CN100477495C - 用于功率放大器的电容耦合动态偏置升压电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大器电路，包括放大器晶体管和用于偏置所述放大晶体管管从而获得至少大约180°导通角的一个直流偏置电路。所述直流偏置电路包括一动态偏置升压电路，用于与提供给所述功率放大器的输入信号的增加成正比地增加所述直流偏置电路提供给所述放大晶体管的直流偏置电流。直流偏置电路的输入通过一电容器与所述功率放大器电路的一级耦合。所述偏置升压电路使得所述功率放大器电路工作在B或AB类，具有改进的线性度、改进的效率和降低的无功电流。

Description

用于功率放大器的电容耦合动态偏置升压电路
技术领域
本发明涉及晶体管放大器电路领域，尤其涉及具有偏置升压电路的功率放大器，用于增强放大器线性度并减少无功电流。
背景技术
这种通用类型的放大器常用于高频RF放大器，音频放大器以及其他应用中。为了获得线性输入-输出关系和高工作效率，此放大器典型地工作在大概180°导通角(B类)或稍大一些的导通角(AB类)从而避免交叉失真。
典型地，这种放大器需要一个直流偏置电路，以便在所述放大器电路中建立所述静态偏置电流，从而确保在B类或AB类模式的操作。在现有技术中，偏置通常由固定电流源提供，如美国专利US5,844,443所述，或者由外部电源提供，所述电源可被设置为一个期望恒定值从而确保静态电流工作在所需要的模式，如美国专利US5,548,248所述。
然而，在上述类型的放大器中，来自所述电源的平均电流取决于所述输入信号电平。随着输出功率的增加，功率晶体管的发射极和基极的平均电流也随之增加。增加的平均电流引起偏置电路和镇流电阻(被用于避免使用交叉指型设计的热点和热击穿)中的电压降。这又降低了导通角(即放大器360°导通之外的度数)，并且迫使放大器深入成B类甚至C类操作，从而把最大功率输出降低大约25％。为了避免这功率降低，放大器必须有更大的静态偏置。这在已有技术的电路中将不可避免地导致在低功率输出电平的较高的功耗，因此导致一个不希望的在工作特性中的折衷。
本发明人过去开发了各种包括改进的偏置电路和偏置升压技术，但是这些不具有所述放大器电路输入的信号，或者不具有直流耦合信号输入，这对所述偏置电路和与之耦合的级的操作不利，使之设计受限。
因此，所希望的是具有一个功率放大器电路，其提供最佳的最大输出功率以及在低功率电平的降低功耗的优点，并且具有改进的放大器线性度和降低的无功电流。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一个功率放大器电路，其提供增强的最大输出功率和在低功率电平的较少的功耗，并且具有改进的放大器线性度和降低的无功电流。
依据本发明，上述目的是通过一个新的功率放大器电路实现，所述新的功率放大器电路用于放大一输入信号并具有至少大约180°的导通角，所述放大器电路包括一放大晶体管和一用于偏置所述放大晶体管以便获得该期望导通角的直流偏置电路。所述直流偏置电路包括一个动态偏置升压电路，用于与提供给所述功率放大器的输入信号的增加成正比地增加所述直流偏置电路提供给所述放大晶体管的直流偏置电流，而且所述直流偏置电路的输入通过一电容与所述功率放大的一级耦合。
在本发明的一个优选实施例中，所述放大器电路是B类或AB类放大器电路。
在本发明的还一优选实施例中，所述功率放大器电路也包括具有一驱动器晶体管的一驱动器级，而且上述电容直接与所述驱动器晶体管的输出端相连。
依据本发明的一个功率放大器电路提供了一个重要改进在于多个特征的有益组合，包括可以简单、紧凑和经济的结构获得增强的最大输出功率和在低功率电平的较少的功耗，并且具有改进的放大器线性度和降低的无功电流。
参照以下的实施例说明，本发明的这些和其它方面的优点将是显而易见的。
附图说明
结合附图而参照下面的描述将可以更完整地理解本发明，其中：
图1是依据本发明的第一实施例的一功率放大器电路的示意图；而且
图2是依据本发明的第二实施例的一功率放大器电路的示意图。
在所述图中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
依据本发明的高频放大器电路1的简要示意图如图1所示。所述放大器电路包括一放大晶体管11和通过一电阻10与所述放大晶体管11的基极耦合的一偏置电路2。所述偏置电路2包括耦合在VCC和GND之间的6个双极型晶体管(12-17)和两个电流源18和19，以下将进一步描述。一输入耦合电容器20用于将来自所述放大器的驱动器级3的一输入信号耦合到放大晶体管11的基极，所述晶体管11为共发射极配置连接并且通过一电感器21耦合在VCC和GND之间。所述高频放大器电路1从晶体管11的集电极通过一电容器22进行输出。所述驱动器级3包括其基极输入与电容器24耦合的一驱动器晶体管23、通过电感器25的一VCC连接、以及连接到电容器20的输出。所述驱动器晶体管23是由驱动器偏置电路26进行偏置，所述驱动器偏置电路在图1中以方框形式表示。
所述放大晶体管11通过电阻10到偏置电路2的连接从而在其基极被偏置，这实现了一动态偏置升压电路的功能，而且所述偏置电路包含两个子电路，这使得所述放大晶体管的静态电流和所述偏置级的输出阻抗(所述输出级的偏置阻抗)可被两个电流源18和19独立且直接地控制，以下将进行更详细地描述。
每一个偏置子电路包括一电流源和一电流反射镜。因此，电流源18通过包括晶体管15和16的电流反射镜提供了一偏置电流，而电流源19通过包括晶体管12、14和17的电流反射镜提供了一偏置电流分量。
在工作过程中，所述高频放大器电路1的放大器晶体管11典型地以AB类偏置工作。然而，当所述RF输入功率非常低时，所述放大晶体管最好工作在A类。因此，需要控制所述放大器的增益和类型，而且最好独立地控制所述放大器的效率和线性度。
通过在所述偏置电路2中提供两个独立电流源来独立控制这些参数，所述两个独立电流源也就是用于控制所述输出级的静态电流并因此控制工作类型的电流源18以及控制所述输出驱动电流并因此控制所述偏置级的输出阻抗(所述输出级的偏置阻抗)的电流源19。通过将每个电流源设置为希望值，可有效达到直接和独立控制操作类和偏置阻抗的目的。
如图所示的电路中，在所述输出级的静态电流与电流源18所提供的电流成比例，因此设置工作类型，而所述偏置级的输出阻抗是由所述电流源19独立控制的。这样，所述偏置电路允许输出级增益调谐而不影响所述偏置阻抗水平。
以此方式，而且假设所述电路中的所有晶体管是相同的且完全匹配，则依据基尔霍夫定律，晶体管11和13的基极-发射极电压和等于晶体管12和14的基极-发射极电压和。由于所述晶体管13的基极-发射极电压基本上等于晶体管12的基极-发射极电压，因此所述晶体管11的基极-发射极电压基本上等于晶体管14的基极-发射极电压。由于晶体管15和16形成了一个电路反射镜，从电流源18流经晶体管16的电流也必然流经晶体管14和15。因此，所述电流源18的电流决定所述输出晶体管的静态电流从而决定工作类型和增益。
再假设所有晶体管是相同的且完全匹配，则同样地，所述电流源19的电流将控制所述偏置电路的输出阻抗。由于晶体管12、14和17形成一电流反射镜，从电流源19流经晶体管17的电流也必然流经晶体管12和13。晶体管12、13、14和17形成一低阻抗路径，而且所述偏置电路的输出阻抗基本上由晶体管12和17确定，正如电流源19所提供的电流所决定的。
通过适当调节晶体管对之间的发射极比例，依据本领域普通技术人员所公知的技术，晶体管11中的静态电流可直接与电流源18的电流值成比例，而所述偏置电路的输出阻抗由电流源19的电流独立控制。因此，所述放大晶体管11中的静态电流可被控制，而为了增大效率和线性度，所述偏置阻抗水平可被独立设置。
依据本发明，通过在所述直流偏置电路2和功率放大器电路1的一级之间提供一耦合电容器27从而实现动态偏置升压。在图1中，电容器27连接驱动器级3的晶体管23的集电极和所述偏置电路2的晶体管15和16的共基极连接。在一可选的实施例中，所述电容27具有与放大晶体管11的基极而不是晶体管23的集电极连接的一端，如图2所示。然而，电容器27的功能，如以下将详细描述的，仍然相同，而且由于图2其他部分与图1相同，如上所述，因此以下将不再详述图2。
电容器27的作用是检测来自所述放大器电路一点(晶体管23的集电极或者晶体管11的基极)的RF信号并且将此RF信号耦合到所述偏置电路2中包括晶体管15和16的所述电流反射镜，所述电路典型地为AB类偏置。所述偏置电路控制所述放大晶体管11的电流，而且当所述镜像晶体管的平均电流增长时，由于所述电路的RF信号输入，所述放大晶体管11的平均电流也向上增长。由于所述放大晶体管11的平均电流的增长不仅是因为所述RF信号输入，而且还因为所述偏置电路2通过耦合电容器27交流耦合到所述放大器电路所提供的附加电流，因此提供了动态偏置升压。
这样，独立于操作所述放大晶体管的模式，所提供的偏置升压与所述RF输入信号成比例。此偏置机制的优点是它允许所述RF放大器被较低静态电流偏置而不是在较高输出功率水平将其达到饱和状态。此配置的另一优点是它可以只采用npn晶体管来实现，而且因此可用于无法使用或者难以生产pnp晶体管的技术中。应该知晓的是，即使所述附图表示了双极晶体管的使用，本发明并不局限于双极晶体管，还可用于采用FET晶体管或者双极和FET晶体管混合的电路。
如图1和2，在沿所述放大器的主信号通道上的不同点，耦合电容器27与所述放大器电路进行连接。而且，电容器27的值应使得所述RF放大器的电容器的负载影响小，从而放大器的小信号性能不会被此电容器降低。
在工作中，耦合电容器27监测RF输入信号的改变，并将此改变耦合到晶体管15。这使得晶体管15的平均电流增加(晶体管15通常为AB类偏置)，而且这依次增加了晶体管14的平均电流。由于晶体管14控制了晶体管11的静态电流，随着RF输入信号的增长，由于来自耦合到电阻器10的所述偏置电路2的输入以及RF信号的增长，晶体管11的电流也将增长，因此实现了动态偏置升压条件。
这样，本发明提供了一种具有电容器耦合的动态偏置升压电路的功率放大器电路，所述电路提供了改进的最大输出功率以及在低功率电平的降低功耗，并且具有改进的放大器线性度和降低的无功电流。而且，通过避免所述放大器电路和所述偏置电路输入的直流连接以及通过选用耦合电容器的适当值，所述偏置电路的负载影响可最小化并且所述放大器的小信号性能将不受所述偏置电路的影响。
虽然已经参照几个优选实施例展示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的条件下可以进行各种形式和细节上的改变。因此，例如，不同类型的晶体管，直流偏置电路和驱动器以及功率输出级可被适当地采用，而且可以对电路结构改变以便适合具体地设计要求。

Claims (6)

1.一种功率放大器电路，用于放大一输入信号并且具有至少180°导通角，所述功率放大器电路包括接收所述输入信号的一放大晶体管(11)和与所述放大晶体管直流耦合的一直流偏置电路(2)，所述偏置电路(2)直流用于偏置所述放大晶体管(11)从而获得所述导通角，所述直流偏置电路(2)包括一动态偏置升压电路，用于与提供给所述功率放大器电路的所述输入信号的增加成正比地增加所述直流偏置电路(2)提供给所述放大晶体管(11)的直流偏置电流，所述功率放大器电路包括：
电容器(27)，用于将所述输入信号耦合到所述直流偏置电路(2)，
第一电流源(18)，用于控制所述放大晶体管(11)中的静态电流；以及
第二电流源(19)，用于控制所述直流偏置电路(2)的输出阻抗。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述放大器电路是B类放大器电路。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述放大器电路是AB类放大器电路。
4.根据权利要求1到3之一所述的功率放大器，还包括一驱动器晶体管(23)，其中所述电容器(27)直接与所述驱动器晶体管(23)的输出终端相连。
5.根据权利要求1到3之一所述的功率放大器，其中所述电容器(27)与所述放大晶体管(11)的输入终端直接相连。
6.根据权利要求1到3之一所述的功率放大器，其中所述第一电流源(18)与第一电流镜(15，16)耦合，所述第二电流源(19)与第二电流镜(12，17，18)耦合。
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