CN112543004A - 一种线性化偏置电路及射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线性化偏置电路及射频功率放大器，属于射频功率放大器技术领域。所述射频功率放大器包括线性化偏置电路和射频放大器单元电路；所述线性化偏置电路与所述射频放大器单元电路电性连接；通过改进电路结构，引入电流镜的结构，针对高功率下发热了问题做了温度补偿，抑制了静态工作点的温漂，在没有过多增加偏置电路面积的同时，解决了功率放大器高功率输出线性度较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及射频功率放大器技术领域，更具体地，涉及一种线性化偏置电路及射频功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对无线传输的速率和稳定性提出了更高的要求，在这种背景下，5G技术成为当下无线通信领域最热的话题之一。相较于之前的4G和3G，5G技术最大的区别在于调制的方式的改进，5G采用了频谱利用率更高的调制方式，以此来提升信息传输速率。频谱利用率更高的调制方式带来的是信号峰均比(PAR)高，对于射频前端而言，高的PAR会带来严重的非线性失真，特别是对于功率放大器来说，高PAR信号的峰值会使功率放大器工作在强非线性区，导致整体信号失真，为了线性放大则需要回退到更低功率点，此时功率放大器的输出功率很低。所以功率放大器的线性度和输出功率这两个指标是相互制约，需要取舍的。设计功率放大器之前往往侧重线性度和输出功率其中的一个方面，不同的应用情况下侧重点不同。
目前已有的技术方案普遍是在偏置上采用模拟预失真技术，如图1所示，在偏置电路的晶体管上并联一个电容Cb，使得从射频通路上看，偏置电路的失真趋势和射频电路上的失真趋势刚好相反，总的失真趋势就相对平坦，公告日：2018-04-10公开号为CN207218642U提出的一种低损耗自适应偏置电路及无线发射系统即属此类，但是采用此类偏置电路的功率放大器的末级三极管的面积会很大，为了达到总的失真趋势相对平坦，并联的Cb电容值也需要很大，因此Cb电容面积大，不利于版图的布局。
发明内容
本发明为克服上述现有技术在解决功率放大器高功率输出线性度较差的问题时会出现末极三极管和电容面积过大的技术缺陷，提供一种线性化偏置电路及射频功率放大器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种线性化偏置电路，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、基极镇流电阻R0、第四电阻R4、第二电容C2和RC电路；其中：
所述第四电阻R4的一端连接参考电压，另一端与所述第二三极管Q2的集电极电性连接；
所述第二三极管Q2的发射极与所述第一三极管Q1的集电极电性连接；
所述第二三极管Q2基极和集电极电性连接，并与所述第三三极管Q3的基极电性连接；
所述第一三极管Q1的发射极接地；
所述第一三极管Q1的基极与所述第一电阻R1的一端电性连接；
所述第一电阻R1的另一端与所述第三三极管Q3的发射极电性连接；
所述第二电容C2一端接地，另一端与所述第三三极管Q3的基极连接；
所述第三三极管Q3集电极的电压连接偏置电压Vbias；
所述第三三极管Q3的发射极与所述基极镇流电阻R0的一端电性连接；
所述RC电路并联在所述基极镇流电阻R0的两端；
所述基极镇流电阻R0的另一端作为线性化偏置电路的输出端。
本发明技术方案采用了线性化偏置电路，在没有过多增加偏置电路面积的同时，解决了功率放大器高功率输出线性度较差的问题，在R0上并联RC电路，减小了射频耦合进入到偏置电路的阻抗，随着输入功率的增加，耦合进入到C2和Q3的射频信号也会增加，导致Vbe3的降低，由于C2的存在稳定了Q3的基级电压Vb3，缓解了Vbe0的减小，从而稳定了静态工作点。
优选地，所述RC电路包括RC电阻Rb、RC电容Cb；所述RC电阻Rb和所述RC电容Cb串联后并联在所述基极镇流电阻R0两端。
上述方案中，可以根据输出功率的大小和工作频率配置Cb和Rb的值来改善电路的三阶互调失真(IMD3)，提高了邻道抑制比(ACPR)。
优选地，本发明还公开了一种功率放大器，包括射频放大单元电路和线性化偏置电路；所述射频放大单元包括偏置三极管Q0，第三电容C3；其中：所述第三电容C3的一端作为信号输入端，第三电容C3的另一端与所述偏置三极管Q0的基极电性连接；
所述偏置三极管Q0的发射极接地，偏置三极管Q0的集电极作为信号输出端；
所述线性化偏置电路的输出端与偏置三极管Q0的基极电性连接。
上述方案中，在静态状态下，第一电阻R1、第一三极管Q1和基极镇流电阻R0、偏置三极管Q0组成电流镜结构，引入电流镜的结构，针对高功率下发热了问题做了温度补偿，抑制了静态工作点的温漂，兼顾功率放大器高功率下的失真问题。
优选地，所述射频放大单元还包括射频扼流圈L，所述射频扼流圈L的一端与偏置三极管Q0的集电极电性连接，射频扼流圈L的另一端的连接供电电压Vcc。
优选地，射频放大单元还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路的输入端与所述偏置三极管Q0的集电极电性连接，输出匹配电路的输出端作为信号输出端。
优选地，所述第一三极管Q1与所述偏置三极管Q0的距离小于电路中其他元件与偏置三极管Q0的距离。
优选地，所述第一电阻R1与基极镇流电阻R0的比值等于偏置三极管Q0和第一三极管Q1的发射极面积之比。
优选地，所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和偏置三极管Q0均采用砷化镓材料的异质结双极性晶体管。
优选地，所述RC电容Cb、第二电容C2、第三电容C3均采用无极性电容。
优选地，所述第一电阻R1、RC电阻Rb、基极镇流电阻R0、第四电阻R4均采用精度为1％或精度更高的精密电阻。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明技术方案采用了线性化偏置电路，在没有过多增加偏置电路面积的同时，使功率放大器在高功率下减小高PAR信号的失真，解决了功率放大器高功率输出线性度较差的问题，在偏置三极管Q0的基极镇流电阻R0两端并联RC电路来改善电路的三阶互调失真，以适用于5G信号的高功率和高线性。在静态状态下，第一电阻R1、第一三极管Q1和基极镇流电阻R0、偏置三极管Q0组成电流镜结构，通过引入电流镜的结构，针对高功率下发热了问题做了温度补偿，抑制了静态工作点的温漂；温度同步电路结构保证整体电路的温度特性，所述线性化偏置电路提供的静态电流与输入功率(温度)呈现一种正相关，相较于传统的固定偏置，能在温度变化时保持静态工作点稳定，改善在功率放大器高功率工作状态时的线性度，减小晶体管自热现象引起的静态工作点偏移。
附图说明
图1为传统采用固定偏置的功率放大器电路图。
图2为实施例1采用线性化偏置的功率放大器电路图。
图3为实施例2采用线性化偏置的功率放大器电路图。
图4为RC电路对实验效果图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
在本实施例中提供了一种采用线性化偏置的功率放大器，所述采用线性化偏置的功率放大器如图2所示，包括射频放大单元电路和线性化偏置电路，
其中，所述线性化偏置电路包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、基极镇流电阻R0、第四电阻R4；所述第一三极管Q1的基极与所述第一电阻R1的一端电性连接，第一三极管Q1的集电极与所述第二三极管Q2的发射极电性连接，第一三极管Q1的发射极接地，第二三极管Q2基极和集电极电性连接，第二三极管Q2的集电极与所述第四电阻R4的一端电性连接，第四电阻R4的另一端的电压为参考电压，第二三极管Q2的基极与所述第三三极管Q3的基极电性连接，第三三极管Q3集电极的电压为偏置电压，第三三极管Q3的发射极与第一电阻R1的另一端电性连接，第三三极管Q3的发射极还与基极镇流电阻R0的一端电性连接，基极镇流电阻R0的另一端作为线性化偏置电路的输出端。
所述射频放大单元包括：偏置三极管Q0、射频扼流圈L、第三电容C3、信号输入端(RFin)；信号输入端与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与偏置三极管Q0的基极电性连接，偏置三极管Q0的集电极与射频扼流圈L的一端电性连接，射频扼流圈L的另一端的为供电电压Vcc，偏置三极管Q0的发射极接地，偏置三极管Q0的集电极连接信号输出端(RFout)。
所述线性化偏置电路输出端与射频放大单元的偏置三极管Q0的基极相连。
在静态状态下，第一电阻R1、第一三极管Q1和基极镇流电阻R0、偏置三极管Q0组成电流镜结构，Vp节点的电压如下式所示：
Vp＝bQ1*1+beQ1＝bQ0*0+beQ0
又因为Ib电流与发射极面积成正比，为了使Vp节点的电压保持稳定，第一电阻R1与基极镇流电阻R0的比值等于偏置三极管Q0和第一三极管Q1的发射极面积之比。
在具体实施中，第一三极管Q1需要放置在偏置三极管Q0旁边，使第一三极管Q1随着偏置三极管Q0的温度变化而变化，本实施例中第一三极管Q1与偏置三极管Q0的距离小于电路中其他元件与偏置三极管Q0的距离；通过上述电路结构布局，当输入功率变大的时，偏置三极管Q0的温度会升高，导致第一三极管Q1的温度也升高，偏置三极管Q0和第一三极管Q1的Vbe随着温度变化量相同，由于电流镜的结构，不会导致静态工作点的偏移，起到了温度补偿的作用。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上，本实施例中还添加了第二电容C2、RC电路、输出匹配电路(OutputMatch)，所述第二电容C2一端接地，另一端与第三三极管Q3的基极电性连接，所述RC电路包括：RC电阻Rb、RC电容Cb，RC电阻Rb和RC电容Cb串联后并联在基极镇流电阻R0两端，输出匹配电路串联在偏置三极管Q0的集电极和信号输出端之间。
在基极镇流电阻R0上并联RC电阻Rb和RC电容Cb串联电路，减小了射频耦合进入到偏置电路的阻抗，随着输入功率的增加，耦合进入到C2和Q3的射频信号也会增加，导致Vbe3的降低，由于C2的存在稳定了Q3的基级电压Vb3，缓解了Vbe0的减小，从而稳定了静态工作点，并且可以通过配置Cb和Rb的值来改善电路的三阶互调失真(IMD3)，提高了邻道抑制比(ACPR)。图4对比了有RC网络与无RC网络三阶互调失真随输出功率的变化趋势。
在具体实施过程中，根据输出功率的大小和工作频率，配置Cb和Rb的取值；输出匹配电路(OutputMatch)采用最大输出功率配置，使功率放大器输出功率最大。所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和偏置三极管Q0均采用砷化镓材料的异质结双极性晶体管。所述RC电容Cb、第二电容C2、第三电容C3均采用无极性电容。所述第一电阻R1、RC电阻Rb、基极镇流电阻R0、第四电阻R4均采用精度为1％的精密电阻。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种线性化偏置电路，其特征在于，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、基极镇流电阻R0、第四电阻R4、第二电容C2和RC电路；其中：
所述第四电阻R4的一端连接参考电压Vref，另一端与所述第二三极管Q2的集电极电性连接；
所述第二三极管Q2的发射极与所述第一三极管Q1的集电极电性连接；
所述第二三极管Q2基极和集电极电性连接，并与所述第三三极管Q3的基极电性连接；
所述第一三极管Q1的发射极接地；
所述第一三极管Q1的基极与所述第一电阻R1的一端电性连接；
所述第一电阻R1的另一端与所述第三三极管Q3的发射极电性连接；
所述第二电容C2一端接地，另一端与所述第三三极管Q3的基极连接；
所述第三三极管Q3集电极的电压连接偏置电压Vbias；
所述第三三极管Q3的发射极与所述基极镇流电阻R0的一端电性连接；
所述RC电路并联在所述基极镇流电阻R0的两端；
所述基极镇流电阻R0的另一端作为线性化偏置电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种线性化偏置电路，其特征在于，所述RC电路包括RC电阻Rb、RC电容Cb；所述RC电阻Rb和所述RC电容Cb串联后并联在所述基极镇流电阻R0两端。
3.一种功率放大器，其特征在于，包括射频放大单元电路和如权利要求1或2所述的线性化偏置电路；所述射频放大单元包括偏置三极管Q0，第三电容C3；其中：所述第三电容C3的一端作为信号输入端，第三电容C3的另一端与所述偏置三极管Q0的基极电性连接；
所述偏置三极管Q0的发射极接地，偏置三极管Q0的集电极作为信号输出端；
所述线性化偏置电路的输出端与偏置三极管Q0的基极电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种功率放大器，其特征在于，所述射频放大单元还包括射频扼流圈L，所述射频扼流圈L的一端与偏置三极管Q0的集电极电性连接，射频扼流圈L的另一端的连接供电电压Vcc。
5.根据权利要求4所述的一种功率放大器，其特征在于，所述射频放大单元还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路的输入端与所述偏置三极管Q0的集电极电性连接，输出匹配电路的输出端作为信号输出端。
6.根据权利要求3所述的一种功率放大器，其特征在于，所述第一三极管Q1与所述偏置三极管Q0的距离小于电路中其他元件与偏置三极管Q0的距离。
7.根据权利要求3所述的一种功率放大器，其特征在于，所述第一电阻R1与基极镇流电阻R0的比值等于偏置三极管Q0和第一三极管Q1的发射极面积之比。
8.根据权利要求5所述的一种功率放大器，其特征在于，所述第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和偏置三极管Q0均采用砷化镓材料的异质结双极性晶体管。
9.根据权利要求5所述的一种功率放大器，其特征在于，所述RC电容Cb、第二电容C2、第三电容C3均采用无极性电容。
10.根据权利要求5所述的一种功率放大器，其特征在于，所述第一电阻R1、RC电阻Rb、基极镇流电阻R0、第四电阻R4均采用精度为1％或精度更高的精密电阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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