一种栅压自适应补偿装置及其栅压自适应补偿方法

摘要

本发明公开了一种栅压自适应补偿装置及其栅压自适应补偿方法，包括射频开关电路、LDMOS器件放大电路、MCU控制电路、A/D电路1、A/D电路2、D/A电路、温度检测电路、漏极电流检测电路，所述射频开关电路依次与LDMOS器件放大电路、温度检测电路、A/D电路2、MCU控制电路连接成一回路，所述射频开关电路还依次与LDMOS器件放大电路、漏极电流检测电路、A/D电路1、MCU控制电路连接成另一回路，所述D/A电路连接在MCU控制电路和LDMOS器件放大电路之间，本发明解决了以往栅压温度补偿不能使功率放大器射频指标足够稳定的问题，从而大幅度提高了功率放大器的射频性能指标。

说明书

                         技术领域

本发明涉及移动通信系统中功率放大器领域，尤其涉及一种栅压自适应补偿装置及其栅压自适应补偿方法。

                         背景技术

功率放大器在通信系统中起着举足轻重的作用，许多年来一直是人们研究的热点。目前，LDMOS放大器件在功率放大器设计中得到了广泛的应用，由于LDMOS放大器件本身固有的特性，为了保证功率放大器的射频性能指标，需要对LDMOS放大器件的栅压进行温度补偿。

常见的栅压温度补偿方法大致分为两种：线性斜率的补偿方法和查找表的补偿方法。线性斜率的补偿方法原理：在某个温度下保存一个特定的栅压值，功率放大器工作过程中，以该值为初始值按照一个直线斜率进行温度补偿。查找表的补偿方法原理：预先测试一组栅压和温度之间的对应关系数据，得到一个表格。功率放大器工作过程中，检测温度值，根据温度值的范围，按照表格对栅压进行补偿。线性斜率的补偿方法存在的问题就是当固定一个初始值时，相当于温度补偿直线的截距是个定值，这和实际情况显然不符，因为功放每次开机时温度是不确定的，无论什么情况下都按照一个初始值补偿，是不合适的。并且通过大量的实验证明，栅压和温度的关系只用一个直线斜率也是有偏差的。查找表的补偿方法的缺陷是它对表格的数据很敏感，表格里面的数据的准确度直接决定了栅压温度补偿的精度，可生产性差。另外，通过我们以前所作的实验证明，栅压和温度之间关系在一定的温度段是近似为直线的，按照查表(多段直线)的补偿方法势必造成某些温度段的误差很大。

                         发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点及不足，提供一种栅压自适应补偿装置及其栅压自适应补偿方法，本发明通过引入自适应方法来获取初始值，并根据LDMOS放大器件的特性，把温度分为高中低三段分别进行温度补偿，解决了以往栅压温度补偿不能使功率放大器射频指标足够稳定的问题，从而大幅度提高了功率放大器的射频性能指标。

本发明的目的通过下述技术方案实现：栅压自适应补偿装置，包括射频开关电路、LDMOS器件放大电路、MCU控制电路、A/D电路1、A/D电路2、D/A电路、温度检测电路、漏极电流检测电路，所述射频开关电路依次与LDMOS器件放大电路、温度检测电路、A/D电路2、MCU控制电路连接成一回路，所述射频开关电路还依次与LDMOS器件放大电路、漏极电流检测电路、A/D电路1、MCU控制电路连接成另一回路，所述D/A电路连接在MCU控制电路和LDMOS器件放大电路之间。

所述的MCU控制电路是单片机、DSP、FPGA、ARM或其他可编程芯片。

所述的栅压自适应补偿方法，包括以下步骤：

(1)功率放大器接通电源后，射频开关电路关闭，LDMOS放大器件电路中功放管处于静态工作状态；

(2)MCU控制电路通过D/A电路提供功放管的栅压值，然后通过A/D电路1采集功放管返回的漏极电流值；

(3)MCU控制电路调用自适应补偿方法进行迭代，从而使功放管的漏极电流值等于预先设定的功放管的目标值(根据功率放大器射频性能指标要求而定，每个功放管目标值都是不一样的)，如果功放管的漏极电流值和预先设定的目标值偏差小到一定范围(一定范围是由设计的硬件电路决定，与目标电流I_target对应的数字量大小有关，对应的数字量越大，误差范围就越小，对应的数字量越小，误差范围就越大)，则功放管栅压初始值自适应完毕。

(4)MCU控制电路开通射频开关电路，射频信号进入；

(5)功率放大器在射频信号进入后，MCU控制电路通过温度检测电路，A/D电路2实时检测温度，按照三段斜率进行栅压温度补偿；

所述的自适应补偿方法包括以下步骤：

(a)确定目标电流I_target、栅压初始值1、栅压初始值2、功放管的保护门限及三个温度段斜率；

(b)MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出栅压初始值1，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值1；

(c)MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出栅压初始值2，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值2；

(d)利用自适应补偿方法的迭代公式对目标电流I_target、栅压初始值1、栅压初始值2、漏极电流值1和漏极电流值2进行处理得到新的栅压值；

(e)判断新的栅压值是否高于门限，如果高于门限则将栅压值限制为一个固定值为步骤(a)中确定的保护门限值，否则栅压值为步骤(d)计算的栅压值，MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出当前确定的当前栅压值，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值；

(f)判断步骤(e)中采集的漏极电流和步骤(a)中确定的目标电流值I_target之间的偏差是否小于一个门限，若小于，那么栅压初始值寻找过程结束，并记录当前栅压值，作为最优的栅压初始值，否则返回到步骤(d)；

(g)打开射频开关电路，允许射频信号输入；

(h)按照三段斜率实时栅压温度补偿。

所述步骤(d)迭代公式是：

$$ >>>V>bias>>>(>k>+>1>)>>=>>V>bias>>>(>k>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>*>>>>V>bias>>>(>k>)>>->>V>bias>>>(>k>->1>)>>>>f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>->1>)>>)>>>>,>>$$上式中：

                   f(V_bias)＝I_drain-I_target

式中：V_bias表示功放管栅压值，I_drain表示漏极电流值，I_target表示漏极电流目标值。

所述步骤(h)的三段斜率是根据LDMOS放大器件本身固有的栅压与温度关系而确定。

所述的温度按照-40℃～-10℃，-10℃～30℃，30℃～60℃分为三段。

本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明引入了初始值的自适应方法，与线性斜率的补偿方法和查找表的补偿方法相比，保证在整个温度段，使LDMOS放大器件的工作状态基本稳定。

2、本发明采用温度分三段，采用不同斜率进行补偿与线性斜率补偿方法相比，随温度补偿的值更加精确，与查找表补偿方法相比，更适合工程应用，方便生产。

                           附图说明

图1是本发明的实现方案原理框图；

图2是本发明的自适应补偿方法流程示意图。

                          具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明提供的一种栅压自适应补偿装置，包括射频开关电路、LDMOS器件放大电路、MCU控制电路、A/D电路1、A/D电路2、D/A电路、温度检测电路、漏极电流检测电路，所述射频开关电路依次与LDMOS器件放大电路、温度检测电路、A/D电路2、MCU控制电路连接成一回路，所述射频开关电路还依次与LDMOS器件放大电路、漏极电流检测电路、A/D电路1、MCU控制电路连接成一回路，所述D/A电路连接在MCU控制电路和LDMOS器件放大电路之间。

栅压自适应补偿装置，其工作过程包括以下步骤：

(1)功率放大器接通电源后，射频开关电路关闭，LDMOS放大器件电路中功放管处于静态工作状态；

(2)MCU控制电路通过D/A电路提供功放管的栅压值，然后通过A/D电路1采集功放管返回的漏极电流值；

(3)MCU控制电路调用自适应补偿方法进行迭代，从而使功放管的漏极电流值等于预先设定功放管的目标值，一旦功放管的漏极电流值和预先设定功放管的目标值偏差小到一定范围，则认为功放管栅压初始值自适应完毕，所述一定范围是由设计的硬件电路决定，与目标电流I_target对应的数字量大小有关，对应的数字量越大，误差范围就越小，对应的数字量越小，误差范围就越大。

(4)MCU控制电路开通射频开关电路，射频信号进入；

(5)功率放大器射频信号进入后，MCU控制电路通过温度检测电路，A/D电路2实时检测温度，按照三段斜率进行栅压温度补偿。

如图2所示本发明提供的栅压自适应补偿装置的自适应补偿方法，所述的自适应补偿方法包括以下步骤：

(a)开始阶段，根据具体LDMOS器件放大电路中功放管特征，确定两个栅压初始值1、2。确定方法是：首先确定目标电流为I_target时的目标栅压值，然后把两个栅压值的大小分布在目标栅压值的两边；另外，确定步骤(e)中使用到的保护门限，值确定为功放管最大承受栅压值；最后，确定-40℃～-10℃，-10℃～30℃，30℃～60℃三个温度段斜率，斜率值确定根据LDMOS器件放大电路中功放管三个温度段栅压和温度之间关系，利用最小二乘法(通用的一种曲线拟合方法)拟合出斜率；

(b)MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出栅压初始值1，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值1；

(c)MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出栅压初始值2，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值2；

(d)利用自适应补偿方法的迭代公式对目标电流I_target、栅压初始值1、栅压初始值2、漏极电流值1和漏极电流值2进行处理得到新的栅压值，所述公式为：

$$ >>>V>bias>>>(>k>+>1>)>>=>>V>bias>>>(>k>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>*>>>>V>bias>>>(>k>)>>->>V>bias>>>(>k>->1>)>>>>f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>->1>)>>)>>>>>$$

上式中：

                  f(V_bias)＝I_drain-I_target

式中：V_bias表示功放管栅压值，I_drain表示漏极电流值，I_target表示漏极电流目标值；

(e)判断新的栅压值是否高于门限，如果高于门限则将栅压值限制为一个固定值为步骤(a)中确定的保护门限值，否则栅压值为步骤(d)计算的栅压值，MCU控制电路通过D/A电路为LDMOS器件放大电路中的功放管输出当前确定的当前栅压值，然后通过A/D电路1采集得到对应的漏极电流值；

(f)判断步骤(e)中采集的漏极电流和步骤小(a)中确定的目标电流值I_target之间的偏差是否小于一个门限(该门限值根据实际工程需要确定)，若小于，那么栅压初始值寻找过程结束，并记录当前栅压值，作为最优的栅压初始值，否则返回到步骤(d)；

(g)打开射频开关电路，允许射频信号输入；

(h)按照三段斜率实时栅压温度补偿。

每次自适应补偿方法迭代后都需要把新的栅压值与门限比较，该门限是为了保护功放管而设定，值的大小取决于功放管所能承受的栅压值。每次自适应补偿方法迭代后，所采集的漏极电流值都需与一个目标漏极电流值比较，该目标漏极电流值是预先根据功率放大器射频性能指标要求而定，同样这里所设定的误差范围也是以不影响功率放大器射频性能指标为前提而定。三段斜率的确定是根据LDMOS放大器件本身固有的栅压与温度关系而定，这里把温度按照-40℃～-10℃，-10℃～30℃，30℃～60℃三段，每一段设定一个斜率。

上述自适应补偿方法原理：

根据功放管实际情况，建模如下：

f(V_bias)＝I_drain-I_target                                               (1)

式中：V_bias表示功放管栅压值，I_drain表示漏极电流值，I_target表示漏极电流目标值。方法调整的目标就是使f(V_bias)＝0。

为了满足以上要求，采用如下迭代公式：

$$ >>>V>bias>>>(>k>+>1>)>>=>>V>bias>>>(>k>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>*>>>>V>bias>>>(>k>)>>->>V>bias>>>(>k>->1>)>>>>f>>(>>V>bias>>>(>k>)>>)>>->f>>(>>V>bias>>>(>k>->1>)>>)>>>>->->->>(>2>)>>>$$

下面讨论一下该方法的收敛速度。假设x^*表示f(x)＝0的根，那么每次迭代后的误差为e_k＝x_k-x^*，则有：

$$ >>>e>>k>+>1>>>=>>e>k>>->f>>(>>x>k>>)>>*>>>>e>k>>->>e>>k>->1>>>>>f>>(>>x>k>>)>>->f>>(>>x>>k>->1>>>)>>>>->->->>(>3>)>>>$$

在根x^*处展开f(x_k)，得到：

$$ >>f>>(>>x>k>>)>>=>>f>\prime >>>(>>x>*>>)>>>(>>x>k>>->>x>*>>)>>+>>>>f>>\prime >\prime >>>>(>>x>*>>)>>>2>>>>(>>x>k>>->>x>*>>)>>2>>+>·>·>·>·>·>·>>$$

$$ >>\approx >>f>\prime >>>(>>x>*>>)>>>e>k>>+>>>>f>>\prime >\prime >>>>(>>x>*>>)>>>2>>>>e>k>>2>>->->->>(>4>)>>>$$

把(4)式代入(3)式得：

$$ >>>e>>k>+>1>>>=>>>>f>>\prime >\prime >>>>(>>x>*>>)>>>>2>>f>\prime >>>(>>x>*>>)>>>>>e>k>>>e>>k>->1>>>->->->>(>5>)>>>$$

上式表明误差e_k+1与前两步的误差乘积成正比，即接近于平方收敛性能，所以说收敛速度很快，同时该方法也有收敛精度高的优点。

下面结合实验对本发明进行说明：以一款Comba自主研发的型号为PA-4950D101功率放大器为例，漏极电流检测电路实现所采用的核心器件为INA138，射频开关电路实现所采用的核心器件为AS156，MCU控制电路实现所采用的核心器件为ADuc832，D/A电路实现所采用的核心器件为AD5324，A/D电路1和A/D电路2实现采用ADuc832自带A/D功能实现，温度检测电路实现所采用的核心器件为TMP36，对本发明所提出的LDMOS放大器件栅压自适应补偿方法和实现方案进行了实验验证。实验条件：PA-4950D101中三个LDMOS放大器件型号分别为MRF6S19140、MRF6S19140和MW4IC2020，自适应补偿方法中，三个功放管目标电流值分别设定为1A、1A和0.3A，误差范围设定为+1.8％。得到的实验结果总结如下。

         表1  不同补偿方法各温度下的静态电流值(单位：A)

注：这里所提到的自适应补偿方法是在20℃时完成栅压初始值的确定。

从表1中可以看出利用本发明所提出的自适应补偿方法，全温度范围内功放管总的静态电流值最大波动范围是0.08A。而采用线性斜率补偿方法，全温度范围内功放管总的静态电流值最大波动范围是1.07A。而栅压温度补偿的目的就是尽量使LDMOS放大器件静态漏极电流保持一致，从而保证功率放大器的射频指标性能，因此很显然本发明所提出的自适应补偿方法远优于线性斜率补偿方法。

       表2  不同补偿方法的全温度范围内射频性能指标波动情况

注：这里所指的全温度范围是-40℃～60℃。自适应补偿方法是在20℃时完成栅压初始值的确定。

从表2数据可以看出，本发明提出的自适应补偿方法，在射频指标稳定性方面，尤其是功率放大器线性指标(IM3)远远好于线性斜率补偿的方法。