CN112272012B - 功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率放大器。本发明的功率放大器，其包括偏置电路与放大电路；偏置电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻及第一电容；放大电路包括输入匹配电路与射频功率管；其中，第三三极管为热感应管，射频功率管由2N个相同的三极管以分布式排列连接而形成，且N个三极管以分布式排列连接而形成第一排三极管组，另N个三极管以分布式排列连接而形成第二排三极管组，第三三极管设置于第一排三极管组与第二排三极管组之间，且第三三极管至第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离小于第三三极管至其它器件的距离；N为大于或等于1的自然数。本发明的功率放大器实现了电路在开关状态切换下的动态性能调节。

Description

功率放大器
技术领域
本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种可实现动态性能调节的功率放大器。
背景技术
随着WLAN射频电路系统的发展，衡量射频电路线性度的指标主要为(矢量误差幅度)EVM性能，而通过设置偏置电路为功率放大器提供线性补偿，以提升射频电路的EVM性能为普遍而成熟的做法。
图1为现有功率放大器的结构示意图，如图1所示，功率放大器包括偏置电路与放大电路。从图中电路所示，在放放大电路工作时，随着RF in信号的增加，放大器的线性度随着晶体管HBT0的工作状态的变化逐渐降低，需要通过偏置电路提供额外的补偿电流来提升电路的线性度。而在偏置电路中，由于晶体管HBT1和电容C1，射频信号通过电阻R1流入到偏置电路中，然后因为晶体管HBT1的的整流作用，整流之后的射频信号转化为直流信号流入晶体管HBT0中，为放大电路提供了补偿，使得电路的线性度提升。因此，偏置电路对放大电路的补偿作用是提升电路线性度重要途径，上述现有的功率放大器中，主要考虑的是电路在静态工作时的EVM，但实际的WLAN收发器工作时使用的是时分双工(TDD)，当接收信号的时候需要关闭功率放大器来降低整体电路的功耗，所以功率放大器必须以一定的占空比周期性地打开和关闭，在功率放大器动态切换过程中产生的电热瞬态变化引起电路的记忆效应：功率放大器开启后，在开关切换时间之内，电路的静态电流增大不能达到稳定状态，导致电路增益下降，会造成电路的EVM性能退化。所以需要设计一种偏置补偿电路来提升电路动态性能调节能力。
有必要提供一种改进的功率放大器，以提升电路动态性能调节能力，同时增强对放大电路的线性补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率放大器，本发明的功率放大器提升了电路在开关状态切换下的动态性能，且实现了电路在开关状态切换下的动态性能调节提高了整个电路工作的稳定性。
为实现上述目的，本发明公开了一种功率放大器，其包括偏置电路与放大电路；所述偏置电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻及第一电容，所述第一三极管的发射极与第一电阻连接，且第一电阻还与所述放大电路连接，所述第二三极管的集电极与第二电阻连接，所述第二三极管的集电极、基极及所述第一三极管的基极共同连接，所述第三三极管的基极与所述第二三极管的发射极连接，所述第一电容与所述第一三极管的基极、第二三极管的基极共同连接，外部电压分别输入所述第二电阻、第三三极管的集电极、第一三极管的集电极；所述放大电路主要包括输入匹配电路与射频功率管，外部射频信号通过所述输入匹配电路输入所述放大电路，所述射频功率管分别与输入匹配电路、第一电阻连接，且所述射频功率管输出放大后的射频信号；其中，所述第三三极管为热感应管，所述射频功率管由2N个相同的三极管以分布式排列连接而形成，且N个三极管以分布式排列连接而形成第一排三极管组，另N个三极管以分布式排列连接而形成第二排三极管组，所述第一排三极管组与第二排三极管组形成对称结构，所述第三三极管设置于所述第一排三极管组与第二排三极管组之间，且所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离小于所述第三三极管至其它器件的距离；N为大于或等于1的自然数。
较佳地，所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为20～50um。
较佳地，所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为30um。
较佳地，所述偏置电路还包括第三电阻，所述第三电阻与所述第三三极管的集电极连接，且外部电压输入所述第三电阻。
较佳地，调节所述第三电阻的阻值可调节所述第三三极管的电流密度。
较佳地，调节所述第三电阻的阻值以使所述第三三极管的电流密度与所述射频功率管的电流密度差小于10％。
较佳地，所述射频功率管由8个完全相同的三极管组成。
与现有技术相比，本发明的功率放大器由于所述第三三极管为热感应管，且被设置于所述射频功率管的附近，使得当射频功率管开启时，由于热量在短距离空间内的传导，使得第三三极管的温度也会随着射频功率管温度的升高而升高，进而使得第二三极管的电流增加，相当于在电路工作过程中加入一个负反馈行为，从而会抑制射频功率管在温度上升过程中的电流增加，从而使电流状态迅速到达热平衡，最终静态电流达到稳定。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术的功率放大器的结构示意图。
图2为本发明功率放大器的结构示意图。
图3为本发明功率放大器的射频功率管与第三三极管的排列示例图。
图4为本发明功率放大器在一状态时的静态电流曲线图。
图5为本发明功率放大器在另一状态时的静态电流曲线图。
图6为本发明功率放大器在不同状态下的静态电流曲线对比图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种功率放大器，本发明的功率放大器提升了电路在开关状态切换下的动态性能，且实现了电路在开关状态切换下的动态性能调节，提高了整个电路工作的稳定性。
请参考图2，图2为本发明功率放大器的结构示意图。如图所示，本发明的功率放大器，包括偏置电路与放大电路，所述放大电路对输入的射频信号进行放大，所述偏置电路用以实现对所述放大电路的动态性能调节，并提升整个电路的动态EVM。其中，所述偏置电路包括第一三极管HTB1、第二三极管HTB2、第三三极管HTB3、第一电阻R1、第二电阻R2及第一电容C1；所述第一三极管HTB1的发射极与第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与所述放大电路连接，所述第二三极管HTB2的集电极与第二电阻R2的一端连接，所述第二三极管HTB2的集电极、基极及所述第一三极管HTB1的基极共同连接，所述第三三极管HTB3的基极与所述第二三极管HTB2的发射极连接，所述第三三极管HTB3的发射极接地，所述第一电容C1的一端与所述第一三极管HTB1的基极、第二三极管HTB2的基极共同连接，所述第一电容C1的另一端接地；外部电压Vctrl输入所述第二电阻R2的另一端、第三三极管HTB3的集电极，外部电压Vccb输入所述第一三极管HTB1的集电极。其中，所述放大电路主要包括输入匹配电路与射频功率管HTB0，外部射频信号RF in通过所述输入匹配电路输入所述放大电路，所述射频功率管HTB0分别与输入匹配电路、第一电阻R1连接，且所述射频功率管HTB0输出放大后的射频信号RF out；具体地，所述输入匹配电路由电感L0与电容C0组成，所述第一电阻R1的另一端、所述射频功率管HTB3的基极均与所述电容C0连接。上述各器件的功能作用及结构特征均与背景技术相同，在此不再细述。
在上述电路结构中，当控制电压Vctrl从关闭状态切换到开启状态时，偏置电路开启，流过所述射频功率管HBT0的电流增加，同时导致射频功率管HBT0温度增加，跨导降低；由于HBT晶体管的温度特性，射频功率管HBT0的基极与发射极之间的电压VBE下降，进一步引起射频功率管HBT0静态电流上升，跨导下降，增益减小，这一过程是正反馈行为，直接造成电路的线性失真，如果在射频功率管HBT0开关切换过程的时间内射频功率管HBT0的静态电流不能达到稳定，那么电路的动态EVM将会发生恶化。因此，在本发明中，为了提升整个电路动态EVM性能，将所述第三三极管HBT3设置为热感应管，且位于所述射频功率管HBT0附近，即所述第三三极管HBT3与其它器件之间的距离均大于其与所述射频功率管HTB0的距离；当射频功率管HBT0开启时，由于热量在短距离空间内的传导，使得第三三极管HBT3的温度也会随着射频功率管HBT0温度的升高而升高，此时第三三极管HBT3电流随温度升高而增加导致电流I2增加，因而对整个电路分析可以得到第一三极管HBT1的基极电压VB＝Vctrl-R2I2，电流I2的增加会降低第一三极管HBT1的基极电压，这一过程相当于在电路工作过程中加入一个负反馈行为，从而会抑制射频功率管HBT0在温度上升过程中的电流增加，从而使电流状态迅速到达热平衡，最终静态电流达到稳定。
具体地，在本发明中，所述射频功率管HTB0由2N个相同的三极管以分布式排列连接而形成，基中，N个三极管以分布式排列连接而形成第一排三极管组，另N个三极管以分布式排列连接而形成第二排三极管组，所述第一排三极管组与第二排三极管组形成对称结构，所述第三三极管HTB3设置于所述第一排三极管组与第二排三极管组之间，且所述第三三极管HTB3至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离小于所述第三三极管HTB3至其它器件的距离,以使得当所述射频功率管HTB0开启后，其产生的热量能迅速地传导至所述第三三极管HTB3上，从而使得所述第三三极管HTB3上的电流随之增加。其中，N为大于或等于1的自然数，在实际使用过程中，N的取值可根据具体对射频功率管HTB0的要求而灵活选择，在此不做过多限定。
在本发明的优选实施方式中，所述第三三极管HTB3至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为20～50um；在该距离范围内，既可保证所述射频功率管HTB0上产生的热量可迅速传导至所述第三三极管HTB3上，同时，又不影响两个器件的相互独立工作。更进一步地，经过发明人的多次实验得出，当所述第三三极管HTB3至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为30um时，整个电路的静态电流到达热平衡的速度更快。具体地，请再结合参考图3，图3为本发明功率放大器的射频功率管与第三三极管的排列示例图；如图所示，所述射频功率管由8个完全相同的三极管以分布式排列连接而形成，也即N的取值为4，每排三极管组均由4个三极管构成，所述第三三极管HTB3位于两排三极管组的中间，且所述第三三极管HTB3距离每排三极管组的中心的距离为30um。显而易见地，图3所示仅为一示例，在应用中并不限于这种排列方式及距离大小。
另外，众所周知地，三极管在电路工作时的温度主要是由管芯中流过的电流密度决定的。在本发明的优选实施方式中，为更好地调节所述第三三极管HTB3的温度值，在所述偏置电路中还设置有第三电阻R3。具体地，所述第三电阻R3与所述第三三极管HTB3的集电极连接，且外部电压Vctrl输入所述第三电阻R3；在本发明中，通过设计不同的第三电阻R3的阻值，可以得到不同的第三三极管HBT3的静态电流大小；例如，减小第三电阻R3的阻值，可以使第三三极管HBT3集电极电压增加，从而增加第三三极管HBT3的电流密度，而由于三极管的温度和电流密度呈正相关的关系(温度高导致电流密度增高，同样的电流密度增加也会使三极管的温度增加)，所以，会导致第三三极管HBT3的温度上升，当第三三极管HBT3管芯的电流密度接近射频功率管HBT0管芯电流密度时，那么当偏置电路开启后，第三三极管HBT3温度达到接近射频功率管HBT0温度的时间减小，使电路的动态性能提升。当然，第三电阻R3的阻值并不是越小越好，第三电阻R3的阻值越小，第三三极管HBT3的电流密度增大，温度高于射频功率管HBT0，这对电路动态性能的提升意义不大而且会带来功耗的增加；所以，在应用过程中，所述第三电阻R3的阻值是一个使所述第三三极管HBT3的电流密度与所述射频功率管HBT0的电流密度差小于10％的范围值，因为在此差值范围内，整个电路的静态电流会有最好的性能，因此可在设计中调节第三电阻R3的电阻值以达到最佳效果。具体地，请再结合参考图4与图5，当第三三极管HBT3管芯的电流密度远小于射频功率管HBT0管芯电流密度时，第三三极管HBT3的温度远低于射频功率管HBT0温度，那么当偏置电路开启后，第三三极管HBT3升高达到接近于射频功率管HBT0温度所需时间较长；此时，通过仿真得出整个电路的静态电流与时间的变化关系曲线如图4所示，从图中可以看出，整个电路的静态电流在开关时间之内一直增加，达到电流稳定时间较长；而当第三三极管HBT3管芯的电流密度接近射频功率管HBT0管芯电流密度时，那么当偏置电路开启后，所述第三三极管HBT3温度达到接近射频功率管HBT0温度的时间减小，使电路的动态性能提升；此时，通过仿真得出整个电路的静态电流与时间的变化关系曲线如图5所示，从图中可以看出，整个电路和静态电流在较短时间内就达到了稳定状态。
请再结合参考图6，图6为第三三极管HTB3管芯在不同电流密度下的静态电流与时间变化的曲线对比图。其中，图6中虚线所示的曲线对应的第三三极管HTB3管芯的电流密度大于实线所示的曲线对应的第三三极管HTB3管芯的电流密度；对比两条曲线可以看出，随着第三三极管HBT3管芯电流密度的增加，在开关状态切换时间之内，电路静态电流达到稳定的时间减小，电路可以获得更佳的动态性能。
综上所述，本发明的功率放大器可实现放大器在开关切换过程中电流迅速达到稳定状态，从而提升了整个电路的动态EVM性能。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (2)

1.一种功率放大器，包括偏置电路与放大电路；所述偏置电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻及第一电容，所述第一三极管的发射极与第一电阻连接，且第一电阻还与所述放大电路连接，所述第二三极管的集电极与第二电阻连接，所述第二三极管的集电极、基极及所述第一三极管的基极共同连接，所述第三三极管的基极与所述第二三极管的发射极连接，所述第一电容与所述第一三极管的基极、第二三极管的基极共同连接，外部电压分别输入所述第二电阻、第三三极管的集电极、第一三极管的集电极；所述放大电路包括输入匹配电路与射频功率管，外部射频信号通过所述输入匹配电路输入所述放大电路，所述射频功率管分别与输入匹配电路、第一电阻连接，且所述射频功率管输出放大后的射频信号；其特征在于，所述第三三极管为热感应管，所述射频功率管由2N个相同的三极管以分布式排列连接而形成，且N个三极管以分布式排列连接而形成第一排三极管组，另N个三极管以分布式排列连接而形成第二排三极管组，所述第一排三极管组与第二排三极管组形成对称结构，所述第三三极管设置于所述第一排三极管组与第二排三极管组之间，且所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离小于所述第三三极管至其它器件的距离；N为大于或等于1的自然数；所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为20～50um，具体地，所述第三三极管至所述第一排三极管组或第二排三极管组中心的距离为30um；所述偏置电路还包括第三电阻，所述第三电阻与所述第三三极管的集电极连接，且外部电压输入所述第三电阻，调节所述第三电阻的阻值可调节所述第三三极管的电流密度，且调节所述第三电阻的阻值以使所述第三三极管的电流密度与所述射频功率管的电流密度差小于10％。
2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述射频功率管由8个完全相同的三极管组成。
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