CN110661501B - 一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路 - Google Patents

一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于射频功率放大器静态点设置的自动锁定电路，属于微波、射频领域。所述自动锁定电路包括射频功率放大器、电流采样电阻、比较电路模块、放大器电路模块、斜坡发生电路模块、比例运算电路模块、采样保持电路模块。其中，所述的射频功率放大器静态工作电流经过放大器模块和比较电路模块，控制采样保持电路模块使所述射频功率放大器的栅极电压处于稳定值，从而可以保持射频功率放大器处于合适静态工作点。本发明自动锁定电路，不受射频功率放大器栅极电压与静态工作电流关系变化的影响，无论实验环境如何变化，本发明均能设置合适的射频功率放大器栅极电压使其静态工作电流固定在一个特定值上，而且整个过程不需要人为调节。

Description

一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路
技术领域
本发明属于射频微波技术领域，应用于射频功率放大电路中，具体涉及一种用于射频功率放大器静态点设置的自动锁定电路。
背景技术
射频功率放大器的静态工作电流(漏极电流)会影响其功率压缩点、增益、噪声系数、交调产物和效率等重要参数。当静态工作电流变化时，射频功率放大器的线性度和效率都会随之改变。通常在设计射频功率放大器电路时，需要将其静态工作电流固定在一个特定的值以使射频功率放大器达到最佳的性能指标。而静态工作电流是通过调整栅极电压实现的，所以射频功率放大器模拟偏置电路的主要功能是为射频功率放大器提供一个稳定的栅极电压。
图1为现有技术一种射频功率放大器的偏置电路图；如图1所示，该偏置电路包括射频功率放大器U1、电流检测电阻R1、两个分压电阻R’2和R’3、电压源VCC。该电路通过改变分压电阻R’2和分压电阻R’3的阻值来改变射频功率放大器U1的栅极电压，并同时通过电压表测量电流检测电阻R1上的电压，推算出射频功率放大器U1的静态工作电流。从而获得一个稳定栅极电压使射频功率放大器的静态工作电流固定在一个特定的值上。该技术方案的缺陷一是栅极电压与静态工作电流的关系并不是一成不变，当处于不同环境时，栅极电压与静态工作电流的关系曲线会上移或下调，此时若要使射频功率放大器获得最佳性能，则需重新调试，使得该方案无法应对实验环境变化的需求；二是同一款射频功率放大器的栅极电压与静态工作电流的关系曲线不一定相同，不适用于大批量生产。
为克服上述技术缺陷，现有技术又提供了一种偏置电路；图2为现有的另一种射频功率放大器数字偏置电路图。如图2所示，该偏置电路包括射频功率放大器U1、电流检测电阻R1、放大器U2、数模转换器U’3、模数转换器U’4和微处理器U’5；电流检测电阻R1与射频功率放大器U1相连接。工作原理为：电流检测电阻R1将射频功率放大器U1的静态工作电流转化为模拟电压信号，该模拟电压信号经过放大器U2放大后发送到模数转换器U’4；模数转换器U’4将该模拟信号转换成数字信号后发送到微处理器U’5中；微处理器U’5收到数字信号后，根据内部预设逻辑对数字信号处理然后发送控制命令给数模转换器U’3；数模转换器U’3将来自微处理器U’5的控制信号转换为模拟信号后发送到射频功率放大器的栅极；从而控制射频功率放大器的栅极电压使射频功率放大器的静态工作电流固定在一个特定的值上。该技术方案采用微处理器U’5和模数转换器U’4代替人工测量射频功率放大器静态工作电流，使得该偏置电路在不同环境下都能使射频功率放大器的静态工作电流固定在一个特定的值上。但是，该技术方案中，微处理器需要编写程序控制，且将程序下载输入，流程复杂。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提供一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其特征在于，包括：
一个射频功率放大器U1；
一个电流检测电阻R1，所述电流检测电阻R1与射频功率放大器U1的漏极相连；
一个放大器U2，所述放大器U2的第一输入端和第二输入端分别与电流检测电阻R1的第一分压端和第二分压端相连；
一个比较器U3，所述比较器U3的第一输入端和第二输入端分别与放大器U2的输出端和一个参考电压Vref相连；
一个斜坡电压发生电路U4；
一个比例运算电路U5，所述比例运算电路U5的输入端与所述斜坡电压发生电路U4的输出端相连；
一个采样保持电路U6，所述采样保持电路U6的输入端与比例运算电路U5的输出端相连，采样保持电路U6的控制端与比较器U3的输出端相连，采样保持电路U6的输出端与射频功率放大器U1的栅极相连。
其中，所述斜坡电压发生电路U4为输出电压随时间线性变化(上升或下降)的电路，包括但不限于积分器、三角波发生器或锯齿波发生器等。
其中，所述比例运算电路U5用于对斜坡电压发生电路U4产生的电压按比例放大或缩小，以使其输出电压位于射频功率放大器U1栅极电压允许范围内。
其中，所述采样保持电路U6在未收到所述比较器U3输出的锁存信号时，其输出电压随比例运算电路U5的输出电压变化；所述采样保持电路U6收到所述比较器U3输出的锁存信号时，其将比例运算电路U5的输出电压进行采样锁存，采样保持电路的输出电压保持在采样值。
其中，所述射频功率放大器U1在正常工作期间采用恒定栅极电压。
其中，所述比较器为滞回比较器，其参考电压Vref的值可通过计算得出。
本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其工作原理为：
初始上电后，斜坡电压发生电路U4的输出电压以固定比率上升至最大值或以固定比率下降至最小值；比例运算电路U5将斜坡电压发生电路U4产生的电压按比例放大或缩小至射频功率放大器U1栅极电压所允许范围内；采样保持电路U6在未收到来自比较器U3输出的锁存信号时，直接将比例运算电路U5输出的电压加载至射频功率放大器U1的栅极上；射频功率放大器U1的静态工作电流随着栅极电压的变化(增大或缩小)增大，而连接于射频功率放大器U1输出端的电流采样电阻R1将静态工作电流转换为电压信号，并传输至放大器U2；放大器将电流采样电阻R1上的电压信号放大并输出至比较器U3；比较器U3将放大器U2输出的电压与预设参考电压Vref进行比较，输出相应信号至采样保持电路U6。当射频功率放大器U1的栅极电压达到合适的值即射频功率放大器的静态工作电流增大到特定的值时，放大器U2的输出电压将大于比较器U3的参考电压Vref，比较器U3会输出一个锁存信号给采样保持电路U6。采样保持电路U6收到锁存信号，会将当前的射频功率放大器U1的栅极电压采样锁存，输出电压停留在采样锁存值，从而使射频功率放大器的静态工作电流固定在一个特定的值上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，不受射频功率放大器栅极电压与静态工作电流关系变化的影响，无论实验环境如何变化，本发明均能设置合适的射频功率放大器栅极电压使其静态工作电流固定在一个特定值上，而且整个过程不需要人为调节。
2、本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，采用模拟电路和基本数字电路单元实现，无需微处理器进行控制调节，无需程序的编写下载，简化了流程，具有很好的实用性。
附图说明
图1为现有技术一种射频功率放大器的偏置电路图；
图2为现有技术一种射频功率放大器的数字偏置电路图；
图3为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路的原理图；
图4为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，电流采样电阻及放大器的具体实施电路图；
图5为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，比较器的具体实施电路图及其电压波形示意图；
图6为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，斜坡电压发生电路的具体实施电路图及其电压波形示意图；
图7为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，比例运算电路的实施电路图；
图8为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，采样保持电路的实施电路图；
图9为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路一个实施例的电压变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
图3为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路的原理图；包括射频功率放大器U1、电流采样电阻R1、放大器U2、比较器U3、斜坡电压发生电路U4、比例运算电路U5和采样保持电路U6。其中，VO1为斜坡电压发生电路U4的输出电压，Vgg为射频放大器U1的栅极电压，Vctrl为比较器U3的输出电压，Vref为比较器U3的参考电压，Idd为射频放大器U1的静态工作电流，Vrf_in为射频信号输入端口，Vrf_out为射频信号输出端口。
图4为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，电流采样电阻及放大器的具体实施电路图。其中，电流采样电阻采用0.01欧姆的电阻R1，对射频功率放大器输出的影响微乎其微；放大器采用高精度电压输出电流分流监控器INA210，可精确的将电流采样电阻R1上的电压放大。
图5为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，比较器的具体实施电路图及其电压波形示意图；这是一种滞回比较器，其中VOP来自放大器U2的输出电压，Vref为比较器U3的参考电压，Vctrl为比较器U3的输出电压。这种比较器的输出uo有两种状态：高电平(接近VCC)和低电平(接近0V)，在这种电路中使输出电压由高电平跳变到低电平，以及低电平跳变到高电平所需的输入电压值是不同的，即这种比较器有两种不同的门限电平。因为射频功率放大器在有输入的正常工作状态下，输出电流会有上下波动，因此，采用滞回比较器可以在静态偏置电路设定好之后，避免正常工作的输出电流影响比较器的输出。其中，翻转点电压uR+为最佳静态工作电流I′在电流采样电阻R1上产生的压降经过放大器放大k倍后的电压，即：
uR+＝I′×R1×k
在该比较器中，又有：
Figure BDA0002184268630000051
从而可以计算出参考电压值应设为：
Figure BDA0002184268630000052
图6为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，斜坡电压发生电路的具体实施电路图及其电压波形示意图；其中输入Vi1可来自电源或控制信号，输入Vi1通过一个电阻R2接到运放uA741的反向端，运放的同向端通过电阻R3接地，运放的输出端与反向端之间连接电容C。该电路以积分器方式实现，输入电压与输出电压的关系为：
Figure BDA0002184268630000053
即输出电压是输入电压的一个积分。如图6所示，当输入一个阶跃信号时，输出电压在达到最值之前能根据时间线性上升或下降表现出一段斜坡的形式，通过更换电阻和电容可控制电压变化快慢。
图7为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，比例运算电路的实施电路图；输入VO1来自斜坡电压发生电路的输出电压，电压VCC1通过电阻R4接到运放uA741的反向端，输入通过电阻R5接到运放uA741的同向端，电压VCC2通过电阻R6接到运放uA741的同向端，运放uA741的同向端通过电阻R7接地，运放uA741的反向端与输出端通过电阻Rf相连。该电路是一个比例运算电路，输入电压与输出电压的关系为：
Figure BDA0002184268630000061
通过电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻Rf可以将输入电压放大或缩小到射频功率放大器的栅极电压Vgg所允许范围内。
图8为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路中，采样保持电路的实施电路图；输入信号从采样保持器LF398的3管脚进入，输出信号从采样保持器LF398的LF398的5管脚输出，采样控制信号与采样保持器LF398的8管脚相接，保持电容C连接于采样保持器LF398的6管脚和地之间。当采样控制信号相对采样保持器LF398的7管脚为高电平时，保持电容充放电，保持电容C电压和输出电压随模拟输入信号变化；当采样控制信号相对采样保持器LF398的7管脚为低电平时，保持电容C电压和输出电压停留在采样阶段最终值上。
图9为本发明提供的一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路一个实施例的电压变化示意图；图9a为斜坡电压发生电路U4的输出电压VO1、射频功率放大器的栅极电压Vgg和射频功率放大器的静态工作电流Idd随时间变化的示意图，图9b为比较器U3输出Vctrl(也是采样保持电路U4的控制电压)随时间变化的关系图，因为该电压只有高低电平两种状态，所以用逻辑1和0表示。初始上电后，斜坡电压发生电路U4的输出电压VO1从其最大值线性下降，比例运算电路U5将斜坡电压发生电路U4产生的电压VO1按比例变化后输出Vgg，此时射频功率放大器的静态工作电流Idd很小，放大器U2输出小于参考电压Vref，因此比较器输出Vctrl为高电平即逻辑1。采样保持电路的输出电压随其模拟输入电压变化，即射频功率放大器的栅极电压Vgg随着VO1同步变化，射频功率放大器U1的静态工作电流Idd随着Vgg的绝对值减小逐渐增大，当Idd增大到放大器输出电压刚好大于参考电压Vref时(此刻时间为t0)，比较器输出逻辑0，采样保持电路对此时的Vgg采样并维持输出电压停留在该值上。VO1虽然还在变化，但射频功率放大器的栅极电压Vgg已保持不变，静态工作电流也维持在稳定值。
上述实施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，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其特征在于，包括：
一个射频功率放大器(U1)；
一个电流检测电阻(R1)，所述电流检测电阻(R1)与射频功率放大器(U1)的漏极相连；
一个第二放大器(U2)，所述第二放大器(U2)的第一输入端和第二输入端分别与电流检测电阻(R1)的第一分压端和第二分压端相连；
一个比较器(U3)，所述比较器(U3)的第一输入端和第二输入端分别与第二放大器(U2)的输出端和参考电压相连；
一个斜坡电压发生电路(U4)；
一个比例运算电路(U5)，所述比例运算电路(U5)的输入端与所述斜坡电压发生电路(U4)的输出端相连；
一个采样保持电路(U6)，所述采样保持电路(U6)的输入端与比例运算电路(U5)的输出端相连，采样保持电路(U6)的控制端与比较器(U3)的输出端相连，采样保持电路(U6)的输出端与射频功率放大器(U1)的栅极相连；
初始上电后，斜坡电压发生电路(U4)的输出电压以固定比率上升至最大值或以固定比率下降至最小值；比例运算电路(U5)将斜坡电压发生电路产生的电压按比例放大或缩小至射频功率放大器(U1)栅极电压所允许范围内；采样保持电路(U6)在未收到来自比较器(U3)输出的锁存信号时，直接将比例运算电路输出的电压加载至射频功率放大器(U1)的栅极上；射频功率放大器(U1)的静态工作电流随着栅极电压的变化增大，连接于射频功率放大器(U1)输出端的电流采样电阻将静态工作电流转换为电压信号，并传输至第二放大器(U2)；第二放大器(U2)将电流采样电阻上的电压信号放大并输出至比较器；比较器将第二放大器(U2)输出的电压与预设参考电压进行比较，输出相应信号至采样保持电路；当射频功率放大器(U1)的静态工作电流增大到特定的值时，第二放大器(U2)的输出电压将大于比较器的参考电压，比较器输出一个锁存信号给采样保持电路；采样保持电路收到锁存信号，将当前的射频功率放大器(U1)的栅极电压采样锁存，输出电压停留在采样锁存值，使射频功率放大器(U1)的静态工作电流固定在一个特定的值上。
2.根据权利要求1所述的用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其特征在于，所述斜坡电压发生电路为输出电压随时间线性变化的电路，包括积分器、三角波发生器或锯齿波发生器。
3.根据权利要求1所述的用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其特征在于，所述比例运算电路用于对斜坡电压发生电路产生的电压按比例放大或缩小，以使其输出电压位于射频功率放大器栅极电压范围内。
4.根据权利要求1所述的用于功率放大器静态点设置的自动锁定电路，其特征在于，所述采样保持电路在未收到所述比较器输出的锁存信号时，其输出电压随比例运算电路的输出电压变化；所述采样保持电路收到所述比较器输出的锁存信号时，其将比例运算电路的输出电压进行采样锁存，采样保持电路的输出电压保持在采样值。
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