CN105577125A - 功率放大器的直流输出电位的控制装置 - Google Patents

功率放大器的直流输出电位的控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率放大器的直流输出电位的控制装置，其基于一主动式温控偏置电路进行实现，该主动式温控偏置电路中，直流输出电位偏差检测电路检测功率放大器的直流输出电位偏差值，温控电路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对调压电路进行加热或制冷；调压电路根据温控电路的加热或制冷相应调节功率放大器中产生温漂的器件的偏置电压；从而，本发明可以通过主动的温度控制来调节偏置电压，达到控制直流输出电位的目的，避免了现有技术中因采用负反馈造成的自激和瞬态互调失真，并且提高了放大电路的性能。

Description

功率放大器的直流输出电位的控制装置
技术领域
本发明涉及功率放大器控制领域，具体涉及一种功率放大器的直流输出电位的控制装置，其基于一个主动式温控偏置电路实现对功率放大器的直流输出电位的稳定性控制和性能提高。
背景技术
由于电子元件的温漂特性尤其是半导体元器件的显著温漂特性，功率放大器工作在不同的环境温度下，以及工作过程中自身的发热导致元器件的工作温度变化，会造成功率放大器的直流输出电位随温度而变化，进而使功率放大器工作不稳定甚至可能出现烧毁负载的情况。现有的让功率放大器直流输出电位稳定的控制方法，一般是采用电路的负反馈设计而达到目的。然而这种设计会带来瞬态互调失真，也容易使电路产生自激，为避免自激一般需要对信号进行滤波或者相位补偿处理，然而滤波和相位补偿都不能做到完美，也降低了放大电路的性能。其中采用大环负反馈设计的功率放大器，因接入感性负载而由负载产生的反电动势会通过负反馈回路进入功率放大器的输入端，对输出的稳定性和失真性能造成不良影响。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中功率放大器采用负反馈设计带来瞬态互调失真和容易导致电路产生自激以及性能降低等问题，提供一种功率放大器的直流输出电位的控制装置，其通过主动的温度控制来调节偏置电压，达到控制直流输出电位的目的，从而避免了瞬态互调失真和可能因负反馈造成的自激，也提高了放大电路的性能。
为了实现以上目的，本发明提出的一种功率放大器的直流输出电位的控制装置,包括一主动式温控偏置电路，所述主动式温控偏置电路包括直流输出电位偏差检测电路、温控电路以及调压电路；所述直流输出电位偏差检测电路的检测端与功率放大器的输出端连接；所述直流输出电位偏差检测电路的输出端与所述温控电路输入端连接；所述调压电路的输出端与所述功率放大器中产生温漂的器件的输入端连接；所述直流输出电位偏差检测电路检测所述功率放大器的直流输出电位偏差值，所述温控电路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行加热或制冷；所述调压电路根据温控电路的加热或制冷相应调节所述功率放大器中产生温漂的器件的偏置电压。
在本发明的其中一优选方案中，所述直流输出电位偏差检测电路包括低通滤波支路、参考电位支路以及运算放大器支路；所述低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端；所述低通滤波支路的输出端连接所述运算放大器支路的正输入端；所述参考电位支路的输入端接地，其输出端连接所述运算放大器支路的负输入端；所述运算放大器支路的输出端与所述温控电路输入端连接。
在本发明的其中一优选方案中，所述温控电路包括相互连接的反向电压保护支路和温控支路；所述温控支路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行加热或制冷。
在本发明的其中一优选方案中，所述温控电路包括红外线加热支路；所述红外线加热支路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行非接触式加热。
在本发明的其中一优选方案中，所述调压电路包括相互连接的热敏器件支路和调压支路；所述温控支路具体是，根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述热敏器件支路进行加热或制冷；所述调压支路的输出端与所述功率放大器中产生温漂的器件的输入端连接。
在本发明的其中一优选方案中，所述直流输出电位偏差检测电路中，低通滤波支路包括电阻R23与电容C5；参考电位支路包括电阻R19；运算放大器支路包括电阻R20、电容C4、电容C5以及运算放大器OPAMP；
所述低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端，所述低通滤波支路的输出端连接所述运算放大器OPAMP的正输入端；所述电阻R20和电容C4并联成负反馈支路，所述负反馈支路的输入端和输出端分别接于所述运算放大器OPAMP的负输入端和输出端；所述参考电位支路中电阻R19的输入端接地，其输出端连接所述负反馈支路的输入端；所述运算放大器OPAMP的正电源端和负电源端对应接入直流电源两端。
在本发明的其中一优选方案中，所述温控电路中，反向电压保护支路包括电阻R21、电阻R27、齐纳二极管D1以及齐纳二极管D2；温控支路包括电阻R22、电阻R26、NPN三极管Q6以及PNP三级管Q7；
电阻R21的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端；电阻R21的输出端连接NPN三极管Q6的基极以及齐纳二极管D1的阴极；电阻R27的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端；电阻R27的输出端连接PNP三级管Q7的基极以及齐纳二极管D2的阳极；齐纳二极管D1的阳极和齐纳二极管D2的阴极接地；电阻R22的输入端连接NPN三极管Q6的发射极，其输出端接地；电阻R26的输入端连接PNP三级管Q7的发射极，其输出端接地；NPN三极管Q6的集电极和PNP三级管Q7的集电极对应接入电源两端。
在本发明的其中一优选方案中，所述调压电路中，热敏器件支路包括热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、电阻R13、电阻R14、电阻R17以及电阻R18；调压支路包括电流源I、稳压器、电阻R12以及电容C3；所述热敏电阻NTC1与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触；所述热敏电阻NTC2与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触；
所述热敏电阻NTC1与电阻R13串联后与电阻R14并联，并联后两端分别连接电流源I的输出端和稳压器的参考极；所述热敏电阻NTC2与电阻R17串联后与电阻R18并联，并联后两端分别连接稳压器的参考极和稳压器的阳极；电阻R12的输入端连接电流源I的输出端，电阻R12的输出端连接功率放大器中产生温漂的器件的输入端；电容C3的输入端连接电阻R12的输出端，电容C3的输出端连接电源负端及稳压器的阳极，稳压器的阴极连接电流源I的输出端。
在本发明的其中一优选方案中，所述调压电路中，热敏器件支路包括热敏电阻PTC1、热敏电阻PTC2、电阻R13、电阻R14、电阻R17以及电阻R18；调压支路包括电流源I、稳压器、电阻R12以及电容C3；所述热敏电阻PTC2与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触；所述热敏电阻PTC1与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触；
所述热敏电阻PTC1与电阻R13串联后与电阻R14并联，并联后两端分别连接电流源I的输出端和稳压器的参考极；所述热敏电阻PTC2与电阻R17串联后与电阻R18并联，并联后两端分别连接稳压器的参考极和稳压器的阳极；电阻R12的输入端连接电流源I的输出端，电阻R12的输出端连接功率放大器中产生温漂的器件的输入端；电容C3的输入端连接电阻R12的输出端，电容C3的输出端连接电源负端及稳压器的阳极，稳压器的阴极连接电流源I的输出端。
在本发明的其中一优选方案中，所述功率放大器中产生温漂的器件包括二极管、三极管以及场效应管中的任一种。
有益效果：本发明提出的功率放大器的直流输出电位的控制装置基于一主动式温控偏置电路进行实现，该主动式温控偏置电路中，直流输出电位偏差检测电路检测功率放大器的直流输出电位偏差值，温控电路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对调压电路进行加热或制冷；调压电路根据温控电路的加热或制冷相应调节功率放大器中产生温漂的器件的偏置电压；从而，本发明可以通过主动的温度控制来调节偏置电压，达到控制直流输出电位的目的，避免了现有技术中因采用负反馈造成的自激，并且提高了放大电路的性能。
附图说明
图1是实施例提出的功率放大器的直流输出电位的控制装置的电路原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。
典型功率放大器
请参阅图1，典型的无大环负反馈的功率放大器的主电路如图1中“功率放大器主电路”所示，其中，+VCC为正电压，-VCC为负电压，GND为接地即0伏。信号经过端口IN输入，R3是输入电阻。E2是一个电压源，为三极管Q3提供偏置电压。电阻R1、电阻R3、电阻R5、电压源E2、三极管Q3、电阻R8组成第一级电压放大。R4是第二级电压放大的输入电阻，与电阻R2、三极管Q1、三极管Q4、电阻R16组成第二级电压放大。R9是第二级电压放大的负载电阻同时起到电压取样的作用。E1和E3是电压源，为场效应管Q2和场效应管Q5提供偏置电压。电压源E1、电压源E3、场效应管Q2、场效应管Q5、电阻R7、电阻R11构成电流放大输出级，由输出端口OUT输出放大后的信号。其中，该功率放大器中容易产生温漂的器件包括三极管Q1、三极管Q3、三极管Q4、场效应管Q2以及场效应管Q5等，本发明的实施例可以调节这些容易产生温漂的器件的偏置电压。当然，图1中功率放大器的电路结构仅是举例，还可以是其他电路结构，同时在其他功率放大器的电路结构中容易产生温漂的器件可以包括二极管、三极管以及场效应管等半导体器件。
整体实施例——主动式温控偏置电路
本实施例以对图1中功率放大器的三极管Q4的偏置电压进行调节为例进行叙述。
具体地，本实施例提出的一种功率放大器的直流输出电位的控制装置,包括一主动式温控偏置电路，如图1所示，所述主动式温控偏置电路包括直流输出电位偏差检测电路、温控电路以及调压电路；所述直流输出电位偏差检测电路的检测端与功率放大器的输出端OUT连接；所述直流输出电位偏差检测电路的输出端P2与所述温控电路输入端连接；所述温控电路与所述调压电路可以接触也可以不接触；所述调压电路的输出端与所述功率放大器中三极管Q4的输入端即基极连接。
直流输出电位偏差检测电路检测所述功率放大器的直流输出电位偏差值，温控电路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对调压电路进行加热或制冷；调压电路根据温控电路的加热或制冷相应调节所述三极管Q4的偏置电压。
1、直流输出电位偏差检测电路
本实施例中，直流输出电位偏差检测电路主要包括低通滤波支路、参考电位支路以及运算放大器支路；低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端OUT；低通滤波支路的输出端连接所述运算放大器支路的正输入端；参考电位支路的输入端接地，其输出端连接所述运算放大器支路的负输入端；运算放大器支路的输出端与所述温控电路输入端连接。其中，低通滤波支路的作用是滤去功率放大器的输出端OUT的交流部分，即提取直流部分。
具体地，直流输出电位偏差检测电路的电路结构包括但不限于如图1所示，图1中，低通滤波支路包括电阻R23与电容C5；参考电位支路包括电阻R19；运算放大器支路包括电阻R20、电容C4、电容C5以及运算放大器OPAMP。
其中，电阻R23与电容C5组成的低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端OUT，其输出端连接所述运算放大器OPAMP的正输入端；电阻R20和电容C4并联成负反馈支路；电阻R20是负反馈电阻，可用于直流工作点偏差量的放大倍数设定；电容C4是负反馈电容，与低通滤波支路结合进一步减少对交流信号的放大；所述负反馈支路的输入端和输出端分别接于所述运算放大器OPAMP的负输入端和输出端P2；所述参考电位支路中电阻R19的输入端接地，即参考电位为0伏，其输出端连接负反馈支路的输入端；运算放大器OPAMP的正电源端和负电源端对应接入直流电源两端+VCC和-VCC。
2、温控电路
本实施例中，所述温控电路主要包括相互连接的反向电压保护支路和温控支路；所述温控支路与所述调压电路可以接触也可以不接触，即对调压电路进行接触式加热/制冷或非接触式加热/制冷。
若以对调压电路进行非接触式加热为例，该温控电路具体可包括红外线加热支路；该红外线加热支路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对调压电路进行非接触式加热。但是本实施例中主要以接触式加热(即温控电路包括相互连接的反向电压保护支路和温控支路)为例进行描述。
具体地，温控电路的电路结构包括但不限于如图1所示，反向电压保护支路包括电阻R21、电阻R27、齐纳二极管D1以及齐纳二极管D2；温控支路包括电阻R22、电阻R26、NPN三极管Q6以及PNP三级管Q7。
电阻R21的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端P2；电阻R21的输出端连接NPN三极管Q6的基极以及齐纳二极管D1的阴极；电阻R27的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端P2；电阻R27的输出端连接PNP三级管Q7的基极以及齐纳二极管D2的阳极；齐纳二极管D1的阳极和齐纳二极管D2的阴极接地；电阻R22的输入端连接NPN三极管Q6的发射极，其输出端接地；电阻R26的输入端连接PNP三级管Q7的发射极，其输出端接地；NPN三极管Q6的集电极和PNP三级管Q7的集电极对应接入电源两端+VCC和-VCC。
3、调压电路
本实施例中，所述调压电路包括相互连接的热敏器件支路和调压支路；所述热敏器件支路与所述温控支路接触，即温控支路可对热敏器件支路进行加热；所述调压支路的输出端与所述三极管Q4的输入端即基极连接。
具体地，调压电路的电路结构包括但不限于如图1所示，图1中，热敏器件支路包括热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、电阻R13、电阻R14、电阻R17以及电阻R18；调压支路包括电流源I、稳压器、电阻R12以及电容C3；所述热敏电阻NTC1与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触，使热敏电阻NTC1可以被NPN三极管Q6或电阻R22加热；所述热敏电阻NTC2与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触，使热敏电阻NTC2可以被PNP三极管Q7或电阻R26加热。
热敏电阻NTC1与电阻R13串联后与电阻R14并联，并联后两端分别连接电流源I的输出端P1和稳压器的参考极；所述热敏电阻NTC2与电阻R17串联后与电阻R18并联，并联后两端分别连接稳压器的参考极和稳压器的阳极；电阻R12的输入端连接电流源I的输出端，电阻R12的输出端连接功率放大器中产生温漂的器件的输入端；电容C3的输入端连接电阻R12的输出端，电容C3的输出端连接电源负端-VCC及稳压器的阳极，稳压器的阴极连接电流源I的输出端P1。
本实施例中，热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2还可替换成热敏电阻PTC1和热敏电阻PTC2(图未示出)，即可将负温度系数热敏电阻(NTC)替换成正温度系数热敏电阻(PTC)，仅需将原来的接触方案(热敏电阻NTC1与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触，热敏电阻NTC2与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触)进行调转(热敏电阻PTC2与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触；所述热敏电阻PTC1与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触)即可，其他电路可参考热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2的连接方式。
当然，热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2还可以用其他热敏元器件(如二极管，三极管的PN结等)代替，但在本实施例主要以热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2进行介绍。此外，稳压器可采用TL431，也可采用LM317等串联式稳压器，但在本实施例主要以稳压器TL431为例进行介绍。
整体工作原理
请继续参阅图1，当图1中功率放大器的输出端OUT的直流输出电位高于参考电位(即高于参考电位支路中电阻R19的输入端GND的电位即0伏)时，运算放大器支路的运算放大器OPAMP输出端P2为高电位，电流通过电阻R21进入NPN三极管Q6的基极，NPN三极管Q6导通，NPN三极管Q6和电阻R22发热。此时若热敏电阻NTC1与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触(紧密贴合)，则热敏电阻NTC1被加热而阻值减少，稳压器TL431的输出电压将升高，导致三极管Q4的偏置电压提高，进而三极管Q4电流增加，拉低电阻R9的电位，并使功率放大器的输出端OUT的直流电位回落，直至与参考电位相等。
当图1中功率放大器的输出端OUT的直流输出电位低于参考电位(即低于参考电位支路中电阻R19的输入端GND的电位即0伏)时，运算放大器支路的运算放大器OPAMP输出端P2为低电位，电流通过电阻R27进入PNP三极管Q7的基极，PNP三极管Q7导通，PNP三极管Q7和电阻R26发热。此时若热敏电阻NTC2与温控支路中PNP三极管Q7或电阻R26接触(紧密贴合)，则热敏电阻NTC2被加热而阻值减少，稳压器TL431的输出电压将降低，导致三极管Q4的偏置电压降低，进而三极管Q4电流减少，拉高电阻R9的电位，并使功率放大器的输出端OUT的直流电位上升，直至与参考电位相等。
根据同样的工作原理，本实施例同样可在三极管Q1或者三极管Q3等器件的基极使用主动式温控偏置电路，达到相同的效果。此外，本实施例虽然主要以温控电路对调压电路进行加热的方式为例进行介绍，但是采用温控电路对调压电路进行制冷的方式同样可以达到相同的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种功率放大器的直流输出电位的控制装置,其特征在于，包括一主动式温控偏置电路，所述主动式温控偏置电路包括直流输出电位偏差检测电路、温控电路以及调压电路；所述直流输出电位偏差检测电路的检测端与功率放大器的输出端连接；所述直流输出电位偏差检测电路的输出端与所述温控电路输入端连接；所述调压电路的输出端与所述功率放大器中产生温漂的器件的输入端连接；所述直流输出电位偏差检测电路检测所述功率放大器的直流输出电位偏差值，所述温控电路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行加热或制冷；所述调压电路根据温控电路的加热或制冷相应调节所述功率放大器中产生温漂的器件的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述直流输出电位偏差检测电路包括低通滤波支路、参考电位支路以及运算放大器支路；所述低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端；所述低通滤波支路的输出端连接所述运算放大器支路的正输入端；所述参考电位支路的输入端接地，其输出端连接所述运算放大器支路的负输入端；所述运算放大器支路的输出端与所述温控电路输入端连接。
3.根据权利要求2所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述温控电路包括相互连接的反向电压保护支路和温控支路；所述温控支路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行加热或制冷。
4.根据权利要求2所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述温控电路包括红外线加热支路；所述红外线加热支路根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述调压电路进行非接触式加热。
5.根据权利要求3所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述调压电路包括相互连接的热敏器件支路和调压支路；所述温控支路具体是，根据检测出的直流输出电位偏差值相应对所述热敏器件支路进行加热或制冷；所述调压支路的输出端与所述功率放大器中产生温漂的器件的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述直流输出电位偏差检测电路中，低通滤波支路包括电阻R23与电容C5；参考电位支路包括电阻R19；运算放大器支路包括电阻R20、电容C4、电容C5以及运算放大器OPAMP；
所述低通滤波支路的输入端连接所述功率放大器的输出端，所述低通滤波支路的输出端连接所述运算放大器OPAMP的正输入端；所述电阻R20和电容C4并联成负反馈支路，所述负反馈支路的输入端和输出端分别接于所述运算放大器OPAMP的负输入端和输出端；所述参考电位支路中电阻R19的输入端接地，其输出端连接所述负反馈支路的输入端；所述运算放大器OPAMP的正电源端和负电源端对应接入直流电源两端。
7.根据权利要求6所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述温控电路中，反向电压保护支路包括电阻R21、电阻R27、齐纳二极管D1以及齐纳二极管D2；温控支路包括电阻R22、电阻R26、NPN三极管Q6以及PNP三级管Q7；
电阻R21的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端；电阻R21的输出端连接NPN三极管Q6的基极以及齐纳二极管D1的阴极；电阻R27的输入端连接直流输出电位偏差检测电路中运算放大器支路的输出端；电阻R27的输出端连接PNP三级管Q7的基极以及齐纳二极管D2的阳极；齐纳二极管D1的阳极和齐纳二极管D2的阴极接地；电阻R22的输入端连接NPN三极管Q6的发射极，其输出端接地；电阻R26的输入端连接PNP三级管Q7的发射极，其输出端接地；NPN三极管Q6的集电极和PNP三级管Q7的集电极对应接入电源两端。
8.根据权利要求7所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述调压电路中，热敏器件支路包括热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、电阻R13、电阻R14、电阻R17以及电阻R18；调压支路包括电流源I、稳压器、电阻R12以及电容C3；所述热敏电阻NTC1与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触；所述热敏电阻NTC2与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触；
所述热敏电阻NTC1与电阻R13串联后与电阻R14并联，并联后两端分别连接电流源I的输出端和稳压器的参考极；所述热敏电阻NTC2与电阻R17串联后与电阻R18并联，并联后两端分别连接稳压器的参考极和稳压器的阳极；电阻R12的输入端连接电流源I的输出端，电阻R12的输出端连接功率放大器中产生温漂的器件的输入端；电容C3的输入端连接电阻R12的输出端，电容C3的输出端连接电源负端及稳压器的阳极，稳压器的阴极连接电流源I的输出端。
9.根据权利要求7所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述调压电路中，热敏器件支路包括热敏电阻PTC1、热敏电阻PTC2、电阻R13、电阻R14、电阻R17以及电阻R18；调压支路包括电流源I、稳压器、电阻R12以及电容C3；所述热敏电阻PTC2与温控支路中NPN三极管Q6或电阻R22接触；所述热敏电阻PTC1与温控支路中PNP三级管Q7或电阻R26接触；
所述热敏电阻PTC1与电阻R13串联后与电阻R14并联，并联后两端分别连接电流源I的输出端和稳压器的参考极；所述热敏电阻PTC2与电阻R17串联后与电阻R18并联，并联后两端分别连接稳压器的参考极和稳压器的阳极；电阻R12的输入端连接电流源I的输出端，电阻R12的输出端连接功率放大器中产生温漂的器件的输入端；电容C3的输入端连接电阻R12的输出端，电容C3的输出端连接电源负端及稳压器的阳极，稳压器的阴极连接电流源I的输出端。
10.根据权利要求1至9任一项所述的功率放大器的直流输出电位的控制装置，其特征在于，所述功率放大器中产生温漂的器件包括二极管、三极管以及场效应管中的任一种。
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