CN113258887A - 一种提高放大效率的功率单元结构 - Google Patents

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高怀
王�锋
田婷
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Abstract

本发明公开了一种提高放大效率的功率单元结构，包括主放大管T1、恒流源、偏置补偿电路和检波管；所述偏置补偿电路包括电容C，电阻R1、R2、RC和补偿放大管Tco；所述补偿放大管Tco的集电极通过电阻RC连接主放大管T1的基极；补偿放大管Tco的基极分别通过电阻R1连接电压VCC、通过并联的电阻R2、电容C接地，补偿放大管Tco的发射极接地；所述检波管连接射频输入端RFin，产生电压控制信号Vcr，并连接到补偿放大管Tco的基极，控制偏置补偿电流ICO的大小。当输入功率增加时，偏置点主动下降，以此补偿自偏置导致的等效偏置点的上升，因此，导通角可维持低功率输出时的大小，从而改善传统结构的效率，并维持原结构的线性特性。

Description

一种提高放大效率的功率单元结构
技术领域
本发明涉及功率放大领域，特别涉及一种提高放大效率的功率单元结构。
背景技术
脉冲雷达广泛应用于气象、海洋传感，导航以及国防等领域。功率放大器作为射频前端的重要组成部分，其特性对雷达性能的影响至关重要。对于传统AB类放大器，大功率输出时，由于放大器的自偏置效应，高峰值的脉冲信号导致等效偏置点IB大幅提升，导通角增大，如图1所示，功放效率的提高遇到瓶颈。
发明内容
本发明目的是：提供一种新型的功率单元结构，对主功率放大管的偏置点进行动态调控，使其在大功率输出时偏置电流减小，从而维持等效偏置点不变，导通角不变，提高放大效率。
本发明的技术方案是：
一种提高放大效率的功率单元结构，包括主放大管T1和恒流源，所述主放大管T1的基极连接射频输入端RFin，集电极连接功率输出端RFout，通过射频扼流圈RFC连接电压VCC，发射极接地；所述恒流源连接主放大管T1的基极，其输出电流IS；还包括偏置补偿电路和检波管；
所述偏置补偿电路包括电容C，电阻R1、R2、RC和补偿放大管Tco；所述补偿放大管Tco的集电极通过电阻RC连接主放大管T1的基极；补偿放大管Tco的基极分别通过电阻R1连接电压VCC、通过并联的电阻R2、电容C接地，补偿放大管Tco的发射极接地；
所述检波管连接射频输入端RFin，产生电压控制信号Vcr，并连接到补偿放大管Tco的基极，控制偏置补偿电流ICO的大小。
优选的，在无射频信号输入时，IS≈IB+ICO，设置偏置补偿电路中各电阻大小，使得ICO＝0.1IS，即主放大管T1的静态工作点偏置电流IB＝0.9IS。
优选的，在输入射频信号功率不足以导通检波管时，Vcr＝0，主放大管T1的偏置电流IB维持不变；
随着输入射频信号功率逐渐增加，检波管导通，产生电压控制信号Vcr的值逐渐增加，从而偏置补偿电流Ico增加；
通过设置补偿放大管Tco个数比配以及各电阻大小，使ICO＝αIS，令α取值0.1～0.5，即主放大管T1的偏置电流IB随输入射频信号功率的增加而减小，变化范围为0.9IS～0.5IS。
或者，所述检波管连接功率单元结构的输出端RFout。
或者，采用恒流源控制电路，取代偏置补偿电路，检波管输出的电压控制信号Vcr通过恒流源控制电路，控制恒流源的输出电流IS随电压控制信号Vcr的增加而减小。
或者，取代恒流源，采用恒压源提供主放大管T1的偏置电压Vbe，偏置补偿电路替换为对偏置电压Vbe补偿的电路结构。
本发明的优点是：
1.本发明的功率单元结构，当输入功率增加时，偏置点主动下降，以此补偿自偏置导致的等效偏置点的上升，因此，导通角可维持低功率输出时的大小，从而改善传统结构的效率，并维持原结构的线性特性；
2.本发明的功率单元结构，在实际版图布局中，检波管、补偿电路所占面积很小，仅需被补偿的功率放大单元面积S的1～2倍除以被补偿功率单元的直流放大倍数β的面积大小，即S/β～2S/β，易于集成在功率单元中。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为传统AB类放大器自偏置引起的等效偏置点上升的曲线；
图2为实施例1的功率单元结构原理图；
图3为实施例1的功率单元结构中偏置补偿电路原理图；
图4为实施例1中通过补偿电路主动引起的等效偏置点下降曲线；
图5为实施例2的功率单元结构原理图；
图6为实施例3的功率单元结构原理图。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本实施例的揭示的一种提高放大效率的功率单元结构，包括主放大管T1和恒流源，所述主放大管T1的基极连接射频输入端RFin，集电极连接功率输出端RFout，通过射频扼流圈RFC连接电压VCC，发射极接地；所述恒流源连接主放大管T1的基极，其输出电流IS；还包括偏置补偿电路和检波管，偏置补偿电路产生偏置补偿电流ICO，选择合理数目的晶体管作为检波管，连接射频输入端RFin，产生电压控制信号Vcr，控制偏置补偿电流ICO的大小。
如图3所示，所述偏置补偿电路包括电容C，电阻R1、R2、RC和补偿放大管Tco；所述补偿放大管Tco的集电极通过电阻RC连接主放大管T1的基极；补偿放大管Tco的基极分别通过电阻R1连接电压VCC、通过并联的电阻R2、电容C接地，补偿放大管Tco的发射极接地。所述检波管产生的电压控制信号Vcr输入到补偿放大管Tco的基极，控制偏置补偿电流ICO的大小。
射频输入端RFin在无射频信号输入时，主放大管T1处于微导通状态，各端电流均很小，恒流源满足IS≈IB+ICO，通过合理的设置偏置补偿电路中各电阻大小，使得静态时ICO＝0.1IS，即主放大管T1的静态工作点偏置电流I B＝0.9IS。
当输入射频信号功率较小，不足以导通检波管时，检波管截止，Vcr＝0，主放大管T1的偏置电流IB维持0.9IS不变。
随着输入射频信号功率逐渐增加，检波管导通，偏置补偿电路中的电容C呈现周期性的充放电特性。由于构成检波管的晶体管导通电阻很小，电容C充电时间常数远小于放电时间常数，电容C在一个周期内呈现电荷的逐渐积累，导致电压控制信号Vcr的值逐渐增加。稳定的Vcr值主要取决于输入功率的大小，随输入功率的增加而增大。
当电压控制信号Vcr增大时，补偿开关管Tco的基极电位增加，导致加载在发射结的压降上升，从而偏置补偿电流Ico增加；补偿电流与输出功率的关系如图4所示。通过设置补偿放大管Tco个数比配以及各电阻大小，使ICO＝αI S，令α取值0.1～0.5，即主放大管T1的偏置电流IB随输入射频信号功率的增加而减小，变化范围为0.9IS～0.5IS。
相比图1所示的传统AB类放大器自偏置引起等效偏置点上升，本实施例的图4中，当输入功率增加时，偏置点主动下降，以此补偿自偏置导致的等效偏置点的上升，因此，导通角可维持低功率输出时的大小，从而改善传统结构的效率，并维持原结构的线性特性。
实施例2
实施例1中，检波管以射频输入端RFin作为功率检测端来解决问题，若以功率单元结构的输出端RFout作为功率检测端仍适用，如图5所示，本实施例中的所述检波管连接功率单元结构的输出端RFout。
实施例3
实施例1和2中，均以检波管检测信号控制偏置补偿电流，结合恒流源实现对主放大管偏置点间接动态控制，也可以采用检测信号直接控制主放大管的偏置点。
如图6所示，本实施例中采用恒流源控制电路，取代偏置补偿电路，检波管输出的电压控制信号Vcr通过恒流源控制电路，控制恒流源的输出电流IS，此时恒流源的输出电流IS作为直接偏置电流。随电压控制信号Vcr的增加，通过合理的恒流源控制电路使直接偏置电流IS减小，可实现与实施例1和2相同的效果。同样，图6中的检波管检测信号也可从主放大管输入端取出。
实施例4
实施例1-3中，均以电流源偏置来解决问题，若以电压形式偏置主放大管，则由于IC～Vbe的指数关系，传统的放大器等效偏置点的上升现象更严重。
本实施例取代恒流源，采用恒压源提供主放大管T1的偏置电压Vbe，偏置补偿电路替换为对偏置电压Vbe补偿的电路结构。本实施例对改善放大效率仍适用。
本发明的功率单元结构，在实际版图布局中，检波管、补偿电路所占面积很小，仅需被补偿的功率放大单元面积S的1～2倍除以被补偿功率单元的直流放大倍数β的面积大小，即S/β～2S/β，易于集成在功率单元中。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高放大效率的功率单元结构，包括主放大管T1和恒流源，所述主放大管T1的基极连接射频输入端RFin，集电极连接功率输出端RFout，通过射频扼流圈RFC连接电压VCC，发射极接地；所述恒流源连接主放大管T1的基极，其输出电流IS；其特征在于，还包括偏置补偿电路和检波管；
所述偏置补偿电路包括电容C，电阻R1、R2、RC和补偿放大管Tco；所述补偿放大管Tco的集电极通过电阻RC连接主放大管T1的基极；补偿放大管Tco的基极分别通过电阻R1连接电压VCC、通过并联的电阻R2、电容C接地，补偿放大管Tco的发射极接地；
所述检波管连接射频输入端RFin，产生电压控制信号Vcr，并连接到补偿放大管Tco的基极，控制偏置补偿电流ICO的大小。
2.根据权利要求1所述的功率单元结构，其特征在于，在无射频信号输入时，IS≈IB+ICO，设置偏置补偿电路中各电阻大小，使得ICO＝0.1IS，即主放大管T1的静态工作点偏置电流IB＝0.9IS。
3.根据权利要求2所述的功率单元结构，其特征在于，在输入射频信号功率不足以导通检波管时，Vcr＝0，主放大管T1的偏置电流IB维持不变；
随着输入射频信号功率逐渐增加，检波管导通，产生电压控制信号Vcr的值逐渐增加，从而偏置补偿电流Ico增加；
通过设置补偿放大管Tco个数比配以及各电阻大小，使ICO＝αIS，令α取值0.1～0.5，即主放大管T1的偏置电流IB随输入射频信号功率的增加而减小，变化范围为0.9IS～0.5IS。
4.根据权利要求1所述的功率单元结构，其特征在于，所述检波管连接功率单元结构的输出端RFout。
5.根据权利要求1或4所述的功率单元结构，其特征在于，取代偏置补偿电路，采用恒流源控制电路，检波管输出的电压控制信号Vcr通过恒流源控制电路，控制恒流源的输出电流IS随电压控制信号Vcr的增加而减小。
6.根据权利要求1或4所述的功率单元结构，其特征在于，取代恒流源，采用恒压源提供主放大管T1的偏置电压Vbe，偏置补偿电路替换为对偏置电压Vbe补偿的电路结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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