CN111030079A - 一种可切换环路增益的供电网络、信号处理系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可切换环路增益的供电网络、信号处理系统及应用，该供电网络用于向功率放大器提供偏置信号，并在功率放大器产生环路增益时消除环路增益；包括第一滤波电路（1）、第二滤波电路（2）和开关（3），所述第一滤波电路（1）一直处于工作状态，所述第二滤波电路（2）经所述开关（3）闭合状态或断开状态，使其与所述第一滤波电路（1）构成谐振频率不同的滤波电路，从而实现对不同的环路增益进行消除。本发明提供的供电网络通过开关的闭合状态或断开状态改变供电网络中工作的滤波电路状态，实现了不同的谐振频率，可以对应不同频率电路的中环路增益比较高的两个频段，实现了不同的环路增益特性，用一个网络就可以提高两个频段的稳定性。

Description

一种可切换环路增益的供电网络、信号处理系统及应用

技术领域

本发明涉及一种可切换环路增益的供电网络、信号处理系统及应用。

背景技术

放大器是能够使较小的能量来控制较大能量的任何器件，包括A类放大器、B类放大器、AB类放大器、D类放大器、T类放大器、射频功率放大器等，其中射频功率放大器（RFPA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

放大器包括一级、二级或多级三极管，通过一级、二级或多级三极管对输入的信号进行放大后输出，为了保证放大器能够处于有效的工作状态对输入的信号进行处理，需要对放大器提供偏置信号使放大器内的三极管处于工作状态。向放大器内的三极管提供偏置信号的电路称为偏置电路。

如图1所示，上面方框位偏置电路，下面方框位射频电路，射频电路包括三极管Q1和三极管Q2。当偏置电路在向三极管Q1和三极管Q2提供偏置信号时，偏置电路与放大器内的三极管形成闭合环路，如图1中的虚线表示。待放大信号输入三极管Q1经放大后输入三极管Q2放大。但经三极管Q1、三极管Q2放大后的信号不会全部进入后级电路，如经三极管Q2放大后的信号不会全部输出，一部分信号会随着闭合环路回到三极管Q1，三极管Q1再次对返回的信号进行放大后输入三极管Q2，三极管Q2再对信号进行放大后再返回，依次循环。这种在闭合环路内形成环路的信号我们用环路增益表述。当环路增益大于1时，信号会在这个闭合环路间不停的放大形成震荡频率，最终引起电路震荡，导致放大器不稳定。

目前，为了消除环路增益对放大器稳定性的影响，在偏置电路中会接入不同的滤波电路。如图1所示，在偏置电路中接入电容C1。由于电容自身有寄生电感，另外，电容与电源和地的连线在射频也等效为电感，导致电容在工作时，电容与这两个电感会在某个频率产生谐振，形成谐振频率。电容在谐振时，阻抗为0欧，当电容C1的谐振频率和闭合环路内的震荡频率一致时，闭合环路的震荡频率会沿电容C1形成的0欧姆阻抗进入地，使其不在闭合环路内持续震荡，从而消除了闭合环路内的震荡，避免了闭合环路产生震荡，保证了放大器的稳定性。也就是说，电容C1的谐振频率通过闭合环路返回的信号经电容C1接地，即信号环路被打破了，无法形成震荡，保证了放大器的稳定性。

放大器通常在一个芯片内集成了多级放大器，用于处理不同的频段信号，以手机内的功率放大器为例，通常有低频和中频两个频段，为了节省成本，这两个频段会共用一个偏置电路提供偏置信号，为了降低闭合环路震荡频率的影响，偏置电路会采用上述方式进行处理，即在偏置电路中接入电容，通过电容消除环路增益。但是，由于低频和中频的环路增益通常情况下并不一致，因此采用如图1所示的电路结构无法保证放大器在不同的频段达到稳定。

发明内容

为了解决现有所存在的技术问题，本发明在此的目的在于提供一种能够产生两种谐振频率的可切换环路增益的供电网络。

为实现本发明的目的，在此所提供的可切换环路增益的供电网络用于向功率放大器提供偏置信号，并在功率放大器产生环路增益时消除环路增益；包括第一滤波电路、第二滤波电路和开关，所述第一滤波电路一直处于工作状态，所述第二滤波电路经所述开关闭合状态或断开状态，使其与所述第一滤波电路构成谐振频率不同的滤波电路，从而实现对不同的环路增益进行消除。

本发明提供的供电网络用于向功率放大器提供偏置信号，其中的第一滤波电路和第二滤波电路用于消除环路增益，第二滤波电路的工作状态经开关的导通、断开控制，使其与第一滤波电路构成谐振频率不同的滤波电路，从而实现对不同的环路增益进行消除。

本发明在此的另一个目的在于提供一种包括了本发明提供的供电网络的信号处理系统。

本发明的有益效果是：本发明提供的供电网络通过开关的闭合状态或断开状态改变供电网络中工作的滤波电路状态，实现了不同的谐振频率，可以对应不同频率电路的中环路增益比较高的两个频段，从而消除了不同频段时闭合环路内的震荡，避免了闭合环路产生震荡，实现了不同的环路增益特性，用一个网络就可以提高两个频段的稳定性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：

图1为本发明记载的现有的两级三极管构成的功率放大器的电路原理图；

图2为本发明提供的由电容滤波电路构成的供电网络的电路原理图之一；

图3为本发明提供的由电容滤波电路构成的供电网络的电路原理图之二；

图4为本发明提供的由电感滤波电路构成的供电网络的电路原理图之一；

图5为本发明提供的由电感滤波电路构成的供电网络的电路原理图之二；

图6为本发明提供的由LC滤波电路构成的供电网络的电路原理图之一；

图7为本发明提供的由LC滤波电路构成的供电网络的电路原理图之二；

图8为本发明提供的供电网络的应用电路原理图之一；

图9为本发明提供的供电网络的应用电路原理图之二；

图10为本发明提供的信号处理系统的电路原理图；

图11为本发明提供的中频电路/低频电路的电路图；

图中：1-第一滤波电路，2-第二滤波电路，3-开关，4-功率放大器，5-阻抗匹配网络，6-频率选择开关，7-控制芯片，8-供电网络，41-中频电路，42-低频电路，51-中频阻抗匹配电路，52-低频阻抗匹配电路。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

参照图2、图3所示，本发明所提供的可切换环路增益的供电网络包括了第一滤波电路1、第二滤波电路2和开关3，第一滤波电路1一直处于工作状态，第二滤波电路2在开关3闭合状态或断开状态下处于工作状态或非工作状态，使其与第一滤波电路1构成谐振频率不同的滤波电路，从而实现对不同的环路增益进行消除，使环路增益变为0，使闭合环路间的功率传输最小化。

本发明提供的可切换环路增益的供电网络为偏置电路，用于向功率放大器内的三极管提供的偏置电流，并在功率放大器产生环路增益时消除环路增益。在此以其应用于手机射频前端，用于对手机射频前端内的功率放大器提供偏置电流为例说明其工作原理，手机射频前端的功率放大器通常用于处理低频和中频两个频段，包括分别用于对低频频段处理的低频电路和用于对中频频段处理的中频电路。本发明提供的供电网络为手机射频前端功率放大器的连接电路简图如图8、图9所示，其中4表示功率放大器，41表示中频电路，42表示低频电路；中频电路41和低频电路42包括两级或两级以上的三极管。

如图8、图9所示，电源经第一滤波电路1和/或第二滤波电路2后加载于中频电路41和低频电路42，为电路中的每一级三极管提供偏置电流；开关3与手机射频前端内的控制芯片连接。控制芯片接收手机基带芯片发出的频率信号，根据频率信号的频率情况输出控制信号控制开关3的开、断，如当基带芯片发出的频率信号为中频信号时，控制芯片输出控制信号控制开关3断开，使第一滤波电路1处于工作状态，第二滤波电路2不接入；此时中频电路41中的闭合环路A产生的环路增益经第一滤波电路1构成的谐振电路消除，如图8所示。

当基带芯片发出的频率信号为低频信号时，控制芯片输出控制信号控制开关3闭合，使第二滤波电路2接入，使其与第一滤波电路1同时处于工作状态；此时低频电路42中的闭合环路B产生的环路增益经第一滤波电路1和第二滤波电路2构成的谐振电路消除，如图9所示。

本文中，开关3的初始状态可是闭合，也可以是断开。如图2所示，当开关3的初始状态为闭合时，第一滤波电路1和第二滤波电路2均处于工作状态时；当控制信号控制开关3断开后，第二滤波电路2断开，仅第一滤波电路1处于工作状态，如图3所示。

如图3所示，当开关3的初始状态为断开时，第一滤波电路1处于工作状态时；当控制信号控制开关3闭合后，第二滤波电路2处于工作状态，与第一滤波电路1共同处于工作状态，如图2所示。

本发明所记载的第一滤波电路1、第二滤波电路2可以采用任何一种滤波电路，在此采用以下滤波电路中的一种：

1）如图2、图3所示，第一滤波电路1为电容C2构成电容滤波电路，第二滤波电路2为电容C3构成的电容滤波电路；

2）如图4、图5所示，第一滤波电路1为电感L1构成的电感滤波电路，第二滤波电路2为电感L2构成的电感滤波电路；

3）如图6、图7所示，第一滤波电路1为电感L3和电容C4构成的LC滤波电路，第二滤波电路2为电感L4和电容C5构成的LC滤波电路。

对于本应用而言，电容C2和电容C3既可以分别接地，也可以连到一起后再接地。因为电容C3的作用是通过它的接入，改变谐振频率。如果因为分别接地而产生了寄生电感，只需调整C3的容值，也可以达到同样的效果。同理上述2）和3）提供的滤波电路同样既可以分别接地，也可以连到一起后再接地。

本发明提供的供电网络通过控制开关3的闭合、断开，实现第二滤波电路2的接入、断开，第二滤波电路2的接入、断开就有了两个谐振频率，分别由第一滤波电路和第一滤波电路+第二滤波电路决定。针对两个谐振频率，通过在环路中接入电容，是为了增大能量损失，减小环路增益，因为能量通过电容进入到“地”，就不会回到第一级形成震荡。这两个谐振频率，可以对应低频和中频电路中环路增益比较高的两个频段，达到分别增加低频和中频电路稳定性的效果。

本发明的偏置电路技术方案是解决放大器闭合环路的震荡问题，实现分别低频和中频电路稳定性的效果。简要的说，本发明的技术方案的目的是把环路增益变为0，从而消除了不同频段时闭合环路内的震荡，避免了闭合环路A/B产生震荡，实现闭合环路A/B间的功率传输最小化，用一个网络就可以提高两个频段的稳定性。

本领域的技术人员应该理解，放大器通常分为偏置电路和射频电路。偏置电路是把三极管偏置到合适的工作状态；射频电路是把信号尽可能地无失真放大。通常在射频电路是通过阻抗匹配实现三极管于前后电路之间的功率传输最大化。

本发明的供电网路作为偏置电路，为三极管提供偏置信号，并在放大电路产生环路增益时消除环路增益。本发明的供电网络通过改变电路工作的滤波电路产生两个不同的谐振频率，减小在震荡频率的环路增益。这与射频电路中进行的匹配阻抗是完全不同。

在此所记载的开关3可以采用任何一种可控开关，在此采用MOS管，在MOS管的G极加载信号即可控制MOS管的闭合、断开。

本发明提供的供电网络可以用于任何信号处理电路中对信号进行处理，在此将其应用于手机射频前端的信号处理系统，参照图10所示，该信号处理系统包括：

功率放大器4，用于信号放大；

阻抗匹配网络5，用于将功率放大器4的输出阻抗匹配到负载的阻抗；

频率选择开关6，以及

控制芯片7，用于接受信号，并根据接受到的信号输出控制信号，控制功率放大器4、频率选择开关6和供电网络8中的开关3的工作状态。

供电网络8为本发明提供的供电网络，用于向功率放大器4提供的偏置电流，并在功率放大器4产生环路增益时消除环路增益；功率放大器4输出的信号经阻抗匹配网络5匹配后经频率选择开关6输出至下级，如天线。

其中，功率放大器4包括用于放大中频信号的中频电路41和用于放大低频信号的低频电路42，阻抗匹配网络5包括与中频电路41相匹配的中频阻抗匹配电路51和与低频电路42相匹配的低频阻抗匹配电路52；频率选择开关6包括与中频阻抗匹配电路51输出端连接的开关S1和与低频阻抗匹配电路52输出端连接的开关S2。

此处所记载的中频电路41、低频电路42可以采用任何一种放大电路，如采用三级串联的共射极三极管分别构成用于放大中频信号的中频电路和用于放大低频信号的低频电路。具体电路结构如图11所示，包括第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5，第一级三极管Q3的集电极经电容C6接第二级三极管Q4的基极，第二级三极管Q4的集电极经电容C7接第三级三极管Q5的基极。第一级三极管Q3的基极作为输入端用于输入频率信号，第三级三极管Q5的集电极作为输出端用于输出经三级三极管处理后的信号。

第一级三极管Q3的发射极、第二级三极管Q4的发射极和第三级三极管Q5的发射极分别接地；第一级三极管Q3的集电极、第二级三极管Q4的集电极和第三级三极管Q5的集电极分别经LC电路接电源VCC。

本发明提供的供电网络提供的偏置电流分别加载于第一级三极管Q3的基极、第二级三极管Q4的基极和第三级三极管Q5的基极，以保证第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5的正常工作。

应注意的是，本文附图11提供的低频（中频）电路是一种典型电路，当然也可以有不同的低频电路、中频电路。

如图11所示，供电网络8与第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5的集电极连接，为集电极提供偏置电流。供电网络8向第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5提供集电极偏置电流时，分别形成如图11所示的环路1和环路2。当环路1、环路2内产生环路增益时，换环路增益经第一滤波电路1和第二滤波电路2消除，避免了因环路增益而导致功率放大器的震荡，保证了电路的稳定性。

第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5的基极偏置电流本文在此利用电流源提供，当然也可以利用其它现有的偏置电路提供。

第一级三极管Q3、第二级三极管Q4和第三级三极管Q5的集电极、基极分别加载偏置信号，使三极管处于有效的工作状态，实现了对输入的信号的放大处理。

本文记记载的中频阻抗匹配电路51、低频阻抗匹配电路52可以采用任何一种阻抗匹配电路，在此提供的中频阻抗匹配电路51包括电感L5、电感L6、电容C8和电容C9，电感L5的一端作为中频阻抗匹配电路51的输入端接中频电路41的输出端，另一端接电感L6的一端并经电容C8接地；电感L6的另一端作为中频阻抗匹配电路51的输出端接开关S1，电感L6的另一端还经电容C9接地。

在此所提供的低频阻抗匹配电路52包括电感L7、电感L8、电容C10和电容C11，电感L7的一端作为低频阻抗匹配电路52的输入端接低频电路42的输出端，另一端接电感L8的一端并经电容C10接地；电感L8的另一端作为低频阻抗匹配电路52的输出端接开关S2，电感L8的另一端还经电容C11接地。

控制芯片7可以采用任何一种能够存储计算机程序，并在供电时运行存储于其内的芯片，其运行的程序实现的功能为：接受手机基带芯片发出的信号，并根据接受的信号输出控制指令控制功率放大器4、频率选择开关6和供电网络8中的开关3的工作状态。

本发明提供的信号处理系统应用于手机射频前端处理信号时，当控制芯片7接收到手机基带芯片发出的指令后，会生成相应的控制信号，控制其他芯片，如功率放大器、频率选择开关等等。此外，控制芯片7还生成一个单独的信号，控制开关3。当基带发出低频工作的信号给控制芯片7时，控制芯片7会生成信号让开关3闭合，把第二滤波电路2接入供电网络。当基带发出中频频工作的信号给控制芯片7时，控制芯片7会生成信号，让开关3断开，不把第二滤波电路2接入供电网络。

以上控制芯片7的控制原理是基于本发明提供的信号处理系统应用于手机射频前端中时的控制原理，当用于其它信号处理时，基本原理相同，区别在于控制芯片7接收的控制信号不同。

本领域中通常1.0GHz以下是低频；频率在1.0GHz以上、2.025GHz（也就是Band34）以下是中频。

本发明提供的供电网络适用对基于砷化镓的三极管、BJT三极管、CMOS管、基于SiGe的三极管、和基于pHEMT的场效应管，同时也适用于由上述三极管构成的放大器。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制，由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种可切换环路增益的供电网络，其特征在于：该供电网络用于向功率放大器提供偏置信号，并在功率放大器产生环路增益时消除环路增益；包括第一滤波电路（1）、第二滤波电路（2）和开关（3），所述第一滤波电路（1）一直处于工作状态，所述第二滤波电路（2）经所述开关（3）闭合状态或断开状态，使其与所述第一滤波电路（1）构成谐振频率不同的滤波电路。

2.根据权利要求1所述的可切换环路增益的供电网络，其特征在于：所述第一滤波电路（1）和所述第二滤波电路（2）分别接地或共地。

3.根据权利要求1或2所述的可切换环路增益的供电网络，其特征在于：所述第一滤波电路（1）为电容滤波电路或电感滤波电路或LC滤波电路。

4.根据权利要求1或2所述的可切换环路增益的供电网络，其特征在于：所述第二滤波电路（2）为电容滤波电路或电感滤波电路或LC滤波电路。

5.根据权利要求1或2所述的可切换环路增益的供电网络，其特征在于：

所述开关（3）在低频时闭合，所述第一滤波电路（1）和所述第二滤波电路（2）处于工作状态；

所述开关（3）在中频时断开，所述第一滤波电路（1）处于工作状态。

6.一种信号处理系统，其特征在于：该系统包括由权利要求1-5任意一项所述的供电网络。

7.根据权利要求6所述的信号处理系统，其特征在于，还包括：

功率放大器（4），用于信号放大；

阻抗匹配网络（5），用于将所述功率放大器（4）的输出阻抗匹配到负载的阻抗；

频率选择开关（6），以及

控制芯片（7），用于接受信号，并根据接受到的信号输出控制信号，控制所述功率放大器（4）、所述频率选择开关（6）和所述供电网络中的开关（3）的工作状态。

8.根据权利要求7所述的信号处理系统，其特征在于：所述功率放大器（4）包括中频电路和低频电路，所述阻抗匹配网络（5）包括与所述中频电路相匹配的中频阻抗匹配电路和与所述低频电路相匹配的低频阻抗匹配电路；所述频率选择开关（6）包括与所述中频阻抗匹配电路输出端连接的开关S1和与所述低频阻抗匹配电路输出端连接的开关S2；

当基带发出低频工作的信号给控制芯片（7）时，控制芯片7信号控制开关（3）闭合，把第二滤波电路（2）接入供电网络，当基带发出中频工作的信号给控制芯片（7）时，控制芯片（7）信号控制开关（3）断开，第二滤波电路（2）不接入供电网络。

9.根据权利要求8所述的信号处理系统，其特征在于：所述中频电路和/或所述低频电路为一个三级串联的共射极放大电路。

10.可切换环路增益的供电网络的应用，其特征在于：权利要求1-5任意一项所述的可切换环路增益的供电网络在手机射频前端的应用。

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