CN103326676A - 功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率放大器，包括输出管、镜像管和过流管，其中，输出管的栅极连接至信号输入端，输出管的漏极连接至信号输出端，输出管的源极连接至恒压源；镜像管的栅极连接信号输入端，镜像管的源极经采样电阻连接至恒压源，且流过输出管源极电流为流过镜像管源极电流的设定倍数，镜像管的漏极连接至信号输出端；过流管的源极连接至恒压源，且采样电阻连接在过流管的源极和栅极之间，过流管的漏极连接至信号输入端。该功率放大器中设置有过流保护环节，当出现过流时，可自动限制输出电流的大小，实现过流保护的目的，并且，可降低电能的消耗，减小功率放大器对负载的输出功率的影响，可适用于大功率的负载中。

Description

功率放大器

技术领域

本发明涉及电路结构技术，尤其涉及一种功率放大器。

背景技术

各种电子仪器、仪表和便携式通信设备等内部的模拟电子电路中，通常设置有功率放大器，以放大电子电路向负载供电的输出功率。当负载过载时，功率放大器输出的电流将超出其正常电流，可能造成整个电子电路和负载的损毁，因此，在功率放大器中需加入过流保护环节，目的是把输出电流限制在一个固定的范围内，在出现过载等故障时对电子电路和负载进行保护。

图3为现有技术所提供的功率放大器的电路图，如图3所示，该功率放大器中包含过流保护环节，该保护电路包括四个三极管T₁、T₂、T₃和T₄，其中，T₁和T₂作为输出管，T₃和T₄作为过流保护管，T₁和T₄为PNP结构的三极管，T₂和T₃为NPN结构三极管。

T₂的集电极与一恒压源V相连，T₂的基极和T₃的集电极相连后用于与第一信号输入端V_in1’相连，T₂的发射极与T₃的基极相连，T₃的基极与发射极之间连接有取样电阻RE₁；T₁和T₄的连接方式与T₂和T₃的连接方式相似，T₄管的作用与T₃管相同，T₁管的作用与T₂管相同，为推挽式连接结构。T₁的集电极接地，T₁的基极和T₄的集电极相连后用于与第二信号输入端V_in2’相连，T₁的发射极与T₄的基极相连，T₄的基极与发射极之间连接有取样电阻RE₂；并且，T₃和T₄发射极相连后的连接点为A，取样电阻RE₁和RE₂相连后的连接点为B，连接点A和B相连后作为信号输出端V_o。

该功率放大器的工作原理为：

在正常工作时，T₂与T₁分别在输入信号的正半周期和负半周期交替导通工作。

在T₂导通时，T₂的基极作为信号输入端，经过T₂放大后的电流从T₂的发射极流出作为输出信号，假设此时流过T₂发射极的电流为I₂，则RE₁上的电压为V₁＝I₂×RE₁，该电压V₁小于T₃的阈值电压VBE，因此，T₃截止。当发生过流时，也就是流过T₂发射极的电流I₂增大时，则RE₁上的电压V₁将增大，使电压V₁大于T₃的阈值电压VBE，T₃将导通，此时，流过T₂基极的电流将部分流过T₃的集电极，而流过T₂发射极的电流I₂，也就是输出电流的大小与基极电流成设定倍数，因此，输出电流将减小，也即达到了限制输出电流的作用，而输出电流减小时，则RE₁上的电压V₁也将减小，当该电压V₁再次小于T₃的阈值电压VBE，T₃将截止。

在T₁导通时，T₁的基极作为电流输入端，经过T₁放大后的电流从T₁的发射极流入作为输出电流，也就是，此时，输出电流的方向与T₂导通时的方向相反，当发生过流时，T₄将导通，其原理与T₃导通原理相同，此处不再赘述，也可以达到限制输出电流的作用。

由上述描述可知，该功率放大器中设置有过流保护环节，可限制输出电流的大小，实现过流保护的目的，但是，此种功率放大器在工作时，由于RE₁和RE₂上有电流流过，并且RE₁和RE₂上流过的电流为放大后的电流，RE₁和RE₂将消耗很大一部分功率，因此，不仅造成对电能的浪费，而且，长时间工作可能造成功率放大器因过热而损坏，影响功率放大器对负载的输出功率，不适合应用于大功率的负载中。

发明内容

本发明提供一种功率放大器，以降低电能的消耗，减小功率放大器对负载输出功率的影响。

本发明提供的功率放大器，包括：输出管，所述输出管的栅极连接至信号输入端，所述输出管的漏极连接至信号输出端，所述输出管的源极连接至恒压源；

镜像管，所述镜像管的栅极连接信号输入端，所述镜像管的源极经采样电阻连接至恒压源，且流过所述输出管源极电流为流过所述镜像管源极电流的设定倍数，所述镜像管的漏极连接至信号输出端；

过流管，所述过流管的源极连接至所述恒压源，且所述采样电阻连接在所述过流管的源极和栅极之间，所述过流管的漏极连接至信号输入端。

本发明提供的功率放大器中设置有过流保护环节，当出现过流时，可自动限制输出电流的大小，实现过流保护的目的，由于流过采样电阻的电流为流过镜像管源极的电流，而该电流为流过输出管源极的电流的1/k(k为大于1的任意值)，而采样电阻消耗的功率P＝(I_p/k)²R，因此，与现有技术提供的功率放大器相比，采样电阻上消耗的功率成指数倍数减小，大大减小了消耗的功率，降低了电能的消耗，减小了功率放大器对负载的输出功率的影响，可适用于大功率的负载中。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的功率放大器的电路图；

图2为本发明另一实施例所提供的功率放大器的电路图；

图3为现有技术所提供的功率放大器的电路图。

具体实施方式

图1为本发明实施例所提供的功率放大器的电路图，如图1所示，该功率放大器包括输出管MP、镜像管MN和过流管MF，均为由栅极、源极和漏极构成的薄膜晶体管。

输出管MP的栅极连接至信号输入端V_in，输出管MP的漏极连接至信号输出端V_out’输出管MP的源极连接至恒压源Vdd。

镜像管MN的栅极连接至信号输入端V_in，镜像管MN的源极经采样电阻R连接至恒压源Vdd，则流过输出管MP源极电流为流过镜像管MN源极电流的设定倍数，镜像管MN的漏极与连接至信号输出端V_out。

过流管MF的源极连接至恒压源Vdd，且采样电阻R连接在过流管MF的源极和栅极之间，过流管MF的漏极与输出管MP的栅极相连。通过流过镜像管MN源极的不同电流改变采样电阻R的压降以控制过流管MF的导通或关断。

输出管的栅极用于连接信号输入端，以输入控制信号，输出管可对输入的控制信号进行放大后从作为漏极的信号输出端输出，该控制信号可以为电流信号也可以为电压信号。

镜像管用于对流过输出管的源极电流进行镜像，流过镜像管源极电流随着流过输出管源极电流的变化而变化，流过输出管源极电流为流过镜像管源极电流的设定倍数(该设定倍数的取值可为一大于1的任意值)，也就是说，流过镜像管源极电流将流过输出管源极电流缩小了设定倍数。

过流管的源极和栅极之间连接有采样电阻，并且，流过镜像管的源极的电流流经该采样电阻，该电流大小不同，采样电阻上的压降也就不同，该压降也就是过流管的源极和栅极之间的电位差，而过流管的源极和栅极之间的电位差可控制过流管的导通或关断，当该电位差小于过流管的阈值电压时，过流管关断，当该电位差大于过流管的阈值电压时，过流管导通，随着该电位差的变大，过流管的导通能力越强，也就是流过过流管的电流越大。

上述的输出管、镜像管和过流管可以为多种形式的晶体管，例如，可以为双极性晶体管(Bipolar Junction Transistor，简称BJT)，金属-氧化层-半导体-场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)。

下面以图1提供的电路图为例介绍本实施例提供的功率放大器的工作原理。

图1中，输出管MP、镜像管MN和过流管MF均为P沟道的MOSFET，输出管MP的栅极连接的信号输入端V_in输入的控制信号可为电压信号，输出管MP的漏极输出的信号为电流，当然，也可以在漏极上连接电阻，以输出电压V_out。

输出管MP的栅极连接信号输入端V_in’输出管MP的漏极作为信号输出端以输出电流，且输出管MP的栅极和镜像管MN的栅极相连，输出管MP的源极连接至恒压源Vdd，镜像管MN的源极经采样电阻R连接至恒压源Vdd。

输出管MP和镜像管MN的源极与栅极之间的电位差等于恒压源Vdd的电位与信号输入端V_in的电位之间的差值，在正常工作状态下，通过控制信号输入端V_in输入的控制信号的电位，使输出管MP和镜像管MN的源极与栅极之间的电位差大于其阈值电压，输出管MP和镜像管MN均导通，将有电流从输出管MP的源极流向其漏极，也有电流从镜像管MN的源极流向其漏极，并且，流过输出管MP源极的电流为流过镜像管MN源极的电流的设定倍数(设为k倍，k为大于1的任意值)，假设流过输出管MP源极的电流为I_p，则流过镜像管MN源极的电流为I_p/k，当输入的控制信号的电位不同时，也就是输出管MP和镜像管MN的源极与栅极之间的电位差不同，流过输出管MP和镜像管MN源极的电流大小也就不同，最后信号输出端的输出的电流等于流过输出管MP和镜像管MN源极的电流之和，也就是输出电流的大小也就不同。

并且，输出管MP的源极与栅极之间的电位差为采样电阻R上的压降V_R，V_R＝I_pR/k，在正常工作状态下，该压降V_R小于过流管MF的阈值电压，因此，过流管MF关断。

当过流时，流过输出管MP源极的电流I_p和流过镜像管MN源极的电流I_p/k将增大，采样电阻R上的压降V_R将增大，当该压降V_R大于过流管MF的阈值电压时，过流管MF将导通，并且，随着采样电阻R上的压降V_R电位差的变大，过流管MF的导通能力越强，也就是流过过流管MF的电流越大，随着过流管MF的逐渐导通，过流管MF的漏极电位也将逐渐近似等于其源极电位，也就是恒压源的电位，而输出管MP的栅极和镜像管MN的栅极均与过流管的漏极相连，输出管MP和镜像管MN的栅极电位也将逐渐等于恒压源的电位，也就将导致输出管MP和镜像管MN源极和栅极之间的电位差减小，输出管MP和镜像管MN源极和栅极之间的电位差一旦减小，又会导致流过输出管MP和镜像管MN源极电流减小，最后导致信号输出端的输出电流减小，因此，达到了限制输出电流的目的。

并且，一旦流过镜像管MN源极的电流I_p/k减小，采样电阻R上的压降V_R也将减小，当该压降V_R再次小于过流管MF的阈值电压时，过流管MF将逐渐关断，随着过流管MF的逐渐关断，过流管MF的漏极电位也将逐渐恢复至信号输入端V_in的电位，也就逐渐增大了输出管MP和镜像管MN的源极与栅极之间的电位差，使输出管MP和镜像管MN恢复至正常工作状态。

上述对于功率放大器原理的描述只是以图1所示的一种结构的功率放大器为例进行介绍，但是，该功率放大器的还可以有其他形式的结构，并不限于图1所示。

由上述技术方案可知，该功率放大器中设置有过流保护环节，当出现过流时，可自动限制输出电流的大小，实现过流保护的目的，由于流过采样电阻的电流为流过镜像管源极的电流，而该电流为流过输出管源极的电流的1/k，而采样电阻消耗的功率P＝(I_p/k)²R，因此，与现有技术提供的功率放大器相比，采样电阻上消耗的功率成指数倍数减小，大大减小了消耗的功率，降低了电能的消耗，减小了功率放大器对负载的输出功率的影响，可适用于大功率的负载中。

在上述实施例的基础上，进一步的，该功率放大器中，所述输出管包括n个并联的晶体管，所述镜像管包括m个并联的晶体管，其中，n和m均为自然数，且n大于m。

本实施例中，通过设置输出管和镜像管中并联晶体管的数量，使流过输出管源极电流为流过镜像管源极电流的设定倍数，此时，该设定倍数等于n与m的比值，当然，也可通过选择输出管和镜像管的参数和型号等实现上述的目的，并不限于本实施例提供的方式。

图2为本发明另一实施例所提供的功率放大器的电路图，如图2所示，该功率放大器中，输出管包括第一输出管MP₁和第二输出管MP₂，第一输出管MP₁的栅极连接至第一信号输入端V_in1’第二输出管MP₂的栅极连接至第二信号输入端V_in2’恒压源包括第一恒压源Vdd和第二恒压源Vss，镜像管包括第一镜像管MN₁和第二镜像管MN₂，过流管包括第一过流管MF₁和第二过流管MF₂，采样电阻包括第一采样电阻R₁和第二采样电阻R₂。

其中，第一输出管MP₁、第一恒压源Vdd、第一镜像管MN₁、第一过流管MF₁和第一采样电阻R₁构成第一放大组件，第二输出管MP₂、第二恒压源Vss、第二镜像管MN₂、第二过流管MF₂和第二电阻R₂构成第二放大组件，第一放大组件和第二放大组件为互补推挽式连接结构，第一放大组件在第一信号输入端V_in1输入的控制信号的负半周期导通工作，第二放大组件在第二信号输入端V_in2输入的控制信号的正半周期导通工作。

本实施例中，包括两个放大组件，两个放大组件为互补推挽式连接结构，构成推挽式放大器。

第一输出管MP₁的栅极连接至第一信号输入端V_in1’第二输出管MP₂的栅极连接至第二信号输入端V_in2’第一输出管MP₁的源极连接至第一恒压源Vdd，第二输出管MP₂的源极连接至第二恒压源Vss。

第一镜像管MN₁的栅极与第一输出管MP₁的栅极相连，第二镜像管MN₂的栅极与第二输出管MP₂的栅极相连，第一镜像管MN₁的源极经第一采样电阻R₁连接至第一恒压源Vdd，第二镜像管MN₂的源极经第二采样电阻R₂连接至第二恒压源Vss。

引出第一输出管MP₁的漏极和第二输出管MP₂的漏极相连后的连接点C，引出第一镜像管MN₁的漏极与第一镜像管MN₂的漏极相连后的连接点D，将C点和D点相连后作为信号输出端V_out。

第一过流管MF₁的源极连接至第一恒压源Vdd，第二过流管MF₂的源极连接至第二恒压源Vss，第一过流管MF₁的漏极与第一输出管MP₁的栅极相连，第二过流管MF₂的漏极与第二输出管MP₂的栅极相连，第一采样电阻R₁连接于第一过流管MF₁的源极和栅极之间，第二采样电阻R₂连接于第二过流管MF₂的源极和栅极之间。

通过流过第一镜像管MN₁源极的不同电流改变第一采样电阻R₁的压降以控制第一过流管MF₁的导通或关断，通过流过第二镜像管MN₂源极的不同电流改变第二采样电阻R₂的压降以控制第二过流管MF₂的导通或关断。

下面结合图2所示的电路图介绍本实施例提供的功率放大器的工作原理。

图2中，第一输出管MP₁、第一镜像管MN₁和第一过流管MF₁均P为沟道MOSFET，第二输出管MP₂、第二镜像管MN₂和第二过流管MF₂为N沟道MOSFET。

第一恒压源Vdd可以为一直流电源，提供一正电势，第二恒压源Vss也可以为一直流电源，提供一负电势，也可为如图2所示，第二恒压源Vss为接地点，电势为零。

控制信号可分别从第一信号输入端V_in1和第二信号输入端V_in2输入，该控制信号可以为正弦波形式的电压信号，在自第一信号输入端V_in1输入的控制信号的负半周期，第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁正向偏置，也就是第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁源极与栅极之间的电位差将大于其阈值电压，第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁导通工作，第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁导通工作时，第一过流管MF₁起到过流保护作用，其工作原理与图1所示相同，此处不再赘述。

在自第一信号输入端V_in1输入的控制信号的正半周期，第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁反向偏置，第一输出管MP₁和第一镜像管MN₁关断不工作。

在自第二信号输入端V_in2输入的控制信号的正半周期，由于第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂正向偏置，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂导通工作，此时，将有电流从第二输出管MP₂的漏极流向其源极，也有电流从第二镜像管MN₂的漏极流向其源极，并且，流过第二输出管MP₂源极的电流为流过第二镜像管MN₂源极的电流的设定倍数(设为k倍)，假设流过第二输出管MP₂源极的电流为I_p2，则流过第二镜像管MN₂源极的电流为I_p2/k。

并且，第二过流管MF₂的源极与栅极之间的电位差为第二采样电阻R₂上的压降V_R2，V_R2＝I_p2R₂/k，在正常工作状态下，该压降V_R2小于第二过流管MF₂的阈值电压，因此，第二过流管MF₂关断。

当过流时，流过第二输出管MP₂源极的电流I_p2和流过第二镜像管MN₂源极的电流I_p2/k将增大，第二采样电阻R₂上的压降V_R2将增大，当该压降V_R2大于第二过流管MF₂的阈值电压时，第二过流管MF₂将导通，并且，随着第二采样电阻R₂上的压降V_R2电位差的变大，第二过流管MF₂的导通能力越强，也就是流过第二过流管MF₂的电流越大，随着第二过流管MF₂的逐渐导通，第二过流管MF₂的漏极电位也将逐渐近似等于其源极电位，而第二过流管MF₂的源极接地，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂的栅极与第二过流管MF₂的漏极相连，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂的栅极电位也将逐渐等于接地点的电位，也就将导致第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂源极和栅极之间的电位差减小，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂源极和栅极之间的电位差一旦减小，又会导致流过第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂源极电流减小，最后导致信号输出端的输出电流减小，因此，达到了限制输出电流的目的。

并且，一旦流过第二过流管MF₂源极的电流I_p2/k减小，第二采样电阻R₂上的压降V_R2也将减小，当该压降V_R2再次小于第二过流管MF₂的阈值电压时，第二过流管MF₂将逐渐关断，随着第二过流管MF₂的逐渐关断，第二过流管MF₂的漏极电位也将逐渐恢复至第二信号输入端V_in2的电位，也就逐渐增大了第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂的源极与栅极之间的电位差，使第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂恢复至正常工作状态。

在自第二信号输入端V_in2输入的控制信号的负半周期，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂反向偏置，第二输出管MP₂和第二镜像管MN₂关断不工作。

由上述描述可知，本实施例提供的功率放大器，包括两个放大组件，两个放大组件为互补推挽式连接结构，构成推挽式放大器，第一放大组件和第二放大组件分别在输入的控制信号的正半周期和负半周期交替工作，当第一放大组件导通工作时，第二放大组件关断不工作，当第二放大组件导通工作时，第一放大组件关断不工作，由于第一放大组件和第二放大组件交替工作，两放大组件中各管的导通损耗小，提高了各管的承受能力，因此，可提高功率放大器的负载驱动能力。

在上述实施例的基础上，进一步的，该功率放大器中，第一输出管包括n个并联的P沟道金属氧化层半导体场效晶体管(简称PMOS管)，第二输出管包括n个并联的N沟道金属氧化层半导体场效晶体管(简称NMOS管)，第一镜像管包括m个并联的P沟道金属氧化层半导体场效晶体管，第二镜像管包括m个并联的N沟道金属氧化层半导体场效晶体管，其中，n和m均为自然数，且n大于m。

本实施例中，由于第一输出管包括n个并联的PMOS管，第一镜像管包括m个并联的PMOS管，流过各PMOS管源极的电流大小相同，而第一输出管中PMOS管的数量为第二镜像管中数量的设定倍数(即n与m的比值)，因此，可使流过第一输出管源极电流为流过第一镜像管源极电流的设定倍数。

同理，由于第二输出管包括n个并联的NMOS管，第二镜像管包括m个并联的NMOS管，流过各NMOS管源极的电流大小相同，而第二输出管中NMOS的数量为第二镜像管中数量的设定倍数(即n与m的比值)，因此，可使流过第二输出管源极电流为流过第二镜像管源极电流的设定倍数。

本实施例是通过设置输出管和镜像管中的MOS管的并联数量，使流过输出管源极电流为流过镜像管源极电流的设定倍数，当然，也可通过选择输出管和镜像管的参数和型号等实现上述的目的，并不限于本实施例提供的方式。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：

输出管，所述输出管的栅极连接至信号输入端，所述输出管的漏极连接至信号输出端，所述输出管的源极连接至恒压源；

镜像管，所述镜像管的栅极连接至信号输入端，所述镜像管的源极经采样电阻连接至恒压源，且流过所述输出管源极电流为流过所述镜像管源极电流的设定倍数，所述镜像管的漏极连接至信号输出端；

过流管，所述过流管的源极连接至所述恒压源，且所述采样电阻连接在所述过流管的源极和栅极之间，所述过流管的漏极连接至信号输入端。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：

所述输出管包括n个并联的晶体管，所述镜像管包括m个并联的晶体管，其中，n和m均为自然数，且n大于m。

3.根据权利要求1或2所述的功率放大器，其特征在于：

所述输出管包括第一输出管和第二输出管，所述第一输出管的栅极连接至第一信号输入端，所述第二输出管的栅极连接至第二信号输入端，所述恒压源包括第一恒压源和第二恒压源，所述镜像管包括第一镜像和第二镜像管，所述过流管包括第一过流管和第二过流管，所述采样电阻包括第一采样电阻和第二采样电阻；

其中，所述第一输出管、第一恒压源、第一镜像管、第一过流管和第一采样电阻构成第一放大组件，所述第二输出管、第二恒压源、第二镜像管、第二过流管和第二采样电阻构成第二放大组件，所述第一放大组件和第二放大组件为互补推挽式连接结构，所述第一放大组件在所述第一信号输入端输入的控制信号的负半周期导通工作，所述第二放大组件在所述第二信号输入端输入的控制信号的正半周期导通工作。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于：

所述第一输出管包括n个并联的P沟道金属氧化层半导体场效晶体管，所述第二输出管包括n个并联的N沟道金属氧化层半导体场效晶体管，所述第一镜像管包括m个并联的P沟道金属氧化层半导体场效晶体管，所述第二镜像管包括m个并联的N沟道金属氧化层半导体场效晶体管。

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