CN112953421A - 一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性ab类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，包括三个主放大器、第一偏置电路、第二偏置电路、宽带预失真电路、第一相位线性补偿电路和第二相位线性补偿电路，其中第三主放大器与第一、第二主放大器串联，其输入端与输入匹配连接，其输出与T型级间匹配连接，其与级间匹配和反馈电路构成宽带预失真电路，补偿非线性和提供恒定和增益幅度；第一主放大器和第二主放大器并联后的输入端与宽带预失真电路的一端连接，其并联后的输出端连接有π型匹配网络电路；第二偏置电路连接于第一主放大器与第二主放大器的基极之间。本发明通过改进电路结构来实现模拟预失真和相位补偿，从而实现满足效率要求的情况下，实现高线性化。

Description

一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器。

背景技术

随着5G通信技术的发展和逐渐普及，对高传输速率，高吞吐量和低延迟的可靠通信系统的需求不断增加。复杂的调制方式(OFDM)和更宽的信号带宽会对功率放大器提出更为苛刻的要求。同时，较高的峰均比(PAPR)会使功放(PA)更快的进入饱和区，这对功放的线性度要求很高。提高功放(PA)的线性度对提高通信系统的线性度具有很大的帮助，因此，功放的线性度提高技术一直是学术界和工业界研究的重点和难点。

多年来关于提升功放线性度的研究主要集中于三种方法。第一种从功放的本身入手，第三代半导体材料GaN产生，它突破了上一代材料在承压及输出功率的限制，制造出一种高电子迁移率的晶体管HEMT。但如今对此种材料的研究还很不成熟，且其价格昂贵。通过功放本身改善线性度的方法效果并不显著，研究遇到瓶颈。

第二种方法则是传统的功率回退法，它实现起来很简单，因为功放的特性，随着功放输入功率逐渐增加输出信号本应随之线性增加，但是功率增大到一定程度，输出信号不随输入信号线性增加，通常，基频功率减小ldB三阶互调分量功率减小2到3dB，此种方法，不需要附加任何外部设备即可调整线性度，实现简单，但存在很多缺点。首先，该方法为了提升线性度，降低了输入功率，实际上提升的线性度是用效率的牺牲换来的。另外，这种方法对改善线性度的效果也是有限的，当功率降低到一定程度，如果三阶互调系数低于4OdBc，线性度将无法继续改善。因此，如果想获得更好的线性度改善效果，必须考虑其他种类更复杂的线性化方法。

第三种方法为使用外界辅助手段提升功放的线性度，主要包括信号处理和电路优化来提高线性度。负反馈法是传统使用的方法，通过返回的输出信号加载于输入信号之上，从而大大提高了功率放大器线性化的精度。负反馈法适于窄带优化，因为该法会受到反馈延迟的限制，如果工作于过高的频率，环路延迟达载波周长的几倍，导致相位难以控制，造成电路不稳定。环路增益和工作频率二者中需相互协调，以保证电路稳定。该法还可以减小系统噪声干扰，减小由于电路器件特性变化如器件老化、三极管温度漂移等带来的电路敏感性，由此稳定电路工作点。

前馈法利用了一种特殊的反馈的思想，将系统的反馈信号送至系统的输出端抵消三阶互调失真信号。因其通过上下两路的幅度相位的精确控制来抵消失真部分，因此该法电路结构非常复杂，电路成本高，调节精确度要求高，在环境变化大的情况下，线性度稳定性低。

包络消除和恢复EER(Envelope Elimination and Restorat ion)的线性化技术，该方法充分利用了功放的线性度对包络恒定信号的不敏感性。输入信号分为两路，上路通过限幅器，得到一个带有输入信号相位信息的恒定包络信号，该信号在通过一个高效率的开关模式功放，通常使用推挽式放大器、丙类、丁类的功率放大器，这样的信号送入功放放大不会产生高度的非线性。而另一路上，部分输入信号被送入了包络检波器，得到非恒定包络的电压变化，将该电压变化送入待优化功放的集电极来调节功放的直流电压，实现了原输入信号幅度和相位的重新结合，提升了功放线性度。

同EER技术相似，D.C.COX提出LINC技术，用于幅度和相位都变化的信号。将输入信号分离为两部分恒定包络信号，分别通过两个工作状态一致、高效率、低功率的功率放大器，放大的信号虽然经过非线性放大，但是每一路信号的失真都很小。将放大后的信号合成到一起，形成放大后信号。该法的难点在于将输入信号分离为两个恒定包络信号，以及在合成功率时阻抗匹配引起的效率问题，还有上下两路功放的相位和增益的匹配度也十分敏感，匹配不好反而会造成新的失真。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，通过改进电路结构来实现模拟预失真和相位补偿，从而实现满足效率要求的情况下，实现高线性化。

为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，包括第一主放大器、第二主放大器、第三主放大器、第一偏置电路、第二偏置电路、宽带预失真电路、第一相位线性补偿电路和第二相位补偿电路；所述第三主放大器与第一、第二主放大器串联，其输入端与输入匹配连接，其输出与T型级间匹配连接，其与级间匹配和反馈电路构成所述宽带预失真电路，补偿非线性和提供恒定和增益幅度；所述第一主放大器和第二主放大器并联，其并联后的输入端与所述宽带预失真电路的一端连接，其并联后的输出端连接有π型匹配网络电路；所述第二偏置电路连接于所述第一主放大器与所述第二主放大器的基极之间，用于使放大器稳定工作；所述第一相位线性补偿电路连接所述第一主放大器，所述第二相位线性补偿电路连接所述第二主放大器；所述相位线性补偿电路包括至少一个晶体管。

进一步地，所述π型匹配网络电路包括第十电容、第三电感和第十一电容，所述第十电容和第十一电容的第一端分别并连于第三电感的两端，第二端接地，所述第十电容的第一端通过第二电感连接第一主放大器和第二主放大器并联后的输出端。

进一步地，所述T型网络电路包括第五电容、第一电感和第六电容,所述T型匹配电路包括第五电容、与所述第五电容连接的第六电容以及连接在所述第五电容和所述第六电容之间的第一电感,所述第六电容的第二端与所述第一主放大器和第二主放大器并联后的输入端连接。

进一步地，所述第一晶体管用于确保所述T型匹配电路的增益，所述第一晶体管的集电极与所述第五电容的第一端连接。

进一步地，所述第二偏置电路包括三个半导体器件，所述半导体器件分别为:与所述第一主放大器与所述第二主放大器的基极之间连接的第二半导体器件、与所述第二半导体器件基极连接的第三半导体器件、与所述第三半导体器件发射极连接的第四半导体器件，所述第四半导体器件发射极接地。

进一步地，所述第一偏置电路与所述宽带预失真电路的另一端连接，所述第一偏置电路设置有第三主放大器。

进一步地，所述第一主放大器、第二主放大器的基极还分别连接有镇流电阻。

进一步地，所述第一主放大器、第二主放大器的集电极还分别连接有谐波电容。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用匹配电路和三极管的非线性特性来产生与功放PA相反的AM-AM与AM-PM响应，从而实现射频输入信号的宽带预失真，提高功放PA的线性度。同时，由于基极-集电极Cbc之间的寄生电容是三极管非线性产生的主要原因，因此使基极-集电极Cbc反偏来补偿功率放大器的相位失真，从而有效的提高线性度。

2、本发明的模拟预失真矫正的带宽较好，成本相对也较低，同时，更易于集成到裸DIE上，通过改进电路结构来实现模拟预失真和相位补偿，从而实现满足效率要求的情况下，实现高线性化，能够满足新一代的5G无线通信标准。

附图说明

图1是本发明的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器的电路图；

图2是本发明的转化的宽带预失真模块结构图；

图3是本发明的用小信号等效电路代替晶体管模型的宽带预失真模块结构图。

图中：

10-第一主放大器；20-第二主放大器；30-第一相位线性补偿电路；40-第二相位线性补偿电路；50-第一偏置电路；60-第二偏置电路；70-宽带预失真电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图1-3和实施例作进一步说明。

预失真技术源于提出的三极管非线性补偿思想。模拟预失真宏观仁主要针对增益传输曲线的失真恢复，设计模拟预失真器，产生相位相反、幅度一致的信号，加在输入信号端，用于与输出失真相抵消，并减小不适宜的增益压缩。由于该法需要电子器件幅度和相位的调试，而模拟器件常常易受温度影响，使得器件参数发生变化，影响线性化效果。但模拟预失真是开环线性化技术，没有稳定条件，可适应宽带宽、高频率的系统。总的来说，该方法使用方便，成本较低。

在数字处理和预失真的结合下产生了数字预失真技术。该法是将输出端的信号经过调节返回输入端，对输入信号进行预失真修正。随着功放记忆效应的研究，出现了很多记忆效应和无记忆效应的功率放大器模型，这些数学模型也应用到数字预失真技术，将模拟电路搭建才能解决的问题，变成公式推演，有益于失真技术灵活性大大提高。由于环境温度、器件老化等因素的影响产生的参数变化，可通过自适应算法的加入辅助而得到优化。该方法优化效果好，且成本低廉，实现容易，是该领域较新的技术，有非常好的发展前景。

在世界范围内，功放的线性化技术研究一直是热点。随着5G的到来和wifi标准的发展，功率放大器的线性化技术成为研究方向。

本发明提供的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器技术方案通过改进电路结构来实现模拟预失真和相位补偿，从而实现满足效率要求的情况下，实现高线性化，能够满足新一代的5G无线通信标准。包括第一主放大器10、第二主放大器20、第三主放大器、第一偏置电路50、第二偏置电路60、宽带预失真电路70、第一相位线性补偿电路30和第二相位线性补偿电路40；第三主放大器与第一、第二主放大器串联，其输入端与输入匹配连接，其输出与T型级间匹配连接，其与级间匹配和反馈电路构成所述宽带预失真电路，补偿非线性和提供恒定和增益幅度。

第一主放大器10和第二主放大器20并联，其并联后的输入端与宽带预失真电路70的一端连接，其并联后的输出端连接有π型匹配网络电路；第二偏置电路60连接于第一主放大器10与第二主放大器20的基极之间，用于使放大器稳定工作；宽带预失真电路70包括第f反馈电容、第f电阻、第一晶体管Q1和T型网络电路，用于产生于放大器的相反的AM-AM和AM-PM响应和实现宽带，第f反馈电容与第f电阻串联后，连接于第一晶体管Q1的基极和集电极之间。第一相位线性补偿电路30连接第一主放大器10，第二相位线性补偿电路40连接第二主放大器20。

π型匹配网络电路包括第十电容、第三电感和第十一电容。T型网络电路包括第五电容、第一电感和第六电容。T型匹配电路包括第五电容、与第五电容连接的第六电容以及连接在第五电容和所述第六电容之间的第一电感,第六电容的第二端与主放大器的第一-端连接。

第一偏置电路50与宽带预失真电路70的另一端连接，第一偏置电路50设置有第一半导体器件QB1，第一半导体器件QB1的发射极通过第一电阻R1与宽带预失真电路70的输入端连接。第二偏置电路60包括三个半导体器件，半导体器件分别为:与第一主放大器10与第二主放大器20的基极之间连接的第二半导体器件QB2、与第二半导体器件QB2基极连接的第三半导体器件QB3、与第三半导体器件QB3发射极连接的第四半导体器件QB4，第四半导体器件QB4R的发射极接地。

第一主放大器10、第二主放大器20的基极还分别连接有镇流电阻R5和R6，。第一主放大器10、第二主放大器20的集电极还分别连接有谐波电容C7和C8。本方案的完整电路图见附录，详细论述均依据电路图来展开。

电路图主要有三部分构成，分别为宽带预失真电路70，相位线性补偿电路和两个并联的主放大器。每一个主放大器都有独立的相位线性电路来减小相位失真，并且两个放大器都有稳定的偏置电路使放大器工作在深AB类，同时具有镇流电阻和电容来提高电路的整体稳定性。

电容C7与C8主要用来使二次谐波短路，提高效率和线性度。同时由C10,C11,L3构成的π型匹配网络来确保功率放大器能够拥有最大的输出功率。可以通过ADS仿真来优化输出匹配网络。

为了能够给放大器提供一个稳定的工作点，本电路采用一种基极稳压结构，在偏置电路中，电源电压的变化导致晶体管QM1和QM2的Vbe的变化，这种变化可以通过电阻RB来进行补偿，从而为电路提供稳点的工作点。同时在RB在温度升高时产生更多的压降，从而补偿温度升高引起的失真，抑制温度升高而带来的性能恶化。电容CB频路上信号到地，继而保持QB2基极电压的恒定，导致功率管的基极电压相对很稳定，迟滞增益压缩的节点，并且由于其阻容抗较大，增加偏置电路与射频主路的隔离度，减小偏置电路对射频主路的影响。

模拟预失真的工作原理可以通过幂级数来分析和解释。模拟预失真器中由C5,L1,和C6构成的T型网络的目的是为了产生于放大器的相反的AM-AM和AM-PM响应，其中Q1的作用是确保电路的整体增益足够高。电路图中，模拟预失真(APD)的相位响应的位置为X,而主放大器的相位响应为Y,则利用幂级数分析如下：

其中,vi为AB类射频功率放大器输入的电压，任意的电压都可以用级数来展开模拟,v_i ²为输入的二次谐波,v_i ⁿ为输入的n次谐波,Vpd为模拟预失真电路20产生的输出，即附图1电路X点的电压；V。为AB类射频功率放大器输出信号，即附图1电路Y点电压；G与M分别是功放与预失真器的增益，增益是输出电压与输入电压的比值，上角标表示阶数，也表示谐波数，下角标，对G为此次谐波的输入电压，对M为阶数，也即几次谐波。如Gv为一次谐波的增益，M3为三次谐波的增益；Gvo表示静态增益(无输入),Gv1表示一次谐波的增益，Vpd是预失真信号的一次谐波,GvVpd表示一次谐波带来的增益输出,同理,Gv2V2pd表示二次谐波带来的增益输出,同理,Mo位静态电压输出(无输入),MiVi表示输入电压位V；时的输出电压(即一次谐波带来的增益输出),M2V2:表示二次输入谐波带来的输出电压。

由公式(1)(2),取其中基波和三次谐波进行分析，得到:

展开公式3得到：

使公式4的三阶分量为0，提高线性度，则：

即

进一步化简，可以在电路中实现G_v1等于

那可以得到，

M₃＝-G_v3 (6)

公式6表明，模拟预失真电路需要产生于主放大器相反的三阶谐波分量来抑制频谱的扩展。如果模拟预失真产生与主放大器相反的响应来作为输出功率信号，通过主放大器后，可以得到线性度较高的功率信号。

宽带实现的基础是通过反馈电容C_F和电阻R_F来实现的，考虑到晶体管发射极的寄生响应，为了简单分析，将宽带预失真模块转化为图a，其中R₁表示反馈电阻，R₂表示为发射极寄生的电阻。将纯电阻反馈电路中晶体管模型用小信号等效电路代替，得到图b，那么可知得到图b电路的s参数：

其中

当选择合适的反馈电阻R1与R2时，传输增益S₁₁与S₂₂能够同时达到0，使两端匹配在宽的频带内同时达到良好匹配，也就是说选择合适的R₁(约为g_mZ₀ ²)和R₂(发射极的寄生电阻)能够使工作频带内两端口的驻波比尽可能低。此时传输增益S₂₁为

所以选择合适的反馈电路能够实现大宽带的匹配。并且在足够宽的频带下，增益的平坦度足够小。但纯电阻反馈带来的问题是高频增益的下降，需要引入电感或电容来补偿高频增益的损失，即反馈中引入电容，此时R1＝R_F+1/jwC_F，使R1或R2有能够随频率变化的阻抗值，补偿高频时的增益下降，且反馈能提高系统的电热稳定性。

相位补偿电路主要有两个三极管并联而成，我们知道，HBT的频谱扩展原因主要是由于基极-集电极之间的寄生电容(C_bc)引起的，为了改变这种情况，本方案采用反向偏置电容(C_bc)来补偿这种寄生带来的非线性，公式如下：

其中，C_bc0是基极-集电极(V_bc)等于0时的寄生电容，A与Vbc的电压大小有关，nc有材料工艺特性所决定。如果基极-集电极正向偏置的话，会产生于方向偏置相反的相位响应，正向偏置的公式如下：

因此，为了减小相位失真，在每个主放大器的基极集成了正向偏压的基极发射极电极二极管(用三极管来实现)来减弱主放大器C_bc的反向偏置带来的相位失真。放大器基极与集电极的寄生电容反偏，补偿电路基极和发射极构成二极管的正偏寄生电容。用基极和发射极的原因是不影响偏置电路。

为验证本发明的技术效果，将本发明与提升功放线性度技术的其它各种方法进行对比，结果如下表所示：

线性化技术	矫正带宽(MHz)	线性度改善(dB)	效率	成本
					前馈	25～60	30～35	低	高
交互抵消	10～20	15～20	低	高
					模拟预失真	15～30	5～10	中	低
自适应预失真	10～15	10～20	中	中
					数字预失真	15～20	15～20	高	高

可以看出，关于提升功放线性度的其它技术虽然可在一定程度上提高线性度，但各种线性化技术具有各自不同的缺点，集成度不高，成本昂贵，比较难以实现等等缺点。本发明的模拟预失真矫正的带宽较好，成本相对也较低，同时，也更易于集成到裸DIE上。

本发明利用匹配电路和三极管的非线性特性来产生与功放(PA)相反的AM-AM与AM-PM响应，从而实现射频输入信号的宽带预失真，提高功放(PA)的线性度。同时，由于基极-集电极(Cbc)之间的寄生电容是三极管非线性产生的主要原因，因此使基极-集电极(Cbc)反偏来补偿功率放大器的相位失真，从而有效的提高线性度。本发明通过改进电路结构来实现模拟预失真和相位补偿，能够实现满足效率要求的情况下，尽可能的低成本的提高功率放大器的线性度实现高线性化，能够满足新一代的无线通信标准(5G)。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，其包括第一主放大器、第二主放大器、第三主放大器、第一偏置电路、第二偏置电路、宽带预失真电路、第一相位线性补偿电路和第二相位补偿电路；

所述第三主放大器与第一、第二主放大器串联，其输入端与输入匹配连接，其输出与T型级间匹配连接，其与级间匹配和反馈电路构成所述宽带预失真电路，补偿非线性和提供恒定和增益幅度；

所述第一主放大器和第二主放大器并联，其并联后的输入端与所述宽带预失真电路的一端连接，其并联后的输出端连接有π型匹配网络电路；

所述第二偏置电路连接于所述第一主放大器与所述第二主放大器的基极之间，用于使放大器稳定工作；

所述第一相位线性补偿电路连接所述第一主放大器，所述第二相位线性补偿电路连接所述第二主放大器；所述相位线性补偿电路包括至少一个晶体管。

2.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述π型匹配网络电路包括第十电容、第三电感和第十一电容，所述第十电容和第十一电容的第一端分别并连于第三电感的两端，第二端接地，所述第十电容的第一端通过第二电感连接第一主放大器和第二主放大器并联后的输出端。

3.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述T型网络电路包括第五电容、第一电感和第六电容,所述T型匹配电路包括第五电容、与所述第五电容连接的第六电容以及连接在所述第五电容和所述第六电容之间的第一电感,所述第六电容的第二端与所述第一主放大器和第二主放大器并联后的输入端连接。

4.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述第一晶体管用于确保所述T型匹配电路的增益，所述第一晶体管的集电极与所述第五电容的第一端连接。

5.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述第二偏置电路包括三个半导体器件，所述半导体器件分别为:与所述第一主放大器与所述第二主放大器的基极之间连接的第二半导体器件、与所述第二半导体器件基极连接的第三半导体器件、与所述第三半导体器件发射极连接的第四半导体器件，所述第四半导体器件发射极接地。

6.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述第一偏置电路与所述宽带预失真电路的另一端连接，所述第一偏置电路设置有第一半导体器件。

7.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述第一主放大器、第二主放大器的基极还分别连接有镇流电阻。

8.根据权力要求1所述的一种具有宽带预失真和相位补偿的高线性AB类功率放大器，其特征在于，所述第一主放大器、第二主放大器的集电极还分别连接有谐波电容。

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