CN111130467A - 功率放大电路的自激振荡抑制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种功率放大电路的自激振荡抑制装置和方法，属于电子技术领域，所述功率放大电路包括场效应管和反馈回路，所述装置包括：跨接在所述场效应管的漏极和栅极之间的第一补偿电路；和与所述反馈回路中的反馈电阻相并联的第二补偿电路；可以解决现有的功率放大电路由于负反馈程度较深引起的自激振荡的问题；由于第一补偿电路可以将开环增益曲线整体前移、第二补偿电路可以加快反馈增益曲线与开环增益曲线闭合的速度，从而使得开环增益曲线与反馈增益曲线在产生自激振荡之前闭合，从而抑制功率放大电路的自激振荡现象，从而提高功率放大电路的稳定性。

Description

功率放大电路的自激振荡抑制装置和方法

技术领域

本申请涉及一种功率放大电路的自激振荡抑制装置和方法，属于电子技术领域。

背景技术

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。功率放大电路通常包括多级放大电路。而多级放大电路的电压增压较大，开环状态下，输入很小的信号都会引起放大电路产生线性失真现象。

而负反馈放大电路是通过反馈回路将多级放大电路进行闭环，从而将放大电路的电压增益降低，带宽增大。

但是，当负反馈的程度较深时，由于放大电路内部容性元件对信号相位的影响，可能会使反馈信号的相位和输入信号的相位出现反相的情况。此时，当两个信号叠加时，负反馈电路将变成正反馈电路，引起电路震荡(即放大电路的自激震荡)。在自激振荡的现象严重时，即使不输入信号，功率放大电路在闭环下工作仍然不稳定，输出的纹波较大。因此，亟需一种抑制自激震荡的装置和方法，以提高功率放大电路的稳定性。

发明内容

本申请提供了一种功率放大电路的自激振荡抑制装置和方法，可以解决现有的功率放大电路由于负反馈程度较深引起的自激振荡的问题。本申请提供如下技术方案：

第一方面，提供了一种功率放大电路的自激振荡抑制装置，所述功率放大电路包括场效应管和反馈回路，所述装置包括：

跨接在所述场效应管的漏极和栅极之间的第一补偿电路；

和与所述反馈回路中的反馈电阻相并联的第二补偿电路。

可选地，所述第一补偿电路用于降低所述功率放大电路的目标极点频率。

可选地，所述第一补偿电路包括串联的第一电容和第一电阻。

可选地，所述第二补偿电路用于增加所述反馈回路的反馈增益曲线与所述功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度。

可选地，所述第二补偿电路包括串联的第二电容和第二电容。

第二方面，提供了一种功率放大电路的自激振荡抑制方法，用于第一方面提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置中，所述方法包括：

获取所述功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标；

获取所述反馈回路的反馈增益曲线与所述功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度的速度调节目标；

基于所述频率调节目标确定所述第一补偿电路中各个器件的第一器件参数；

基于所述速度调节目标确定所述第二补偿电路中各个器件的第二器件参数；

使用具有所述第一器件参数的第一补偿电路、和具有所述第二器件参数的第二补偿电路对所述功率放大电路进行自激振荡抑制。

可选地，所述第一补偿电路包括第一电容和第一电阻，所述基于所述频率调节目标确定所述第一补偿电路中各个器件的第一器件参数，包括：

基于所述频率调节目标指示的目标极点频率确定所述第一电容的电容值和所述第一电阻的电阻值。

可选地，所述第二补偿电路包括第二电容和第二电阻，所述基于所述速度调节目标确定所述第二补偿电路中各个器件的第二器件参数，包括：

基于所述速度调节目标确定所述反馈增益曲线在目标位置的目标斜率；

基于所述目标斜率和所述目标位置的极点频率确定所述第二电容的电容值和所述第二电阻的电阻值。

可选地，所述方法还包括：

确定所述功率放大电路的放大级数是否大于1；

在所述功率放大电路的放大级数大于1时，触发执行所述获取所述功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标的步骤。

本申请的有益效果在于：通过在功率放大电路的场效应管的漏极和栅极之间跨界第一补偿电路、在反馈回路中的反馈电阻两端并联第二补偿电路；可以解决现有的功率放大电路由于负反馈程度较深引起的自激振荡的问题；由于第一补偿电路可以将开环增益曲线整体前移、第二补偿电路可以加快反馈增益曲线与开环增益曲线闭合的速度，从而使得开环增益曲线与反馈增益曲线在产生自激振荡之前闭合，从而抑制功率放大电路的自激振荡现象，从而提高功率放大电路的稳定性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置的结构示意图；

图2是本申请一个实施例提供的功率放大电路的低频等效电路的示意图；

图3是本申请一个实施例提供的功率放大电路的高频等效电路的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的功率放大电路的开环增益曲线(曲线)和反馈增益曲线(直线)的两种相交情况；

图5是本申请一个实施例提供的补偿后的功率放大电路的开环增益曲线和反馈增益曲线的示意图；

图6是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制方法的流程图；

图7是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

图1是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置的结构示意图，如图1所示，功率放大电路包括n级放大电路和反馈回路11，n为大于1的整数。

可选地，n级放大电路中的包括至少一级放大电路包括场效应管12。

功率放大电路的自激振荡抑制装置包括：跨接在所述场效应管12的漏极和栅极之间的第一补偿电路13；和与所述反馈回路11中的反馈电阻R18相并联的第二补偿电路14。

参考图1，下面对功率放大电路举一个实例进行说明，按照信号输入至输出端的顺序，功率放大电路主要包括：第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、三极管Q1、第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、和第四场效应管M4和由反馈电阻R18构成的反馈回路11。

其中，第一运算放大器U1的输出端通过电阻R3与第二运算放大器U2的反相输入端相连、且第一运算放大器U1的输出端还连接(可以通过至少一个电阻连接)至该第一运算放大器U1的反相输入端。反馈回路11由功率放大电路的输出端连接至电阻R3和第二运算放大器U2的反相输入端之间。第二补偿电路14与反馈回路11中的反馈电阻R18并联。

第二运算放大器U2的输出端与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极分别通过栅极电阻R8连接至第一场效应管M1的栅极、通过集电极电阻R7连接至第一场效应管M1的源极，第一场效应管M1的栅极和漏极上跨界有第一补偿电路13。三极管Q1的发射极接地。

第二场效应管M2的漏极与第一场效应管的漏极相连、第二场效应管M2的栅极连接至地、第二场效应管M2的源极通过电阻R12分别连接至地和第四场效应管M4的漏极。第二场效应管M2的漏极还与第四场效应管M4的栅极相连。

第三场效应管M3的连接方式与第四场效应管M4的连接方式向对称，区别在于：第三场效应管M3的栅极连接至第一场效应管M1的漏极、第三场效应管的漏极连接通过第一场效应管M1的源极电阻R9连接至第一场效应管M1的源极。

第三场效应管M3的源极与第四场效应管M4的源极相连，且第三场效应管M3的源极与第四场效应管M4的源极之间引出功率放大电路的输出端。

需要说明的是，功率放大电路还可以包括更多的器件，比如图1中所示的R1、R2、DR1、DR2等，本实施例在此不再一一说明。另外，图1所示的功率放大电路仅为示意性的，本实施例不对功率放大电路的实现方式作限定。

基于图1所示的功率放大电路，参考图2所示的该功率放大电路的低频等效电路。由图2可知，功率放大电路的低频等效电路为包括四级放大电路的开环形式。在低频下，多级放大电路的电压增益等于各级放大电路电压增益的乘积。为了获得其电压增益，需要将每一级放大电路的电压增益求出。各级放大电路的电压增益为该级放大电路的输出电压与输入电压的比值。

基于图1所示的功率放大电路，参考图3所示的该功率放大电路的高频等效电路。各级功率管的极间电容只对各级电路的输入端有影响，再考虑到负载带来的频率极点，开环放大电路主要具有四个极点频率。由于每级放大电路的输入端相当于是一阶低通电路，因此，各级放大电路的极点频率可以按照低通电路的截止频率的计算方式来计算。即，对于每级放大电路，计算出该级放大电路的输入电阻的电阻值；计算该级放大电路的等效电容的电容值；然后利用下述截止频率计算公式计算出对应的极点频率，截止频率计算公式如下：

其中，R为当前一级放大电路的输入电阻的阻值，R的值可以基于图3所示的高频等效电路计算得到；C为当前一级放大电路的等效电容的电容值，C的值可以基于图3所示的高频等效电路计算得到。

参考图4所示的功率放大电路的开环增益曲线(曲线)和反馈增益曲线(直线)的两种相交情况，图4中的(a)表示放大电路不自激的情况。然而，在实际实现时，由于对于深度负反馈电路来说，为了获得较大的带宽，通常会选择增大反馈系数F，使反馈线下移，这样会引起自激振荡，对于深度负反馈放大电路来说出现图4中(b)的环路曲线情况。

为了避免功率放大电路发生自激震荡，就需要保证图4中(b)的开环增益曲线和反馈增益曲线以40dB/dec的闭合斜率进行相交，但不能是以降低带宽为代价。因此，功率放大电路需要采取频率补偿措施，在保证放大电路低频增益和带宽的前提下，抑制自激振荡。

本申请中，通过增加第一补偿电路可以增加图3中等效电容C_M2的电容值、以及输入电阻R₂的电阻值，从而可以降低极点频率f₀₂的频率。参考图5，此时，极点频率f₀₂移动至点f_p，从而使开环增益曲线整体前移，以加快与反馈增益曲线相交的速度。

另外，通过增加第二补偿电路，可以更改功率放大电路的反馈增益曲线，即在反馈增益曲线上增加一个拐点(或称极点)f_p0，以使该拐点之后的曲线以期望速度与开环增益曲线闭合。

增加第二补偿电路后的反馈增益曲线可通过下式表示：

其中，R_f为第二电阻的电阻值、C_f为第二电容的电容值、S＝jω。

极点f_p0可通过下式计算得到：

综上所述，本申请提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置，通过在功率放大电路的场效应管的漏极和栅极之间跨界第一补偿电路、在反馈回路中的反馈电阻两端并联第二补偿电路；可以解决现有的功率放大电路由于负反馈程度较深引起的自激振荡的问题；由于第一补偿电路可以将开环增益曲线整体前移、第二补偿电路可以加快反馈增益曲线与开环增益曲线闭合的速度，从而使得开环增益曲线与反馈增益曲线在产生自激振荡之前闭合，从而抑制功率放大电路的自激振荡现象，从而提高功率放大电路的稳定性。

图6是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制方法的流程图，本实施例以该方法应用于图1所示的功率放大电路的自激振荡抑制装置中为例进行说明。该方法至少包括以下几个步骤：

步骤601，获取功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标。

可选地，确定功率放大电路的波特图，基于波特图中目标场效应管所在放大电路的目标极点频率，确定该目标极点频率调节后的位置，以生成用于指示该目标极点频率调节后的位置的频率调节目标。

比如：基于图5可知，极点频率f₀₂(目标极点频率)移动至点f_p，f_p为频率调节目标指示的频率位置。

步骤602，获取反馈回路的反馈增益曲线与功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度的速度调节目标。

可选地，确定功率放大电路的波特图，基于波特图中反馈增益曲线与开环增益曲线的期望交点确定速度调节目标。

比如：基于图5可知，反馈增益曲线与开环增益曲线的期望交点为点51，此时，反馈增益曲线上增加一个拐点(或称极点)f_p0，以使该拐点之后的曲线以期望速度与开环增益曲线闭合，从而使得反馈增益曲线与开环增益曲线在点51相交。

步骤603，基于频率调节目标确定第一补偿电路中各个器件的第一器件参数。

第一补偿电路包括第一电容和第一电阻。

基于频率调节目标确定第一补偿电路中各个器件的第一器件参数，包括：基于频率调节目标指示的目标极点频率确定第一电容的电容值和第一电阻的电阻值。

具体地，确定功率放大电路的高频等效电路，确定目标场效应管对应的等效电容和所在放大电路的输入电阻；基于该频率调节目标指示的目标极点频率确定出的等效电容的电容值和输入电阻的电阻值，根据等效电容的电容值确定出第一电容的电容值、根据输入电阻的电阻值确定出第一电阻的电阻值。

步骤604，基于速度调节目标确定第二补偿电路中各个器件的第二器件参数。

第二补偿电路包括第二电容和第二电阻，基于速度调节目标确定第二补偿电路中各个器件的第二器件参数，包括：基于速度调节目标确定反馈增益曲线在目标位置的目标斜率；基于目标斜率和目标位置的极点频率确定第二电容的电容值和第二电阻的电阻值。

具体地，以目标斜率作为反馈增益曲线在目标位置的导数、以目标位置对应的频率作为极点频率确定第二电容的电容值和第二电阻的电阻值。

比如：对增加第二补偿电路后的反馈增益曲线的表达式在目标位置(拐点)处进行求导，求导结果为目标斜率，从而可以确定出求导公式中的第二电容的电容值、第二电阻的电阻值与目标斜率的关系；将目标位置的极点频率确作为极点f_p0的表达式的结果，从而可以确定出极点频率的计算公式中的第二电容的电容值、第二电阻的电阻值与极点频率的关系；基于第二电容的电容值、第二电阻的电阻值与目标斜率的关系，和第二电容的电容值、第二电阻的电阻值与极点频率的关系，可以确定出第二电阻的电阻值和第二电容的电容值。

步骤605，使用具有第一器件参数的第一补偿电路、和具有第二器件参数的第二补偿电路对功率放大电路进行自激振荡抑制。

可选地，由于深度负反馈的功率放大电路存在自激振荡的概率较大，因此，在步骤60之前，确定功率放大电路的放大级数是否大于1；在功率放大电路的放大级数大于1时，触发执行获取功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标的步骤。在功率放大电路的放大级数等于1时，流程结束。

综上所述，本实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制方法，通过在功率放大电路的场效应管的漏极和栅极之间跨界第一补偿电路、在反馈回路中的反馈电阻两端并联第二补偿电路；可以解决现有的功率放大电路由于负反馈程度较深引起的自激振荡的问题；由于第一补偿电路可以将开环增益曲线整体前移、第二补偿电路可以加快反馈增益曲线与开环增益曲线闭合的速度，从而使得开环增益曲线与反馈增益曲线在产生自激振荡之前闭合，从而抑制功率放大电路的自激振荡现象，从而提高功率放大电路的稳定性。

图7是本申请一个实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置的框图，本实施例以该装置应用于图1所示的功率放大电路的自激振荡抑制装置中为例进行说明。该装置至少包括以下几个模块：频率获取模块710、速度获取模块720、第一参数获取模块730、第二参数获取模块740和振荡抑制模块750。

频率获取模块710，用于获取所述功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标；

速度获取模块720，用于获取所述反馈回路的反馈增益曲线与所述功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度的速度调节目标；

第一参数获取模块730，用于基于所述频率调节目标确定所述第一补偿电路中各个器件的第一器件参数；

第二参数获取模块740，基于所述速度调节目标确定所述第二补偿电路中各个器件的第二器件参数；

振荡抑制模块750，用于使用具有所述第一器件参数的第一补偿电路、和具有所述第二器件参数的第二补偿电路对所述功率放大电路进行自激振荡抑制。

相关细节参考上述方法实施例。

需要说明的是：上述实施例中提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置在进行功率放大电路的自激振荡抑制时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将功率放大电路的自激振荡抑制装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的功率放大电路的自激振荡抑制装置与功率放大电路的自激振荡抑制方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种功率放大电路的自激振荡抑制装置，其特征在于，所述功率放大电路包括场效应管和反馈回路，所述装置包括：

跨接在所述场效应管的漏极和栅极之间的第一补偿电路；

和与所述反馈回路中的反馈电阻相并联的第二补偿电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一补偿电路用于降低所述功率放大电路的目标极点频率。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一补偿电路包括串联的第一电容和第一电阻。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二补偿电路用于增加所述反馈回路的反馈增益曲线与所述功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二补偿电路包括串联的第二电容和第二电容。

6.一种功率放大电路的自激振荡抑制方法，其特征在于，用于权利要求1至5任一所述的功率放大电路的自激振荡抑制装置中，所述方法包括：

获取所述功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标；

获取所述反馈回路的反馈增益曲线与所述功率放大电路的开环增益曲线的闭合速度的速度调节目标；

基于所述频率调节目标确定所述第一补偿电路中各个器件的第一器件参数；

基于所述速度调节目标确定所述第二补偿电路中各个器件的第二器件参数；

使用具有所述第一器件参数的第一补偿电路、和具有所述第二器件参数的第二补偿电路对所述功率放大电路进行自激振荡抑制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一补偿电路包括第一电容和第一电阻，所述基于所述频率调节目标确定所述第一补偿电路中各个器件的第一器件参数，包括：

基于所述频率调节目标指示的目标极点频率确定所述第一电容的电容值和所述第一电阻的电阻值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二补偿电路包括第二电容和第二电阻，所述基于所述速度调节目标确定所述第二补偿电路中各个器件的第二器件参数，包括：

基于所述速度调节目标确定所述反馈增益曲线在目标位置的目标斜率；

基于所述目标斜率和所述目标位置的极点频率确定所述第二电容的电容值和所述第二电阻的电阻值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述功率放大电路的放大级数是否大于1；

在所述功率放大电路的放大级数大于1时，触发执行所述获取所述功率放大电路的目标极点频率的频率调节目标的步骤。

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