CN107196613A - 一种实现过压保护的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种实现过压保护的功率放大器，包括放大电路、偏置电路和过压检测电路。过压检测电路检测工作电压并控制偏置电路中的驱动管。当工作电压小于第一阈值时，过压检测电路不工作，偏置电路为放大电路中的功率管提供基极偏置。当工作电压大于或等于第一阈值时，过压检测电路工作，并且随着工作电压增大过压检测电路逐渐关断偏置电路中的驱动管，偏置电路为放大电路中的功率管提供的基极偏置逐渐降为零。本申请为功率放大器设计了一种新颖的、响应速度快、能耗小的工作电压检测与过压保护电路。

Description

一种实现过压保护的功率放大器

技术领域

本申请涉及一种功率放大器，特别是涉及一种采用HBT（异质结双极性晶体管）作为功率管的功率放大器。

背景技术

射频功率放大器通常采用HBT、CMOS（互补式金属氧化物半导体晶体管）、HEMT（高电子迁移率晶体管）等作为放大晶体管，称为功率管。功率管在工作时需要一定的直流电压和/或直流电流，称为偏置（biasing）。如果偏置电路为功率管提供的是直流电压，则称为电压偏置方式。如果偏置电路为功率管提供的是直流电流，则称为电流偏置方式。

2002年9月出版的《IEEE固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-StateCircuits）37卷9期有一篇文章《具有新型线性化偏置电路的PCS/W-CDMA双频MMIC功率放大器》（PCS/W-CDMA dual-band MMIC power amplifier with a newly proposedlinearizing bias circuit）。这篇文章的第II部分公开了一种具有温度补偿电路的功率放大器，如图1所示。电阻R与两个二极管D1、D2、电容Cb和有源驱动管HBT2组成了偏置电路，为功率管HBT1提供电压偏置。电阻R和两个二极管D1、D2相串联，起到温度补偿作用。串联的两个二极管D1、D2与电容Cb并联，电容Cb起到线性化作用。有源驱动管HBT2的发射极用来为功率管HBT1的基极提供偏置电压。这种功率放大器实现了温度补偿，但没有实现过压保护。如果工作电压Vpd不正常，例如超过了4.6V，有源驱动管HBT2会给功率管HBT1提供一个非常大的电流，进而使得功率管HBT1处于大电流的工作状态，容易造成器件烧毁。

申请公布号为CN102075148A、申请公布日为2011年5月25日的中国发明专利申请《射频功率放大器过温保护电路》中，公开了一种具有过温保护电路的功率放大器，如图2所示。所述过温保护电路包括依次连接的温度检测电路、比较器电路、逻辑控制电路和偏置电路。两个温度检测电路分别用来检测放大级晶体管T3的温度以及功率放大器芯片的常规温度，当两者的温度差超出阈值时，降低偏置电路所输出的偏置电压，以降低功率放大器的放大增益以及输出功率，从而降低功率放大器的最高温度，避免器件烧毁。这种功率放大器基于温度检测形成一个反馈环路，反馈所需的时间较长。如果工作电压VCC瞬间增大超出正常范围，有可能在反馈环路来不及产生保护信号的时候器件已经烧毁了。

授权公告号为CN201887469U、授权公告日为2011年6月29日的中国实用新型专利《射频功率放大器过压保护电路》中，公开了一种具有过压保护电路的功率放大器，如图3所示。所述过压保护电路包括依次连接的电压检测电路、电压-电流转换模块和偏置电路。电压检测电路用来检测工作电压VCC。当工作电压VCC处于正常范围时，电压检测电路的输出不足以开启电压-电流转换模块，因此对偏置电路不产生影响。当工作电压VCC超出正常范围时，电压检测电路的输出开启电压-电流转换模块，进而降低偏置电路所输出的偏置电流，以降低功率放大器的放大增益以及输出功率，从而避免器件因过流过压而烧毁。这种功率放大器具有较大的能耗，首先是电压检测电路即便在工作电压VCC正常时也始终工作，这会产生不必要的电流消耗；其次是电压-电流转换模块一旦开启后也具有比较大的电流消耗。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种能够实现过压保护功能的功率放大器。在诸如手机等采用射频功率放大器的电子设备中，射频功率放大器的工作电压往往由锂电池提供。正常情况下，该工作电压的范围是3.0V至4.6V。特殊情况下，例如锂电池出现故障、非常规地使用电子设备时，该工作电压会超出正常范围，本申请就是在这种情况下为功率放大器提供过压保护功能。

为解决上述技术问题，本申请实现过压保护的功率放大器包括放大电路、偏置电路和过压检测电路。过压检测电路检测工作电压并控制偏置电路中的驱动管。当工作电压小于第一阈值时，过压检测电路不工作，偏置电路为放大电路中的功率管提供基极偏置。当工作电压大于或等于第一阈值时，过压检测电路工作，并且随着工作电压增大过压检测电路逐渐关断偏置电路中的驱动管，偏置电路为放大电路中的功率管提供的基极偏置逐渐降为零。

本申请取得的技术效果是为功率放大器设计了一种新颖的、响应速度快、能耗小的工作电压检测与过压保护电路。当功率放大器的工作电压过大时，通过降低直至切断功率管的基极偏置，来关闭功率放大器，从而避免器件烧毁。而在功率放大器的工作电压正常时，新增的工作电压检测与过压保护电路不工作，不影响功率放大器的正常使用，也不会降低功率放大器正常工作时的各项射频性能和指标。

附图说明

图1是一种现有的具有温度补偿电路的功率放大器的示意图。

图2是一种现有的具有过温保护电路的功率放大器的示意图。

图3是一种现有的具有过压保护电路的功率放大器的示意图。

图4是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例一的示意图。

图5是实施例一中工作电压Vbat与跟随管Q5的集电极电流Ic5的关系示意图。

图6是实施例一中工作电压Vbat与经过镇流电阻R1的偏置电流Ibias的关系示意图。

图7是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例二的示意图。

图8是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例三的示意图。

图中附图标记说明：VCC、Vpd、Vbat均为工作电压；Vbias1为偏置电压；RFin为射频输入信号；RFout为射频输出信号；Q为晶体管；R为电阻；C为电容。

具体实施方式

请参阅图4，这是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例一。该实施例一包括放大电路、偏置电路和过压检测电路三部分。

所述放大电路包括功率管Q1、隔直电容C1、镇流电阻R1以及匹配网络。功率管Q1例如为HBT，优选为砷化镓（GaAs）HBT，实现功率放大功能。射频输入信号RFin通过隔直电容C1进入功率管Q1的基极，功率管Q1的集电极输出放大后的射频信号，该放大后的射频信号通过匹配网络进行阻抗匹配后得到射频输出信号RFout。偏置电路通过镇流电阻R1为功率管Q1的基极提供偏置电压，功率管Q1的发射极接地。

所述偏置电路包括驱动管Q2、电容二C2、电阻二R2、二极管三Q3以及二极管四Q4。驱动管Q2例如为HBT，优选为砷化镓HBT。二极管三Q3和二极管四Q4例如是将HBT的基极与集电极短接得到的，短接后HBT的基极与集电极作为二极管的阳极，HBT的发射极作为二极管的阴极。电阻二R2与二极管三Q3、二极管四Q4依次级联，并对偏置电压Vbias1进行分压，用来实现温度补偿功能。级联的二极管三Q3与二极管四Q4还连接到驱动管Q2的基极。驱动管Q2的基极还通过电容二C2接地，电容二C2用来实现线性化。驱动管Q2的集电极连接工作电压Vbat，驱动管Q2的发射极输出偏置电流Ibias，该偏置电流Ibias通过镇流电阻R1为功率管Q1的基极提供偏置电压。

所述过压检测电路包括跟随管Q5、二极管六Q6、二极管七Q7、二极管八Q8、二极管九Q9和电阻三R3。跟随管Q5例如为HBT，优选为砷化镓HBT，采用共发射极（common emitter）的连接方式。二极管六Q6、二极管七Q7、二极管八Q8和二极管九Q9例如是将HBT的基极与集电极短接得到的，短接后HBT的基极与集电极作为二极管的阳极，HBT的发射极作为二极管的阴极。二极管九Q9、二极管八Q8、二极管七Q7与电阻三R3依次级联，并对工作电压Vbat进行分压。二极管七Q7的阳极还连接跟随管Q5的基极。跟随管Q5的集电极连接驱动管Q2的基极，跟随管Q5的发射极通过二极管六Q6接地。

所述过压检测电路中，跟随管Q5的基极电压Vb5是工作电压Vbat减去二极管九Q9的阈值电压Vth9再减去二极管八Q8的阈值电压Vth8，即Vb5=Vbat-Vth9-Vth8。跟随管Q5的发射极电压Ve5是二极管六Q6的阈值电压Vth6，即Ve5=Vth6。因此跟随管Q5的基极-发射极电压Vbe5=Vb5-Ve5=Vbat-Vth9-Vth8-Vth6。由于二极管六Q6、二极管八Q8、二极管九Q9优选地由HBT短接实现，因此Vth6=Vth8=Vth9=Vth，其中Vth表示HBT短接为二极管时使二极管正向导通的阈值电压，通常为1.3V至1.4V之间。那么跟随管Q5的基极-发射极电压Vbe5=Vbat-3Vth。

该实施例一的工作原理如下面三段所述。

当工作电压Vbat＜3Vth+Vbe（第一阈值）时，其中Vbe表示HBT的基极-发射极结正向偏置时的基极-发射极电压，跟随管Q5的基极-发射极电压Vbe5＜Vbe。此时跟随管Q5关断，跟随管Q5的集电极呈现高阻抗，对偏置电路和放大电路的正常工作没有影响。假设Vth为1.3V，Vbe为0.7V，那么当工作电压Vbat＜4.6V时就处于这个工作阶段。

当工作电压Vbat≥3Vth+Vbe且＜第二阈值时，跟随管Q5的基极-发射极电压Vbe5≥Vbe，此时跟随管Q5导通并工作在正向放大区。随着工作电压Vbat增大，跟随管Q5的集电极电流Ic5会从电阻二R2中抽取一个大电流，这个大电流会在电阻二R2上形成较大的压降，使得驱动管Q2的基极电压下降。驱动管Q2原本是导通的，当驱动管Q2的基极电压下降到不足以开启驱动管Q2时，驱动管Q2关断。驱动管Q2关断后，驱动管Q2的发射极输出的偏置电流Ibias逐渐降为零，从而使功率管Q1关断，实现了工作电压过大时对功率放大器的保护。假设Vth为1.4V，Vbe为0.7V，那么当工作电压Vbat≥4.9V时就处于这个工作阶段。

当工作电压Vbat≥第二阈值时，随着工作电压Vbat继续增大，驱动管Q2的基极电压Vb2（也就是跟随管Q5的集电极电压Vc5）降低到接近于跟随管Q5的基极电压Vb5，此时跟随管Q5逐渐关断。这实现了工作电压过大时对过压检测电路的保护。

请参阅图5，这是实施例一中工作电压Vbat与跟随管Q5的集电极电流Ic5的关系示意图。图5中，第一阈值大约是5V。当工作电压Vbat小于5V时，跟随管Q5关断，此时跟随管Q5的集电极电流Ic5为零。当工作电压Vbat大于或等于5V时，跟随管Q5导通并工作在正向放大区，此时跟随管Q5的集电极电流Ic5随着工作电压Vbat的增大而增大。随着跟随管Q5的集电极电流Ic5增大，由于电阻二R2的关系，跟随管Q5的集电极电压Vc5相应减小。当工作电压Vbat大于或等于6V以后，跟随管Q5的集电极电压Vc5降低到接近于跟随管Q5的基极电压Vb5，此时跟随管Q5逐渐关断，因此其集电极电流Ic5开始随着Vbat的增大而变小。

请参阅图6，这是实施例一中工作电压Vbat与偏置电流Ibias的关系示意图。图6中，第一阈值大约是5V。当工作电压Vbat小于1.4V时，驱动管Q2关断，此时驱动管Q2的发射极具有反向电流，因此偏置电流Ibias为负值。1.4V相当于驱动管Q2刚导通时的集电极-发射极电压Vce5。当工作电压Vbat大于或等于1.4V且小于5V时，驱动管Q2导通，此时驱动管Q2的发射极输出的偏置电流Ibias基本保持恒定。当工作电压Vbat大于或等于5V时，随着工作电压Vbat的增大驱动管Q2逐渐关断，此时驱动管Q2的发射极输出的偏置电流Ibias逐渐降为零并保持在零电流状态。因此，本申请为功率放大器提供了有效的过压保护功能。

在实施例一中，是通过调节电阻二R2和/或电阻三R3的阻值来调节第一阈值的。

首先，如果选择的电阻二R2的阻值较大，那么当工作电压Vbat上升较小的幅度时，驱动管Q2的基极电压Vb2也会以较快的幅度下降，因此驱动管Q2会较快地关断，并驱动功率管Q1也较快地关断。如果选择的电阻二R2的阻值较小，那么当工作电压Vbat上升较大的幅度以后，驱动管Q2的基极电压Vb2才会以较慢的幅度下降，因此驱动管Q2会较慢地关断，并驱动功率管Q1也较慢地关断。因此，电阻二R2的阻值选取地越大，第一阈值就越小；反之亦然。

其次，如果选择的电阻三R3的阻值较大，那么当工作电压Vbat上升较小的幅度时，跟随管Q5的基极电压Vb5也会以较快的幅度上升，因此跟随管Q5会较快地导通，并使得驱动管Q2较快地关断，最终驱动功率管Q1也较快地关断。如果选择的电阻三R3的阻值较小，那么当工作电压Vbat上升较大的幅度以后，跟随管Q5的基极电压Vb5仅会以较慢的幅度上升，因此跟随管Q5会较慢地导通，并使得驱动管Q2较慢地关断，最终驱动功率管Q1也较慢地关断。因此，电阻三R3的阻值选取地越大，第一阈值就越小；反之亦然。

从影响因子来看，电阻二R2的阻值对第一阈值的影响效果更为明显，电阻三R3的阻值对第一阈值的影响效果没有那么明显。

请参阅图7，这是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例二。与实施例一相比，实施例二在过压检测电路中增加了电阻四R4。电阻四R4与二极管九Q9、二极管八Q8、二极管七Q7、电阻三R3依次级联，并对工作电压Vbat进行分压。

在实施例二中，可以通过调节电阻二R2、电阻三R3和/或电阻四R4的阻值来调节第一阈值，扩展了电路设计的自由度。在实施例二中，单独的电阻二R2、单独的电阻三R3对第一阈值的影响，与实施例一相同。单独的电阻四R4对第一阈值的影响，与实施例一中的电阻三R3相同。然而，实施例二还可以调节电阻四R4与电阻三R3的比值，从而调节跟随管Q5的导通与否。如果电阻四R4与电阻三R3的比值较大，那么工作电压Vbat上升的幅度主要反映在电阻四R4的压降上，跟随管Q5会较慢地导通，并使得驱动管Q2较慢地关断，最终驱动功率管Q1也较慢地关断。如果电阻四R4与电阻三R3的比值较小，那么工作电压Vbat上升的幅度主要反映在电阻三R3的压降上，跟随管Q5会较快地导通，并使得驱动管Q2较快地关断，最终驱动功率管Q1也较快地关断。因此，电阻四R4与电阻三R3的比值选取地越大，第一阈值就越大；反之亦然。

请参阅图8，这是本申请实现过压保护的功率放大器的实施例三。与实施例二相比，实施例三在过压检测电路和偏置电路之间增加了电阻五R5。跟随管Q5的集电极通过电阻五R5连接驱动管Q2的基极。当射频输入信号RFin的功率较大时，驱动管Q2的基极电压摆幅也可能较大，导致跟随管Q5的发射极电压摆幅较大，这可能使得跟随管Q5在工作电压Vbat尚处于正常范围时就提前导通。增加高阻抗的电阻五R5后，射频输入信号RFin产生的电压摆幅主要落在电阻五R5上，可以阻止射频输入信号RFin通过镇流电阻R1和驱动管Q2进入过压检测电路中，从而避免跟随管Q5过早导通。

与现有的功率放大器相比，本申请在放大电路和偏置电路的基础上新增了过压检测电路，实现了检测工作电压以及过压保护功能，避免了功率放大器烧毁的风险。同时，本申请直接对工作电压的变化进行响应，反应速度比采用反馈环路的方案要快得多，如果工作电压瞬间增大也能及时予以保护。同时，本申请新增的过压检测电路在工作电压正常时不工作，不会增加不必要的电流消耗，也未采用电压-电流转换方案而增加电流消耗。

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)

1.一种实现过压保护的功率放大器，其特征是，包括放大电路、偏置电路和过压检测电路；过压检测电路检测工作电压并控制偏置电路中的驱动管；当工作电压小于第一阈值时，过压检测电路不工作，偏置电路为放大电路中的功率管提供基极偏置；当工作电压大于或等于第一阈值时，过压检测电路工作，并且随着工作电压增大过压检测电路逐渐关断偏置电路中的驱动管，偏置电路为放大电路中的功率管提供的基极偏置逐渐降为零。

2.根据权利要求1所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，所述放大电路包括功率管，实现功率放大功能；射频输入信号进入功率管的基极，功率管的集电极输出放大后的射频信号，偏置电路为功率管的基极提供偏置，功率管的发射极接地。

3.根据权利要求1所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，所述偏置电路包括驱动管和电阻二；电阻二所在支路对偏置电压进行分压，分压后的电压连接驱动管的基极；驱动管的集电极连接工作电压，驱动管的发射极输出偏置电流，该偏置电流为功率管的基极提供偏置。

4.根据权利要求1所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，所述过压检测电路包括跟随管和电阻三；跟随管采用共发射极的连接方式；电阻三所在支路对工作电压进行分压，分压后的电压连接跟随管的基极；跟随管的集电极连接驱动管的基极。

5.根据权利要求4所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，

当工作电压小于第一阈值时，跟随管关断，对偏置电路和放大电路没有影响；

当工作电压大于或等于第一阈值且小于第二阈值时，跟随管导通并工作在正向放大区；随着工作电压增大，驱动管的基极电压下降因此由导通逐渐关断；驱动管关断后也使功率管关断；

当工作电压大于或等于第二阈值时，随着工作电压继续增大，跟随管逐渐关断。

6.根据权利要求1所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，

当工作电压小于驱动管的集电极-发射极导通电压时，驱动管关断；

当工作电压大于或等于驱动管的集电极-发射极导通电压且小于第一阈值时，驱动管导通；

当工作电压大于或等于第一阈值时，随着工作电压增大，驱动管逐渐关断。

7.根据权利要求3或4所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，调节电阻二和/或电阻三的阻值来调节第一阈值；

电阻二的阻值越大，第一阈值就越小；反之亦然；

电阻三的阻值越大，第一阈值就越小；反之亦然；

电阻二的阻值对第一阈值的影响大于电阻三的阻值对第一阈值的影响。

8.根据权利要求5所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，所述过压检测电路还包括电阻四，电阻四串联在电阻三所在支路，并参与对工作电压进行分压。

9.根据权利要求8所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，调节电阻二、电阻三和/或电阻四的阻值，以及调节电阻四与电阻三的比值来调节第一阈值；

电阻二的阻值越大，第一阈值就越小；反之亦然；

电阻三的阻值越大，第一阈值就越小；反之亦然；

电阻四的阻值越大，第一阈值就越小；反之亦然；

电阻四与电阻三的比值越大，第一阈值就越大；反之亦然。

10.根据权利要求1所述的实现过压保护的功率放大器，其特征是，还包括电阻五，电阻五位于过压检测电路和偏置电路之间；跟随管的集电极通过电阻五连接驱动管的基极。