CN112532193A - 一种基于二极管反馈的晶体管放大器、芯片及电子设备 - Google Patents

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    • H03F3/45—Differential amplifiers

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Abstract

本申请涉及一种基于二极管反馈的晶体管放大器，包括：三端晶体管，所述三端晶体管包括控制端和输出端；反馈电路，电连接于所述控制端和所述输出端之间，所述反馈电路包括二极管。

Description

一种基于二极管反馈的晶体管放大器、芯片及电子设备
技术领域
本申请属于电子电路领域，特别涉及一种基于二极管反馈的晶体管 放大器、芯片及电子设备。
背景技术
多年来，在电子电路领域中，稳定性一直是困扰放大器设计的难题 之一。为了解决放大器的稳定性问题，目前业界通常采用各种负反馈技 术。比如电阻反馈、电容反馈、阻容RC反馈、源极电阻反馈等等。
其中，源极串电阻的反馈技术通常会牺牲效率。本申请的发明人发 现，在输出功率波动较大时，采用其他三种反馈方式的功率放大器的在 功率输出较大时的信号失真较大，传输特性并不稳定，线性度不好。
发明内容
本申请旨在提供一种晶体管放大器、芯片及电子设备。
本申请的一个实施例提供了一种晶体管放大器，包括：三端晶体管， 所述晶体管包括控制端和输出端；反馈电路，电连接于所述控制端和所 述输出端之间，所述反馈电路包括二极管。
本申请的另一实施例还提供了一种芯片，包括前述任意一种晶体管 放大器。
本申请的另一实施例还提供了一种电子设备，包括前述任意一种晶 体管放大器，或者包括前述任意一种芯片。
利用前述晶体管放大器、芯片及电子设备，可以在放大器中的晶体 管处引入一种二极管反馈电路。当放大器在小功率输出时，二极管处于 反向截止状态，位于反馈电路并不工作，此时增益恒定无变化。当放大 器输出功率达到一定程度时，由于PN结的自偏置效应，晶体管的静态 工作偏置点将离开原先的class-AB状态，进入高偏置状态，增益开始上翘，而同时位于晶体管漏极节点上的电压摆幅将驱动反馈电路中的反向 连接二极管反向导通，实现信号的反馈，又将增益拉低，明显缓解增益 的上翘(AM-AM失真)。
利用本申请中的二极管反馈电路，可以使得晶体管在处于较大功率 输出状态时仍能保持相对较好的传输特性。即，在使用相同的晶体管， 在相同的功率输出范围内，本申请所示出的放大器的传输特性可以更稳 定，线性度可以更高。在使用相同晶体管，且传输特性需求相同的情况 下，本申请的放大器的适用功率范围更宽。在相同的功率范围需求和相 同的传输特性需求下，本申请所示出的放大器可以采用额定功率更小的 晶体管，使得成本更低、体积更小。
附图说明
图1A示出了现有技术中的基于电阻反馈的晶体管放大电路的 原理示意图。
图1B示出了现有技术中的基于电容反馈的晶体管放大电路的 原理示意图。
图1C示出了现有技术中的基于阻容反馈的晶体管放大电路的 原理示意图。
图1D示出了现有技术中的基于源极电阻反馈的晶体管放大电 路的原理示意图。
图1E示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器在输入 为正弦交流信号时电流输出波形。
图1F示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的增益 曲线。
图1G示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的邻道 功率比(ACPR)曲线。
图1H示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的误差 向量幅度(EVM)曲线。
图2A示出了本申请的一个实施例基于二极管反馈的晶体管放 大器的原理示意图。
图2B示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管放大器在输 入为正弦交流信号时电流输出波形。
图2C示出了图2A所示基于二极管反馈的晶体管放大电路的电 流增益曲线示意图。
图2D示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管放大器的邻 道功率比(ACPR)曲线。
图2E示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管放大器的误 差向量幅度(EVM)曲线。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“一种基于 二极管反馈的晶体管放大器、芯片及电子设备”的实施方式，本领域技 术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可 通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也 可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。 另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先 声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所 公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
在电子电路领域中，稳定性是多年来困扰放大器设计的难题之一。 为了解决稳定性问题，目前业界通常采用各种负反馈技术。比如，输出 到输入的基于电阻反馈的晶体管放大电路(如图1A所示)、基于电容反 馈的晶体管放大电路(如图1B所示)、基于阻容RC反馈的晶体管放大 电路(如图1C所示)和基于源极电阻反馈的晶体管放大电路(如图1D 所示)等等。
其中，由于源极串电阻的反馈技术通常会牺牲效率，因此这种技术 在射频功放领域较少采用。而其他三种电路结构经常用于电路稳定性调 节和增益调节。同时，在如今大部分终端放大器中，对效率的追求越来 越高，这就通常要求我们的PA设计工作在calss-AB的工作状态。在 class-AB工作点的PA，通常偏置点较低，优点就是同时兼顾了效率和线 性度，但是也有一个缺点，就是PA的工作点随着输出功率越来越高， 动态电流越来越大，PA本身的静态偏置点也随之上升。从PA的增益曲 线我们可以看到这个现象，就是增益曲线随着输出功率增加，而发生上 翘。该曲线的不平坦，反应在PA的线性度领域，就是EVM恶化，和ACPR的恶化，影响本身信道内的误码率和相邻信道的正常工作。
在图1A至图1D所示的现有技术中，基于阻容RC反馈的晶体管放 大器的工作效率和线性度相对较好，为业界主流方案，后文将通过对比 基于阻容RC反馈的晶体管放大器，来介绍本申请的基于二极管反馈的 晶体管电路。
本申请的一个实施例提供了一种晶体管放大器，包括：三端晶体管， 所述晶体管包括控制端和输出端；反馈电路，电连接于所述控制端和所 述输出端之间，所述反馈电路包括二极管。
本申请的另一实施例还提供了一种芯片，包括前述任意一种晶体管 放大器。
本申请的另一实施例还提供了一种电子设备，包括前述任意一种晶 体管放大器，或者包括前述任意一种芯片。
利用前述晶体管放大器、芯片及电子设备，可以在放大器中的晶体 管处引入一种二极管反馈电路。当放大器在小功率输出时，二极管处于 反向截止状态，位于反馈电路并不工作，此时增益恒定无变化。当放大 器输出功率达到一定程度时，由于二极管的自偏置效应，静态工作偏置 点将离开原先的class-AB状态，进入高偏置状态，增益开始上翘，而同时位于晶体管漏极节点上的电压摆幅将驱动反馈电路中的反向连接二极 管反向导通，实现信号的反馈，又将增益拉低，明显缓解增益的上翘 (AM-AM失真)。
利用本申请中的二极管反馈电路，可以使得晶体管在处于较大功率 输出状态时仍能保持相对较好的传输特性。即，在使用相同的晶体管， 在相同的功率输出范围内，本申请所示出的放大器的传输特性更稳定， 线性度更高。在使用相同晶体管，相同传输特性要求下，本申请的放大 器的适用功率范围更宽。在相同的功率范围要求和相同的传输特性要求 下，本申请所示出的放大器可以采用额定功率更小的晶体管。即成本更 低、体积更小。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的 范围。
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、 “第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述 特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包 含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并 不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集 合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特 定实施例的目的，而并不意在限定本申请。如在本申请说明书和权利要 求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式 的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在 本申请说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
图2A示出了本申请的一个实施例一种基于二极管反馈的晶体管放 大器的原理示意图。
如图2A所示，晶体管放大器2000可以包括三端晶体管Q1和反馈 电路220。其中，三端晶体管Q1可以包括控制端Q1-1和输出端Q1-2。 可选地，三端晶体管Q1可以是晶体管放大器的输出级中的半导体元件。 进一步地，三端晶体管Q1可以是A型、B型或者AB型放大器的输出 级中的一个晶体管。
如图2A所示，三端晶体管Q1可以是双极型晶体管，比如三极管。 进一步地，如示例实施例所示，三端晶体管Q1还可以是NPN型三极管。 此时，控制端Q1-1可以是三端晶体管Q1的基极；输出端Q1-2可以是 三端晶体管Q1的集电极。可选地三端晶体管Q1可以为异质结晶体管 (HBT)。
可选地，三端晶体管Q1也可以是单极型晶体管，比如场效应管。 此时，控制端Q1-1为三端晶体管Q1的栅极；输出端Q1-2可以是三端 晶体管Q1的漏极。进一步地，三端晶体管Q1可以是N沟道场效应管， 即NFET。更进一步地，三端晶体管Q1可以是N沟道金属-氧化物半导 体场效应管，即NMOSFET。
可选地，三端晶体管Q1也可以是达林顿管或者达林顿连接的至少 两个单极性型晶体管或者双极型晶体管。
如示例实施例所示，三端晶体管的参考端(发射极或者源极)电连 接于信号地。可选地，三端晶体管的参考端也可以连接于其他参考电位 上。可选地，三端晶体管的参考端也可以连接于其他晶体管的输出端。 或者也可以连接于电路的其他位置。
如图2A所示，反馈电路220跨接于三端晶体管Q1的输出端Q1-2 和控制端Q1-1之间。如示例实施例所示，反馈电路220可以包括串联连 接的阻性元件R1和二极管D1。作为可选方案，反馈电路220也可以不 包括阻性元件R1。可选地，反馈电路220的两端可以分别直接或者间接 电连接于三端晶体管Q1的控制端Q1-1和输出端Q1-2。如示例实施例 所示，反馈电路220可以通过高通滤波器230电连接于晶体管211的控 制端Q1-1。
如示例实施例所示，三端晶体管Q1为NPN型三极管，二极管D1 的阴极可以与三端晶体管Q1的输出端Q1-2直接或者间接电连接。而二 极管D1的阳极可以与三端晶体管Q1的控制端Q1-1直接或者间接电连 接。
如示例实施例所示，晶体管放大器2000还可以包括高通滤波器230。 高通滤波器230电连接于反馈电路220和在三端晶体管Q1的控制端 Q1-4之间。可选地，高通滤波器230可以由电容C1和电阻R2组成。
可选地，晶体管放大器2000可以是射频晶体管放大器。进一步地， 晶体管放大器2000可以是射频功率放大器。
如图2A所示，可选地，三端晶体管Q1与二极管D1为相同材质。 进一步地，三端晶体管Q1与二极管D1采用相同的制造工艺。
图1E示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器在输入为正 弦交流信号时电流输出波形。图2B示出了图2A所示的基于二极管反馈 的晶体管放大器在输入为正弦交流信号时电流输出波形。
图1C和图2A示出的放大器均为半波放大器。对比图1E和图2B 可以明显看到，基于阻容反馈的放大器在波峰处存在明显的波形失真。 而晶体管放大器2000的波形失真情况明显好于基于阻容反馈的晶体管 放大器。
图1F示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的增益曲 线。图2C示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管放大器的增益曲 线。
对比图1F和图2C可以定量的分析基于阻容反馈的放大器与晶体管 放大器2000的增益翘曲。如图1F所示基于阻容反馈的放大器存在约 1.5dB的增益翘曲，而晶体管放大器2000的增益翘曲仅为0.2dB。相对 于基于阻容反馈的放大器，晶体管放大器2000的增益曲线更平坦，增益 翘曲更小。
图1G示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的邻道功率 比(ACPR)曲线。图2D示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管 放大器的邻道功率比(ACPR)曲线。
对比图1G和图2D可以看到，相对于基于阻容反馈的晶体管放大器， 放大器2000在功率回退区的改善也很明显。ACPR由图1G中的-36dB 改善到图2D所示的-43dB。
图1H示出了图1C所示的基于阻容反馈的晶体管放大器的误差向量 幅度(EVM)曲线。图2E示出了图2A所示的基于二极管反馈的晶体管 放大器的误差向量幅度(EVM)曲线。
对比图1H和图2E可以看到，相对于基于阻容反馈的放大器，晶体 管放大器2000的输出偏差明显较小。在输出功率小于26mW时，基于 阻容反馈的放大器的输出偏差可以达到5％，而晶体管放大器2000只有 不到2％。
本申请还提供了一个实施例，一种芯片，包括前述任意一种晶体管 放大器。
本申请还提供了一个实施例，一种电子设备包括前述任意一种晶体 管放大器或者前述任意一种芯片。
利用前述晶体管放大器、芯片及电子设备，可以在放大器中的晶体 管处引入一种二极管反馈电路。当放大器在小功率输出时，二极管处于 反向截止状态，位于反馈电路并不工作，此时增益恒定无变化。当放大 器输出功率达到一定程度时，由于二极管的自偏置效应，静态工作偏置 点将离开原先的class-AB状态，进入高偏置状态，增益开始上翘，而同时位于晶体管漏极节点上的电压摆幅将驱动反馈电路中的反向连接二极 管反向导通，实现信号的反馈，又将增益拉低，明显缓解增益的上翘 (AM-AM失真)。
利用本申请中的二极管反馈电路，可以使得晶体管在处于较大功率 输出状态时仍能保持相对较好的传输特性。即，在使用相同的晶体管， 在相同的功率输出范围内，本申请所示出的放大器的传输特性更稳定， 线性度更高。在使用相同晶体管，相同传输特性要求下，本申请的放大 器的适用功率范围更宽。在相同的功率范围要求和相同的传输特性要求 下，本申请所示出的放大器可以采用额定功率更小的晶体管。即成本更 低、体积更小。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中 没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。上述实施例的各技 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。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本 申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解 本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想， 基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属 于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的 限制。

Claims (10)

1.一种基于二极管反馈的晶体管放大器，包括：
三端晶体管，所述三端晶体管包括控制端和输出端；
反馈电路，电连接于所述控制端和所述输出端之间，所述反馈电路包括二极管。
2.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中，所述反馈电路还包括：
阻性元件，与所述二极管串联连接。
3.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中，所述三端晶体管为NPN型三极管，所述控制端为基极，所述输出端为集电极。
4.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中，所述三端晶体管为NFET，所述控制端为栅极，所述输出端为漏极。
5.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中所述三端晶体管为砷化镓晶体管。
6.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中，所述三端晶体管为异质结晶体管。
7.根据权利要求1所述的晶体管放大器，其中，所述晶体管放大器为射频晶体管放大器。
8.根据权利要求7所述的晶体管放大器，其中所述晶体管放大器为射频功率放大器。
9.一种芯片，包括权利要求1-8中任意一项所述的晶体管放大器。
10.一种电子设备，包括权利要求1-8中任意一项所述的晶体管放大器，或者包括权利要求9所述的芯片。
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