CN101521486A - 功率放大器偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HBT功率放大器偏置电路，包括功率放大电路、线性化偏置电路和一功率控制电路，功率控制电路包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路的第二晶体管T2的基极；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。本发明能够稳定地随输出功率状态的变化，而改变偏置电流的大小。

Description

功率放大器偏置电路

技术领域

本发明涉及一种异质结双极晶体管(HBT)功率放大器偏置电路，特别涉及一种非常稳定的根据放大器输出功率的大小，自动改变静态偏置电流以提高HBT功率放大器效率的偏置电路。

背景技术

在当今的无线通信系统中，功率放大器的效率决定了移动终端电池使用时间的长短，比如常用的CDMA制式或者GSM制式的手机。因此，功率放大器需要有较高的效率，以增加电池的使用时间。当功率放大器的输出功率达到最大时(比如31dBm)，其附加效率也最大；而当输出功率降低时，其附加效率会相应的降低。最大输出功率是功率放大器比较关键的指标之一。而一般的终端用功率放大器大部分时间却工作在较低输出功率的水平，比如-15到15dBm。由于上述的原因，现在的功率放大器都采取相应的措施来提高低功率输出时的效率。而最普遍的方法是当输出功率大时，提供较高的静态电流；当输出功率小时，提供较低的静态电流。

图1所示为传统的功率放大器的电路图，该传统的功率放大器包括功率放大电路部分，以及线性化偏置电路部分。其主体部分包括一个或者一组信号放大晶体管T1，一个线性化偏置电路部分的晶体管T2，两个起温度补偿作用的二极管D1、D2，给T1直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co。偏置电路101由于采用了晶体管T2发射极连接到信号放大晶体管T1的基极提供偏置电流，随着输入功率的增大，电容C1的充放电可以给晶体管T2提供恒定的偏置电流，从而减小信号经T1管放大后而导致的增益压缩。然而，不论功率放大器工作在较大输出功率或者较小输出功率的模式，101偏置电路只能提供给晶体管T1以恒定的偏置电流。这就造成了在低输出功率状态下偏置电流过大，放大器的整体功率附加效率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种HBT功率放大器偏置电路，以能够稳定地随输出功率状态的变化，调节信号放大晶体管的静态电流，改善低输出功率时的效率，并使整个偏置电路提供的电流不会随控制电压的变化而产生较大的波动。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种HBT功率放大器偏置电路，包括功率放大电路和线性化偏置电路101，该功率放大电路包括一个或一组信号放大晶体管T1、用于给晶体管T1直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co；该线性化偏置电路101包括第二晶体管T2、两个起温度补偿作用的第一二极管D1和第二二极管D2，以及一个第一电阻R1和第一电容C1；该电路还包括：

一功率控制电路102，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体管T2的基极，使整个功率控制电路102对所述线性化偏置电路101构成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。

上述方案中，所述功率放大电路中晶体管T1的集电极通过电感L接于电源V_CC，并通过输出电容Co与输出端相连；所述晶体管T1的基极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体管T2的发射极，并通过输入电容Ci与输入端相连；所述晶体管T1的发射极接地。

上述方案中，所述线性化偏置电路101中第二晶体管T2的集电极连接于电源Vbias，并通过第一电阻R1与基极相连接；该第二晶体管T2的基极连接于所述功率控制电路102中第三晶体管T3的集电极，并分别通过第一电容C1接地，以及通过第一二极管D1和第二二极管D2接地。

上述方案中，所述第一二极管D1和第二二极管D2同向串联连接，且第一二极管D1的正极同时连接于第一电阻R1和第二晶体管T2的基极，第二二极管D2的负极接地。

上述方案中，该电路进一步包括一信号耦合电容C2，该信号耦合电容C2一端同时连接于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的基极，另一端与信号输入端相连。

(三)有益效果

从上述技术方案中可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，通过在原有线性化偏置电路的基础上，增加新的功率控制电路，能够稳定地随输出功率状态的变化，调节信号放大晶体管的静态电流，改善低输出功率时的效率。

2、本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，避免了控制电流IT3随控制电压Vref不稳定而引起的波动，可以得到很稳定，精度较高的理想电流控制效果。

3、本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，通过加入输入信号耦合电容，可以进一步地提高放大器的线性度。

附图说明

图1是为传统的功率放大器的电路图；

图2是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的基本结构示意图；

图3是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路中功率控制电路的各部分电流示意图；

图4是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的等效形式的电路图；

图5是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路与传统放大器电路的功率附加效率对比示意图；

图6是当Vref变化时，本发明的偏置电流变化与传统结构偏置电流变化的对比示意图；

图7是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的完整结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，图2是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的基本结构示意图，该电路包括功率放大电路、线性化偏置电路101和功率控制电路102。

其中，该功率放大电路包括一个或一组信号放大晶体管T1、用于给晶体管T1直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co。晶体管T1的集电极通过电感L接于电源V_CC，并通过输出电容Co与输出端相连；所述晶体管T1的基极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体管T2的发射极，并通过输入电容Ci与输入端相连；所述晶体管T1的发射极接地。

该线性化偏置电路101包括第二晶体管T2、两个起温度补偿作用的第一二极管D1和第二二极管D2，以及一个第一电阻R1和第一电容C1。第二晶体管T2的集电极连接于电源Vbias，并通过第一电阻R1与基极相连接；该第二晶体管T2的基极连接于所述功率控制电路102中第三晶体管T3的集电极，并分别第一电容C1接地，通过第一二极管D1和第二二极管D2接地。所述第一二极管D1和第二二极管D2同向串联连接，且第一二极管D1的正极同时连接于第一电阻R1和第二晶体管T2的基极，第二二极管D2的负极接地。

该功率控制电路102，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体管T2的基极，使整个功率控制电路102对所述线性化偏置电路101构成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。

再参照图2，在通常的放大器偏置电路(由功率放大电路和线性化偏置电路101构成)的基础之上，增加了电流控制电路102。102电路包括组成镜像电流结构的晶体管T4、T5，控制电流作用的晶体管T3，以及电阻R2。T3的集电极连接到T2的基极，使整个102电路对101电路构成旁路的作用。对于给定的线性化偏置电路101，从线性化偏置电路101过来的旁路电流IT3由Vref、R以及T3、T4、T5的发射结面积大小决定。

控制电压Vref由一般的手持终端内部的MSM(mobile stationmodem)所提供，因此无需附加多余的电路来提供控制电压。以功率控制电路102为例，当输出功率低于16dBm时，控制电压为高电平(2.85至3.3V)；当输出功率高于16dBm时，控制电压为低电平(0至0.45V)。

当Pout处于高输出功率状态时，Vref为逻辑低电平，因而晶体管T3、T4、T5截止。此时，电流控制电路不会从偏置电路抽取任何电流。所以整个功放电路和图1中所示的电路等效。

当Pout处于低输出功率状态时，Vref为逻辑高电平，因而晶体管T3、T4、T5导通。此时，电流控制电路从偏置电路抽取电流IT3，由于T5的c-e极之间的电阻很大，能够保证电流IT3高度的稳定，晶体管不随基极电压的波动而导致射极电流的变化。旁路电流IT3造成了T2的基极电流降低，由此导致偏置电流IT2降低，电源功耗下降，放大器效率提高。

MSM(mobile station modem)芯片所能提供的电压范围为2.85至3.3V，波动幅度为0.45V。图6所示为以3.1V为理想的Vref值，考察其在2.7V至3.3V内变化所引起的Icc值变化效果。可以明显的看到，本发明结构的Icc值随电压波动要大大小于普通结构。

如图3所示，图3是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路中功率控制电路的各部分电流示意图，其作用机制为：T5管的c-e极串联在T3的发射极，因为c-e极之间等效电阻大，所以Ic5可以高度稳定。假定T3、T4、T5特性相同，则有电流放大系数a3＝a4＝a5＝a，Ic4＝Ic5.

则有： $I_{e3}=2I_B+I_{C5}=I_{C5}+\frac{2I_{C5}}{a}$

$I_{C4}=I_{C5}=\frac{a}{a+2}{I}_{e3}=\frac{a}{a+2}\frac{1+a}{a}{I}_{T3}$

$I_R=I_{B2}+I_{C4}=\frac{I_{T3}}{a}+\frac{1+a}{a+2}{I}_{T3}$

得： $I_{T3}=\frac{a^2+2a}{a^2+2a+2}{I}_R,$ 可见晶体管的放大系数a越大，则IT3与IR越接近。一般可以近似有：IT3＝IR。使IT3受基极电流影响小，整个功率控制电路高度稳定。

如图4为本发明的等效形式，即本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的等效形式的电路图，适用于兼容了NPN型管的工艺。其作用原理为，当输出功率低于16dBm时，控制电压为低电平(0至0.45V)，103电路中的晶体管关闭，整个电路与图一所示电路等效，此时的偏置电流全部由101提供；当输出功率高于16dBm时，控制电压为高电平(2.85至3.3V)，103电路中的晶体管导通，103电路通过T3的集电极向外提供电流IT3，从而增加了总的偏置电流，满足较大输出功率的要求。

如图7为在图2的基础之上，增加了一个信号耦合电容C2，是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的完整结构示意图。电容C2可以在线性度不足的情况下，耦合一部分射频信号到晶体管T2的基极，从而加大T2的射极输出电流，防止偏置电流随输入功率增大而降低，可将增益压缩点推后，从而获得更佳的线性度。一般合适的选择电容值，可以将压缩点推后0.5dB左右。该信号耦合电容C2一端同时连接于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的基极，另一端通过输入电容Ci连接于晶体管T1的基极。

以上所述为本发明的优选实施方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种异质结双极晶体管HBT功率放大器偏置电路，包括功率放大电路和线性化偏置电路(101)，该功率放大电路包括一个或一组信号放大晶体管T1、用于给晶体管T1直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co；该线性化偏置电路(101)包括第二晶体管T2、两个起温度补偿作用的第一二极管D1和第二二极管D2，以及一个第一电阻R1和第一电容C1；其特征在于，该电路还包括：

一功率控制电路(102)，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路(101)的第二晶体管T2的基极，使整个功率控制电路(102)对所述线性化偏置电路(101)构成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。

2、根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在于，所述功率放大电路中晶体管T1的集电极通过电感L接于电源V_CC，并通过输出电容Co与输出端相连；所述晶体管T1的基极连接于所述线性化偏置电路(101)的第二晶体管T2的发射极，并通过输入电容Ci与输入端相连；所述晶体管T1的发射极接地。

3、根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在于，所述线性化偏置电路(101)中第二晶体管T2的集电极连接于电源Vbias，并通过第一电阻R1与基极相连接；该第二晶体管T2的基极连接于所述功率控制电路(102)中第三晶体管T3的集电极，并分别第一电容C1接地，通过第一二极管D1和第二二极管D2接地。

4、根据权利要求1或3所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在于，所述第一二极管D1和第二二极管D2同向串联连接，且第一二极管D1的正极同时连接于第一电阻R1和第二晶体管T2的基极，第二二极管D2的负极接地。

5、根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在于，该电路进一步包括一信号耦合电容C2，该信号耦合电容C2一端同时连接于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的基极，另一端与信号输入端相连。

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