CN113595515A - 一种应用于射频放大器的高线性偏置电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，克服了现有技术的补偿电路引入的性能影响较大、工频偏移、信号失真的问题，包括输出信号功率采集转化电路、参考电流控制电路以及偏置电压产生电路；参考电流控制电路分别与输出信号功率采集转化电路和偏置电路产生电路连接。本发明通过监测射频放大器的输出信号幅度，自动调整偏置电路的偏置电压进而在处理大功率信号时提高偏置电压，补偿功率增益提高了射频放大器的线性度，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。
Description
技术领域
本发明涉及射频集成电路通信领域，尤其是涉及一种应用于射频放大器的高线性偏置电路。
背景技术
射频通信领域应用中的射频放大器主要包括低噪声放大器和功率放大器。射频放大器是现代通信模块中射频前端的重要组成部分，所有含有信号接收或者发射功能的通信模块均需要射频放大器进行信号的接收后放大或者放大后发射出去。随着现代通信技术的发展，射频放大器的需求量越来越多，同时根据不同的应用要求，不同性能要求的射频放大器的发展越来越快。对于低噪声放大器而言，高线性代表着接收机处理大信号的能力，处理干扰信号的能力；而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，低线性放大器容易造成幅度失真，信号无法正确传输。射频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，决定了射频放大器能处理的最大信号功率。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，非线性通常会造成射频放大器工作异常，需要的信号不能正确地放大并引入很多干扰信号和谐波信号，信号发生错误传输，通信中断。
造成射频放大器非线性的信号失真最主要的是增益压缩，即射频放大器在输入和输出端出现大功率信号时，射频放大器的功率增益是否能保持恒定。由于器件的非线性，当射频放大器输入和输出出现大功率信号时的增益会低于射频放大器在输入和输出为小功率信号时的增益，输入和输出信号的功率增大导致器件非线性增强进一步恶化射频放大器的增益压缩。衡量的指标为射频放大器的功率增益压缩了1dB时对应的射频放大器的输入或者输出功率大小，即输入1dB压缩点（input compression point 1 dB, IP1dB）或者输出1dB压缩点（Output compression point 1 dB, OP1dB），高线性射频放大器要求该指标非常好，压缩点越大代表射频放大器能正确处理的功率信号越大，性能越好。
为了降低射频放大器的增益压缩，理论方法都是对器件的非线性进行补偿。当射频放大器的输入或者输出出现大功率信号的时候，晶体管的工作状态会发生变化，直流工作点发生偏移，一般是直流工作电压变小造成晶体管的跨导变小，而且晶体管的等效阻抗也会发生变化。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，在射频放大器输入或者输出出现大功率信号的时候自动补偿电路可以根据射频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，提高射频放大器的输入输出1dB压缩点。传统常规偏置电路加上补偿电路的方案对于提高线性度有很好的效果，但是也有很大的缺点，偏置电路和补偿电路是两部分电路，同时接入射频放大器的放大晶体管栅极，寄生电容等参数大，对射频放大器的其他性能影响比较大，造成正常状态下的功率增益下降，工作频率偏移，噪声的恶化，输入端阻抗的变化等。同时补偿电路的设计比较复杂，自动补偿电路的阈值控制比较难，容易对晶体管的工作电压补偿不足或者过度补偿，造成增益曲线的严重凸起或者凹陷，增益平坦度较差，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。为了提高射频放大器的线性度，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，平滑地补偿射频放大器的功率增益，减少寄生参数带来的影响，在处理大功率信号时保持射频放大器的增益恒定，提高增益平坦度。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的补偿电路引入的性能影响较大、工频偏移、信号失真的问题，提供一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，通过监测射频放大器的输出信号幅度，自动调整偏置电路的偏置电压进而在处理大功率信号时提高偏置电压，补偿功率增益提高了射频放大器的线性度，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。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，包括输出信号功率采集转化电路、参考电流控制电路以及偏置电压产生电路；
参考电流控制电路分别与输出信号功率采集转化电路和偏置电路产生电路连接。
本发明通过将输出信号功率的变化转化为参考电流的变化，再通过电流镜镜像进而自动地调整输入射频晶体管的偏置电压，补偿功率增益提高射频放大器的线性度。
作为优选，所述输出信号功率采集转化电路包括晶体管N1、晶体管N2、电阻R1、电容C1、电流源I1和电流源I2；电阻R1连接在晶体管N1的栅极和晶体管N2的栅极之间，晶体管N1的直流电压VA与晶体管N2的直流电压VB相等；
晶体管N1的源极与电流源I1连接，晶体管N2的源极与电流源I2连接；
电容C1一端连接有射频反馈信号，电容C1另一端与晶体管N1栅极连接。
其中，电流源I1和电流源I2可使用NMOS晶体管电流镜实现，具有高阻抗。
电阻R1连接在晶体管N1的栅极和晶体管N2的栅极之间，隔离交流信号但保证两个晶体管的直流电压相等，射频反馈信号通过隔直电容C1将射频信号耦合进入晶体管N1的栅端，进而改变晶体管的工作状态。
作为优选，所述射频反馈信号类型包括多级射频放大器输出端的射频信号、多级射频放大器中的第一级输出端的射频信号和其他中间级射频信号。
作为优选，所述晶体管N2的栅极连接有参考电压VREF，参考电压VREF是一个稳定的电压信号。
作为优选，所述参考电流控制电路由尾电流源IREF和两条相似的电流支路组成；
两条电流支路通过的电流分别为I3和I4，IREF为稳定的基准电流，两条电流支路由晶体管P1、晶体管P2、晶体管N3以及晶体管N4组成；
晶体管P1、晶体管N3组成电流为I3的支路；晶体管P2、晶体管N4组成电流为I4的支路；
对应的晶体管尺寸成一定的比例，即P1:P2= N3:N4=a:b，且满足IREF=I3+I4；
所述偏置电压产生电路包括晶体管N5。
其中，IREF为稳定的基准电流，可使用PMOS晶体管电流镜实现，具有高阻抗。
作为优选，所述偏置电压产生电路由晶体管N5、晶体管P3、晶体管P4、晶体管N6以及电阻R2组成；
晶体管P3源极与晶体管P4源极连接；晶体管P3栅极P4栅极连接；
晶体管P3漏极与晶体管N5漏极连接；晶体管P4漏极与晶体管N6漏极连接；晶体管N6栅极输出偏置电压VBIAS；
其中，晶体管N4与晶体管N5为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足N4:N5=1:K1，晶体管P3和晶体管P4为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足P3:P4=1:K2。
作为优选，还包括与高线性偏置电路连接的用于稳定电压的旁路电容。
旁路电容主要的作用是稳定电路相应位置的电压。
作为优选，所述旁路电容包括金属电容。
作为优选，所述旁路电容包括MOS电容。
作为优选，所述射频放大器包括低噪声放大器和功率放大器。
应用于射频放大器的高线性偏置电路，实现工艺不限于CMOS工艺，还包括HBT、pHEMT等类型。
因此，本发明具有如下有益效果：
1. 电路结构简单，易于集成，芯片制作成本低；
2. 电路反应速度快，精度高，效果好；
3. 电阻寄生参数小，对功率放大器其他性能影响小。
附图说明
图1是本实施例射频放大器拓扑结构示意图。
图2是本实施例的应用于射频放大器的高线性偏置电路图。
图3是本实施例输出信号功率采集转化电路中X点和Y点的电压与输入信号功率Pin的关系曲线图。
图4是本实施例输入晶体管的偏置电压VBIAS与输入信号功率Pin的关系曲线图。
图5是本实施例射频放大器的功率增益与输入信号功率Pin的关系曲线图。
图中：1、高线性偏置电路 101、输出信号功率采集转化电路 102、参考电流控制电路 103、偏置电压产生电路 2、输入匹配 3、输出匹配。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
本实施例提供了一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，主要的作用就是为射频放大器中的射频放大晶体管提供偏置电压，同时可以根据输入输出射频信号的大小自动调整偏置电压的大小以提高射频放大器的线性度。
图1所示为单级射频放大器拓扑结构示意图，本实施例主要为对应拓扑结构示意图中的高线性偏置电路1，如图所示，高线性偏置电路1采集输出匹配3的射频信号RFfeedback，然后经过内部处理后得到偏置电压信号VBIAS，与输入匹配2共同连接控晶体管M0的栅极，控制晶体管M0的直流工作状态，也就决定了晶体管M0的跨导和整个射频放大器的功率增益。
图2是本发明的高线性偏置电路1，主要功能就是采集输出端的射频信号变化，并同步转化为偏置电压的变化，自动调整偏置电压的大小。包括三个依次连接的电路，分别为：输出信号功率采集转化电路101、参考电流控制电路102以及偏置电压产生电路103。
输出信号功率采集转化电路101由晶体管N1、晶体管N2、电阻R1、电容C1、电流源I1和电流源I2组成，其中，电流源I1和电流源I2可使用NMOS晶体管电流镜实现，具有高阻抗。晶体管N1、晶体管N2所在的两条支路的直流电流由电流源I1和电流源I2决定，可以相等也可以保持一定的比例。基准电压VREF是一个稳定的电压信号，用于保证工作过程中晶体管N2的源极电压VY不会发生波动，可以作为参考点。电阻R1隔绝了交流信号对晶体管N2的影响的同时也使得晶体管N1的栅极直流电压为VREF，隔直电容C1主要是将射频反馈信号耦合到晶体管N1的栅极，叠加在直流控制电压VREF上，即VA=VREF+vRFFB，其中vRFFB表示输出端的射频反馈信号，为交流小信号。
参考电流控制电路102由尾电流源IREF和两条相似的电流支路组成，IREF为稳定的基准电流，可使用PMOS晶体管电流镜实现，具有高阻抗。两条电流支路由晶体管P1、晶体管P2、晶体管N3以及晶体管N4组成，对应的晶体管尺寸相等或者成一定的比例，即P1:P2= N3:N4=a:b，而且满足IREF=I3+I4。晶体管P1和晶体管P2的栅极分别连接晶体管N1和晶体管N2的源极，而晶体管N3和晶体管N4都是二极管连接方式连接，保证这两条支路在射频输出信号非常小的时候流过的直流电流与晶体管的尺寸相对应成比例，即I3:I4=P1:P2= N3:N4=a:b。同时，流过晶体管N4的参考电流的变化直接镜像到晶体管N5中。
偏置电压产生电路103主要包括两次镜像结构，将参考电流的变化进一步放大，由晶体管N5、晶体管P3、晶体管P4、晶体管N6以及电阻R2组成。其中，晶体管N4与晶体管N5为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足N4:N5=1:K1，晶体管P3和晶体管P4为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足P3:P4=1:K2。因此，对应的电流变化放大了K1*K2倍，反应迅速。
在射频输入输出信号功率较小的情况下，耦合进入晶体管N1栅极的射频反馈信号非常小，即vRFFB≈0，此时有VA=VREF，显然地，由VB=VREF以及I1=I2，得到晶体管N1和晶体管N2的源极电压VX=VY，进而得到参考电流控制电路中的电流I3和电流I4之间的比值与晶体管尺寸对应成比例，并通过偏置电压产生电路一直保持这个一个稳定的偏置电压VBIAS。
当射频输入输出信号功率逐渐增大时，耦合进入晶体管N1栅极的射频反馈信号无法忽略，开始影响晶体管的工作状态，此时VA=VREF+vRFFB，然而流过晶体管N1的电流I1保持不变，由于晶体管导通电流与栅源极电压之间的关系是非线性的， A点有射频信号叠加后，晶体管N1的栅源极电压会随着射频信号的增大而减小，即晶体管N1的源极电压VX开始增大，VX>VY，使得流过晶体管P1和晶体管N3的电流I3开始减小，由于参考电流IREF是保持不变的，因此流过晶体管P2和晶体管N4的电流I4开始增大，与电流I4成比例的电流I5和电流I6也同步增大，进一步地，提高了偏置电压VBIAS，对晶体管的跨导进行补偿，补偿射频放大器的功率增益，提高射频放大器的线性度。
本发明的偏置电压自动调整过程根据射频输出信号的功率可以快速地作出反应，直到晶体管N1的源极电压VX足够大使得电流I3=0，此时I4=IREF，VBIAS达到最大值。
显然地，可以优化隔直电容C1的容值大小进行调整耦合进入晶体管N1栅极的射频信号功率大小，优化射频信号的功率对晶体管N1源极电压的敏感度，使得到最好的补偿效果。
进一步地，由IREF=I3+I4以及I3:I4=P1:P2= N3:N4=a:b可以得到，调整两条支路中对应晶体管的尺寸比例，可以调整电流I3和电流I4之间的比例，可以控制偏置电压的补偿程度，优化带内增益平坦度。
图3是本发明对应的仿真结果图，输出信号功率采集转化电路中的X点电压VX以及Y点电压VY与输入信号Pin之间的关系曲线图。由图所示，当输入信号Pin增大时，X点的电压VX也逐渐增大，而Y点的电压VY基本保持不变。
图4是本发明对应的仿真结果图，偏置电压VBIAS与输入信号功率Pin的关系曲线图，由图所示，当输入信号Pin增大时，偏置电压VBIAS也逐渐增大，直到上述电流I3=0，此时I4=IREF，VBIAS达到最大值，然后随着输入信号Pin增大开始下降。图中也含有未采用高线性偏置电路的传统偏置电路产生的偏置电压VBIAS与输入信号Pin的关系曲线图，显然地，未采用高线性偏置电路的结构，偏置电压VBIAS在输入信号Pin较小的时候就开始迅速下降了。
图5时本发明对应的仿真结果图，射频放大器的功率增益与输入信号Pin的关系曲线图。同时该图也包含了未采用高线性偏置电路的传统结构对应的射频放大器功率增益与输入信号Pin的关系曲线图。由图可知，该高线性偏置电路可以很好的补偿射频放大器的功率增益，保持在大输入射频信号的情况下功率增益恒定，明显地提高射频放大器的1dB压缩点。
本发明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。上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，包括输出信号功率采集转化电路、参考电流控制电路以及偏置电压产生电路；
参考电流控制电路分别与输出信号功率采集转化电路和偏置电路产生电路连接；
所述参考电流控制电路由尾电流源IREF和两条相似的电流支路组成；
两条电流支路通过的电流分别为I3和I4，IREF为稳定的基准电流，两条电流支路由晶体管P1、晶体管P2、晶体管N3以及晶体管N4组成；
晶体管P1、晶体管N3组成电流为I3的支路；晶体管P2、晶体管N4组成电流为I4的支路；
对应的晶体管尺寸成一定的比例，即P1:P2= N3:N4=a:b，且满足IREF=I3+I4；
所述偏置电压产生电路包括晶体管N5。
2.根据权利要求1所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述输出信号功率采集转化电路包括晶体管N1、晶体管N2、电阻R1、电容C1、电流源I1和电流源I2；电阻R1连接在晶体管N1的栅极和晶体管N2的栅极之间，晶体管N1的直流电压VA与晶体管N2的直流电压VB相等；
晶体管N1的源极与电流源I1连接，晶体管N2的源极与电流源I2连接；
电容C1一端连接有射频反馈信号，电容C1另一端与晶体管N1栅极连接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述射频反馈信号类型包括多级射频放大器输出端的射频信号、多级射频放大器中的第一级输出端的射频信号和其他中间级射频信号。
4.根据权利要求2所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述晶体管N2的栅极连接有参考电压VREF，参考电压VREF是一个稳定的电压信号。
5.根据权利要求1所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述偏置电压产生电路由晶体管N5、晶体管P3、晶体管P4、晶体管N6以及电阻R2组成；
晶体管P3源极与晶体管P4源极连接；晶体管P3栅极P4栅极连接；
晶体管P3漏极与晶体管N5漏极连接；晶体管P4漏极与晶体管N6漏极连接；晶体管N6栅极输出偏置电压VBIAS；
其中，晶体管N4与晶体管N5为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足N4:N5=1:K1，晶体管P3和晶体管P4为一对镜像晶体管，晶体管的尺寸比例满足P3:P4=1:K2。
6.根据权利要求1所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，还包括与高线性偏置电路连接的用于稳定电压的旁路电容。
7.根据权利要求6所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述旁路电容包括金属电容。
8.根据权利要求6所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述旁路电容包括MOS电容。
9.根据权利要求1所述的一种应用于射频放大器的高线性偏置电路，其特征是，所述射频放大器包括低噪声放大器和功率放大器。
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