CN107171647B - 具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管Q2和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻。通过具体的电路连接结构，使得偏置电容的电位能够在输入功率增大且不超过临界值时，保持不变，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而增大，当输入功率进一步增大且超过临界值时，偏置电容的电位下降，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而降低，最终趋于稳定。另外，通过第一电阻能够补偿功率管的温度，提高热温度性。本发明还公开一种包含上述电路的无线发射系统，有益效果如上所述。

Description

具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别是涉及一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统。
背景技术
功率放大器在无线通信系统中扮演重要的角色，不仅因为它决定着系统的性能表现，更是因为它是耗能最大的元件，产生大量的噪声和热。设计高效率的功率放大器旨在提高电池容量受限的无线终端设备的续航能力。高效率的功率放大器要求功率管的开启电压低，击穿电压高且工作在接近饱和状态。传统功率放大器的偏置点和负载线是按照1dB压缩点(P1dB)最优来设计的，使得功率放大器在最大输出功率时效率最优。但实际工作中，功率放大器最常处在的工作状态并不是最大功率点附近，为了在效率和线性度中折中，一个重要的方法就是让偏置点随输入功率的大小而变化。
为了实现效率和线性度的均衡配置，现有技术中，通过如下两种偏置电路实现。
图1为现有技术中提供的一种偏置电路。如图1所示，图1采用的偏置电路由偏置电容CB、三极管Q20、Q30、和Q40构成。当输入信号RFIN变大，由于偏置电容CB的作用，偏置电路的阻抗变低，输入信号RFIN耦合到偏置电路中的平均电流增大，即IB,Q1增大，Q20的发射极电压VBE,Q20下降，使得Q1的VBE,Q1的电压提高，从而在输入信号增大时补偿Q1的VBE,Q1。很显然，上述方法中，偏置电路能够提高功率放大器的线性度，然而，在Q20导通时，Q20的集电极的电流IC,Q20直接提供给Q1的基极，为保持VP稳定在直流电位，在输入信号增大时，Q20的集电极的电流IC,Q20也会急剧增大，会造成功率管Q1有非常大的电流消耗，导致功率放大器的效率降低。另外，图1所示的偏置电路，功率管Q1具有温度越高就越小的负温度系数，在电路抽取大量的负载电流时，其集电极损耗引起的发热，使得功率管Q1的温度上升，造成功率管Q1过热的问题。
由此可见，如何达到功率放大器在效率和线性度两个方面的平衡以及抑制功率管温度的上升是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统，用于达到功率放大器在效率和线性度两个方面的平衡以及抑制功率管温度的上升。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻；
所述第一NPN型三极管的集电极与基极连接，发射极和所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与功率放大器的功率管的控制端连接；
所述第二NPN型三极管的集电极与基极连接，发射极和所述晶体管的第一端连接，所述晶体管的第二端接地；
所述偏置电容的第一端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第二NPN型三极管的基极以及供电电源连接，第二端接地。
优选地，还包括第二电容，所述第二电容与所述第一电阻并联。
优选地，还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二NPN型三极管的集电极连接，所述第二电阻的第二端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第一NPN型三极管的集电极以及所述偏置电容的第一端连接。
优选地，还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述供电电源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第二NPN型三极管的基极以及所述偏置电容的第一端连接。
优选地，所述晶体管为NPN型三极管，集电极与基极连接作为所述晶体管的第一端，发射极作为所述晶体管的第二端。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种无线发射系统，包括功率放大器，还包所述的低损耗自适应偏置电路，与所述功率放大器中用于接收射频输入信号的功率管连接。
优选地，所述功率管为异质结双极晶体管且为NPN型。
本发明所提供的自适应偏置电路，包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管Q2和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻。通过具体的电路连接结构，使得偏置电容的电位能够在输入功率增大且不超过临界值时，保持不变，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而增大，当输入功率进一步增大且超过临界值时，偏置电容的电位下降，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而降低，最终趋于稳定。另外，通过第一电阻能够抑制基极和发射极的电压随温升高而下降的趋势，提高功率管的热温度性。由此可见，本发明提供的自适应偏置电路能够在高输入功率时防止功率管的集电极的电流剧烈增加，有效调整消耗的电流和输出功率，提升效率且能够对功率管的温度起到抑制作用。此外，本电路所用器件成本较低，易于实现。
本发明还提供一种包含上述自适应偏置电路的无线发射系统，有益效果如上所述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的一种偏置电路；
图2为本发明实施例提供的一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路图；
图3为本发明实施例提供的另一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路图；
图4为本发明实施例提供的一种无线发射系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统，用于达到功率放大器在效率和线性度两个方面的平衡以及抑制功率管温度的上升。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图2为本发明实施例提供的一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路图。如图2所示，该偏置电路包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管Q2和第二NPN型三极管Q3、晶体管Q4、偏置电容CB和第一电阻R1；
第一NPN型三极管Q2的集电极与基极连接，发射极和第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1的第二端与功率放大器的功率管Q1的控制端连接；
第二NPN型三极管Q3的集电极与基极连接，发射极和晶体管Q4的第一端连接，晶体管Q4的第二端接地；
偏置电容CB的第一端分别与第一NPN型三极管Q2的基极、第二NPN型三极管Q3的基极以及供电电源连接，第二端接地。
第二NPN型三极管Q3和晶体管Q4的连接方式的作用是为了暂时保持偏置电容CB第一端的电位，即图中VP点电位不变。在具体实施中，晶体管Q4可以为二极管，但是作为优选地实施方式，在本发明中，晶体管Q4为NPN型三极管，集电极与基极连接作为晶体管Q4的第一端，发射极作为晶体管Q4的第二端。
在具体实施中，需要根据偏置电路和功率放大器的具体参数为偏置电容CB选取一个合适的容值。当输入功率变大时，由于偏置电容CB的作用，偏置电路阻抗降低，输入信号耦合到偏置电路中的信号成分增大。偏置电路降低的原因是：对射频信号来说，电容是通路的，故从功率管Q1的基极看向偏置电路的阻抗降低。偏置电容CB是射频信号泄露到第一NPN型三极管Q2的基极的通路。偏置电路中虽然引入了耦合射频信号的通路，但功率管Q1的阻抗还是远小于偏置电路的阻抗，大部分的射频信号依然将流经功率管Q1放大。
功率管Q1的基极和发射极的电压值具有温度越高就越小的负温度系数，在电路抽取大量的负载电流时，由集电极损耗引起的发热，功率管Q1的温度上升，使得基极和发射极的电压值就变小。本实施例中，第一电阻R1置于功率管Q1的基极的直流通路上，该电阻作为功率放大器自适应线性化电流的一部分。通过第一电阻R1来补偿基极和发射极的电压随温升高而下降的损失，提高功率管Q1的热温度性。且由于基极电流较小，第一电阻R1不会引起显著的直流功耗。
作为优选地实施方式，还包括第三电阻RB，第三电阻RB的第一端与供电电源连接，第三电阻RB的第二端分别与第一NPN型三极管Q2的基极、第二NPN型三极管Q3的基极以及偏置电容CB的第一端连接。第一NPN型三极管Q2和第二NPN型三极管Q3组成一个有源电流镜，并由第一NPN型三极管Q2提供功率管Q1的基极电流IB,Q1。对于给定的供电电压VBB，功率管Q1的集电极电流IC,Q1直接关系到功率放大器的输出功率，功率管Q1的集电极电流由其基极-发射极电压VBE,Q1决定：
IC,Q1＝IS,Q1·exp(VBE,Q1/VT)  (1)
同时，VBE,Q1表达式为：
VBE,Q1＝VBB-IBIAS*RB-VBE,Q2＝VP-VBE,Q2  (2)
其中，IS,Q1为发射极饱和电流，VT为开启电压。
线性度和效率的平衡具体过程为：
1)当输入功率变大，但没有达到临界值时，即由于偏置电容CB的作用，偏置电路的阻抗变低，泄露到偏置电路中的射频功率增加，经过第一NPN型三极管Q2的整流后的直流电流增大，也就是输入信号耦合到偏置电路中的平均电流增大，即IB,Q1增大。在此周期内，VP电位通过第一NPN型三极管Q2、第一NPN型三极管Q2和偏置电容CB被暂时保持不变，VBE,Q2下降，因此VBE,Q1上升，导致功率管Q1的IC,Q1增加，从而实现更高的输出功率。该过程满足对功率放大器在线性度方面的要求。
此外，虽然功率放大器的线性度较好，但是当输入功率进一步变大时，则功率放大器的电流消耗也就会变的更大，导致功率放大器的效率降低。因此，需要针对这种情况，遏制功率放大器的电流消耗。
2)当输入功率进一步变大，且超过临界值时，VP电位会下降，VBE,Q1下降(参见公式2)，导致IC,Q1下降。最后，IC,Q1会被限制在一个确定的电位。从而避免大信号输入下IC,Q1剧烈增加。该过程满足对功率放大器在效率方面的要求。
本实施例提供的自适应偏置电路，包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管Q2和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻。通过具体的电路连接结构，使得偏置电容的电位能够在输入功率增大且不超过临界值时，保持不变，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而增大，当输入功率进一步增大且超过临界值时，偏置电容的电位下降，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而降低，最终趋于稳定。另外，通过第一电阻能够抑制基极和发射极的电压随温升高而下降的趋势，提高功率管的热温度性。由此可见，本发明提供的自适应偏置电路能够在高输入功率时防止功率管的集电极的电流剧烈增加，有效调整消耗的电流和输出功率，提升效率且能够对功率管的温度起到抑制作用。此外，本电路所用器件成本较低，易于实现。
图3为本发明实施例提供的另一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路图。如图3所示，作为优选地实施方式还包括：第二电阻R2，第二电阻R2的第一端与第二NPN型三极管Q3的集电极连接，第二电阻的第二端分别与第一NPN型三极管Q2的基极、第一NPN型三极管Q2的集电极以及偏置电容CB的第一端连接。
如图3所示，作为优选地实施方式，还包括第二电容C2，第二电容C2与第一电阻R1并联。
在第一电阻R1两端并联适当的旁路电容，即第二电容C2，能够降低第一电阻R1对功率增益的影响，以较小的直流功耗和射频损耗而有效地防止热崩溃。
在上述实施例中，对于具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路的实施例进行了详细的描述，本发明还提供一种包含该电路的无线发射系统。
图4为本发明实施例提供的一种无线发射系统的结构图。如图4所示，无线发射系统，包括功率放大器10，还包括上述实施例所述的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路11，与功率放大器10中用于接收射频输入信号的功率管连接。
在具体实施中，无线发射系统除了包含功率放大器外，还包含其它器件，多种器件配合完成无线发射功能，具体结构本实施例不再赘述。另外，由于自适应偏置电路11的实施例在上述中已经做了详细描述，因此，这里暂不赘述。
本实施例提供的无线发射系统，包括自适应偏置电路，该电路包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻。通过具体的电路连接结构，使得偏置电容的电位能够在输入功率增大且不超过临界值时，保持不变，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而增大，当输入功率进一步增大且超过临界值时，偏置电容的电位下降，从而使得功率管的集电极的电流随输入功率的增大而降低，最终趋于稳定。另外，通过第一电阻能够抑制基极和发射极的电压随温升高而下降的趋势，提高功率管的热温度性。由此可见，本发明提供的自适应偏置电路能够在高输入功率时防止功率管的集电极的电流剧烈增加，有效调整消耗的电流和输出功率，提升效率且能够对功率管的温度起到抑制作用。此外，本电路所用器件成本较低，易于实现。
作为一种优选地实施方式，功率管为异质结双极晶体管且为NPN型。
异质结双极晶体管具有大增益、高效率、好的线性度、高功率密度、低漏电和可单一电源供电的特点，很适合作功率放大器的设计。
以上对本发明所提供的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路及无线发射系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，其特征在于，包括具有电流镜结构的第一NPN型三极管和第二NPN型三极管、晶体管、偏置电容和第一电阻；
所述第一NPN型三极管的集电极与基极连接，发射极和所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与功率放大器的功率管的控制端连接；
所述第二NPN型三极管的集电极与基极连接，发射极和所述晶体管的第一端连接，所述晶体管的第二端接地；
所述偏置电容的第一端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第二NPN型三极管的基极以及供电电源连接，第二端接地；其中，所述偏置电容的容值根据偏置电路和功率放大器的具体参数确定。
2.根据权利要求1所述的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，其特征在于，还包括第二电容，所述第二电容与所述第一电阻并联。
3.根据权利要求2所述的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，其特征在于，还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二NPN型三极管的集电极连接，所述第二电阻的第二端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第一NPN型三极管的集电极以及所述偏置电容的第一端连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，其特征在于，还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述供电电源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一NPN型三极管的基极、所述第二NPN型三极管的基极以及所述偏置电容的第一端连接。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的具有低损耗和温度补偿的自适应偏置电路，其特征在于，所述晶体管为NPN型三极管，集电极与基极连接作为所述晶体管的第一端，发射极作为所述晶体管的第二端。
6.一种无线发射系统，包括功率放大器，其特征在于，还包括权利要求1-5任意一项所述的低损耗自适应偏置电路，与所述功率放大器中用于接收射频输入信号的功率管连接。
7.根据权利要求6所述的无线发射系统，其特征在于，所述功率管为异质结双极晶体管且为NPN型。
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