CN106559050A - 一种自适应负载的差分放大电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自适应负载的差分放大电路，包括放大单元和反馈单元。所述放大单元采用差分结构，用于将一对差分输入信号放大并输出一对差分输出信号。所述反馈单元包括至少两个二极管和至少一个反馈晶体管；所述两个二极管级联；二极管级联支路的第一端为一个二极管的阳极，连接反馈晶体管的栅极；二极管级联支路的第二端为另一个二极管的阴极，接地；所述反馈晶体管的栅极还分别通过两个电阻连接所述放大单元的一对差分输出端或中间节点，所述反馈晶体管的漏极和源极分别连接所述放大单元的一对差分输入端。本申请可以提高AM‑AM的平坦性，延缓相位失真，并且改善线性度。

Description

一种自适应负载的差分放大电路

技术领域

本申请涉及一种射频信号放大电路，可作为线性功率放大器中的某一级放大单元。

背景技术

射频功率放大器(RF power amplifier)是一种电子放大器，用来将较低功率的射频信号转换为较高功率。射频功率放大器的典型应用是用来驱动发射机(transmitter)中的天线，即将已调制射频信号放大到所需功率值后送天线发射。射频功率放大器的设计指标通常包括增益(gain)、输出功率、带宽、效率(efficiency)、线性度(linearity)、输入及输出阻抗匹配(impedance matching)、发热量等。

射频功率放大器的效率是指其将电源的直流功率转换为射频信号输出功率的能力。未转换为射频信号输出功率的电源功率就变为热量散发出来，因此低效率的射频功率放大器就具有较高的发热量。

射频功率放大器的线性度是指其输出功率与输入功率之间的线性关系。理想情况下，射频功率放大器仅提高输入信号的功率而不改变信号的内容，这要求射频功率放大器在其工作频段内保持相同增益。然而大多数功率放大元件的增益都随着频率升高而降低，因此无法达到理想的线性度。采用复杂调制方式的射频信号对于射频功率放大器的线性度要求更高。

现代的射频功率放大器可以采用砷化镓(GaAs)HBT(heterojunction bipolartransistor，异质结双极晶体管)、LDMOS(laterally diffused metal oxidesemiconductor，横向扩散金属氧化物半导体)、CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor，互补式金属氧化物半导体)等作为功率放大元件。其中采用CMOS器件实现的射频功率放大器具有兼容性好、集成度高、成本低的优点，也存在线性度低、耐压值低的缺点。因此如何采用CMOS器件来实现高功率、高效率与高线性度的射频功率放大器就成为一个值得研发的课题，研发难点主要在于MOS管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种非线性器件。采用MOS管来实现射频功率放大器，在大功率时容易出现相位失真以及线性度变差。

请参阅图1，这是单MOS管功率放大器的增益-输出功率曲线示意图。当单MOS管功率放大器工作在A类模式时，静态偏置电流大，随输出功率增大增益先大致保持稳定而后减小，如曲线A所示。曲线A的前段增益大致稳定，称为小信号增益(small-signal gain)。曲线A的后段增益随输出功率增大而减小，即发生了增益压缩(gain compression)。当单MOS管功率放大器工作在AB类模式时，静态偏置电流小，其增益与输出功率的关系可能如曲线A，也可以如曲线B。曲线B是随输出功率增大增益先大致保持稳定而后增大再后减小。曲线B的前段增益大致稳定，称为小信号增益。曲线B的中段增益随输出功率增大而增大，即发生了增益扩展(gain expansion)，这就是AM-AM(调幅-调幅)幅度失真以及线性度变差的表现。曲线B的后段增益随输出功率增大而减小，即发生了增益压缩。

申请公布号为CN101895265A、申请公布日为2010年11月24日的中国发明专利申请《一种全差分CMOS多模低噪声放大器》中，公开了一种低噪声放大器，包含反馈级。所述反馈级主要由MOS管、隔直电容、反馈电阻、反馈电感串联组成。然而，该方案中的反馈级主要用于保证增益的稳定性及带宽，并未记载如何动态调整AM-AM和AM-PM(调幅-调相)的内容。

申请公布号为CN103762951A、申请公布日为2014年4月30日的中国发明专利申请《功率放大器》中，公开了一种功率放大器采用多级结构，并具有两个反馈单元。主反馈单元以第三级放大器的输出对第一级放大器的输入构成负反馈，辅助反馈单元以第三级放大器的输出对第二级放大器的输入构成负反馈，由此可以提升功率放大器的线性度。然而，该方案涉及多个放大单元之间的反馈调节，并且将频率补偿和减小幅度失真分开调节，增加了电路的复杂度。

申请公布号为CN105305981A、申请公布日为2016年2月3日的中国发明专利申请《一种线性化宽带低噪声放大器》中，公开了一种低噪声放大器，其中具有有源反馈级。所述有源反馈级由一对互补结构的MOS管和电容所组成，并采用交叉反馈结构，由此可以提升低噪声放大器的线性度。然而，该方案主要用于提高放大器的带宽特性，并不涉及大功率情况下动态整AM-AM和AM-PM的内容。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种采用CMOS工艺实现的差分放大电路，具有自适应的负载，可用于线性功率放大器，以减少功率放大器的幅度失真和相位失真，提高功率放大器的线性度。

为解决上述技术问题，本申请提供的自适应负载的差分放大电路包括放大单元和反馈单元。

所述放大单元采用差分结构，用于将一对差分输入信号放大并输出一对差分输出信号。

所述反馈单元包括至少两个二极管和至少一个反馈晶体管；所述两个二极管级联；二极管级联支路的第一端为一个二极管的阳极，连接反馈晶体管的栅极；二极管级联支路的第二端为另一个二极管的阴极，接地；所述反馈晶体管的栅极还分别通过两个电阻连接所述放大单元的一对差分输出端或中间节点，所述反馈晶体管的漏极和源极分别连接所述放大单元的一对差分输入端。

由于增加了反馈晶体管来调节放大单元的输入端的输入电阻、输入电容，并且该反馈晶体管的偏置电压为放大单元的输出信号或中间信号，本申请可以自适应地调节反馈晶体管的偏置电压，从而自适应地调节反馈晶体管的输出电阻和电容(即输出阻抗)，从而自适应地调节放大单元的输入端的输入电阻、输入电容，改善了整个放大电路的AM-AM幅度特性的平坦性，延缓了输出信号的AM-PM相位失真，并且提高了1dB压缩点对应的输出功率值，改善了整个放大电路的线性度。

附图说明

图1是单MOS管功率放大器的增益与输出功率的曲线示意图。

图2是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例一的结构示意图。

图3a至图3c分别是实施例一的整个电路增益、晶体管四M4的栅极平均电压、整个电路输出相位与输出功率的曲线示意图。

图4是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例二的结构示意图。

图5是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例三的结构示意图。

图6是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例四的结构示意图。

图7是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例五的结构示意图。

图中附图标记说明：in1、in2为放大单元的一对差分输入端；out1、out2为放大单元的一对差分输出端；a1、a2为放大单元的一对中间节点；M为晶体管；R为电阻；C为电容；S为开关。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例一，包括放大单元和反馈单元。

所述放大单元采用差分结构的一对晶体管M1p和M1n作为功率放大元件，分别将一对差分输入信号放大并输出一对差分输出信号。所述一对晶体管M1p和M1n的栅极作为一对差分输入端in1和in2，所述一对晶体管M1p和M1n的源极均接地，所述一对晶体管M1p和M1n的漏极作为一对差分输出端out1和out2。所述一对晶体管M1p和M1n例如采用MOS管。

所述反馈单元包括晶体管二M2、晶体管三M3和晶体管四M4。晶体管二M2的漏极和栅极短接，还连接晶体管四M4的栅极。晶体管二M2的源极连接晶体管三M3的漏极和栅极。晶体管二M2相当于是一个二极管，晶体管二M2短接的漏极和栅极相当于是二极管的阳极，晶体管二M2的源极相当于是二极管的阴极。晶体管三M3的漏极和栅极短接，源极接地。晶体管三M3相当于是另一个二极管，晶体管三M3短接的漏极和栅极相当于是二极管的阳极，晶体管二M2的源极相当于是二极管的阴极。晶体管四M4的栅极还分别通过电阻一R1、电阻二R2连接放大单元的一对差分输出端out1、out2，采集放大单元的一对差分输出信号。晶体管四M4的漏极和源极分别连接放大单元的一对差分输入端in1和in2，或者连接方式相反。所述各个晶体管例如采用MOS管。

可选地，晶体管二M2、晶体管三M3也可改为PN结二极管。

本申请提供的自适应负载的差分放大电路可用于射频功率放大器。射频功率放大器通常包括驱动级放大电路、功率级放大电路等不同的放大电路，任意一个放大电路就相当于放大单元，再增加反馈单元就构成了本申请提供的自适应负载的差分放大电路。

图2所示的实施例一的工作原理如下，共分为两个阶段。

第一阶段：当放大单元开始工作后，由于输入功率较小，一对差分输出信号的电压摆幅也不大。反馈单元采集这一对差分输出信号，晶体管二M2和晶体管三M3相当于级联的两个二极管，一直处于导通状态，晶体管四M4处于一个相对稳定的偏置状态。放大单元的一对差分输入端in1和in2原本就有输入电阻，晶体管四M4的漏源电阻(Rds，drain-sourceresistance)分别与放大单元的原有输入电阻并联，从而降低了放大单元的输入电阻。此时整个放大电路的增益与输出功率之间的关系如图3a中的A区所示，呈现出比较平坦的AM-AM特性。

同样在第一阶段中，放大单元的一对差分输入端in1和in2原本就有输入电容，由于晶体管四M4处于一个相对稳定的偏置状态，晶体管四M4的漏源电阻以及栅电容分别与放大单元的原有输入电容并联，降低了放大单元的原有输入电容的非线性带来的影响。此时整个放大电路的输出相位与输出功率之间的关系如图3c中的A区所示，呈现出比较平坦的AM-PM特性。

第二阶段：随着放大单元的输入功率的增大，由于晶体管二M2、晶体管三M3的箝位作用，导致晶体管四M4的栅极平均电压下降，如图3b所示。这使得晶体管四M4的漏源电阻增大，从而增大了放大单元的输入电阻，实现了增益扩展，提高了1dB压缩点对应的输出功率值，如图3a中的B区所示。

同样在第二阶段中，由于晶体管四M4的栅极平均电压随着输出功率增加而减小，导致晶体管四M4的非线性栅电容逐渐降低，因此其并入放大单元的输入电容也逐渐降低，从而导致整个放大电路的相位特性出现一定程度的上升，延缓了相位失真，如图3c中的B区所示。

放大单元的一对差分输入端in1和in2原本就有输入电阻和输入电容，本申请提供的反馈单元中反馈晶体管的漏源电阻与放大单元的原有输入电阻并联，反馈晶体管的栅电容与放大单元的原有输入电容并联，从而改变了放大单元的输入电阻和输入电容。并且反馈晶体管的漏源电阻与栅电容跟随输出功率而自适应改变，这相当于自适应地改变了放大单元的输入电阻与输入电容。由于放大单元的输入电阻与输入电容通常来自于前一级放大单元的负载，因此称为“自适应负载”的差分放大电路。

请参阅图3a，这是图2所示的实施例一的整个放大电路增益与输出功率的曲线图，反映的是AM-AM幅度失真情况。其中的虚线表示省略反馈单元的情况，类似于图1中的曲线B。实线表示具有反馈单元的情况，显然增加了反馈单元以后，在原本的增益扩展区间减小了增益，如A区所示；在原本的增益压缩区间提高了增益，从而使得增益压缩区间延迟出现，如B区所示。因此增加的反馈单元显著地提升了整个放大电路的线性度，获得了更平坦的AM-AM特性，降低了幅度失真。

请参阅图3b，这是图2所示的实施例一中晶体管四M4的栅极平均电压与输出功率的曲线图。在整个放大电路的输出功率较小时，晶体管四M4的栅极平均电压随着输出功率增加基本保持不变，略有下降。这是由于放大单元的输入功率较小，因此其输出功率的电压摆幅也较小，晶体管二M2和晶体管三M3所提供的箝位效果不明显。随着整个放大电路的输入功率不断增大，其输出功率的电压摆幅也随之增大，晶体管二M2和晶体管三M3的箝位作用变得明显，使得晶体管四M4的栅极平均电压随着输出功率增加而显著下降。

请参阅图3c，这是图2所示的实施例一中整个放大电路输出相位与输出功率的曲线图，反映的是AM-PM相位失真情况。其中的虚线表示省略反馈单元的情况，实线表示具有反馈单元的情况。当省略反馈单元时，由于放大单元中晶体管M1p和M1n的非线性栅电容，其输出相位随着输出功率的增大而下降。当具有反馈单元时，获得了更平坦的AM-PM特性，延缓了相位失真的时间。

请参阅图4，这是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例二。与实施例一相比，实施例二仅在反馈单元中增加了电阻三R3和电容一C1。电阻三R3位于晶体管二M2的漏极和栅极以及晶体管四M4的栅极之间。电容一C1将晶体管四M4的栅极接地。新增加的电阻三R3和电容一C1构成了一个滤波电路，用来获取晶体管四M4的栅极平均电压。

请参阅图5，这是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例三。与实施例一相比，实施例三仅将放大单元改为了差分形式的共源共栅结构。该放大单元包括采用共源极接法的第一对晶体管M1p和M1n以及采用共栅极接法的第二对晶体管M2p和M2n。第一对晶体管M1p和M1n的栅极分别作为放大单元的一对差分输入端in1和in2，源极均接地，漏极分别称为节点一a1和节点二a2。第二对晶体管M2p和M2n的栅极接偏置电压，源极分别接节点一a1和节点二a2，漏极分别作为放大单元的一对差分输出端out1和out2。反馈单元采集的是节点一a1和节点二a2(即放大单元的中间节点)的一对差分电压信号。

作为对上述实施例三的一种变形，放大单元还可改为差分形式的多级共源共栅电路，即在采用共栅极接法的第二对晶体管之后继续级联采用共栅极接法的晶体管对。反馈单元可以采集放大单元的一对差分输出端或任意中间节点的一对差分信号。

请参阅图6，这是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例四。与实施例一相比，实施例四在反馈单元中为晶体管四M4并联了一个或多个晶体管M5……Mn，并在每条并联支路上增加了开关S4……Sn。通过各个开关的闭合或断开可以控制该位置的反馈晶体管的尺寸，从而改变输出阻抗的大小。

请参阅图7，这是本申请提供的自适应负载的差分放大电路的实施例五。与实施例一相比，实施例四在反馈单元中为晶体管三M3继续级联一个或多个晶体管M4……Mn，新增加的晶体管也将漏极和栅极短接从而作为二极管使用。通过这些级联的二极管，可以调整提供给晶体管四M4的偏置电压。

以上各个实施例的附加技术特征可以任何组合叠加，从而构成更多的实现形式。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应负载的差分放大电路，其特征是，包括放大单元和反馈单元；

所述放大单元采用差分结构，用于将一对差分输入信号放大并输出一对差分输出信号；

所述反馈单元包括至少两个二极管和至少一个反馈晶体管；所述两个二极管级联；二极管级联支路的第一端为一个二极管的阳极，连接反馈晶体管的栅极；二极管级联支路的第二端为另一个二极管的阴极，接地；所述反馈晶体管的栅极还分别通过两个电阻连接所述放大单元的一对差分输出端或中间节点，所述反馈晶体管的漏极和源极分别连接所述放大单元的一对差分输入端。

2.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述放大单元采用一对晶体管；这一对晶体管的栅极作为放大单元的一对差分输入端，源极均接地，漏极作为放大单元的一对差分输出端。

3.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述放大单元采用两对晶体管；第一对晶体管采用共源极接法，栅极作为放大单元的一对差分输入端，源极均接地，漏极分别称为节点一和节点二；第二对晶体管采用共栅极接法，栅极接偏置电压，源极分别接节点一和节点二，漏极作为放大单元的一对差分输出端；

所述反馈单元采集放大单元的一对差分输出端的信号，或者采集放大单元的节点一和节点二的一对差分信号。

4.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述放大单元采用三对以上的晶体管；第一对晶体管采用共源极接法，栅极作为放大单元的一对差分输入端，源极均接地，漏极分别连接第二对晶体管的源极；其余晶体管均采用共栅极接法；

所述反馈单元采集放大单元的一对差分输出端的信号，或者采集放大单元的中间节点的一对差分信号。

5.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述放大单元为射频功率放大器中的任意一级放大电路。

6.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述二极管采用晶体管实现，即将晶体管的漏极和栅极短接作为二极管的阳极，晶体管的源极作为二极管的阴极；或者，所述二极管采用PN结二极管。

7.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，反馈晶体管的漏源电阻分别与放大单元的一对差分输入端的原有输入电阻相并联，形成放大单元的一对差分输入端的新的输入电阻；

反馈晶体管的栅电容分别与放大单元的一对差分输入端的原有输入电容相并联，形成放大单元的一对差分输入端的新的输入电容。

8.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述反馈单元还包括电阻三和电容一；电阻三位于二极管级联支路的第一端和反馈晶体管的栅极之间；电容一将反馈晶体管的栅极接地；电阻三和电容一构成了一个滤波电路，用来获取反馈晶体管的栅极平均电压。

9.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述反馈单元中的反馈晶体管改为多个晶体管并联，并且每个并联支路上均设有开关；通过各个开关的闭合或断开调节反馈晶体管的尺寸，从而改变反馈晶体管的输出阻抗。

10.根据权利要求1所述的自适应负载的差分放大电路，其特征是，所述反馈单元中的二极管级联支路改为多个二极管级联；通过级联的二极管数量来调节提供给反馈晶体管的偏置电压。