CN104682898B - 一种用于功率放大器的有源偏置电路及通信设备 - Google Patents

一种用于功率放大器的有源偏置电路及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于功率放大器的有源偏置电路及通信设备。该电路包括PTAT电流源电路、基准电压电路、隔离稳压电路以及偏置电压电路；其中，PTAT电流源电路输入端连接到电压源，输出端连接基准电压电路，用于产生与电压源和温度成比例的电流；基准电压电路产生与电流和温度成比例的基准电压；隔离稳压电路隔离基准电压电路和偏置电压电路，通过负反馈的环路为偏置电压电路提供稳定电压；偏置电压电路接收隔离电压电路的电压，同时连接电压源，用于产生功率放大管的偏置电压。本发明能够在一定程度抑制温度漂移导致的偏置状态漂移，同时克服大功率输出状态下温度升高所导致的线性度恶化。

Description

一种用于功率放大器的有源偏置电路及通信设备
技术领域
本发明涉及一种用于功率放大器的有源偏置电路，同时还涉及一种包含该有源偏置电路的通信设备，属于移动通信技术领域。
背景技术
众所周知，包括WCDMA/TDSCDMA的3G通信系统，以及包括TD-LTE/LTE-FDD的4G通信系统，为了实现高速数据传输，对功率放大器输出信号的线性度要求远高于GSM850/EDGE900/DCS1800/PCS1900等通信模式，所以要求功率放大器具有较高的线性输出功率。从图1可以看出，双工器、滤波器势必带来信号损耗，大大增加了保持功率放大器高线性度的难度。
在功率放大器中，偏置电路负责为功率放大管提供合适的且稳定偏置状态，对于保持功率放大器的线性度有着重要作用。但是，现有GSM/EDGE/GPRS制式下功率放大器的偏置电路已经不能完全适用于当下主流的3G/4G手机。3G/4G通信标准要求功率放大器有更高功率输出。然而在高功率的输出状态下，功率放大器芯片的温度会逐渐升高(主要表现在功率放大管结温的升高)。而偏置电路要使功率放大管尽量保持稳定的偏置状态，需要满足两个条件：其一，实现芯片温度可控，避免因温度持续上升与电流增加造成的失控甚至烧毁芯片；其二，通过反馈机制使功率放大管始终工作于相对稳定的状态中，抑制了温漂所导致的偏置状态的漂移和线性度的恶化。
目前，工业界及学术界虽然已经提出过一些满足上述条件的偏置电路结构，但其中很多偏置电路结构在生产和使用过程中表现出一定的不足，例如增加工艺难度、损失功率增益和效率、增加芯片面积和成本等。例如，专利号为ZL 200780009732.5的中国发明专利中，公开了一种功率放大器中的动态偏置控制电路。然而，功率放大器本身是一种比较浪费芯片面积的设计方案，相应此专利所引入的偏置电路结构也较为复杂，不适用于3G/4G手机功率放大器芯片。再例如，专利号为ZL 01122022.8的中国发明专利中，公开了一种用于射频放大器的有源偏置网络电路。而该专利中的功率放大器偏置电路是一种繁琐的结构，需要功率放大器模组中必须包含单独的一颗基于CMOS工艺的偏置电路芯片，增加了射频功率放大器芯片的设计实现难度和成本。
基于上述可知，目前真正适用于移动通信的功率放大器偏置电路还不能满足实践中的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于现有芯片生产工艺、用于功率放大器的有源偏置电路。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包含上述有源偏置电路的通信设备。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种用于功率放大器的有源偏置电路，包括PTAT电流源电路、基准电压电路、隔离稳压电路以及偏置电压电路；其中，
所述PTAT电流源电路输入端连接到电压源，输出端连接基准电压电路，用于产生与所述电压源和温度成比例的电流；
所述基准电压电路产生与所述电流和温度成比例的基准电压；
所述隔离稳压电路隔离所述基准电压电路和所述偏置电压电路，通过负反馈的环路为所述偏置电压电路提供稳定电压；
所述偏置电压电路接收所述隔离电压电路的电压，同时连接所述电压源，用于产生功率放大管的偏置电压。
其中较优地，所述PTAT电流源电路包括两组电流镜电路、多个三极管和电阻；其中，
第一组电流镜电路包括三个PMOS管；三个PMOS管的源极连接所述电压源，栅极对接；第一PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极；第二PMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极；第三PMOS管的漏极连接所述基准电压电路；
第二组电流镜电路包括所述第一NMOS管和所述第二NMOS管；所述第一NMOS管的栅极连接漏极和所述第二NMOS管的栅极，源极连接第一三极管；所述第二NMOS管的源极连接第一电阻；
所述第一三极管与第二三极管串联后接地，
所述第一电阻、第三三极管和第四三极管串联后接地。
其中较优地，所述第一三极管和第二三极管的发射结面积相等，所述第三三极管和所述第四三极管的发射结面积相等，且所述第一三极管的发射结面积需大于所述第三三极管的发射结面积。
其中较优地，所述基准电压电路包括三极管和一个电阻；其中，
第二电阻的一端分别连接所述PTAT电流源电路和所述隔离稳压电路；
所述第二电阻的另一端连接第五三极管的集电极和基极；所述第五三极管的发射极连接第六三极管的集电极和基极；所述第六三极管的发射极接地。
其中较优地，所述隔离稳压电路包括电阻和三极管；其中，
第七三极管的集电极连接所述基准电压电路的输出端和第三电阻的一端，基极连接所述第三电阻的另一端与第八三极管的集电极，发射极连接第四电阻和所述第八三极管的基极；
所述第八三极管的发射极和所述第四电阻的另一端分别接地；
所述第七三极管、所述第三电阻和所述第八三极管的连接点连接所述偏置电压电路。
其中较优地，所述第八三极管的发射极通过电阻接地。
其中较优地，所述偏置电压电路为三极管；其中，
第九三极管的集电极连接所述电压源，基极接收所述隔离稳压电路提供的电压，发射极连接所述功率放大管的基极。
其中较优地，所述偏置电压电路还包括若干并联的二极管；其中，
各所述二极管的阳极接地，阴极连接所述第九三极管的集电极。
其中较优地，所述有源偏置电路还包括自热补偿电路：
所述自热补偿电路包括三极管和电阻；第十三极管的基极与所述功率放大管的基极相连接，集电极通过第五电阻接地，发射极连接所述功率放大管的集电极。
一种通信设备，其中的功率放大器采用上述的有源偏置电路。
本发明所提供的有源偏置电路可以基于现有的芯片生产工艺实现，能够在一定程度上抑制温度漂移导致的偏置状态漂移，为功率放大管提供稳定的偏置状态；同时引入的补偿机制，可以有效克服大功率输出状态下温度升高所导致的线性度恶化，有效提高功率放大器的线性度。
附图说明
图1为一个零中频射频收发机的结构框图；
图2为本发明所提供的有源偏置电路的原理框图；
图3为本发明中，第一实施例的电路结构示意图；
图4为图3中偏置电压电路的二极管的等效电路图；
图5为本发明中，偏置电压电路的电路图；
图6为图3中自热补偿电路的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细说明。
参见图2，本发明所提供的有源偏置电路包括PTAT(proportional to absolutetemperature,与绝对温度成正比)电流源电路10、基准电压电路20、隔离稳压电路30以及偏置电压电路40。其中，PTAT电流源电路10的输入端连接到电压源，输出端连接基准电压电路20，用于产生与电压源和温度成比例的电流；基准电压电路20产生与电流和温度成比例的电压；隔离稳压电路30隔离基准电压电路20和偏置电压电路40，通过负反馈的环路为偏置电压电路40提供稳定电压；偏置电压电路40接收隔离稳压电路30的电压，同时连接电压源，用于产生功率放大器所需的偏置电压。需要说明的是，本有源偏置电路不限制功率放大器的级数，例如包含一级功率放大管的单级功率放大器、包含三级功率放大管的多级功率放大器等。下面以包含两个功率放大管的两级功率放大器为实施例进行说明。
参见图3，该功率放大器包括两个功率放大管Q1和Q2、输入匹配网络、输入焊线(Bond wire)、功率放大管Q1的电感、级间匹配网络、功率放大管Q2的电感、输出焊线、输出匹配网络以及功率放大管Q1和Q2相应的偏置电路。偏置电路均包括PTAT电流源电路10、基准电压电路20、隔离稳压电路30以及偏置电压电路40以及自热补偿电路50。其中PTAT电流源电路10、基准电压电路20可以为两个功率放大管共用。而隔离稳压电路30以及偏置电压电路40以及自热补偿电路50中则每个功率放大管需要单独配置。每个功率放大管的设计需求不同，因此隔离稳压电路30以及偏置电压电路40以及自热补偿电路50中元件的参数、个数等根据实际需求进行适应性调整。
本实施例中，PTAT电流源电路10是用于产生与电压源和环境温度成比例的PTAT电流包括两组电流镜电路、多个三极管和电阻。第一组电流镜电路包括三个PMOS管(101a、101b、101c)。PMOS管101a和101b为一对镜像电流源，同时101b与101c也为一对镜像电流源。三个PMOS管的源极连接通信设备的电压源，栅极均相互连接。PMOS管101a、101b漏极分别连接第二组电流镜电路中的一对镜像电流源，101c的漏极作为PTAT电流源电路10的输出端，连接基准电压电路20。第二组电流镜电路包括两个NMOS管102a和102b。其中NMOS管102a和102b栅极相互连接，同时分别与PMOS管101a、NMOS管102a的漏极连接。NMOS管102b的漏极与PMOS管101b的漏极连接。NMOS管102a的源极则通过两个NPN异质结双极的晶体管(103a、104a)的串联通路接地。其中，两个晶体管103a、104a的基极分别与各自的集电极连接，晶体管103a的发射极连接104a的集电极。晶体管104a的发射极接地。NMOS管102的源极通过电阻R1、两个NPN异质结双极晶体管103b、104b的串联通路接地。其中，两个晶体管103b、104b的基极与各自的集电极连接，晶体管103b的发射极连接104b的集电极。晶体管104b的发射极接地。
基准电压电路20根据PTAT电流源电路10的PTAT电流，产生与PTAT电流和温度成比例的基准电压Vref。为了保持Vref与隔离稳压电路30、Vbias电压产生电路的相应结点电位基本吻合，基准电压Vref的产生采用NPN异质结双极晶体管202及203的BE结实现。
本实施例中，基准电压电路20包括晶体管202、203和电阻R2。其中电阻R2的连接PTAT电流源电路10和隔离稳压电路30，另一端连接晶体管202的集电极和基极。晶体管202的发射极和晶体管203的集电极和基极相连接，晶体管203的发射极接地。下面结合具体计算过程对基准电压Vref的生成进行说明。
本实施例中，PTAT电流源电路10晶体管103a与104a的发射结面积需相等，设为S1；晶体管103b与104b的发射结面积均相等，且设为S2，则需满足S1>S2。
假设，晶体管103a与104a的BE结电压之和VBE1，则可得：
VBE1＝VBE103a+VBE104a
同理，晶体管103b与104b的BE结电压之和VBE2，则可得：
VBE2＝VBE103b+VBE104b
BE结电压VBE1、VBE2与电阻R1上的电压VR1之间有如下关系，即：
ΔVBE＝VR1＝VBE1-VBE2
根据带隙基准源的定义以及NPN晶体管的温度特性可以知道，具有正温度系数，也即
为了得到具有零温度系数的基准电压Vref，基准电压电路20必须包含具有负温度系数的组成部分，而NPN的晶体管恰好具有此特性，也即
因此，将ΔVBE与VBE做合适的加权，即可得到具有零温度系数的基准电压Vref。在本实施例中，通过选择合适的R1、R2电阻值，即可得到具有零温度系数的基准电压：
本实施例中，隔离稳压电路30用于实现基准电压电路20与偏置电压电路40的有效隔离，避免基准电压电路20免受负载变化的干扰之外，还可以通过负反馈环路保证输出电压的稳定性。图3中的第一级功率放大管的隔离稳压电路30包括两个NPN异质结双极晶体管301、302和两个电阻R3、R4。其中，电阻R3与晶体管301的集电极同时连接到基准电压电路20的输出端。电阻R3的另一端则作为隔离稳压电路30的输出，同时还分别与晶体管301的基极以及晶体管302的集电极相连接。晶体管301的发射极一方面晶体管302的基极连接，另一方面通过电阻R4端接地。晶体管302的发射极直接接地。而第二级隔离稳压电路中晶体管通过电阻接地。具体地，元件的设置需根据实际需求而定。下面对隔离稳压电路30的稳压原理进行详细说明。
随着输出功率的增加与减小，功率放大器芯片的温度会随之上升或者下降。该种情况反映在偏置电路中，即隔离稳压电路30输出电压Vb的上升或者下降。为了阐述隔离稳压电路30的负反馈原理，这里假设Vb受到工作环境温度的变化而有所上升，即：
ΔVb＞0
也就是晶体管301的BE结电位VBE301和集电极电流ICC301上升，即：
ΔVBE301＞0
ΔICC301＞0
因此意味着电阻R4上的电压降ΔVR4上升，即：
ΔVR4＝ΔICC301*R4＞0
则必然导致晶体管302的BE结电压上升、晶体管302的集电极电流上升、电阻R3的电压降上升，
ΔVBE302＞0
ΔICC302＞0
ΔVR3＝ΔICC302*R3＞0
而电阻R3的电压降上升必然导致Vb电位的下降，
ΔVb＜0
通过电阻R3反馈支路致使Vb向原来相反趋势变化，使得输出电压Vb逐渐趋于稳定。反之，Vb向相反趋势的变化，经过负反馈环路也能够逐渐调节并使之趋于稳定，具体这里不在进行赘述。综上分析，隔离稳压电路30通过引入负反馈环路，可以维持Vb的电位处于稳定状态，实现基准电压电路20与负载的有效隔离。
本实施例中，偏置电压电路40同时连接隔离稳压电路30输出端和设备电压源Vbat，用于产生用来偏置功率放大管Q1的电压Vbias。本实施例中的偏置电压电路40不仅可以实现偏置电压，同时还引入了补偿机制。通过补偿的作用，使功率放大管始终处于较为稳定的偏置状态。图3所示，第一级功率放大管的偏置电压电路40包括NPN异质结双极晶体管401、以及PN结二极管402。其中，晶体管401的基极与隔离稳压电路30的输出端相连接，同时二极管402的阴极，集电极与设备电压源Vbat连接，发射极作为输出端，直接连接至功率放大管Q1的基极。本实施例中第二级功率放大管的偏置电压电路40中，晶体管401的发射极通过电阻连接功率放大管Q2的基极。二极管402的阳极接地。本实施例中采用若干二极管的并联通路，这里二极管采用的个数不做具体限定。
下面对偏置电压电路40的补偿机制进行说明。功率放大管Q1在温度升高时，BE结开启电压降低，进而导致偏置电流上升。三极管401和二极管并联通路402的具体作用是通过补偿使得功率放大管Q1的BE结开启电压下降的同时，BE结电压也下降，则功率放大管Q1就可以始终处于稳定的偏置状态。图4所示为图3中二极管402的等效电路图。反向连接的二极管402可以等效为可变电容C1与电阻R1的并联网络。如图5所示，电容C1和R1的存在，使得晶体管401基极向左的电路部分，其在射频点处的特征阻抗R降低，也即：
在射频功率点，特征阻抗值R的降低导致射频功率由反偏的二极管402泄露到地。而泄露的功率在晶体管401的BE结产生补偿电流。随着功率增加，经二极管402泄露到地的功率增加。芯片的温度上升，功率放大管Q1的开启电压下降。而此时补偿电流持续上升，晶体管401的BE结得到的偏置电压在下降，集电极电流不会持续增大以至于烧毁管子，从而使功率放大管Q1始终处于较稳定的偏置状态。
本实施例中，偏置电路还增加了自热补偿电路50。该电路根据芯片内部的温度，可以自动补偿射频功率放大管Q1的增益。截至目前，工业界已经提出的克服芯片自热效应的方法，有些过度依赖于新工艺降低热阻，有些会导致功率的损失或者芯片面积大幅增加。而本实施例中的自热补偿电路50占用很少的芯片面积，采用常规工艺即可实现，具体参见图3。自热补偿电路50包括NPN异质结双极晶体管501和电阻R5。其中，晶体管501的基极分别连接基准电压电路20输出端和功率放大管Q1的基极，发射极连接到功率放大管Q1的集电极，集电极则通过电阻R5接地。补偿电路50中的晶体管501作为补偿通路的开关，选择合适大小的电阻R5可以控制开关打开的时间，同时决定补偿量的大小。
根据异质结双极型晶体管的温度特性可知，芯片内部晶体管结温上升会导致晶体管功率增益下降。尤其是大功率工作状态下，集电极和发射极之间的电压VCE增大会进一步降低增益。具体表现为手机发烫、输出功率降低、信号质量变差等。参见图6，自热补偿电路50可以等效为一个将功率放大管Q1基极到地的可变电阻，而通路中开关受控于功率管Q1电压VCE。其中可变电阻值控制补偿电流值，开关决定补偿通路打开或者关闭。输入信号较小时，功率管Q1的增益下滑并不明显，开关处于开路状态，不产生补偿电流。而随着输入信号的增大，补偿通路开关导通，产生补偿电流IB1。由于功率放大管Q1工作在恒定电流驱动的状态，为了维持整体电流IB不变，功率放大管Q1的集电极与发射极之间的电压VCE上升，基极与发射极之间的VBE降低，同时补偿电流IB1降低，而进入功率管Q1的电流IB-IB1会增加。虽然结温上升会导致功率管的增益下降，通过本发明自热补偿电路50产生的补偿电流维持功率管的集电极电流并未降低，使功率放大管总体表现出恒定的功率增益。
需要说明的是，上面主要介绍了第一级功率放大管Q1的偏置电路组成。由于第二级功率放大管Q2与第一级功率放大管Q1的工作状态并非完全相同，包括工作温度、发射极面积、偏置种类(A类、AB类或者B类)等都不相同。因此当功率放大器包含多级的功率放大管时，各级的偏置电压电路、自热补偿电路的原理图与第一级功率放大管的原理图均类似，但具体并联二极管的数量、补偿电阻值有所不同，需要根据具体功率放大器设计需求而定。
本发明还公开了一种通信设备，包括手机、平板电脑等无线设备，尤其是3G/4G手机。该通信设备的功率放大器采用上述的有源偏置电路。
综上所述，本发明所提供的有源偏置电路中，PTAT电流源电路和基准电压电路可以产生与温度成比例的电流和电压，隔离稳压电路同时通过负反馈环路保证偏置电路的稳定输出，在一定程度上抑制温度漂移导致的偏置状态漂移，为芯片提供稳定的偏置状态。同时偏置电压电路和自热补偿电路，通过补偿原理克服大功率输出状态下温度升高所导致的线性度恶化，有效提高射频功率放大器的线性度。
以上对本发明所提供的用于功率放大器的有源偏置电路及通信设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种用于功率放大器的有源偏置电路，其特征在于包括PTAT电流源电路、基准电压电路、隔离稳压电路以及偏置电压电路；其中，所述PTAT电流源电路输入端连接到电压源，输出端连接基准电压电路，用于产生与所述电压源和温度成比例的电流；
所述基准电压电路产生与所述电流和温度成比例的基准电压；
所述隔离稳压电路隔离所述基准电压电路和所述偏置电压电路，通过负反馈的环路为所述偏置电压电路提供稳定电压；
所述偏置电压电路接收所述隔离稳压电路的电压，同时连接所述电压源，用于产生功率放大管的偏置电压；
所述PTAT电流源电路包括两组电流镜电路、多个三极管和电阻；其中，
第一组电流镜电路包括三个PMOS管；各所述PMOS管的源极连接所述电压源，栅极对接；第一PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极；第二PMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极；第三PMOS管的漏极连接所述基准电压电路；
第二组电流镜电路包括所述第一NMOS管和所述第二NMOS管；所述第一NMOS管的栅极连接漏极和所述第二NMOS管的栅极，源极连接第一三极管；所述第二NMOS管的源极连接第一电阻；所述第一三极管与第二三极管串联后接地，所述第一电阻、第三三极管和第四三极管串联后接地。
2.如权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于：
所述第一三极管和第二三极管的发射结面积相等，所述第三三极管和所述第四三极管的发射结面积相等，且所述第一三极管的发射结面积需大于所述第三三极管的发射结面积。
3.如权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于所述基准电压电路包括三极管和一个电阻；其中，
第二电阻的一端分别连接所述PTAT电流源电路和所述隔离稳压电路；
所述第二电阻的另一端连接第五三极管的集电极和基极；所述第五三极管的发射极连接第六三极管的集电极和基极；所述第六三极管的发射极接地。
4.如权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于所述隔离稳压电路包括若干电阻和三极管；其中，
第七三极管的集电极连接所述基准电压电路的输出端和第三电阻的一端，基极连接所述第三电阻的另一端与第八三极管的集电极，发射极连接第四电阻和所述第八三极管的基极；
所述第八三极管的发射极和所述第四电阻的另一端分别接地；
所述第七三极管、所述第三电阻和所述第八三极管的连接点连接所述偏置电压电路。
5.如权利要求4所述的有源偏置电路，其特征在于：
所述第八三极管的发射极通过电阻接地。
6.如权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于所述偏置电压电路为三极管；其中，
第九三极管的集电极连接所述电压源，基极接收所述隔离稳压电路提供的电压，发射极连接所述功率放大管的基极。
7.如权利要求6所述的有源偏置电路，其特征在于所述偏置电压电路还包括若干并联的二极管；其中，
各所述二极管的阳极接地，阴极连接所述第九三极管的基极。
8.如权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于还包括自热补偿电路；
所述自热补偿电路包括三极管和电阻；第十三极管的基极与所述功率放大管的基极相连接，集电极通过第五电阻接地，发射极连接所述功率放大管的集电极。
9.一种通信设备，其特征在于所述通信设备的功率放大器采用权利要求1～8中任意一项所述的有源偏置电路。
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