CN113258888A - 一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路 - Google Patents

一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路 Download PDF

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Abstract

本发明一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，解决了现有偏置电路晶体管的工作电压补偿不足或过度补偿的技术问题，电路包括偏置电压支路和反馈回路，反馈回路包括复制支路和反馈支路，反馈支路与复制支路形成环路连接，偏置电压支路与复制支路相并接，偏置电压支路采集信号变化输出偏置电压；复制支路复制偏置电压支路电流参数；反馈支路根据复制的电流参数变化，输出相应的补偿电流至偏置电压支路。本发明在输出功率很大的时候提高偏置电压，补偿功率增益提高了功率放大器的线性度。实现芯片全集成，电路结构简单，芯片制作成本低。电路反应速度快，精度高，效果好。电阻寄生参数小，对功率放大器的核心电路的性能影响小。

Description

一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路
技术领域
本发明涉及模拟电子技术领域，尤其涉及一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路。
背景技术
功率放大器是现代通信模块中射频前端的重要组成部分，所有含有信号发射功能的通信模块均需要功率放大器进行信号的放大并发射出去。随着现代通信技术的发展，功率放大器的需求量越来越多，同时根据不同的应用要求，不同性能要求的功率放大器的发展越来越快。对于发射幅度调制信号的功率放大器而言，线性度是非常重要的指标，否则容易造成幅度失真，信号无法正确传输。功率放大器的线性度衡量了由于电路自身的非线性而引入的信号失真程度，决定了功率放大器能处理的最大信号功率。由于非线性造成的信号失真主要包括谐波失真、增益压缩、信号阻塞和交调失真，非线性通常会造成需要的信号不能正确地解调，功率放大器的误码率大大增加。
造成功率放大器非线性的信号失真最主要的是增益压缩，即功率放大器在输出大功率时功率放大器的功率增益是否能保持恒定。由于器件的非线性，当功率放大器输出大功率信号时的增益会低于功率放大器输出小功率信号时的增益，输出信号的增大导致器件非线性增强造成信号的功率放大器的增益压缩。衡量的指标为功率放大器的功率增益压缩了1dB时对应的功率放大器的输出功率大小，即输出1dB压缩点（Output compressionpoint 1 dB, OP1dB），高线性功率放大器要求该指标非常好，越接近功率放大器的最大输出功率越好。
为了降低功率放大器的增益压缩，理论方法都是对器件的非线性进行补偿。当功率率放大器输出大功率信号的时候，晶体管的工作状态会发生变化，直流工作点发生偏移，造成晶体管的夸导变小，阻抗发生变化。常用的补偿方法都是在传统偏置电路的基础上增加一部分自动补偿电路，在功率放大器输出大功率信号的时候自动补偿电路可以根据输出信号的幅度进行补偿晶体管的直流工作点，保持增益的稳定，提高功率放大器的输出1dB压缩点。传统常规偏置电路加上补偿电路的方案有很好的效果，但是也有很大的缺点，偏置电路和补偿电路是两部分电路，同时接入功率放大器的放大晶体管栅极，寄生电容等参数大，对功率放大器的其他性能影响比较大，比如增益的下降，工作频率偏移等。同时补偿电路的设计比较复杂，补偿阈值比较难控制，容易晶体管的工作电压补偿不足或者过度补偿，造成增益曲线的凸起或者凹陷，增益平坦度非常差，也会造成信号的失真。
目前，芯片集成方案还有很多，但是补偿电路引入的问题均存在还无法很好地解决，并没有显示出非常优越地性能优势。为了提高功率放大器的线性度，需要优化偏置电路和补偿电路，能精准控制补偿电路的阈值，平滑地补偿功率放大器的功率增益，在大输出功率时保持增益恒定，提高增益平坦度。
公开号为CN109643137A的专利文献公开了一种电流参考电路，包括：电流源，第一p沟道金属氧化物半导体( p-channel metal oxidesemiconductor，PMOS )晶体管，其具有耦合到第一电源电压的源极、栅极和耦合到电流源的漏极，以及n沟道MOS( n-channelMOS，NMOS )晶体管，其具有耦合到第二电源电压的漏极、耦合到所述第一PMOS晶体管的所述漏极的栅极。所述电流参考电路还包括第一电阻元件，其具有耦合到所述NMOS晶体管的源极和所述第一PMOS晶体管的栅极的第一端子以及耦合到地电位的第二端子，第二PMOS晶体管，其具有耦合到所述第一电源电压的漏极，以及第二电阻元件，其具有耦合到所述第一电阻元件的所述第一端子的第一端子和耦合到所述第二PMOS晶体管的所述栅极的第二端子。但该申请着重于解决低低电源电压产生参考电流的噪声问题，没有完全解决现有技术晶体管的工作电压补偿不足或者过度补偿的技术问题。
发明内容
本发明主要是解决了现有偏置电路晶体管的工作电压补偿不足或者过度补偿的技术问题，提供了一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：包括偏置电压支路和反馈回路，反馈回路包括复制支路和反馈支路，反馈支路与复制支路形成环路连接，偏置电压支路与复制支路相并接，
偏置电压支路，采集信号变化输出偏置电压；
复制支路，与偏置电压支路为相对称电路结构，复制偏置电压支路电流参数；
反馈支路，包括晶体管M1、晶体管M2和恒流源，恒流源输出端、晶体管M1栅极分别与晶体管M2漏极连接，恒流源输入端、晶体管M1漏极分别连接电源，晶体管M1源极连接偏置电压支路输入端，晶体管M2源极接地，晶体管M2栅极与复制支路连接输入复制的电流参数，根据复制的电路参数变化，控制晶体管M1输出相应的补偿电流至偏置电压支路。其中恒流源电流IREF为基准电流保持不变，可以使用PMOS晶体管实现，具有高阻抗。
本发明通过监测功率放大器放大晶体管的栅极信号幅度，自动调整偏置电路的偏置电压进而在输出功率很大的时候提高偏置电压，补偿功率增益提高了功率放大器的线性度。本发明可以实现芯片全集成，电路结构简单，反应速度快，寄生参数小，对功率放大器的核心电路的性能影响小。
在输出大功率信号时，偏置电压因为栅极信号幅度大，寄生器件的损耗不容忽视，发生迅速下降，复制支路复制偏置电压支路电流，复制支路对应的电压同步发生下降，即晶体管M2栅极电压下降，但是通过晶体管的电流是基准电流基本不变，因此晶体管漏极电压要增大才能保证通过晶体管M2的电流保持不变。而漏端电压的增加使得流过晶体管M1的电流大幅度地增加，形成补偿值输入到偏置电压支路，提高了偏置电压支路输入电压，进而增大了其电流，增大了偏置电压。通过复制电路加上负反馈环的作用，对偏置电压进行了补偿，
作为一种优选方案，所述复制支路包括晶体管M3、电阻R1和电阻R2，晶体管M3漏极通过反馈支路输入端后连接电源，晶体管M3漏极分别与晶体管M3栅极、偏置电压支路输入端连接，晶体管M1源极与晶体管M3漏极连接，晶体管M3源极连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接地，电阻R1和电阻R2相连间的连接点与反馈支路晶体管M2栅极相连。复制支路的电路结构与偏置电压支路的电路结构对称，偏置电压支路电流发生变化，复制支路电流发生同步变化，即复制支路复制偏置电压支路的电流参数，复制支路与反馈支路共同构成一个反馈回路。
作为一种优选方案，所述偏置电压支路包括晶体管M4、电阻R3和电阻R4，晶体管M4漏极分别与复制支路晶体管M3漏极、晶体管M4栅极连接，晶体管M4源极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端接地，电阻R3和电阻R4相连间的连接点形成偏置电压输出端。偏置电压支路采集信号变化提供偏置电压。
作为一种优选方案，所述反馈支路还包括电容C1，电容C1一端连接晶体管M2漏极，电容C1另一端接地。本方案中电容C1为旁路电容，用于稳定晶体管M1栅极端的电位，旁路电容的类型不限于金属电容、还包括MOS电容。
作为一种优选方案，所述复制支路还包括电容C2，电容C2一端连接晶体管M3漏极，电容C2另一端接地。本方案中电容C2为旁路电容，用于稳定晶体管M3漏极端的电位，旁路电容的类型不限于金属电容、还包括MOS电容。
作为一种优选方案，所述复制支路晶体管M3、电阻R1、电阻R2与偏置电压支路晶体管M4、电阻R3、电阻R4对应成比例，其关系如下：
Figure 140983DEST_PATH_IMAGE001
其中β为晶体管宽长比，α为比例系数。
因此，本发明的优点是：
1.通过复制支路复制偏置电路的参数，反馈支路根据复制的参数自动调整偏置电路的偏置电压，在输出功率很大的时候提高偏置电压，补偿功率增益提高了功率放大器的线性度。
2.可以实现芯片全集成，电路结构简单，芯片制作成本低。
3.电路反应速度快，精度高，效果好。
4.电阻寄生参数小，对功率放大器的核心电路的性能影响小。
附图说明
图1是常用高线性功率放大器拓扑结构图；
图2是本发明的一种电路结构示意图；
图3是本发明对应的信号分析等效电路图；
图4是本发明电路与传统电路仿真结果对比图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，主要的作用就是为功率放大器中的放大器晶体管提供偏置电压。
如图1所示，常用的高线性功率放大器的拓扑结构图，一共分为三级电路，分别为第一级驱动级(Drive stage)、第二级线性级(Linear stage)和第三级输出级(Outputstage)，input match为输入匹配电路，Linearity Bias Circuit为线性偏置电路，outputmatch为输出匹配电路。驱动级主要是为功率放大器提供功率增益，放大信号，线性级进一步放大信号，同时根据输入信号的幅度调整工作状态，保证线性度，输出级主要是将放大的信号输出并驱动50Ω的负载。本发明的自动调整偏置电路位于线性级的线性偏置电路模块中，而输入级和输出级的放大晶体管偏置电压采用传统普通的偏置电路即可。
本实施例电路包括偏置电压支路和反馈回路，反馈回路包括复制支路和反馈支路，反馈支路与复制支路形成环路连接，偏置电压支路与复制支路相并接，
偏置电压支路，采集信号变化输出偏置电压；
复制支路，与偏置电压支路为相对称电路结构，复制偏置电压支路电流参数；
反馈支路，根据复制到的电流参数对偏置电压支路输出补偿值，调整偏置电压支路工作状态。
本实施例电路结构如图2所示，复制支路包括晶体管M3、电阻R1和电阻R2，晶体管M3漏极通过反馈支路输入端后连接电源，晶体管M3漏极分别与晶体管M3栅极、偏置电压支路输入端连接，晶体管M3源极连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接地，电阻R1和电阻R2相连间的连接点与反馈支路输入端连接。
反馈支路包括晶体管M1、晶体管M2和恒流源，晶体管M1漏极连接电源，晶体管M1源极连接复制支路晶体管M3漏极，晶体管M1栅极分别连接恒流源输出端、晶体管M2漏极，恒流源输入端连接电源，晶体管M2源极接地，晶体管M2栅极连接在复制支路电阻R1和电阻R2相连间连接点。恒流源电流IREF为基准电流保持不变，可以使用PMOS晶体管实现，具有高阻抗。
偏置电压支路包括晶体管M4、电阻R3和电阻R4，晶体管M4漏极分别与复制支路晶体管M3漏极、晶体管M4栅极连接，晶体管M4源极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端接地，电阻R3和电阻R4相连间的连接点形成偏置电压输出端，提供功率放大器晶体管的栅极偏置电压VBIAS。
另外，反馈支路还包括电容C1，电容C1一端连接晶体管M2漏极，电容C1另一端接地。复制支路还包括电容C2，电容C2一端连接晶体管M3漏极，电容C2另一端接地。电容C1和电容C2为旁路电容，电容C1用于稳定晶体管M1栅极端的电位VD，电容C2用于稳定晶体管M3漏极端的电位VC，旁路电容的类型不限于金属电容、还包括MOS电容。
上述电路中复制支路与偏置电压支路为对称的电路，其中复制支路晶体管M3、电阻R1、电阻R2与偏置电压支路晶体管M4、电阻R3、电阻R4对应成比例，其关系如下：
Figure 186300DEST_PATH_IMAGE002
其中β为晶体管宽长比，α为比例系数。
自动调整偏置电路中晶体管实现工艺不限于CMOS工艺，还包括HBT、pHEMT等类型。
如图3所示，晶体管M3和晶体管M4采用的是二极管连接方式，在正常工作时表现出二极管的单向导通特性，记为二极管D3和二极管D4，即VC>VA+VTH时二极管D3可导通，VC>VB+VTH时二极管D4导通。图中虚线的电流源ic作为等效的电流损失，代表射频电路中由交流信号引起的栅极寄生电容寄生电阻消耗的能量。当功率放大器输出的功率比较小的时候，晶体管栅极的信号幅度比较小，寄生电容的电压变化较小，消耗的能量较小，基本上可以忽略，即iC=0。当功率放大器输出的功率比较大的时候，晶体管栅极上的信号幅度很大，寄生电容和寄生电阻上消耗的能量不可忽视，即此时iC很大，等效电流的损失引起栅极直流电压VB的下降，导致晶体管的工作点发生改变，晶体管的跨导减小，晶体管的增益下降，功率放大器的增益受到压缩，在输出大功率信号时的增益要小于输出小功率信号时的增益。并且随着输出功率的增加，增益迅速下降。因此，提高线性度的原理就是在输出大功率信号时补偿晶体管的偏置电压，在偏置电压发生下降时，根据输出功率的大小自动加入补偿值，提高偏置电压的平均值，保持晶体管的工作点稳定即可保证增益恒定而不会受到压缩。
对于本实施例电路而言，在输出大功率信号时，偏置电压VB因为栅极信号幅度大，寄生器件的损耗不容忽视，发生迅速下降，复制电路对应的电压VA同步发生下降，由于晶体管M2的栅极电压发生下降，但是通过晶体管的电流是基准电流基本不变，因此漏端电压VD要增大才能保证通过晶体管M2的电流保持不变。而漏端电压VD的增加使得晶体管M1的电流IC大幅度地增加，并提高了电压点VC，进而增大了电流IA和IB，通过电阻后增大了电压VA和VB。通过复制电路加上负反馈环的作用，对偏置电压进行了补偿，基本维持了偏置电压的稳定。
偏置电压经过负反馈电路的调整，可以动态地根据幅度大小调整偏置电压，采用了负反馈电路，反应速度快，精度高，而且通过调整偏置电压支路和复制支路之间的比例可以精确控制补偿电路的强度，适用于不同应用要求的功率放大器使用。
如图4所示，为本实施例对应的仿真结果图，采用本实施例或者采用传统偏置电路结构时功率增益与输出功率的关系曲线图。普通未进行补偿的偏置电路结构的功率放大器功率增益在输出功率很大的时候迅速下降，如图中方块线条，得到的输出1dB压缩点比较差，如图所示为21dBm左右。而采用本实施例的偏置电路结构在输出大功率信号的时候，增益曲线明显更平坦，不会发生下降，直到输出功率受到晶体管本身的限制了才开始迅速下降，如图中圆点线条，输出1dB压缩点得到很好地提升，达到25dBm左右，比采用普通的偏置电路提升了3-4dB，效果非常明显，线性度大大地提高了，保证了性能。
本实施例降低了电路的复杂度，建模简单，易于调整电路达到电路的设计要求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：包括偏置电压支路和反馈回路，反馈回路包括复制支路和反馈支路，反馈支路与复制支路形成环路连接，偏置电压支路与复制支路相并接，
偏置电压支路，采集信号变化输出偏置电压；
复制支路，与偏置电压支路为相对称电路结构，复制偏置电压支路电流参数；
反馈支路，包括晶体管M1、晶体管M2和恒流源，恒流源输出端、晶体管M1栅极分别与晶体管M2漏极连接，恒流源输入端、晶体管M1漏极分别连接电源，晶体管M1源极连接偏置电压支路输入端，晶体管M2源极接地，晶体管M2栅极与复制支路连接输入复制的电流参数，根据复制的电流参数变化，控制晶体管M1的电流变化并作为补偿电流输入偏置电压支路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：所述复制支路包括晶体管M3、电阻R1和电阻R2，晶体管M3漏极通过反馈支路输入端后连接电源，晶体管M3漏极分别与晶体管M3栅极、偏置电压支路输入端连接，晶体管M1源极与晶体管M3漏极连接，晶体管M3源极连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接地，电阻R1和电阻R2相连间的连接点与反馈支路晶体管M2栅极相连。
3.根据权利要求2所述的一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：所述偏置电压支路包括晶体管M4、电阻R3和电阻R4，晶体管M4漏极分别与复制支路晶体管M3漏极、晶体管M4栅极连接，晶体管M4源极连接电阻R3一端，电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端接地，电阻R3和电阻R4相连间的连接点形成偏置电压输出端。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：所述反馈支路还包括电容C1，电容C1一端连接晶体管M2漏极，电容C1另一端接地。
5.根据权利要求2或3所述的一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：所述复制支路还包括电容C2，电容C2一端连接晶体管M3漏极，电容C2另一端接地。
6.根据权利要求4所述的一种应用于高线性功率放大器的自动调整偏置电路，其特征在于：所述复制支路晶体管M3、电阻R1、电阻R2与偏置电压支路晶体管M4、电阻R3、电阻R4对应成比例，其关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中β为晶体管宽长比，α为比例系数。
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