CN103338009A - 一种提高功率放大器功率附加效率的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高功率放大器功率附加效率的电路，包括：功率单元和偏置模块；功率单元中的晶体管的基极均连接输入信号；功率单元中的晶体管集电极均连接信号输出端；晶体管发射极均通过镇流电阻后连接在一起；晶体管的发射极连接的镇流电阻的阻值从外向内对称依次增大；每个晶体管的基极连接偏置模块；偏置模块为所述功率单元中的晶体管提供偏置电流，使得功率单元中晶体管的基极电流由外向内依次减小。电流偏置状态的不同，晶体管工作在不同的状态，相同功率输出状态下，直流功耗降低，提高功放的功率附加效率，采用由外向内逐渐减小的镇流电阻，改善功率单元中间热积累效应，进一步提高功率附加效率，改善线性。
Description
技术领域
本发明涉及集成功率放大器技术领域，特别涉及一种提高功率放大器功率附加效率的电路。
背景技术
功率放大器的功能就是将信号的功率放大。在通信领域中，功率放大器是发射机前端最重要的器件，因此，功率放大器的性能优劣直接影响通信系统的线性度和功耗的优劣。对于通信系统来说，功率放大器本身的功耗就很大，基本上能占到系统功耗的60%以上。因此，减小功率放大器的功耗对于延长系统的使用时间、降低功耗、减小系统体积重量起着关键的作用。
功率附加效率（PAE，Power Added Efficiency）是指功率放大器的输出功率Pout减去输入功率Pin再除以直流消耗功率PDC，因为在输入功率转换成输出功率的转换过程中，必定会耗损功率。
目前，常用的提高功率放大器功率附加效率的方法主要有包络分离和恢复技术（EER）、异相调制（LINC）和Doherty技术。
EER技术的缺点在于用其去调制具有高峰均值比的信号比较困难，包络通道的调制效率达不到100%，降低了总体的效率，且它的调制精度和性能会随着时间和温度而变化。调制器的幅度调制AM和相位调制PM等因素将影响放大器的失真输出产物，会产生附加的高阶产物，线性度受到影响。
LINC对两条路径上的增益和相位差异十分敏感，增益和相位的任何匹配误差均会导致不能完全消除失真信号，这样将影响线性度。由于增益和相位很难匹配使得LINC至今很少应用。
Doherty相对于以上两种技术而言，实现方式比较简单，但是线性度较差，需要结合预失真、前馈等技术来提升其线性度，这样将使方案变得比较复杂，从而降低整个系统的可靠性。
因此，如何提供一种结构简单，可靠性较高的电路，来提高功率放大器的功率附加效率是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高功率放大器功率附加效率的电路，能够提高功率放大器的功率附加效率，而且结构简单，可靠性较高。
本发明提供一种提高功率放大器功率附加效率的电路，包括：功率单元和偏置模块；
所述功率单元包括至少三个晶体管；
所述功率单元中的晶体管的基极均连接在一起并连接输入信号；
所述功率单元中的晶体管集电极均连接在一起作为信号输出端；
所述功率单元中的晶体管发射极均通过镇流电阻后连接在一起；功率单元中晶体管的发射极连接的镇流电阻的阻值从外向内对称依次增大；
所述功率单元中的每个晶体管的基极连接偏置模块；
所述偏置模块，用于为所述功率单元中的晶体管提供偏置电流，使得所述功率单元中晶体管的基极电流由外向内依次减小。
优选地，还包括输入匹配网络；
所述主放大器中的功率单元基极连接输入匹配网络连接输入信号。
优选地，还包括输出匹配网络；
所述主放大器中功率单元集电极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端作为信号输出端。
优选地，还包括偏置电源；
所述放大器的功率单元的晶体管基极并联接在一起并连接所述偏置电源。
优选地，所述偏置模块为偏置电压源；
所述功率单元中所有晶体管的对应的偏置电压相同，偏置电流不同。
优选地，所述功率单元中采用的晶体管均相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在初始状态下，由于功率单元中所有的晶体管偏置在相同的电压下，而镇流电阻不同，因此，镇流电阻小的晶体管偏置电流大，镇流电阻大的晶体管偏置电流小，甚至关闭。当输入信号的功率逐渐增大时，由于自偏置效应的存在，晶体管才逐渐开启进入放大模式。传统放大器则让所有的晶体管一直处于开启状态，直流功耗大，效率低。此发明提供的电路则有效的利用了晶体管动态的逐渐开启过程，能够有效提高功率放大器的功率附加效率。此外，本发明中射极镇流电阻由外向内呈逐渐增大的分布，使得中间器件的直流功耗比外围器件低，产生更少的热量，对中间散热环境差进行功率的补偿，可以进一步改善热效应，从而改善效率与线性度。本发明提供的电路结构简单，可靠性较高。
附图说明
图1是本发明提供的提高功率放大器功率附加效率的电路实施例一示意图；
图2是本发明提供的提高功率放大器功率附加效率的电路实施例二示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，该图为本发明提供的提高功率放大器功率附加效率的电路实施例一示意图。
本实施例提供的提高功率放大器功率附加效率的电路，包括：功率单元100和偏置模块200；
所述功率单元100包括至少三个晶体管；图1中以三个晶体管为例进行描述，分别为Q1、Q2和Q3。
可以理解的是，根据实际应用中对功率大小的需求不同，可以在功率单元100中设置多个晶体管并联，以实现较大的功率输出。
所述功率单元100中晶体管的基极均连接在一起并连接输入信号，同时连接到一个偏置模块；图1中的Q1、Q2和Q3的基极均连接输入信号。
所述功率单元100中晶体管Q1、Q2和Q3的集电极连接在一起作为信号输出端；
所述功率单元100中晶体管的射极串联连接一个镇流电阻；镇流电阻值由外向内对称依次增大；Q1的发射极串联第一镇流电阻Re1，Q2的发射极串联第二镇流电阻Re2，Q3的发射极串联第三镇流电阻Re3。
所述偏置模块200为所述功率单元100中的晶体管提供相同的偏置电压。
图1中，以三个晶体管构成的功率单元为例进行说明。晶体管Q1、Q2、Q3基极连接在一起并连入输入信号；晶体管Q1、Q2、Q3的集电极连接在一起作为输出端；晶体管Q1、Q2、Q3均连接相同的偏置模块200。
本实施例提供的电路，在初始状态下，由于偏置电压相同而镇流电阻不同，因此，发射的偏置电流呈非均匀分布。当输入信号的功率较小时，输入信号不足以使所有的晶体管打开，例如，仅可以使镇流电阻最小的晶体管打开，其它晶体管关断，这样，全部的输入信号由此镇流电阻小的晶体管放大。随着输入信号功率的增大，自偏置效应的存在使得其它晶体管也逐步打开，从而有效率的对输入信号进行功率放大，这样能够提高功率放大器的功率附加效率。此外，在镇流电阻的分布上，采用由外向内逐步增大的对称分布，使得中间晶体管的直流功耗小于边缘晶体管的直流功耗，从而补偿由于中间散热环境差导致的热积累效应。本发明提供的电路结构简单，可靠性较高。
下面结合一个具体电路图来介绍本发明提供的电路的工作原理，其中，以功率单元包括三个晶体管为例进行介绍。可以理解的是，晶体管的数目可以根据实际需要选择不同的个数。
参见图2，该图为本发明提供的提高功率放大器功率附加效率的电路实施例二示意图。
本实施例提供的提高功率放大器功率附加效率的电路，还可以包括输入匹配网络300；
输入匹配网络300的作用是为了实现信号源输出阻抗与该功率放大器输入阻抗之间的匹配，使功率放大器获得最大的激励功率；
所述功率单元100中晶体管Q1、Q2、Q3的基极均连接在一起并通过所述输入匹配网络300连接输入信号IN。
可以理解的是，本实施例提供的电路还可以包括输出匹配网络400；
与输入匹配网络300的作用类似，输出匹配网络400的作用是为了将实际的负载阻抗转换为该功率放大器所要求的最佳阻抗，保证功率放大器输出到负载的功率最大。
所述功率单元100中的晶体管Q1、Q2和Q3的集电极均连接在一起并连接输出匹配网络400的输入端，输出匹配网络400的输出端作为该电路的信号输出端。
优选地，本实施例中的电路，还可以包括偏置电源VCC；
所述功率单元中的晶体管Q1和从放大器中的晶体管（Q2和Q3）的集电极均连接在一起并连接所述偏置电源VCC。
需要说明的是，所述偏置模块为偏置电压源；
所述功率模块中晶体管的偏置电压源均相同。
本实施例提供的所述偏置电压源由电压源和一个电阻来实现，如图2所示，所述的偏置电压源200包括：电阻R1和偏置电压源Vbias；
所述晶体管发射极连接所述镇流电阻。即，Q1通过第一镇流电阻Re1连接至功率单元100发射极；Q2通过第二镇流电阻Re2连接至100发射极；Q3通过第三镇流电阻Re3连接至100发射极。
需要说明的是，两边的电阻成对称分布，并由外向内对称依次增大，即Re1=Re3<Re2。
需要说明的是，本实施案例中所述功率单元中的晶体管均相同，此处相同指的是晶体管的尺寸相同，包括长、宽以及跨导。
下面结合图1说明工作原理。
输入信号从输入端IN进入，经输入匹配网络300阻抗转换后可通过Q1、Q2、Q3放大。
初始状态下，由于镇流电阻Re1=Re3<Re2，Q1、Q3管的射极电流相同，均大于Q2管的偏置电流。
当输入信号较小时，自偏置效应很弱，输入信号不足以使得晶体管全部打开，Q2管关闭，Q1、Q3开启，全部信号由Q1、Q3管放大。
随着输入功率的增加，自偏置效应越来越显著，此时Q2管的基极输入信号增加，Q2管打开，部分信号流经Q2放大，动态开启晶体管的过程使得晶体管Q2有效的利用，从而减小了闲置直流功耗，提高效率。
综上，本发明采用镇流电阻由外向内逐渐增大的对称结构晶体管Q1、Q2、Q3构成测功率单元进行电路设计，使得在小功率下仅Q1、Q3管进行工作，大功率条件下同时开启Q2，进行部分信号的放大，使得整个功率放大器无论在低功率输入还是高功率输入条件下，都能有效的利用晶体管，提高了功率附加效率，同时保证中间晶体管直流功耗小，减小热积累效应，进一步增加效率、改善线性度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，包括：功率单元和偏置模块；
所述功率单元包括至少三个晶体管；
所述功率单元中的晶体管的基极均连接在一起并连接输入信号；
所述功率单元中的晶体管集电极均连接在一起作为信号输出端；
所述功率单元中的晶体管发射极均通过镇流电阻后连接在一起；功率单元中晶体管的发射极连接的镇流电阻的阻值从外向内对称依次增大；
所述功率单元中的每个晶体管的基极连接偏置模块；
所述偏置模块，用于为所述功率单元中的晶体管提供偏置电流，使得所述功率单元中晶体管的基极电流由外向内依次减小。
2.根据权利要求1所述的提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，还包括输入匹配网络；
所述主放大器中的功率单元基极连接输入匹配网络连接输入信号。
3.根据权利要求1所述的提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，还包括输出匹配网络；
所述主放大器中功率单元集电极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端作为信号输出端。
4.根据权利要求1所述的提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，还包括偏置电源；
所述放大器的功率单元的晶体管基极并联接在一起并连接所述偏置电源。
5.根据权利要求1所述的提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，所述偏置模块为偏置电压源；
所述功率单元中所有晶体管的对应的偏置电压相同，偏置电流不同。
6.根据权利要求1所述的提高功率放大器功率附加效率的电路，其特征在于，所述功率单元中采用的晶体管均相同。
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