CN110719077A - 一种功率放大器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例适用于电路技术领域，提供了一种功率放大器及电子设备，其中，所述功率放大器包括：功率放大电路和线性度补偿电路；所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。

Description

一种功率放大器及电子设备
技术领域
本发明属于电路技术领域，尤其涉及一种功率放大器及电子设备。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，射频功率放大器在无线通信系统中的作用越来越重要。射频功率放大器用于将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大，以满足无线通信所需的射频信号的功率要求。随着第五代移动通信网络的到来，无线通信系统对射频功率放大器的线性度要求越发严苛。因此，如何提高功率放大器的线性度是当前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种功率放大器及电子设备，以解决相关技术中功率放大器线性度低的问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种功率放大器，包括：功率放大电路和线性度补偿电路；
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
上述方案中，所述晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。
上述方案中，所述晶体管放大电路为场效应管放大电路，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述第一场效应管的栅极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述偏置电路，所述第一场效应管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电容与所述第一电阻并联，所述第一场效应管的漏极连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接所述场效应管放大电路，所述第二电容的第一端连接所述第一场效应管的栅极，所述第二电容的第二端接地。
上述方案中，所述场效应管放大电路为多级场效应管放大电路，所述第三电容的第二端连接所述多级场效应管放大电路中驱动级的场效应管的栅极。
上述方案中，每个所述场效应管由至少两个并联的子场效应管构成。
上述方案中，所述场效应管包括以下任意一种：LDMOS管、SOI管、CMOS管、同质BJT管或异质BJT管。
上述方案中，所述晶体管放大电路包括三极管放大电路。
第二方面，本发明实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述方案中的功率放大器。
上述方案中，所述功率放大器包括：功率放大电路和线性度补偿电路；
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
上述方案中，所述晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。
上述方案中，所述晶体管放大电路为场效应管放大电路，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述第一场效应管的栅极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述偏置电路，所述第一场效应管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电容与所述第一电阻并联，所述第一场效应管的漏极连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接所述场效应管放大电路，所述第二电容的第一端连接所述第一场效应管的栅极，所述第二电容的第二端接地。
本发明实施例通过在功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间连接线性补偿度电路，可以对功率放大电路的非线性失真进行线性补偿，从而使得功率放大器的功率增益增加。本发明实施例可以在不改变负载阻抗的前提下提高功率放大器的线性功率，改善了功率放大器的非线性，提高了功率放大器的效率。
附图说明
在附图中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为相关技术提供的一种功率放大器的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种功率放大器的功率增益随输入功率变化的曲线图；
图3是本发明实施例提供的一种功率放大器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种功率放大器的电路结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种功率放大器的电路结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种场效应管的电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种功率放大器的功率增益随输入功率变化的曲线图；
图8是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明的是，本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
需要说明的是，本发明实施例所用的第一、第二……仅表示不同位置的元件不对元件的参数或功能进行限定；或者表示不同的参数，但不对参数的大小进行限定。
参考图1，图1为相关技术提供的一种功率放大器的电路结构示意图，如图1所示，功率放大器包括：射频信号输入端RFin、射频信号输出端RFout、偏置电路、晶体管放大电路M1、晶体管放大电路M2、一电感L和电容C1。
其中，晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。当晶体管放大电路M1为场效应管放大电路时，所述射频信号输入端RFin连接电容C1的第一端，电容C1的第二端连接晶体管放大电路M1的栅极，晶体管放大电路M1的栅极还连接所述偏置电路，晶体管放大电路M2的栅极连接所述偏置电路，晶体管放大电路M1的源极接地，晶体管放大电路M2的源极连接晶体管放大电路M1的漏极，晶体管放大电路M2的漏极分别连接射频信号输出端RFout和电感L的第一端，电感L的第二端连接电源电压。
上述电路中，偏置电路指的是能使电路正常工作的附加电路，在功率放大器中，偏置电路起着非常重要的作用，它决定了功率放大器的工作状态，并在很大程度上影响输出级的失真和稳定。在不同的功率放大器中，偏置电路可能不同，偏置电路的具体电路由技术人员根据需求进行设计。
晶体管放大电路在功率放大器中起功率放大作用，晶体管放大电路可以为：场效应管放大电路或三极管放大电路。在实际应用时，晶体管放大电路M1、晶体管放大电路M2所使用的晶体管可以为LDMOS管、SOI管、CMOS管、同质BJT管或异质BJT管。
在功率放大器的射频信号输出端RFout串接电感L是为了通直流阻交流，让需要放大的交流信号从匹配电路出去。电感的另一端接DC电源，用于给晶体管放大电路供电。
在功率放大器的射频信号输入端RFin串联一个电容的作用是隔直流，通交流。因为类似音频信号等都是交流信号，串联电容可以隔绝直流信号。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种功率放大器的功率增益随输入功率变化的曲线图，其中，所述功率放大器可以为图1所示实施例提供的功率放大器。从图2中可以看出，随着输入功率的增加，曲线从直线开始往下弯曲，即功率放大器的功率增益(Gain)开始降低，通常这种情况称为幅度-幅度失真(AM-AM)。幅度-幅度失真是功率放大器的非线性失真的一种，幅度-幅度失真主要影响功率放大器的交调指标，导致功率放大器交调失真，使得输入信号出现频谱再生效应，从而干扰相邻信道，甚至产生误码。同时，随着输入功率的增大，功率放大器的效率也受到了影响。因此，如何提高功率放大器的线性度是当前亟待解决的问题。
基于此，本发明实施例通过在功率放大器的电路中加入一个线性度补偿电路，从而改善功率放大器的非线性。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参考图3，图3是本发明实施例提供的一种功率放大器的结构示意图，如图3所示，所述功率放大器包括：功率放大电路和线性度补偿电路。
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，所述线性度补偿电路用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
其中，所述功率放大电路可以为任意功率放大电路，例如，可以是图1所示的功率放大电路，偏置电路与晶体管放大电路是功率放大电路所共有的电路和元器件。
参考图4，图4是本发明实施例提供的一种功率放大器的电路结构示意图。在图4中，所述功率放大电路为图1所示的功率放大电路。应理解，本发明实施例所使用的功率放大电路可以为任意功率放大电路，图1所示的功率放大电路仅是本发明实施例的功率放大电路的一种示例，并不是对本发明实施例的功率放大电路的限定。
如图4所示，所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，具体的，线性度补偿电路的第一端连接晶体管放大电路M1，线性度补偿电路的第二端连接偏置电路。
所述线性度补偿电路用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。具体的，线性度补偿电路用于在所述功率放大电路的输入功率增加时，减小所述功率放大电路的射频信号输入端的端口导纳的实部。因为功率放大器的功率增益Gain是与射频信号输入端的端口导纳的实部成反比的，即其中，Re{Yin}为导纳的实部。导纳是阻抗的倒数，也就是说阻抗越大，导纳越小。而导纳＝实部+虚部，导纳越小，导纳的实部就越小，当导纳变小时，功率放大器的功率增益会变大。因此，在功率放大电路的输入功率增加时，通过线性度补偿电路减小所述功率放大电路的射频信号输入端的端口导纳的实部，可以增加功率放大器的功率增益，改善了功率放大器的非线性，即对功率放大电路的非线性失真进行了线性补偿。
具体的线性度补偿电路参考图5，图5是本发明实施例提供的另一种功率放大器的电路结构示意图，图5中的功率放大电路以图1所示的功率放大电路为例，应理解，图1所示的功率放大电路仅是本发明实施例的功率放大电路的一种示例，并不是对本发明实施例的功率放大电路的限定。
如图5所示，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管M0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C2、第二电容C3和第三电容C4。
其中，所述第一场效应管M0的栅极连接所述第二电阻R2的第一端，所述第二电阻R2的第二端连接功率放大电路的偏置电路，所述第一场效应管M0的源极连接所述第一电阻R1的第一端，所述第一电阻R1的第二端接地，所述第一电容C2与所述第一电阻R1并联，所述第一场效应管M0的漏极连接所述第三电容C4的第一端，所述第三电容C4的第二端连接功率放大电路的场效应管放大电路，所述第二电容C3的第一端连接所述第一场效应管M0的栅极，所述第二电容C3的第二端接地。
其中，如果功率放大电路的场效应管放大电路为单级场效应管放大电路，则第三电容C4的第二端连接所述单级场效应管放大电路中的场效应管的栅极。如果所述场效应管放大电路为多级场效应管放大电路，则第三电容的第二端连接所述多级场效应管放大电路中驱动级的场效应管的栅极。
在实际应用时，如果功率放大电路的场效应管放大电路包括多个级联的场效应管，则将第三电容C4连接多个级联的场效应管中源极接地的场效应管的栅极。例如，如图5所示，图5中的功率放大电路中的场效应管放大电路包括2个级联的场效应管M1和M2，其中，场效应管M1的源极接地，所以第三电容C4连接场效应管M1的栅极。
在线性度补偿电路中，第一电容C2与第一电阻R1并联接地的作用是整波，因为直流电源的电压波动会造成纹波过大，通过第一电容C2与第一电阻R1并联接地可以降低纹波。
第一场效应管M0的栅极接第二电阻R2和第二电容C3的作用是保护元器件，因为如果没有栅极电阻，场效应管导通速度过快，高压情况下容易击穿周围的元器件。
第一场效应管M0的漏极接电容的作用是通交流隔直流，因为类似音频信号等都是交流信号，串联电容可以隔绝直流信号。
进一步的，在上述实施例中，场效应管由至少两个并联的子场效应管构成。例如，第一场效应管M0可以包括并联的n个场效应管，n为大于或等于1的自然数。参考图6，图6是本发明实施例提供的一种场效应管的电路结构示意图，如图6所示，场效应管由n个场效应管互相并联组成，各场效应管的栅极、漏极和源极分别互相连接。当有外部电路需要连接场效应管的电极时，只需要连接任意一个子场效应管对应的电极。例如，在图5中，第二电容C3的第一端需要连接所述第一场效应管M0的栅极，则只需要连接第一场效应管M0的任意一个子场效应管的栅极。
在上述实施例中，所述场效应管包括以下任意一种：LDMOS管、SOI管、CMOS管、同质BJT管或异质BJT管。
在图4所示的功率放大器中，线性度补偿电路可以改善功率放大器的非线性，主要是利用线性度补偿电路中第一场效应管M0的开关特性，场效应管具有输入阻抗高，开关速度快的特点。当功率放大器的输入功率小时，场效应管的DS(漏极-源极)导通电阻较小，第一场效应管M0在整个交流信号周期内都为线性区，此时线性度补偿电路的等效阻抗较小。当输入功率变大时，第一场效应管M0的漏极电压上升，线性度补偿电路的等效阻抗变大，当功率大到一定时，场效应管开关就关断了，线性度补偿电路的等效阻抗不再变化。也就是说，线性度补偿电路可以等效于一个并联在功率放大电路的输入上的可变电阻，起到匹配阻抗的作用，使得功率放大器的输入功率匹配阻抗。当功率放大电路的输入功率小的时候，其等效阻抗也小；当功率放大电路的输入功率变大的时候，其等效阻抗也变大。
线性度补偿电路的等效阻抗相当于功率放大电路的射频信号输入端的输入阻抗。如上文所述，功率放大器的功率增益Gain与射频信号输入端的端口导纳的实部成反比，即
Figure BDA0002245108980000081
其中，Re{Yin}为导纳的实部。端口导纳是输入阻抗的倒数，也就是说输入阻抗越大，端口导纳越小。而导纳＝实部+虚部，导纳越小，导纳的实部就越小，因此当端口导纳变小时，功率放大器的功率增益会变大。基于此，本发明实施例中的线性补偿度电路可以在不改变负载阻抗的前提下提高功率放大器的线性功率，提高了功率放大器的P-1db，改善了功率放大器的非线性，P-1db是指功率放大器在增益压缩1dB时候的最大输出功率。
参考图7，图7为本发明实施例提供的一种功率放大器的功率增益随输入功率变化的曲线图，如图7所示，由于线性度补偿电路的作用，曲线相比图2所示的曲线更加硬直，从曲线图上表现为直线所在的部分更多，直线可以理解为功率放大器的线性区，在这个区域功率放大器的功率增益是一样的，直线越长，说明率放大器的线性越好。当功率提升到一定的时候，功率放大器进入非线性区，这时候加大功率反而会使得功率增益变低。而通过线性度补偿电路，可以一定程度上改善功率放大器的非线性，使得线性区的直线更长，非线性区的曲线变平或稍微上翘，从而改善了功率放大器的非线性，并且提高了功率放大器的效率。
在上述图2和图7中，并不是功率增益越大越好，只要功率增益在一定的区间就行，增益如果太大反而容易自激。曲线的最后都会出现下降，这是因为功率放大器在其最大输出功率时其元器件达到饱和，再增加功率可能会烧坏元器件，所以无法再增加输入功率，因此曲线会向下弯曲。
本发明实施例通过在功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间连接线性度补偿电路，可以对功率放大电路的非线性失真进行线性补偿，从而使得功率放大器的功率增益增加。本发明实施例可以在不改变负载阻抗的前提下提高功率放大器的线性功率，改善了功率放大器的非线性，提高了功率放大器的效率。
参考图8，图8是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图7所示，所述电子设备包括：功率放大器，所述功率放大器包括功率放大电路和线性度补偿电路。
所述功率放大器包括：功率放大电路和线性度补偿电路；
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
所述晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。
所述晶体管放大电路为场效应管放大电路，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述第一场效应管的栅极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述偏置电路，所述第一场效应管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电容与所述第一电阻并联，所述第一场效应管的漏极连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接所述场效应管放大电路，所述第二电容的第一端连接所述第一场效应管的栅极，所述第二电容的第二端接地。
所述场效应管放大电路为多级场效应管放大电路，所述第三电容的第二端连接所述多级场效应管放大电路中驱动级的场效应管的栅极。
每个所述场效应管由至少两个并联的子场效应管构成。
所述场效应管包括以下任意一种：LDMOS管、SOI管、CMOS管、同质BJT管或异质BJT管。
所述电子设备可以为无线通信系统中的发射机、高频加热装置或微波功率源等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：功率放大电路和线性度补偿电路；
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。
3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管放大电路为场效应管放大电路，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述第一场效应管的栅极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述偏置电路，所述第一场效应管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电容与所述第一电阻并联，所述第一场效应管的漏极连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接所述场效应管放大电路，所述第二电容的第一端连接所述第一场效应管的栅极，所述第二电容的第二端接地。
4.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述场效应管放大电路为多级场效应管放大电路，所述第三电容的第二端连接所述多级场效应管放大电路中驱动级的场效应管的栅极。
5.如权利要求3或4所述的功率放大器，其特征在于，每个所述场效应管由至少两个并联的子场效应管构成。
6.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述场效应管包括以下任意一种：LDMOS管、SOI管、CMOS管、同质BJT管或异质BJT管。
7.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述晶体管放大电路包括三极管放大电路。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括功率放大器；
所述功率放大器包括：功率放大电路和线性度补偿电路；
所述线性度补偿电路连接在所述功率放大电路的偏置电路与晶体管放大电路之间，用于对所述功率放大电路的非线性失真进行线性补偿。
9.如权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述晶体管放大电路包括：场效应管放大电路或三极管放大电路。
10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述晶体管放大电路为场效应管放大电路，所述线性度补偿电路包括：第一场效应管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述第一场效应管的栅极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述偏置电路，所述第一场效应管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电容与所述第一电阻并联，所述第一场效应管的漏极连接所述第三电容的第一端，所述第三电容的第二端连接所述场效应管放大电路，所述第二电容的第一端连接所述第一场效应管的栅极，所述第二电容的第二端接地。
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