大器和调整管；所述误差放大器的反相输入端连接所述第二输出端口，同相输入端直接连接到所述调整管的输出端，输出端连接到所述调整管的输入端；所述误差放大器用于将所述调整管的输出电压与所述参考
电压进行比较，并根据比较结果输出控制信号控制所述调整管的栅极电压，直至所述调整管的输出电压等于所述参考电压。
8.更进一步地，所述低压差线性稳压器包括依次连接的差分输入级、缓冲级和功率级，所述差分输入级和缓冲级为全差分结构。
9.更进一步地，所述功率放大模块包括开关管m3、开关管m4和cmos传输门；所述cmos传输门的一端作为所述功率放大模块中功率放大器漏端电压输入端口，另一端连接所述开关管m3的漏极；所述开关管m3和所述开关管m4组成共源共栅结构；所述开关管m3为导通管，用于导通分压；所述开关管m4为功放管，用于对输入至所述功率放大模块的信号进行功率放大。
10.更进一步地，所述功率放大模块还包括电容c1、电容c2、电感l1和电感l2；所述电感l1连接在所述cmos传输门和所述开关管m3之间；所述电容c1的一端连接所述开关管m3的漏极，另一端接地；所述开关管m3的漏极依次连接所述电感l2和所述电容c2后形成为所述功率放大模块的输出端，或者，所述开关管m3的漏极依次连接所述电容c2和所述电感l2后形成为所述功率放大模块的输出端；所述电容c1、电容c2、电感l1和电感l2用于调节功率放大后的电压波形和电流波形，使得所述电压波形和电流波形无交叠，以减小无用功耗。
11.更进一步地，还包括反相器，连接在所述功率控制电路的输入端与所述偏置电路的输入节点之间，外部的方波信号依次经所述反相器和所述偏置电路后输入到所述功率放大模块。
12.更进一步地，所述偏置电路包括电阻r1和电容c3，所述电阻r1的一端作为所述偏置节点连接所述第一输出端口，所述电阻r1的另一端连接所述电容c3的一端，所述电容c3的另一端作为所述偏置电路的输入节点用于接收外部的方波信号，所述功率放大模块的输入连接所述电阻r1和电容c3的连接处。
13.更进一步地，所述数模转换模块包括：串联电阻分压电路，一端接地，另一端输入预设电压；多通路数控mos开关，用于接收所述数字控制比特并选通所述串联电阻分压电路中相应的支路，以得到并输出所述直流偏置电压。
14.更进一步地，所述串联电阻分压电路中串联电阻的数量由所述功率控制电路的功率调节步进确定，所述串联电阻分压电路的阻值由系统静态功耗约束、所述功率控制电路驱动的下一级电路的节点寄生电容大小以及要求的切换速率确定。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
16.(1)利用实际应用场景中方波信号的非理想特性，即方波信号具有一定的上升时间和下降时间，通过控制方波信号的直流偏置电压，实现功放开关管导通时间的控制，从而等效为对输入信号占空比的控制，进而实现对输出功率的控制，这种占空比控制方式大大简化了电路设计，占空比在0-100％范围内灵活可调，提高了输出功率调节范围及调节灵活性；
17.(2)在调节输入信号占空比这种精细功率调节方式的基础上，增加调节功放管漏端电压这种粗功率调节方式，精细调节和粗调节相结合，同时保证调节精度和调节范围；
18.(3)调整管的输出电压直接连接到误差放大器的同相输入端，避免使用反馈电阻，而且可以直接通过输入参考电压来调整其输出电压，既简化了电路设计，又大大增强了其输出电压调节的灵活性；
19.(4)在偏置电路中加入电阻r1和电容c3，可以增强方波信号的非理想特性，延长其上升时间和下降时间，从而增强输出功率调控的效果。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的基于e类功率放大器的功率控制电路的结构框图；
21.图2为图1所示框图中功率放大模块的电路图；
22.图3为图1所示框图中数模转换模块的电路图；
23.图4为图1所示框图中低压差线性稳压器的结构示意图；
24.图5为图1所示框图中低压差线性稳压器的电路图；
25.图6为本发明实施例提供的调节输入信号占空比的原理图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
28.图1为本发明实施例提供的基于e类功率放大器的功率控制电路的结构框图。参阅图1，结合图2-图6，对本实施例中基于e类功率放大器的功率控制电路进行详细说明。
29.参阅图1，基于e类功率放大器的功率控制电路包括数字控制模块、数模转换模块和功率放大模块。数字控制模块用于产生与目标功率值对应的数字控制比特并输出。数模转换模块的输入连接数字控制模块的输出，用于接收数字控制模块输出的数字控制比特，并将接收到的数字控制比特转换为相应的直流偏置电压，之后通过其第一输出端口输出该直流偏置电压。功率放大模块的输入侧设置有偏置电路，偏置电路的偏置节点连接数模转换模块的第一输出端口。外部的方波信号经偏置电路的输入节点输入功率放大模块，方波信号为非理想方波信号，外部方波信号输入功率放大模块的过程中，直流偏置电压改变了该方波信号的直流偏置以调节最终输入功率放大模块的信号的占空比，从而调节功率放大模块的输出功率。
30.参阅图6，实线和虚线分别表示具有不同直流偏置的方波信号，其中，左侧为理想方波信号，右侧为实际应用场景中具有一定上升时间和下降时间的实际输入信号，实际输入信号为具有非理想特性的非理想方波信号。vm为功率放大模块中功放管的导通阈值，vref为参考的零电压，vdd为电源电压。
31.对于图6中左侧的理想方波信号，当输入信号的直流偏置电压减小且减小后信号的最大电平大于vm时，输入信号的前半个周期的高电平信号大于导通阈值，此时功放管处于导通状态；输入信号的后半个周期的低电平信号低于导通阈值，此时功放管处于关断状态，此时输入信号的占空比始终为0.5。当输入信号的直流偏置电压减小且减小后信号的最大电平小于vm时，功放管始终处于关断状态，则输入信号占空比为0。因此，若输入信号为理想方波信号，改变其直流偏置电压只能使其等效输入占空比为0.5、0两种状态，无法通过改
变直流偏置电压改变其输出功率。
32.对于图6中右侧的非理想方波信号，由于时钟信号本身具有一定的上升时间和下降时间，输入信号的负载有相应的寄生电阻和电容，导致实际的输入信号呈现一定的上升时间和下降时间。当信号直流偏置电压减小时，信号大于vm的时间小于半个周期，小于vm的时间大于半个周期，即输入功放管的导通时间小于半个周期，等效为输入信号占空比减小，实现了对其输出功率的控制。本实施例中，正是利用实际应用场景中方波信号的非理想特性来调节输入信号占空比，由此，大大简化了输入信号占空比调节电路的设计复杂度。
33.参阅图2，偏置电路包括电阻r1和电容c3，电阻r1的一端作为偏置节点连接数模转换模块的第一输出端口，电阻r1的另一端连接电容c3的一端，电容c3的另一端作为偏置电路的输入节点用于接收外部的方波信号，功率放大模块的输入连接电阻r1和电容c3的连接处。本实施例中，在偏置电路中加入电阻r1和电容c3，可以增强方波信号的非理想特性，延长其上升时间和下降时间，从而增强输出功率调控的效果。
34.参阅图2，功率控制电路还包括反相器，反相器连接在功率控制电路的输入端与偏置电路的输入节点之间，外部的方波信号依次经反相器和偏置电路后输入功率放大模块。由于外部的方波信号驱动能力有限，利用反相器作为缓冲级可以提升驱动能力，电阻r1、电容c3和直流偏置电压v
bias
可以调控输入至功率放大模块的信号的占空比，进而调节功率放大模块的输出功率。
35.功率放大模块包括开关管m3、开关管m4和cmos传输门，如图2所示。cmos传输门的一端作为功率放大模块中功率放大器漏端电压输入端口，另一端连接开关管m3的漏极，可以控制整个功率放大电路是否工作。开关管m3和开关管m4组成共源共栅结构，可以有效降低输入管的击穿风险；开关管m3为导通管，用于导通分压；开关管m4为功放管，用于对输入至功率放大模块的信号进行功率放大。
36.功率放大模块还包括电容c1、电容c2、电感l1和电感l2，如图2所示。电感l1连接在cmos传输门和开关管m3之间；电容c1的一端连接开关管m3的漏极，另一端接地。电容c2的一端连接开关管m3的漏极，另一端连接电感l2的一端，电感l2的另一端为功率放大模块的输出端；或者，电感l2的一端连接开关管m3的漏极，另一端连接电容c2的一端，电容c2的另一端为功率放大模块的输出端。电容c1、电容c2、电感l1和电感l2均为无源器件，用于调节功率放大后的电压波形和电流波形，使得电压波形和电流波形无交叠，以减小无用功耗，提高效率。电感l2和电容c2还起到选频功能，其q值直接影响到输出信号的杂散抑制。需要说明的是，某些情况下，电容c1可以去掉，其作用可以只由开关管m3漏端节点的对地寄生电容实现。
37.数模转换模块包括串联电阻分压电路和多通路数控mos开关，如图3所示。串联电阻分压电路一端接地，另一端输入预设电压。多通路数控mos开关用于接收数字控制模块输出的数字控制比特并选通串联电阻分压电路中相应的支路，以得到并输出相应的直流偏置电压，完成数字模拟转换功能。串联电阻分压电路中串联电阻的数量由所述功率控制电路的功率调节步进确定，串联电阻分压电路的阻值由系统静态功耗约束、功率控制电路驱动的下一级电路的节点寄生电容大小以及要求的切换速率确定。进一步地，根据输出电压精度等因素确定多通路数控mos开关中mos开关的参数。
38.数模转换模块还用于将数字控制比特转换为相应的参考电压并通过第二输出端
口输出。功率控制电路还包括低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输入连接第二输出端口，低压差线性稳压器的输出连接功率放大模块中功率放大器漏端电压输入端口，用于根据参考电压调节输出至功率放大器漏端的漏端电压，以调节功率放大模块的输出功率。
39.本实施例中，通过调节输入信号的占空比和调节功放管的漏端电压两种方式调节功率放大模块的功率。调节输入信号的占空比这种调节方式为精细调节方式，用于保证调节精度；调节功放管的漏端电压这种调节方式为粗调节方式，用于保证调节范围。
40.低压差线性稳压器包括误差放大器和调整管，如图4所示。误差放大器的反相输入端连接数模控制模块的第二输出端口，同相输入端直接连接调整管的输出端，输出端连接调整管的输入端。误差放大器用于将调整管的输出电压与数模控制模块第二输出端口输出的参考电压进行比较，并根据比较结果输出控制信号控制调整管的栅极电压，直至调整管的输出电压等于参考电压。调整管接收误差放大器的控制信号，实现对负载的驱动。调整管的输出电压直接连接到误差放大器的同相输入端，避免使用反馈电阻，而且可以直接通过输入参考电压来调整其输出电压，既简化了电路设计，又大大增强了其输出电压调节的灵活性。
41.低压差线性稳压器包括依次连接的差分输入级、缓冲级和功率级，如图5所示。差分输入级和缓冲级为全差分结构，相同静态功耗下大大增加了对功率管栅极的充放电电流，从而提高了低压差线性稳压器的瞬态响应特性。图5所示电路中，差分输入级和缓冲级对应图4中的误差放大器，开关管m14对应图4中的调整管。
42.当功率控制电路中设置有低压差线性稳压器时，数模转换模块应包含两个如图3所示的基本电路，其两个输出电压分别控制功率放大模块的栅极偏置电压和低压差线性稳压器的输入参考电压。数模转换模块的一个输出端口连接到功率放大模块的信号输入端口，例如输入数字信号的非理想特性，通过改变输入信号的直流偏置控制输入信号的占空比，进而控制功率放大模块的输出功率。数模转换模块的另一个输出端口连接到低压差线性稳压器的输入参考电压端口，控制低压差线性稳压器的输出电压，即控制功率放大模块的漏端电压，从而控制功率放大模块的输出功率。数模转换模块的输入端口连接数字控制模块的输出，根据实际需要的目标功率值输出相应的数字控制比特，该数字控制比特经数模转换模块转换为相对应的两个控制电压，分别控制功率放大模块的输入信号占空比以及漏端电压，进而控制输出功率。
43.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。