CN102969995B - 应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路 - Google Patents
应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，该动态偏置控制电路与功率放大电路相耦接，其特征在于，该动态偏置控制电路包括：模式切换电路和动态偏置电路，模式切换电路与动态偏置电路相耦接，动态偏置电路与功率放大电路相耦接，其中，当功率放大器的射频输入功率较小时，模式切换电路控制动态偏置电路为功率放大器提供高偏置电压；当功率放大器的射频输入功率较大时，模式切换电路控制动态偏置电路为功率放大器提供低偏置电压。本发明解决了现有的线性射频功率放大器偏置控制电路功率损耗高、无法在较宽的输入发射信号范围内对射频功率放大器的线性度进行优化以及无法优化系统指标的问题。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器领域，具体地说，是涉及一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路。
背景技术
在现代无线通信系统中，射频功率放大器是实现射频信号无线传输的关键部件。射频功率放大器的主要功能是将已调制的射频信号放大到所需的功率值，传输至天线发射，保证在一定区域的接收机可以接收到信号。作为射频部分的关键部件，射频功率放大器的性能对通信质量产生直接的影响，尤其在越来越广泛被采用的数字通信系统中，例如TD-SCDMA（Time Division-SynchronousCode Division Multiple Access，时分同步码分多址），WCDMA（Wideband CodeDivision Multiple Access，宽带码分多址），CDMA（Code Division MultipleAccess）又称码分多址）等标准。
由于这些系统对信号的幅度和相位同时进行调制，其对射频功率放大器的线性度性能要求较高，所以线性度是衡量射频功率放大器性能的重要指标。射频功率放大器的线性度与其工作状态有很大关系，而射频功率放大器的工作状态又主要由偏置电路提供的偏置电流决定，所以现有技术一般是采用提高射频功率放大器的偏置电流的方法，使得射频功率放大器工作在AB类偏A类的工作状态，从而改善射频功率放大器的线性度，但这样会增加电流损耗，降低效率。
目前在数字通信系统中，射频功率放大器的输入发射信号会在35dB的范围内成线性变化，从而完成系统的功率控制。采用这种输入发射信号的功率控制方法，射频功率放大器不仅需要在输入发射信号整个线性变化范围内尽量无失真的放大发射信号，还要在输入发射信号整个线性变化范围内保持固定的增益。这必然会要求偏置电路必须在输入发射信号的变化范围内为射频功率放大器提供适当的偏置电流，从而使射频功率放大器在整个输入发射信号范围内工作在适当的工作状态，达到较好的线性度指标，即偏置电路要同时满足射频功率放大器小信号和大信号工作状态要求。然而，对于采用不同工艺技术设计的射频功率放大器，其本身有一些固有的特性，这些特性导致射频功率放大器工作在不同的工作状态时对偏置电流的要求是不相同的。例如采用galliumarsenide（GaAs，砷化镓）heterojunction bipolar transistor（HBT，异质结双极型晶体管）工艺技术设计的射频功率放大器，其增益随输入发射信号的变化的特性与偏置电路为其提供的偏置电流有直接关系。例如：偏置电路提供的偏置电流较大时，射频功率放大器工作在大信号的状态下，其增益随输入发射信号的增加逐渐的压缩如图1_a，而增益一旦被压缩，射频功率放大器的线性度就会变差；当偏置电路提供的偏置电流较小时，射频功率放大器工作在大信号的状态下，其增益随输入发射信号的增加在压缩前会有个补偿的状态如图1_b，这样可以延迟射频功率放大器的增益压缩，从而增大射频功率放大器的最大线性输出功率（重要指标）。
虽然当偏置电路提供的偏置电流较小时，射频功率放大器工作在大信号的状态下其最大线性输出功率得到改善，但是这种工作状态实际上是处于AB类偏B类的工作状态，这种状态使得射频功率放大器工作在小信号时线性度对比工作在AB类偏A类的工作状态时线性度变差。
图2所示为射频功率放大器分别在高偏置电流驱动状态下和低偏置电流驱动状态下，三阶交调功率随输入的双音发射信号功率变化示意图。
因此，如何设计一种线性射频功率放大器偏置控制电路，既能降低功率损耗又能够在较宽的输入发射信号范围内优化射频功率放大器的线性度，从而使系统指标得到更大程度的优化，便成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，以解决现有的线性射频功率放大器偏置控制电路功率损耗高、无法在较宽的输入发射信号范围内对射频功率放大器的线性度进行优化以及无法优化系统指标的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，该动态偏置控制电路与功率放大电路52相耦接，其特征在于，该动态偏置控制电路包括：模式切换电路50和动态偏置电路51，所述模式切换电路50与所述动态偏置电路51相耦接，所述动态偏置电路51与所述功率放大电路52相耦接，其中，
当所述功率放大器52的射频输入功率较小时，所述模式切换电路50控制所述动态偏置电路51为所述功率放大器52提供高偏置电压；
当所述功率放大器52的射频输入功率较大时，所述模式切换电路50控制所述动态偏置电路51为所述功率放大器52提供低偏置电压。
进一步地，其中，所述模式切换电路50，包括：4个晶体管501、503、504、506，3个电阻502、505、507；其中，所述晶体管501的基极、集电极相连，并且与外部的控制电压相连，所述晶体管501发射极与所述电阻502的一端相连，该电阻502的另一端与所述晶体管503的基极相连，该晶体管503的发射极接地，所述晶体管503的集电极与晶体管504的发射极相连，该晶体管504的基极、集电极相连，并且与所述电阻505的一端相连，该电阻505的另一端与外部的偏置电压相连，所述晶体管506的基极与晶体管503的集电极相连，所述晶体管506的发射极接地，该晶体管506的集电极与所述电阻507的一端相连，该电阻507的另一端与动态偏置电路51中的一端相连。
进一步地，其中，所述动态偏置电路51，包括：3个晶体管511、512、513，3个电阻514、515、516；其中，所述晶体管511的集电极与外部的偏置电路供电电源电压相连，所述晶体管511的基极与所述晶体管512的集电极相连，所述晶体管511的发射极与所述晶体管512的基极相连，所述晶体管513的集电极与外部的偏置电路供电电源电压相连，所述晶体管513的基极与所述晶体管511的基极相连，所述晶体管513的发射极与所述电阻516的一端相联，所述电阻516的另一端接地，所述电阻515的一端与所述晶体管512的基极相连，所述电阻515的另一端接地，所述电阻514的一端与所述晶体管511的基极相连，所述电阻514的另一端与外部的偏置电压相连。
进一步地，其中，所述功率放大电路52进一步为线性射频功率放大器。
进一步地，其中，所述功率放大电路52，包括：放大晶体管521、振流电阻522、电感523、输入隔直电容524和输出隔直电容525；其中，所述输入隔直电容524的一端与外部的输入射频信号连接，所述输入隔直电容524的另一端与所述放大晶体管521的基极相连，该放大晶体管521的发射极接地，所述放大晶体管521的集电极与所述输出隔直电容525的一端相连，所述输出隔直电容525的另一端与外部的输出射频信号连接，所述电感523的一端与所述放大晶体管521的集电极相连，所述电感523的另一端接供电电压，所述振流电阻522的一端与所述放大晶体管521的基极相连，该振流电阻522的另一端与所述动态偏置电路51相连接。
进一步地，其中，所述外部的控制电压进一步为模式控制电压VMode。
进一步地，其中，所述外部的偏置电压进一步为偏置电压VBias。
进一步地，其中，所述外部的偏置电路供电电源电压进一步为VCB电源电压。
进一步地，其中，所述电感进一步为CHOKE电感。
进一步地，其中，所述偏置电压VBias为3V高电平。
与现有技术相比，本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，达到了如下效果：
1）本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，通过模式切换，可以控制偏置电路对射频功率放大器提供不同的偏置电流，使其工作在最佳的工作状态，降低了功率损耗；
2）本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路有效的提高了线性功率放大器的最大线性输出功率，提高了线性模式功率放大器中高功率效率，并改善了线性模式功率放大器中的中低功率的线性度，极大优化了线性功率放大器的性能。
附图说明
图1_a是现有技术中射频功率放大器中的增益压缩随输入发射信号变化的特性示意图。
图1_b是现有技术中射频功率放大器中的增益压缩随输入发射信号变化中在压缩前补偿的特性示意图。
图2是现有技术中射频功率放大器分别在高偏置电流驱动状态下和低偏置电流驱动状态下时，三阶交调功率随输入的双音发射信号功率的变化示意图。
图3是本发明实施例所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路与功率放大电路的连接结构框图。
图4是本发明实施例所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路与功率放大电路的相连接的具体结构电路图。
图5是采用图4所示的本发明所述的动态偏置控制电路，应用于两级射频功率放大电路100中的电路连接结构框图。
图6是采用图5所示的电路中以两级射频功率放大电路100的三阶交调功率随输入的双音发射信号功率的变化示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图3和4所示，为本发明实施例所述的应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，该动态偏置控制电路与功率放大电路52相耦接，其中，该动态偏置控制电路包括：模式切换电路50和动态偏置电路51，所述模式切换电路50与所述动态偏置电路51相耦接，所述动态偏置电路51与所述功率放大电路52相耦接，其中，
当所述功率放大器52的射频输入功率较小时，所述模式切换电路50控制所述动态偏置电路51为所述功率放大器52提供高偏置电压；
当所述功率放大器52的射频输入功率较大时，所述模式切换电路50控制所述动态偏置电路51为所述功率放大器52提供低偏置电压。
其中，如图4所示，所述模式切换电路50，包括：4个晶体管501、503、504、506，3个电阻502、505、507；其中，所述晶体管501的基极、集电极相连，并且与外部的控制电压（在本实施例中为模式控制电压（VMode），但不做具体限定）相连，所述晶体管501发射极与所述电阻502的一端相连，该电阻502的另一端与所述晶体管503的基极相连，该晶体管503的发射极接地，所述晶体管503的集电极与晶体管504的发射极相连，该晶体管504的基极、集电极相连，并且与所述电阻505的一端相连，该电阻505的另一端与外部的偏置电压（在本实施例中为偏置电压（VBias））相连，所述晶体管506的基极与晶体管503的集电极相连，所述晶体管506的发射极接地，该晶体管506的集电极与所述电阻507的一端相连，该电阻507的另一端与动态偏置电路51中的一端相连（如下文所述实际上是与所述晶体管512的基极相连）。
其中，如图4所示，所述动态偏置电路51，包括：3个晶体管511、512、513，3个电阻514、515、516；其中，所述晶体管511的集电极与外部的偏置电路供电VCB（电源电压）相连，所述晶体管511的基极与所述晶体管512的集电极相连，所述晶体管511的发射极与所述晶体管512的基极相连，所述晶体管513的集电极与外部的偏置电路供电VCB（电源电压）相连，所述晶体管513的基极与所述晶体管511的基极相连，所述晶体管513的发射极与所述电阻516的一端相联（目的是为功率放大电路52提供偏置电压（Von）），所述电阻516的另一端接地，所述电阻515的一端与所述晶体管512的基极相连，所述电阻515的另一端接地，所述电阻514的一端与所述晶体管511的基极相连，所述电阻514的另一端与外部的偏置电压（VBias）相连。
其中，如图4所示，上述的功率放大电路52在本实施例中进一步可以为线性射频功率放大器。该功率放大电路52，包括：放大晶体管521、振流电阻522、电感（具体在本实施例中为CHOKE电感）523、输入隔直电容524和输出隔直电容525；其中，所述输入隔直电容524的一端与外部的输入射频信号（RFIN）连接，所述输入隔直电容524的另一端与所述放大晶体管521的基极相连，该放大晶体管521的发射极接地，所述放大晶体管521的集电极与所述输出隔直电容525的一端相连，所述输出隔直电容525的另一端与外部的输出射频信号（RFOUT）连接，所述电感523的一端与所述放大晶体管521的集电极相连，所述电感523的另一端接供电电压（具体在本实施例中为电源电压），所述振流电阻522的一端与所述放大晶体管521的基极相连，该振流电阻522的另一端与所述动态偏置电路51相连接（具体是与所述动态偏置电路51提供的偏置电压（Von）相连）。
根据上述连接结构关系，所述的应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路在运行过程中：当功率放大电路52的RFIN端口输入小信号时，模式切换电路50的模式控制电压VMode接收到低电平，晶体管501的基极、集电极为低电平，晶体管501关断，导致晶体管503的基极为低电平，晶体管503关断，晶体管504的基极、集电极通过电阻505与偏置电压VBias相连（VBias电平一般为3V高电平），晶体管504的基极、集电极为高电平，晶体管504导通，由于晶体管503关断，晶体管504的发射极与晶体管506的基极的节点电压为VBias-VPN>VPN，所以晶体管506导通，此时电阻507与电阻515并联接地，导致晶体管512的基极与电阻515一端节点的电压降低，从而导致晶体管512的集电极到发射极电流减小，此时电阻514的压降较小，晶体管513的基极电压升高，Von升高，从而使功率放大电路52工作在AB类偏A类的工作状态，小信号线性性能较好；当功率放大电路52的RFIN端口输入大信号时，模式切换电路50的模式控制电压VMode接收到高电平，晶体管501的基极、集电极为高电平，晶体管501导通，晶体管503基极电平为VMode-VPN>VPN，晶体管503导通，导致晶体管503的集电极与晶体管506的基极节点电压为低电平，所以晶体管506关断，此时电阻507不起作用，电阻515单独接地，导致晶体管512的基极与电阻515一端节点的电压升高，从而导致晶体管512的集电极到发射极电流增大，此时电阻514的压降较大，晶体管513的基极电压降低，Von降低，从而使功率放大电路52工作在AB类偏B类的工作状态，射频功率放大器的增益随输入发射信号的增加在压缩前会有个补偿的状态，这样可以延迟射频功率放大器的增益压缩，从而增大射频功率放大器的最大线性输出功率并提高效率。
如图5和6所示，下面以一个具体应用实施例进行说明：
本实施例以两级射频功率放大电路100为例，包括：两级功率放大电路101、102，输入匹配电路103，级间匹配电路104，输出匹配电路105，两级应用于线性模式功率放大器的动态偏置电路106、107，一个模式切换电路108，功率检测电路109和比较器110。
工作原理是当射频输入信号较小时，功率检测电路109从射频输出端口检测到的功率较小，功率检测电路109输出一个较低的电平VPD，VPD<Vref，比较器110输出VMode为低电平，模式切换电路108控制动态偏置电路106、107为功率放大电路101，102提供高偏置电压，使其工作在AB类偏A类的工作状态，保证射频功率放大器在小信号工作状态下有好的线性度；当射频输入信号较大时，功率检测电路109从射频输出端口检测到的功率较大，功率检测电路109输出一个较高的电平VPD，VPD>Vref，比较器110输出VMode为高电平，模式切换电路108控制动态偏置电路106、107为功率放大电路101，102提供低偏置电压，使其工作在AB类偏B类的工作状态，由于当偏置电路在射频功率放大器工作在大信号的状态下，为其提供的偏置电流较小时，射频功率放大器的增益随输入发射信号的增加在压缩前会有个补偿的状态，这样可以延迟射频功率放大器的增益压缩，从而增大射频功率放大器的最大线性输出功率，并提高效率。
如图6所示，两级射频功率放大电路100通过模式切换电路108切换动态偏置电路106、107工作状态，使得动态偏置电路106、107在不同射频输入信号条件下为功率放大电路101、102提供不同输入电流，两级射频功率放大电路100的三阶交调功率随输入的双音发射信号功率进行变化（如图6所示）。
与现有技术相比，本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，达到了如下效果：
1）本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，通过模式切换，可以控制偏置电路对射频功率放大器提供不同的偏置电流，使其工作在最佳的工作状态，降低了功率损耗；
2）本发明所述的一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路有效的提高了线性功率放大器的最大线性输出功率，提高了功率效率，并改善了线性模式功率放大器中低功率的线性度，极大优化了线性功率放大器的性能。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，该动态偏置控制电路与功率放大器(52)相耦接，其特征在于，该动态偏置控制电路包括：模式切换电路(50)和动态偏置电路(51)，所述模式切换电路(50)与所述动态偏置电路(51)相耦接，所述动态偏置电路(51)与所述功率放大器(52)相耦接，其中，
当所述功率放大器(52)的射频输入功率较小时，所述模式切换电路(50)控制所述动态偏置电路(51)为所述功率放大器(52)提供高偏置电压；
当所述功率放大器(52)的射频输入功率较大时，所述模式切换电路(50)控制所述动态偏置电路(51)为所述功率放大器(52)提供低偏置电压；
所述模式切换电路(50)包括：4个晶体管(501、503、504、506)，3个电阻(502、505、507)；其中，第一晶体管(501)的基极、集电极相连，并且与外部的控制电压相连，所述第一晶体管(501)发射极与第一电阻(502)的一端相连，该第一电阻(502)的另一端与第二晶体管(503)的基极相连，该第二晶体管(503)的发射极接地，所述第二晶体管(503)的集电极与第三晶体管(504)的发射极相连，该第三晶体管(504)的基极、集电极相连，并且与第二电阻(505)的一端相连，该第二电阻(505)的另一端与外部的偏置电压相连，第四晶体管(506)的基极与第二晶体管(503)的集电极相连，所述第四晶体管(506)的发射极接地，该第四晶体管(506)的集电极与第三电阻(507)的一端相连，该第三电阻(507)的另一端与动态偏置电路(51)中的一端相连。
2.如权利要求1所述应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，其特征在于，所述动态偏置电路(51)包括：3个晶体管(511、512、513)，3个电阻(514、515、516)；其中，第五晶体管(511)的集电极与外部的偏置电路供电电源电压相连，所述第五晶体管(511)的基极与第六晶体管(512)的集电极相连，所述第五晶体管(511)的发射极与所述第六晶体管(512)的基极相连且同时接入所述模式切换电路(50)的一端，所述第六晶体管(512)的发射极接地，第七晶体管(513)的集电极与外部的偏置电路供电电源电压相连，所述第七晶体管(513)的基极与所述第五晶体管(511)的基极相连，所述第七晶体管(513)的发射极与第六电阻(516)的一端相连且同时接入所述功率放大器(52)，所述第六电阻(516)的另一端接地，第五电阻(515)的一端与所述第六晶体管(512)的基极相连，所述第五电阻(515)的另一端接地，第四电阻(514)的一端与所述第五晶体管(511)的基极相连，所述第四电阻(514)的另一端与外部的偏置电压相连。
3.如权利要求1所述应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，其特征在于，所述功率放大器(52)进一步为线性射频功率放大器。
4.如权利要求1所述应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，其特征在于，所述功率放大器(52)包括：放大晶体管(521)、限流电阻(522)、电感(523)、输入隔直电容(524)和输出隔直电容(525)；其中，所述输入隔直电容(524)的一端与外部的输入射频信号连接，所述输入隔直电容(524)的另一端与所述放大晶体管(521)的基极相连，该放大晶体管(521)的发射极接地，所述放大晶体管(521)的集电极与所述输出隔直电容(525)的一端相连，所述输出隔直电容(525)的另一端与外部的输出射频信号连接，所述电感(523)的一端与所述放大晶体管(521)的集电极相连，所述电感(523)的另一端接供电电压，所述限流电阻(522)的一端与所述放大晶体管(521)的基极相连，该限流电阻(522)的另一端与所述动态偏置电路(51)相连接。
5.如权利要求4所述应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，其特征在于，所述电感进一步为CHOKE电感。
6.如权利要求1或2所述应用于线性模式功率放大器的动态偏置控制电路，其特征在于，所述外部的偏置电压为3V高电平。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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