CN108268695A - 一种放大电路的设计方法及放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种放大电路的设计方法及放大电路。所述设计方法包括：根据技术指示选择放大器件；根据所选择的放大器件，设计用于给所述放大器件供电的供电电路；设计输入电路，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配；设计输出电路，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配；设计调试电路，使得所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面。本发明的放大电路，相比现在技术，增益增加。

Description

一种放大电路的设计方法及放大电路
技术领域
本发明涉及放大电路领域，具体涉及一种放大电路的设计方法及放大电路。
背景技术
在放大电路设计中，为了使得整个系统比较稳定，一般都会引入负反馈结构，来对放大器件进行负反馈，但是这是以牺牲放大器模块的增益为代价的；例如由于引入负反馈，使得放大器模块的增益小于放大器件自身的增益。
反过来，虽然正反馈结构可以增大放大器模块的增益，但是现在设计中都会尽量避免引入正反馈，因为这会给系统带来许多负面问题，典型的像会导致系统的不稳定。
发明内容
考虑到上述情况，本申请提供一种放大电路的设计方法及放大电路。
根据第一方面，一种实施例中提供一种放大电路的设计方法，包括：
根据技术指示选择放大器件；
根据所选择的放大器件，设计用于给所述放大器件供电的供电电路；
设计输入电路，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配；
设计输出电路，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配；
设计调试电路，使得所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。
根据第二方面，一种实施例中提供一种放大电路，包括：
放大器件；
供电电路，用于给所述放大器件供电；
输入电路，用于连接在放大器件与信号源之间，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配；
输出电路，用于连接在放大器件与负载之间，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配；
调试电路，用于使所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。
依据上述实施例的放大电路的设计方法及放大电路，引入调试电路，综合输入电路、输出电路，使得放大电路满足极点约束条件，极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴；从而使得放大电路，相比现在技术，增益增加。
附图说明
图1为一种实施例的放大电路的设计方法的流程图；
图2(a)为极点在左半平面时频率-输出功率图，图2(b)为极点在虚轴附近的频率-输出功率图；
图3为另一种实施例的放大电路的设计方法的流程图；
图4为又一种实施例的放大电路的设计方法的流程图；
图5(a)为一种实施例的放大电路的设计方法中，输入信号fin的输入功率Pin和输入信号fin的输出功率Pout的关系曲线图；
图5(b)为一种实施例的放大电路的设计方法中，输入信号fin的输入功率Pin和振荡信号fa的输出功率Pout的关系曲线图；
图6(a)(b)(c)分别为一种实施例的放大电路的设计方法中，极点在复平面的变化过程中的三个示意图；
图7(a)为一种示意的完整的电路图，图7(b)为在该电路的一节点连接一个电流源后的电路图；
图8为一种实施例的放大电路的结构示意图
图9为另一种实施例的放大电路的结构示意图；
图10为一种实施例的放大电路中供电电路的结构示意图；
图11为又一种实施例的放大电路的结构示意图；
图12为再一种实施例的放大电路的结构示意图；
图13为一种实施例的放大电路的具体电路图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
通常来讲，在放大电路的设计过程中，会避免使得放大电路的极点在复平面的右半平面，即极点的实部为正。这是因为这会带来许多问题，例如直流特性的变化，典型的栅源直流电压变化、栅源直流电流变化、漏源直流电压变化、漏源直流电流变化等；例如交流特性的变化，出现一个或多个振荡频点。
请参照图1，本发明一实施例中公开了一种放大电路的设计方法，包括步骤S01～S09。
步骤S01：根据技术指示选择放大器件。在一实施例中，上述技术指示至少包括供电电压、工作电流、漏极效率、矢量幅度误差、邻道功率比、工作增益、输出功率、工作频段、杂散分量、误码率等的一种。在一实施例中，所选择的放大器件可以为晶体管BJT、场效应管FET、HEMT高电子迁移率晶体管、二极管等。
步骤S03：根据所选择的放大器件，设计用于给所述放大器件供电的供电电路。所设计的供电电路要降低对放大电路的主要放大性能产生负面影响，在一实施例中，有两种设计思路：一是在设计供电电路时，供电电路不参与输入电路和输出电路匹配，供电电路的阻抗远大于输入电路和输出电路阻抗，例如大于五倍以上，这样供电电路阻抗对输入匹配电路和输出匹配电路就基本没有影响；二是在设计供电电路时，供电电路参与电路匹配，供电电路是匹配电路的一部分，这种情况下，按照极点约束条件来设计供电电路。在一实施例中，还增加直流电压限幅电路和/或直流电流限幅电路，直流电压限幅电路用于对放大电路的直流电压进行限幅，直流电流限幅电路用于对放大电路的直流电流进行限幅。在一实施例中，可以在设计供电电路中，将直流电压限幅电路和/或直流电流限幅电路增加到供电电路中。
步骤S05：设计输入电路，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配。
步骤S07：设计输出电路，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配。
步骤S09：设计调试电路，使得所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。设计调试电路后，结合之前设计的输入电路、输出电路、放大器件、供电电路，它们共同配合，使得放大电路满足上述的极点约束条件。在一实施例中，还可以设计一开关电路，用于打开和关闭所述放大器件，以控制所述放大器件的打开时间，使得放大器件的打开时间小于振荡建立时间；例如，当极点约束条件中放大电路的至少一个极点最终稳定在右半平面时，可以引入上述开关电路。这是因为当极点在右半平面时，放大电路会因此产生振荡，所以通过控制放大器件的打开时间(导通)和关闭时间(截止)，使得放大器件的打开时间小于振荡建立时间，从而在放大器件打开的时间段，振荡还处于建立过程，而输入信号已经被放大，之后关闭放大器件，由于此时振荡还没有完全建立，但是输入信号放大已经结束，因此在放大电路工作时，避免了振荡信号的影响。需要说明的是，在一实施例中极点在复平面的虚轴附近，指的是复平面靠近虚轴的一个范围，当放大电路的极点位于该范围内时放大电路会产生噪声凸起。例如，请参照图2(a)，其为极点在左半平面时频率-输出功率图，图2(b)为极点在虚轴附近的频率-输出功率图，这两个图中横轴都为输入信号的频率，纵轴都为输出功率，可以看到在图2(b)中产生了两个噪声凸起B1和B2，因此在图2(b)中产生产生B1或B2时，极点都是在虚轴附近的。
在一实施例中，极点约束条件具体可以包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点的实部为正。
在上述极点约束条件下，放大器可以工作在任意一个功率状态下，例如，比图5中T2更靠右的位置。
在一实施例中，请参照图3，放大电路的设计方法还包括步骤S11，设计一个交流电压限幅电路和/或交流电流限幅电路。交流电压限幅电路用于对放大电路的交流电压进行限幅，交流电流限幅电路用于对放大电路的交流电流进行限幅
在一实施例中，请参照图4，放大电路的设计方法还包括步骤S13，设计滤波电路，以滤除放大电路的杂散信号。在一实施例中，设计的滤波电路，用于将m*fin+n*fa的杂散信号给滤除掉，其中fa为振荡信号的频率和fin为有用信号的频率，m和n均为实数，且m不等于1。
下面叙述中，ζi是一个参量，输入功率Pin是横轴坐标，输出功率Pout是纵坐标。
请参照图5和图6，图5(a)为满足上述极点约束条件的输入信号fin的输入功率Pin和输入信号fin的输出功率Pout的关系曲线图，图5(b)为满足极点约束条件的输入信号fin的输入功率Pin和振荡信号fa的输出功率Pout的关系曲线图；图6为极点在复平面上的变化图。
图中点ζ1到T1之间，放大电路的极点的实部为负实数，例如在点ζ2处，放大电路的极点的实部为负实数；
图中点T1到T2之间，放大电路的至少一个极点的实部为正实数，例如在点ζ3处，放大电路的至少一个极点的实部为正实数；
图中点T2到H1之间，放大电路的极点的实部为负实数；
图中点H1到点H2之间，放大电路的至少一个极点的实部为正实数，例如在点ζ4、ζ5处，放大电路的至少一个极点的实部为正实数。
图中点H2之后，放大电路的至少一个极点的实部为负实数，例如在ζ6处，放大电路的至少一个极点的实部为负实数；
可以看到，图中有四个拐点，分别为T1、T2、H1和H2。在点T1处，是放大电路的至少一个极点的实部由负实数变成正实数的临界点；在点T2处，是放大电路的上述至少一个极点的实部由正实数变成负实数的临界点；在点H1处，是放大电路的上述至少一个极点实部由负实数变成正实数的临界点，此时放大电路产生振荡，见图5(b)；在点H2处，是放大电路的上述至少一个极点实部由正实数变成负实数的临界点，此时放大电路振荡消失,见图5(b)。
在具体设计调试电路，使得所述放大电路满足极点约束条件时，有许多种方式，下面试举一种方式。
先说明这种设计方式的原理。
不妨假设存在一个完整的电路，如图7(a)所示，在该电路的某个节点连接一个电流源Ii，如图7(b)所示；图7(a)的电路包括并联的和因此该电路的闭环传递函数为：
测试出频率ω和闭环传递函数Hcl(jw)的数值对应关系，例如在频率域扫描，测试每一个频率对应的Hcl(jw)的值，从而可以得到每一个频率下Hcl(jw)的值。
根据得到的每一个频率下Hcl(jw)的值，求出上述闭环传递函数的表达式。例如利用系统辨识的方法，求出关系表达式。
根据求出的闭环传递函数的表达式，求出极点。例如上述表达式中pi的位置，就是极点的位置，表达式中，pi中的i的取值范围为1到N，因此有N个极点。
当输入功率变化时，会导致放大器件的等效电路发生变化，例如放大器件等效电容等变化，从而导致频率ω和Hcl(s)的对应关系发生变化，导致Hcl(s)的表达式发生变化，导致极点的位置发生变化。
以上就是设计调试电路使得所述放大电路满足极点约束条件的一种原理。
本发明中，滤波电路60的引入，可以降低或消除放大电路的极点变化时，带来的不期望的交流特性的变化，例如出现一个或多个振荡频点，影响放大电路的工作；交流电压限幅电路和/或交流电流限幅电路的引入，可以降低或消除放大电路的极点在复平面的虚轴或右半平面时，带来的交流特性的不期望的变化，例如交流电流或电压不期望的变化；直流电压限幅电路和/或直流电流限幅电路的引入，可以降低或消除放大电路的极点在复平面的虚轴或右半平面时，带来的直流特性的不期望的变化，例如直流电流或电压不期望的变化。
本发明还公开了一种放大电路。
请参照图8，在一实施例中，该放大电路包括放大器件10、供电电路20、输入电路30、输出电路40和调试电路50，在一实施例中，请参照图9，还可以包括滤波电路60和/或交流电压限幅电路70a和/或交流电流限幅电路70b。
在一实施例中，放大器件10可以为晶体管BJT、场效应管FET、HEMT高电子迁移率晶体管、二极管等。
供电电路20用于给放大器件10供电。请参照图10，在一实施例中，供电电路20还可以包括直流电压限幅电路20a和/或直流电流限幅电路20b，在其他一些实施例中，放大电路的直流电压限幅电路20a和/或直流电流限幅电路20b可以被设计在供电电路20之外。
输入电路30用于连接在放大器件10与信号源之间，使得信号源和放大器件10的输入阻抗匹配。
输出电路40用于连接在放大器件10与负载之间，使得负载和放大器件10的输出阻抗匹配。
调试电路50用于使放大电路满足极点约束条件，极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。调试电路50的引入，结合输入电路30、输出电路40、放大器件10、供电电路20，它们共同配合，使得放大电路满足上述的极点约束条件
在一实施例中，极点约束条件具体可以包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点的实部为正。
在一实施例中，请参照图11，放大电路还可以包括开关电路80。开关电路80用于打开和关闭放大器件10，以控制放大器件10的打开时间，使得放大器件的打开时间小于振荡建立时间。例如，当极点约束条件为放大电路的至少一个极点最终稳定在右半平面时，可以引入上述开关电路80。
请参照图12，在一实施例中，调试电路50可以包括第一调试子电路50a和/或第二调试子电路50b，从图中可以看到，这两个调试子电路的接入到放大电路中的反馈点不同。
滤波电路60用于滤除输出电路输出信号中的杂散信号。在一实施例中，滤波电路60至少用于滤除频率为放大电路的杂散频率的信号。在一实施例中，设计的滤波电路，用于将m*fin+n*fa的杂散信号给滤除掉，其中fa为振荡信号的频率和fin为有用信号的频率，m和n均为实数，且m不等于1。
请参照图13，为本发明一实施例中，放大电路的实际电路图。当然图13中的滤波电路60也可以被去掉，并且图13也可以增加上述的交流电压限幅电路70a、交流电流限幅电路70b、直流电压限幅电路20a、直流电流限幅电路20b中的一者或多者。
可以看到，放大器件10可以包括晶体管Q10；供电电路20可以包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24；输入电路30可以包括电感L31、电容C31、电容C32和变压器T31；输出电路40可以包括电感L41、电感L42、电容C41、电容C42、电容C43；第一调试子电路50a包括电容C51、电容C52、电容C53；第二调试子电路50b包括电感L51、电容C54、电容C55、电容C56；滤波电路60包括电感L61、电容C61。其中二极管D21、二极管D22用于实现直流电压限幅或稳幅，二极管D41用于实现交流电压的限幅或稳幅。因此，交流电压限幅电路70a可以包括二极管D41，直流电压限幅电路20a可以包括二极管D21、二极管D22。
具体地，放大器件10包括晶体管Q10；晶体管Q10的第二极接地。需要说明的是，本申请中的晶体管可以为晶体管BJT、场效应管FET、HEMT高电子迁移率晶体管等。例如，当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极。
供电电路20包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24；电感L21的一端连接电源，并且还连接接地电容C21；电感L21的另一端连接接地电容C22，电感L21的该端还连接晶体管Q10的控制极；电感L22的一端连接电源，并且还连接接地电容C24；电感L22的另一端连接接地电容C23，电感L22的该端还与晶体管Q10的第一极相连；
输入电路30包括电感L31、电容C31、电容C32和变压器T31；电容C31的一端为放大电路的输入端，用于输入驱动功率或者说是输入功率，图示中以一个电阻符号来表示，电容C31的另一端与电容C32的一端连接，电容C32的另一端与变压器T31的一个线圈的一端相连，该线圈的另一端接地；变压器T31的另一个线圈的一端与晶体管Q10的控制极连接，该线圈的另一端接地；电感L31并联在电容C31的两端。
输出电路40包括电感L41、电感L42、电容C41、电容C42、电容C43；电感L41的一端与电感L42的一端连接，电感L42的另一端与接地电容C43连接，电感L41的另一端与电容C42的一端连接，电容C42的另一端分别与接地电容C41、晶体管Q10的第一极连接。
调试电路50包括第一调试子电路50a和第二调试子电路50b；第一调试子电路50a包括电容C51、电容C52、电容C53；电容C51、电容C52串联连接后，并联在晶体管Q10的控制极与第一极之间，电容C51和电容C52连接的那一端，还与接地电容C53连接；第二调试子电路50b包括电感L51、电容C54、电容C55、电容C56，电容C55与电感L51构成一串联电路；该串联电路的一端连接接地电容C54，该串联电路的该端还连接于电容C31未连接于电容C32的那一端；该串联电路的另一端连接接地电容C56，该串联电路的该端还连接于电感L41与电感L42相连的那一端。
滤波电路60包括电感L61和电容C61，电感L61的一端作为放大电路的输出端，例如用于连接下一级的功率放大器或者天线等，图示中以一个电阻符号来表示，另一端分别与接地电容C61、电感L41与电感L42相连的那一端相连。
交流电压限幅电路70a可以包括二极管D41，该二极管D41的正极接地，负极与电容C41非接地的一端相连。
直流电压限幅电路20a可以包括二极管D21、二极管D22，二极管D21的正极接地，负极与电容C22非接地的一端相连；二极管D22的正极接地，负极与电容C23非接地的一端相连。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种放大电路的设计方法,其特征在于，包括：
根据技术指示选择放大器件；
根据所选择的放大器件，设计用于给所述放大器件供电的供电电路；
设计输入电路，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配；
设计输出电路，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配；
设计调试电路，使得所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，还包括：设计一开关电路，用于打开和关闭所述放大器件，以控制所述放大器件的打开时间，使得放大器件的打开时间小于振荡建立时间。
3.如权利要求1所述的放大电路的设计方法，其特征在于，还包括设计直流电压限幅电路、直流电流限幅电路、交流电压限幅电路和/或交流电流限幅电路。
4.如权利要求1所述的放大电路的设计方法，其特征在于，还包括设计滤波电路，以滤除放大电路的杂散信号。
5.如权利要求1所述的放大电路的设计方法，其特征在于，极点在复平面的虚轴附近，指的是复平面靠近虚轴的一个范围，当放大电路的极点位于该范围内时放大电路会产生噪声凸起。
6.一种放大电路，其特征在于，包括：
放大器件；
供电电路，用于给所述放大器件供电；
输入电路，用于连接在放大器件与信号源之间，使得信号源和放大器件的输入阻抗匹配；
输出电路，用于连接在放大器件与负载之间，使得负载和放大器件的输出阻抗匹配；
调试电路，用于使所述放大电路满足极点约束条件，所述极点约束条件包括：至少随着输入信号功率的增加，放大电路的至少一个极点在复平面的位置由初始位置移动到右半平面、虚轴或虚轴附近，并最终稳定在虚轴、右半平面或左半平面，其中放大电路的极点的初始位置为复平面的左半平面、右半平面或虚轴。
7.如权利要求6所述的放大电路，其特征在于，所述放大电路还包括：开关电路，打开和关闭所述放大器件，以控制所述放大器件的打开时间，使得放大器件的打开时间小于振荡建立时间。
8.如权利要求6所述的放大电路，其特征在于，还包括直流电压限幅电路、直流电流限幅电路、交流电压限幅电路、交流电流限幅电路中的一者或多者。
9.如权利要求6所述的放大电路，其特征在于，还包括：滤波电路，用于滤除放大电路的杂散信号。
10.如权利要求6所述的放大电路，其特征在于：
所述放大器件包括晶体管Q10；晶体管Q10的第二极接地；
所述供电电路包括电感L21、电感L22、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24；电感L21的一端连接电源，并且还连接接地电容C21；电感L21的另一端连接接地电容C22，电感L21的该端还连接晶体管Q10的控制极；电感L22的一端连接电源，并且还连接接地电容C24；电感L22的另一端连接接地电容C23，电感L22的该端还与晶体管Q10的第一极相连；
输入电路包括电感L31、电容C31、电容C32和变压器T31；电容C31的一端用于输入驱动功率，电容C31的另一端与电容C32的一端连接，电容C32的另一端与变压器T31的一个线圈的一端相连，该线圈的另一端接地；变压器T31的另一个线圈的一端与晶体管Q10的控制极连接，该线圈的另一端接地；电感L31并联在电容C31的两端；
输出电路包括电感L41、电感L42、电容C41、电容C42、电容C43；电感L41的一端与电感L42的一端连接，电感L42的另一端与接地电容C43连接，电感L41的另一端与电容C42的一端连接，电容C42的另一端分别与接地电容C41、晶体管Q10的第一极连接；
调试电路包括第一调试子电路和第二调试子电路；第一调试子电路包括电容C51、电容C52、电容C53；电容C51、电容C52串联连接后，并联在晶体管Q10的控制极与第一极之间，电容C51和电容C52连接的那一端，还与接地电容C53连接；第二调试子电路包括电感L51、电容C54、电容C55、电容C56，电容C55与电感L51构成一串联电路；该串联电路的一端连接接地电容C54，该串联电路的该端还连接于电容C31未连接于电容C32的那一端；该串联电路的另一端连接接地电容C56，该串联电路的该端还连接于电感L41与电感L42相连的那一端。
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