CN103580619B - 一种功率放大装置及线性调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大装置及线性调节器，包括：第一晶体管、第二晶体管和第二晶体管的驱动电路，所述第一晶体管与第二晶体管串联，所述第二晶体管的驱动电路包含第三晶体管、补偿网络和电压源，所述第三晶体管的第一端分别连接驱动信号端和所述第一晶体管，第二端连接第一晶体管与第二晶体管的连接端，第三端分别连接所述第二晶体管和补偿网络，所述补偿网络还与电压源连接。本发明提供的一种双N型晶体管组成的推挽结构，不需要变压器耦合，也不需要上下晶体管独立控制，可实现结构、控制简单，效率高等特点，解决现有的线性调节器或不适合高带宽大功率的应用场合，或存在较多的问题。

Description

一种功率放大装置及线性调节器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种功率放大装置及线性调节器。

背景技术

在电子装置中，有多种场合需要对信号进行线性功率放大，以驱动后续执行机构，或作为供电电源给后续装置供电。而在一些如负载的动态变化很快，或所放大信号的带宽很高的应用场合，对线性功率放大装置的带宽要求很高。特别地，在通讯系统中，为在有限频谱中实现更快的数据传输，经调制后的射频信号幅值动态变化很大，带来的一个突出问题就是射频功率放大器的效率低下，成为提高整个通讯系统效率的瓶颈。

在现有技术中，有一种通过包络跟踪(Envelope Tracking)供电的方式，即供电电压动态跟踪射频信号的幅值，使功放始终饱和工作以提高效率。在该技术中，要求功放供电电源的带宽要远远超过传统电源，例如，如需跟踪4载波WCDMA制式的包络信号，带宽就高达20MHz，为保证跟踪精度，电源本身的带宽则要求更高。而且随着通讯技术的演进，射频包络信号的带宽也有进一步提高的趋势。因此传统的开关电源无法满足此类需求，通常需要线性调节器辅助以实现高的带宽。

在现有的线性调节器技术中，通常采用推挽结构降低功率管的静态工作点以提高效率。图1为现有技术中一种常见线性调节器，晶体管101和102组成推挽结构的功率输出级，其中晶体管101采用N型晶体管、晶体管102采用P型晶体管，形成单位增益的电压跟随器结构，对栅极信号进行功率放大输出。图1所示电路中，通常还包含引入负反馈103的驱动级104，以保证输出信号105对输入信号106的线性放大精度。为保证晶体管101和102静态工作点在线性区，通常还包括偏置电路107和108。由于图1中晶体管102采用的P型晶体管的多数载流子为空穴，其迁移率远不如N型晶体管的多数载流子电子，因此在高速器件特别是射频器件如LDMOS、GaN等晶体管中均采用N型沟道结构，而无P型晶体管可供选用。因此，图1所示电路并不适合在高带宽的应用场合。

图2为现有技术中采用双N型晶体管201、202的一种推挽结构，该结构需要通过变压器203的耦合实现推挽功能，也因此带来一系列问题，如尺寸较大、低频磁饱和、高频大电流变压器设计较为困难，控制方法也较为复杂。特别在体积上，高带宽线性调节器通常要求靠近在负载端放置，以避免连接线等寄生参数在高频下引起的额外干扰，较大的体积会因此带来问题。

图3为现有技术中不需要变压器的双N型晶体管301、302组成的推挽结构，该结构对上下晶体管采用不同的控制器303、304，以匹配晶体管301组成的共漏级结构和晶体管302组成的共源级结构带来的增益差别。该现有技术的问题是在实际应用中两个独立控制器303、304的带宽要有所区别，否则容易冲突引起振荡，而当一个控制器带宽较低时，推挽的效果会变差，效率因此降低，线性调节器的带宽也受到限制。

综上，现有的线性调节器技术，或不适合高带宽大功率的应用场合，或存在较多的实际问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率放大装置及线性调节器，能够适合高带宽大功率应用场合，并且，结构控制简单、效率高。

为解决上述技术问题，本发明的一种功率放大装置，包括：第一晶体管、第二晶体管和第二晶体管的驱动电路，所述第一晶体管与第二晶体管串联，所述第二晶体管的驱动电路包含第三晶体管、补偿网络和电压源，所述第三晶体管的第一端分别连接驱动信号端和所述第一晶体管，第二端连接第一晶体管与第二晶体管的连接端，第三端分别连接所述第二晶体管和补偿网络，所述补偿网络还与电压源连接。

进一步地，在第三晶体管的第一端与所述第一晶体管之间还连接有第一偏置电路；在所述第三晶体管的第三端与所述第二晶体管之间还连接有第二偏置电路。

进一步地，所述补偿网络包含第一电阻，或者所述补偿网络包含第一电阻以及与第一电阻并联的电容。

进一步地，在所述第三晶体管的第二端与所述第一晶体管与第二晶体管的连接端之间还连接第二电阻。

进一步地，所述第一晶体管的一端为正供电电压端，所述第二晶体管的一端为负供电电压端，所述电压源还连接至参考地或负供电电压端。

进一步地，一种线性调节器，包括功率放大装置，所述功率放大装置包括第一晶体管、第二晶体管和第二晶体管的驱动电路，所述第一晶体管与第二晶体管串联，所述第二晶体管的驱动电路包含第三晶体管、补偿网络和电压源，所述第三晶体管的第一端分别连接驱动信号端和所述第一晶体管，第二端连接第一晶体管与第二晶体管的连接端，第三端分别连接所述第二晶体管和补偿网络，所述补偿网络还与电压源连接。

进一步地，还包括前级放大装置，所述前级放大装置包含运算放大器，所述运算放大器的输出端连接所述驱动信号端，所述运算放大器的正相输入端连接输入参考信号，所述运算放大器的反相输入端连接反馈的输出信号。

进一步地，在第三晶体管的第一端与所述第一晶体管之间还连接有第一偏置电路；在所述第三晶体管的第三端与所述第二晶体管之间还连接有第二偏置电路。

进一步地，所述补偿网络包含第一电阻，或者所述补偿网络包含第一电阻以及与第一电阻并联的电容。

进一步地，在所述第三晶体管的第二端与所述第一晶体管与第二晶体管的连接端之间还连接第二电阻。

综上所述，本发明提供的一种双N型晶体管组成的推挽结构，不需要变压器耦合，也不需要上下晶体管独立控制，可实现结构、控制简单，效率高等特点，解决现有的线性调节器或不适合高带宽大功率的应用场合，或存在较多的问题，提供了结构控制简单的高带宽大功率线性调节器。

附图说明

图1为现有技术中一种常规推挽结构线性调节器的结构示意图；

图2为现有技术中一种通过变压器耦合的线性调节器的结构示意图；

图3为现有技术中一种带独立控制器的线性调节器的结构示意图；

图4为本发明的线性调节器中的功率放大装置的一种实施例的结构图；

图5为本发明的线性调节器中的功率放大装置的一种带驱动增益控制的实施例的架构图；

图6为本发明的线性调节器中的功率放大装置的一种采用不同驱动晶体管的实施例的架构图；

图7为本发明的线性调节器包含前级放大装置的一种实施例的结构图。

具体实施方式

本实施方式提供的线性调节器，包括：

功率放大装置，功率放大装置包含两个串联的N型晶体管组成的推挽结构，和驱动电路，驱动电路包含一个P型晶体管；

线性调节器还可以包含前级放大装置，提供功率放大装置所需驱动信号。

为了解决图1中现有的线性调节器带宽较低及图2、图3中现有的线性调节器体积大、控制复杂、效率低等问题，本实施方式提供了一种超高带宽大功率线性调节器的实现方式。

图4为本实施方式的线性调节器中的功率放大装置的一种结构的示意图，在图4中，N型晶体管401(第一晶体管)与N型晶体管402(第二晶体管)串联组成本实施方式的线性调节器的功率输出级，正负供电电压端分别为V+411和V-410，N型晶体管401和402的连接端为输出信号端404。晶体管402的驱动电路包含P型晶体管403、补偿网络405及电压源Vdrv409，晶体管402的驱动电路连接驱动信号端406，接收输入驱动信号，驱动信号控制晶体管403在补偿网络405上产生晶体管402的驱动信号。晶体管403的第一端分别连接驱动信号端406和晶体管401，第二端连接晶体管401与晶体管402的连接端，第三端分别连接晶体管402和补偿网络405，补偿网络405还与电压源409连接。特别地，电压源Vdrv 409可能接至系统的参考地，或直接与V-410相连。

为实现超高带宽，晶体管401与402可能采用如LDMOS、GaN等射频晶体管，晶体管403可能采用小信号、小封装的晶体管。上述晶体管也可能是其他常用的器件，如MOSFET、三极管等。

在图4中，功率放大装置还包括偏置电路407(第一偏置电路)及偏置电路408(第二偏置电路)，分别为晶体管401及402提供偏置电压，以使晶体管401及402工作在线性区。偏置电路407连接在晶体管403的第一端与晶体管401之间；偏置电路408连接在晶体管403的第三端与晶体管402之间。具体地，偏置电路407及408可能由独立电源、稳压管或其他电平转换电路构成。

如图5所示，为调节驱动电路的增益，补偿网络405可能是包含第一电阻，或者是包含第一电阻和与第一电阻并联的电容，晶体管403与输出信号端404也可能由第二电阻502连接。

如图6所示，驱动电路的晶体管403也可能采用与晶体管401及402同一类型，如均为MOSFET。

本实施方式的线性调节器除包含上述功率放大装置，还可以包含前级放大装置，图7为本实施方式的线性调节器包含的前级放大装置的一种具体实施例，前级放大装置702包含输入信号放大、输出信号反馈控制等功能，实现对输出信号的精度控制。在图7中，前级放大装置包含运算放大器702，输入参考信号连接至运算放大器702的正相输入端701，输出信号反馈至运算放大器702的反相输入端，运算放大器的输出端连接至功率放大装置的驱动信号端406，以补偿功率放大装置工作在饱和区等原因产生的线性度失真，提高线性调节器的精度。前级放大装置702也可能有晶体管等分立器件构成。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上该仅为本发明的优选实施例而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率放大装置，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管和第二晶体管的驱动电路，所述第一晶体管的漏极连接至第二晶体管的源极，所述第二晶体管的驱动电路包含第三晶体管、补偿网络和电压源，所述第三晶体管的基极分别连接驱动信号端和所述第一晶体管的栅极，发射极连接第一晶体管与第二晶体管的连接端，集电极分别连接所述第二晶体管的栅极和补偿网络，所述补偿网络还与电压源连接。

2.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，在第三晶体管的基极与所述第一晶体管的栅极之间还连接有第一偏置电路；在所述第三晶体管的集电极与所述第二晶体管的栅极之间还连接有第二偏置电路。

3.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，所述补偿网络包含第一电阻，或者所述补偿网络包含第一电阻以及与第一电阻并联的电容。

4.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，在所述第三晶体管的发射极与所述第一晶体管与第二晶体管的连接端之间还连接第二电阻。

5.如权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，所述第一晶体管的漏极为正供电电压端，所述第二晶体管的源极为负供电电压端，所述电压源还连接至参考地或负供电电压端。

6.一种线性调节器，其特征在于，包括功率放大装置，所述功率放大装置包括第一晶体管、第二晶体管和第二晶体管的驱动电路，所述第一晶体管的漏极连接至第二晶体管的源极，所述第二晶体管的驱动电路包含第三晶体管、补偿网络和电压源，所述第三晶体管的基极分别连接驱动信号端和所述第一晶体管的栅极，发射极连接第一晶体管与第二晶体管的连接端，集电极分别连接所述第二晶体管的栅极和补偿网络，所述补偿网络还与电压源连接。

7.如权利要求6所述的线性调节器，其特征在于，还包括前级放大装置，所述前级放大装置包含运算放大器，所述运算放大器的输出端连接所述驱动信号端，所述运算放大器的正相输入端连接输入参考信号，所述运算放大器的反相输入端连接反馈的输出信号。

8.如权利要求6所述的线性调节器，其特征在于，在第三晶体管的基极与所述第一晶体管的栅极之间还连接有第一偏置电路；在所述第三晶体管的集电极与所述第二晶体管的栅极之间还连接有第二偏置电路。

9.如权利要求6所述的线性调节器，其特征在于，所述补偿网络包含第一电阻，或者所述补偿网络包含第一电阻以及与第一电阻并联的电容。

10.如权利要求6所述的线性调节器，其特征在于，在所述第三晶体管的发射极与所述第一晶体管与第二晶体管的连接端之间还连接第二电阻。