CN102142817A

CN102142817A - 输入功率过载保护电路

Info

Publication number: CN102142817A
Application number: CN2010106226198A
Authority: CN
Inventors: 约翰·贝兰托尼
Original assignee: Triquint Semiconductor Inc
Current assignee: Qorvo US Inc
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102142817B; US8391811B2; US20110156834A1

Abstract

公开了输入功率过载保护电路。公开了用于保护电路的电路、设备和系统的实施例，其中该保护电路包括具有衰减状态的控制元件，以防止过载状况。可以描述并要求保护其它实施例。

Description

输入功率过载保护电路

技术领域

本公开的实施例总体上涉及电路领域，更具体地，涉及输入功率过载保护电路。

背景技术

功率放大器在输入功率过载状况下可能遭到显著损坏。由于诸如在无线码分多址(W-CDMA)系统中发现的复合数字调制信号之类的具有高的峰均比(peak-to-average ratio)的复合数字调制信号，对这种过载状况的防止是复杂的。高的峰均比在时域中建立射频(RF)波形的快速的升高时间和下降时间。传统的电子保护系统不能做到：足够快速地进行反应以避免RF波形的峰值被永久地破坏，同时提供足以不使频谱再生劣化的线性。

附图说明

在附图的图中以示例方式而非限定方式示出了实施例，在附图中，相似的附图标记表示类似的要素，其中：

图1示出了输入功率过载保护电路；

图2是描述输入功率过载保护电路的操作的流程图；

图3是输入功率过载保护电路的电路图；

图4是示出了功率输出相对于功率输入的比率的曲线图；

图5是示出了散射参数性能的曲线图；

图6是示出了相对的邻信道泄漏比性能的曲线图；以及

图7示出了实现全部根据至少一些实施例的输入功率过载保护电路的无线传输装置。

具体实施方式

将使用本领域技术人员通常用来向其他的本领域技术人员传达其工作实质的术语来描述示例性实施例的各个方面。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以仅使用所描述的方面中的一些方面来实施替代性实施例。为了进行说明，描述了特定的装置和配置，以提供对示例性实施例的全面理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不具有特定细节的情况下可以实施替代性实施例。为了不使示例性实施例费解，在其它示例中省略或简化了公知的特征。

此外，将以最有助于理解本公开的方式将各个操作依次描述为多个分立的操作；然而，该描述的顺序不应被理解为暗示这些操作必须是与顺序相关的。具体地，不需要以所呈现的顺序来执行这些操作。

重复使用了措词“在一个实施例中”。该措词通常不是指同一实施例；但该措词可以指同一实施例。除非上下文另外指出，否则术语“包括”、“具有”和“具备”是同义的。

为了对可能结合各个实施例使用的语言提供一些澄清性语境，措词“A/B”和“A和/或B”意为(A)、(B)或(A和B)；措词“A、B和/或C”意为(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。

这里可以使用术语“耦合到”以及其衍生词。“耦合”可以意为以下情况中的一个或更多个。“耦合”可以意为两个或更多个元件直接地物理接触或电接触。然而，“耦合”还可以意为两个或更多个元件间接地相互接触但仍然相互协作或交互，并且可以意为一个或更多个其它元件耦合或连接在被称为相互耦合的元件之间。

图1示出了根据一些实施例的输入功率过载保护电路100，该输入功率过载保护电路100包括具有耦合器108和与耦合器108相耦合的控制元件112的传输线路104。输入功率过载保护电路100(下文中称为“电路100”)还可以包括与耦合器108和控制元件112这两者相耦合的保护模块116。

保护模块116可以包括检测器120，检测器120连同保护模块116的其它部件一起与传输线路104物理上分离。检测器120可以具有与诸如单次触发定时器等的定时器124以及或(OR)逻辑元件128的第一输入相耦合的输出。OR逻辑元件128的第二输入可以与定时器124的输出相耦合。OR逻辑元件128的输出可以被提供到控制元件112以及提供到反相器132的输入。反相器132的输出还可以与控制元件112相耦合。OR逻辑元件128和反相器132(统称为“逻辑元件”)均可以在相应的电源输入处被提供偏置电压Vcc。

另外参考图2所示的流程图200描述电路100的操作。在块204处，耦合器108可以基于在传输线路104上传输的输入RF信号RFin而生成导出的RF信号。该导出的RF信号可以等于RFin或与RFin成比例。耦合器108可以将该导出的RF信号提供到保护模块116的检测器120。

在块208处，检测器120可以针对RFin的过载状况进行检测。可以通过将导出的RF信号的值与预定阈值相比较来实现对过载状况的检测。可以设置该预定阈值，使得如果该导出的RF信号在该阈值以上则表示过载状况。在其它实施例中可以使用其它比较功能。

如果在块208处检测到过载状况，则检测器120可以在其输出处断言(assert)信号。这可以在决212处触发定时器124，而这又可以在块216处触发逻辑元件以将控制元件112设置为衰减状态。检测器120的断言信号(asserted signal)可以通过被直接提供到OR逻辑元件128来触发逻辑元件。在OR逻辑元件128的输入中的至少一个输入上具有断言信号的OR逻辑元件128可以在OR逻辑元件128的输出处具有Vcc的断言信号。然后可以将该断言信号直接提供到控制元件112的Vc输入，这可以导致控制元件112通过将至少部分的RFin信号朝向输入向后反射来使RFin信号衰减。在一些实施例中，向控制元件112的Vc输入提供断言信号可以表示控制元件112的正向偏置。

如果在块208处判断为未检测到过载状况，则可以在块220处判断定时器124的输出是否被断言。在一个实施例中，可以通过OR逻辑元件128基本上同时地完成在块208处的判断和在块220处的判断。如上文所述地，定时器124的断言输出可以在块216处触发逻辑元件以将控制元件112设置为衰减状态。

如果在块220处判断为定时器124的输出信号未被断言，则在块224处，逻辑元件可以将控制元件112设置为非衰减状态。可以由被去断言(de-assert)的OR逻辑元件128的输入上的两个信号而导致该非衰减状态。这可以导致OR逻辑元件128的输出被去断言，且导致反相器132的输出被断言为Vcc。可以将反相器132的断言输出提供到控制元件112的

输入，使得控制元件112允许RFin信号大部分不受影响地通过。在一些实施例中，向控制元件112的

输入提供断言信号表示控制元件112的反向偏置。

以这种方式，保护模块116可以通过使用与传输线路104上的RFin信号相反的导出的RF信号来去耦合检测功能。此外，被直接提供到OR逻辑元件128的检测器120的输出可以提供对过载状况的初始出现的快速响应，而定时器124的使用可以提供后续的RF脉冲的峰值之间的保持功能，使得保护模块116不会比期望的更频繁地触发控制元件112的衰减状态。该保持功能可以考虑到来自控制元件112的更充分地展开的衰减响应。

在一些实施例中，控制元件112可以单独地包括二极管或场效应晶体管(FET)，该二极管或场效应晶体管除了提供上面讨论的衰减之外还使RFin信号预失真，以增大与电路100相耦合的功率放大器的线性响应。当控制元件112处于非衰减状态时，可以进行该预失真线性化。与针对衰减功能和预失真功能中的每个功能而使用不同的元件相比，使用诸如二极管或FET之类的一个元件来使RFin信号衰减和预失真可以与更少的插入损耗和更多的总增益相关联。

图3是根据一些实施例的电路100的电路图300。用类似的附图标记标注与在图1中描述的元件相对应的电路图300的一般区域。

耦合器108可以具有区段304，区段304被配置用于在通过耦合器108的区段308产生作为RFin信号的结果的导出的RF信号时提供宽带响应。区段304和308可以是四分之一波长微带，并且在本实施例中可以将耦合器108称为四分之一波长微带耦合器。耦合器108可以结合旨在实现低插入损耗和高隔离的微波设计技术。通过使用电容器R14至R17提供电容补偿，可以增强耦合器108的方向性。

在耦合器108中以及传输线路104上的其它位置中包括的电感调谐区间可以补偿与和传输线路104相并联的元件相关联的寄生电容。可以选择旁路电容器C5和C3以抵消寄生电感，并且偏置线圈L1可以被选择成在工作频带上无谐振。

可以通过包括例如放大器U1以及衰减器R10、R11和R12的检测器120的元件来对导出的RF信号进行衰减和放大。可以选择衰减器以调节与过载状况相对应的过载阈值水平。可以将该阈值水平设置为频率或功率水平的函数。

检测器120可以包括：肖特基二极管D1；用于提供例如50欧姆RF终端的电阻器R18；以及用于提供RF旁路的电容器C2。肖特基二极管D1可以驱动可作为OR逻辑元件128的第一输入而工作的高速开关Q1。肖特基二极管D1可以经由电阻器R6和加速电容器C7来驱动Q1。加速电容器C7可以加快从肖特基二极管D1到高速开关Q1的信号的上升沿的提供。

来自肖特基二极管D1的信号还将驱动定时器124的元件，例如开关Q3、电容器C6和电阻器R8。开关Q3可以以比高速开关Q1更低的速度工作；然而，一旦被激活，开关Q3将在由电容器C6和电阻器R8的值所确定的时间常数之内保持激活。发光二极管D3可以用于提供定时器124的状态的可视表示。可以向可作为OR逻辑元件128的第二输入的开关Q4提供定时器124的输出。

当高速开关Q1断开(例如当不存在过载状况时)且开关Q4断开(例如当定时器124已到期时)时，反相器132的开关Q2可断开。在开关Q2断开的情况下，电阻器R2和R3可以将在控制元件112的PIN二极管D2的阴极处的电压设置成大于在该PIN二极管D2的阳极处的电压。这可以向二极管D2提供禁止电流流过的反向偏置电位。可以通过例如调节Vcc的值来调节该反向偏置电位的值，以用于期望的预失真线性化。以这种方式，保护模块可以提供PIN二极管D2两端的反向偏置电位，以将控制元件112设置为非衰减状态。

当高速开关Q1接通(例如当存在过载状况时)或开关Q4接通(例如当定时器124未到期时)时，开关Q2也将接通。这将使该阴极电压被设置在该阳极电压以下，由此使PIN二极管D2上的偏置从反向偏置电位翻转为正向偏置电流。通过PIN二极管D2的正向偏置电流将导致低阻抗状态，该低阻抗状态工作用于将高功率输入波朝向源向后反射，而不是朝向传输线路104的输出传输。以这种方式，保护模块116可以提供通过PIN二极管D2的正向偏置电流，以将控制元件112设置成处于衰减状态。

在一些实施例中，控制元件112可以包括场效应晶体管(FET)而不是PIN二极管D2。在这些实施例中，通过在FET的栅极处提供正向偏置电位的保护模块116，可以将控制元件112设置为衰减状态。

在实现电路图300时，可能期望使二极管D2位于紧邻耦合器108的输出。当耦合器108是四分之一波长微带耦合器时，耦合器108的输入可以位于与二极管D2相距约额定频率的四分之一波长。二极管D2与耦合器108的输入的该物理上的邻近可以建立正反馈机制，在该正反馈机制中耦合器108上的信号便利于二极管D2切换成衰减状态。

虽然电路图300示出了不同的电路元件的特定布置，但是可以理解，可以在各种实施例中实现各种变型。例如，可以用诸如FET之类的特定半导体器件或者与给定的单片工艺相关联的器件来替换其它元件，例如可以用FET替换上面讨论的PIN二极管D2。此外，虽然示出了各种无源器件，但是在一些实施例中，可以在期望增益时使用有源器件。此外，取决于频率，可以利用波导或传统的导线或印刷电路迹线来实现电路100。应当理解，可以根据所提供的公开对本发明进行诸多变型和变化。

图4是示出了两个实施例的功率输出(Pout)相对于功率输入(Pin)的比率的曲线图400。Pout对应于RFout信号的dBm值，Pin对应于RFin信号的dBm值，其中dBm表示以相对于一个毫瓦(mW)的分贝(dB)为单位的功率比。在这些实施例中，在5伏(V)Vcc偏置的情况下额定频率是900兆赫(MHz)。从这两个实施例可以看出，Pout跟随Pin上升，直到达到Pin的过载阈值为止。在该点处，Pout信号可以大大衰减，以避免否则可能由于过载状况而出现的损坏。

如上文所述，可以使用衰减器R10至R12来调节过载阈值水平，以调节肖特基二极管D1的功率输入。从曲线图400可以看出，在由线404表示的实施例中将过载阈值设置成比由线408表示的实施例更低。

图5是示出了根据一些实施例工作的电路100的散射参数(或“S参数”)的曲线图500。具体地，曲线图500示出了针对线504、508、512和516的、作为工作频率的函数的插入损耗和返回损耗。具体地，线504提供了针对在控制元件112处于非衰减状态的情况下工作的电路100的插入损耗；线508提供了针对在控制元件112处于衰减状态的情况下工作的电路100的插入损耗；并且线512和516分别提供了与线504的插入损耗相关联的输入返回损耗和输出返回损耗。在本实施例中，衰减状态与非衰减状态之间的隔离可以为约21dB。参见例如线504和508的900MHz隔离损耗之间的差。可以通过选择C3的合适的电容器值来调节该隔离，以便以特定实施例的期望的额定频率而谐振出寄生电感。

图6是示出了根据一些实施例的线604所示的不使用电路100的放大电路以及线608所示的使用电路100的放大电路的对比的邻信道泄漏比(ACLR)性能的曲线图600。在图7中可以看到使用电路100的放大电路的示例。曲线图600中绘制的结果可以是利用以下的W-CDMA第三代合作伙伴项目(3GPP)测试参数来操作放大电路的功率放大器的结果：1-64专用物理信道(DPCH)；以0.01％概率的10.2dB的峰均比(PAR)；以及3.84MHz带宽。下文中可以将这些测试参数称为“3GPP测试参数”。线608表示至少部分地由于由控制元件112提供的预失真线性化的、相对于线604的改善的ACLR性能。

下面的表1提供了所测量的具有根据一些实施例的电路100的放大电路的性能的概述。

表1

2dB的预失真线性化改善是以相对于载波(dBc)ACLR水平的-50dB的平均改善。在3GPP测试参数下，电路100保护功率放大器直到超过功率放大器的1dB压缩点(P1dB)的15dB。

电路100可以被合并到各种设备和系统中的任意一个中。图7中示出了将电路100合并到具有功率放大器708的放大电路704中的示例性无线传输装置700的框图。除了放大电路704之外，无线传输装置700可以具有至少如所示出的相互耦合的天线结构712、双工器716、收发器720、主处理器724和存储器728。虽然示出了具有发送和接收能力的无线传输装置700，但是其它实施例可以包括无接收能力的无线传输装置。

在各种实施例中，无线传输装置700可以是(但不限于)移动电话、寻呼装置、个人数字助理、文本通信装置、便携式计算机、台式计算机、电信基站、用户站、接入点、雷达、卫星通信装置或者任何其它能够无线发送RF信号的装置。

主处理器724可以执行存储在存储器728中的基本操作系统程序，以控制无线传输装置700的总体操作。例如，主处理器724可以控制收发器720的信号接收和信号发送。主处理器724可以能够执行驻留在存储器728中的其它处理和程序，并且可以按照执行处理所期望的将数据移入存储器728中或从存储器728中移出数据。

收发器720可以接收来自主处理器724的输出数据(例如声音数据、网络(web)数据、电子邮件、信令数据等)，并且可以生成表示输出数据的RFin信号，并向放大电路704提供RFin信号。

放大电路704可以根据选择的放大模式而放大RFin信号。可以将放大的RFamp信号传送到双工器716，且随后传送到天线结构712，以用于空中下载(over-the-air，OTA)传输。

以类似的方式，收发器720可以通过双工器716接收来自天线结构712的输入OTA信号。输入信号可以被收发器720处理并发送到主处理器724，以用于进一步处理。

在各种实施例中，天线结构712可以包括一个或更多个定向天线和/或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线或者任何其它类型的适合用于RF信号的OTA发送/接收的天线。

本领域技术人员将认识到无线传输装置700是以示例的方式给出的，并且为了简明起见，仅示出并描述了理解实施例所必需的无线传输装置700的构造和操作。各种实施例根据特定需要而考虑与无线传输装置700相关联的执行任何合适的任务的任何合适的部件或部件组合。此外，应当理解，无线传输装置700不应被理解为对可以实现实施例的装置的类型的限定。

虽然已经按照上述实施例描述了本公开，但是本领域普通技术人员应当理解，可以用为了实现相同的目的而计算的各种替代性的和/或等同的实施方式来代替所示出并描述的特定实施例，而不脱离本公开的范围。本领域技术人员容易理解，可以在各种实施例中实现本公开的教导。本说明书旨在被视为说明性的，而不是限制性的。

Claims

1.一种电路，包括：

传输线路，所述传输线路被配置用于传输射频(RF)信号；

耦合器，所述耦合器与所述传输线路相耦合，并被配置用于生成与所述RF信号相对应的导出的RF信号；

控制元件，所述控制元件与所述传输线路相耦合，并被配置用于当处于非衰减状态时传输所述RF信号以及当处于衰减状态时反射至少部分的所述RF信号；以及

保护模块，所述保护模块与所述耦合器相耦合，并被配置用于至少部分地基于所述导出的RF信号而使所述控制元件在所述非衰减状态和所述衰减状态之间进行切换。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制元件包括二极管。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述保护模块被配置用于通过所述二极管提供正向偏置电流，以将所述控制元件设置成处于所述衰减状态。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述保护模块被配置用于提供所述二极管两端的反向偏置电位，以将所述控制元件设置成处于所述非衰减状态。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述保护模块包括检测器，所述检测器与所述耦合器相耦合，所述检测器被配置用于对所述导出的RF信号超过预定阈值的状况进行检测，所述保护模块还被配置用于至少部分地基于对所述状况的检测而将所述控制元件设置为所述衰减状态。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述检测器被配置用于当检测到所述状况时断言第一信号，所述保护模块还包括：

定时器，所述定时器与所述检测器相耦合，并被配置用于在所述第一信号被断言之后的预定量的时间之内断言第二信号；以及

一个或更多个逻辑元件，所述一个或更多个逻辑元件与所述检测器和所述定时器相耦合，并被配置用于当所述第一信号或所述第二信号被断言时将所述控制元件设置成处于所述衰减状态。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述一个或更多个逻辑元件包括：

OR逻辑元件，所述OR逻辑元件具有与所述定时器相耦合的第一输入以及与所述检测器相耦合的第二输入；以及

反相器，所述反相器与所述OR逻辑元件的输出相耦合。

8.根据权利要求5所述的电路，其中所述检测器包括衰减器、放大器和肖特基二极管。

9.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制元件被配置用于当处于所述非衰减状态时提供对所述RF信号的预失真线性化。

10.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制元件包括二极管，所述耦合器是四分之一波长微带，所述二极管位于紧邻所述耦合器的输出且与所述耦合器的输入相距约额定频率的四分之一波长。

11.一种方法，包括：

利用与传输线路相耦合的耦合器生成与所述传输线路上的射频(RF)信号相对应的导出的RF信号；

利用物理上与所述传输线路相分离的检测器至少部分地基于所述导出的RF信号而检测过载状况；以及

至少部分地基于对所述过载状况的所述检测而将控制元件设置为衰减状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述将所述控制元件设置为所述衰减状态包括：

通过所述控制元件的二极管提供正向偏置电流。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

在检测到过载状况时设置定时器；以及

至少进一步地部分地基于对所述定时器的所述设置而将所述控制元件设置为所述衰减状态。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

检测过载状况的不存在；以及

至少部分地基于对所述过载状况的不存在的所述检测而将所述控制元件设置为非衰减状态。

15.一种系统，包括：

收发器，所述收发器被配置用于提供射频(RF)信号和控制信号；以及

放大电路，所述放大电路与所述收发器相耦合，所述放大电路包括：

功率放大器，所述功率放大器被配置用于接收并放大所述射频信号；以及

输入功率过载保护电路，所述输入功率过载保护电路具有与传输线路相耦合的耦合器，所述耦合器被配置用于生成与所述RF信号相对应的导出的RF信号；

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制元件包括二极管或场效应晶体管。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制元件还被配置用于当处于所述非衰减状态时提供对所述RF信号的预失真线性化。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制元件包括二极管，所述耦合器是四分之一波长微带，所述二极管位于紧邻所述耦合器的输出且与所述耦合器的输入相距约额定频率的四分之一波长。

19.一种电路，包括：

传输线路，被配置用于传输射频(RF)信号；以及

控制元件，所述控制元件包括二极管或场效应晶体管，并与所述传输线路相耦合，所述控制元件被配置用于选择性地对所述RF信号进行衰减和预失真。

20.根据权利要求19所述的电路，还包括：

耦合器，所述耦合器与所述传输线路相耦合，并被配置用于生成与所述RF信号相对应的导出的RF信号；以及

保护模块，所述保护模块与所述耦合器相耦合，并被配置用于至少部分地基于所述导出的RF信号而使所述控制元件在非衰减状态和衰减状态之间进行切换。