CN115913138B - 偏置电路、功率放大器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种偏置电路、功率放大器和电子设备，所述偏置电路用于向功率放大器提供偏置电流，包括：输入电流支路，与供电电源连接，所述输入电流支路用于根据所述供电电源产生第一电流；输出电流支路，与所述输入电流支路连接，用于根据所述第一电流输出偏置电流；偏置电流补偿单元，与所述输入电流支路及所述供电电源连接，所述偏置电流补偿单元，用于调节所述第一电流，以保证在所述供电电源波动时，所述偏置电流保持不变。通过上述方案，保证功率放大器中的射频晶体管电性能不会因供电电源输入的偏置电压的波动发生较大变化。

Description

偏置电路、功率放大器和电子设备

技术领域

本申请涉及集成电路领域，具体而言，涉及一种偏置电路、功率放大器和电子设备。

背景技术

现有的功率放大器或微波集成电路，通常使用电流镜作为射频晶体管偏置电路，电流镜为功率放大器或微波集成电路中的射频晶体管提供可控的偏置电流，从而控制射频晶体管的工作状态。

然而在实际的应用过程中，功率放大器或微波集成电路中的电源管理芯片需要同时为多颗不同的芯片提供电压，从而可能导致芯片供电压不稳定的现象产生。随着芯片供电电压的波动，会使得电流镜产生的偏置电压的波动，导致偏置电路提供的静态基极电流产生较大幅度的波动，功率放大器或微波集成电路中射频晶体管的工作状态发生变化，进而使得功率放大器或微波集成电路的电性能发生较大变化。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种偏置电路、功率放大器和电子设备，用以保证功率放大器中的射频晶体管电性能不会因输入的偏置电压的波动发生较大变化。

第一方面，本申请提供一种偏置电路，用于向功率放大器提供偏置电流，所述偏置电路包括：输入电流支路，与供电电源连接，所述输入电流支路用于根据所述供电电源产生第一电流；输出电流支路，与所述输入电流支路连接，用于根据所述第一电流输出偏置电流；偏置电流补偿单元，与所述输入电流支路及所述供电电源连接，所述偏置电流补偿单元，用于调节所述第一电流，以保证在所述供电电源波动时，所述偏置电流保持不变。

在本申请实施例中，设置电流补偿单元，电流补偿单元与输入电流支路及供电电源连接，对输入电流支路产生的第一电流进行调整，在供电电源波动时，输入电流支路根据调整后的第一电流输出的偏置电流保持不变，从而保证功率放大器中的射频晶体管电性能不会因供电电源输入的偏置电压的波动发生较大变化。

在可选的实施方式中，所述偏置电流补偿单元包括：第一限流元件和第二限流元件；所述第一限流元件设置于所述输入电流支路中的第一晶体管的控制端和输入端之间；所述第二限流元件的第一端与所述供电电源连接，第二端与所述第一晶体管的控制端连接。

在本申请实施例中，通过设置偏置电流补偿单元，在供电电源V_bias的电压产生波动，第一晶体管的控制端电压会随着供电电源的电压的增加而增加，减小而减小。相应地，第一晶体管的控制端电流也会随着供电电源电压的增加而增加，减小而减小。在供电电源电压的增加时，第一晶体管的控制端电流与供电电源的电压呈正斜率变化，第一晶体管的导通能力增强，导通电流与供电电源的电压也呈正斜率变化。第一限流元件调节导通电流的斜率，进而保证输出电流支路输出的偏置电流保持不变，使得射频晶体管的工作状态不会随供电电源的电压波动而造成其集电极电流的变化，从而保证射频晶体管的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响。

在可选的实施方式中，所述偏置电流补偿单元还包括：第三限流元件；所述第三限流元件的一端与所述第一晶体管的输入端连接，另一端与所述输入电流支路连接。

在本申请实施例中，设置第一限流元件和第三限流元件共同调节第一晶体管的导通电流的斜率，从而保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变，进而保证输出电流支路输出的偏置电流保持不变，使得射频晶体管的工作状态不会随供电电源的电压波动而造成其集电极电流的变化，从而保证射频晶体管的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响。

在可选的实施方式中，所述第一限流元件为第一电阻，所述第二限流元件为第二电阻，所述第三限流元件为第三电阻。

在可选的实施方式中，所述第一电阻和所述第三电阻的阻值满足：在所述供电电源波动时，流入目标交点的电流与所述供电电源输出的偏置电压之间的斜率，及所述第一电流与所述供电电源输出的偏置电压之间斜率保持一致，所述目标交点为所述第三电阻和所述输入电流支路的连接点。

在可选的实施方式中，所述第一电阻和所述第三电阻为可变电阻；所述偏置电流补偿单元还包括采样电路，用于对第二电流进行采样，所述第二电流根据所述第一电流确定，所述第二电流与所述偏置电流正相关；通过调节所述第一电阻和/或所述第三电阻的阻值，以保证所述第二电流不变，进而保证所述偏置电流不变。

在本申请实施例中，将第一电阻和第三电阻设置为可变电阻，通过设置采样电路对第二电流进行采样，然后调节第一电阻和第三电阻的阻值，使得第二电流不变，进而保证输出电流支路输出的偏置电流保持不变，使得射频晶体管的工作状态不会随供电电源的电压波动而造成其集电极电流的变化，从而保证射频晶体管的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响。

在可选的实施方式中，所述偏置电流补偿单元还包括：第二晶体管；所述第二晶体管设置在所述供电电源和所述第二限流元件之间，所述第二晶体管的控制端和输入端与所述供电电源连接，输出端与所述第二限流元件连接。

在本申请实施例中，通过设置第二晶体管作为偏置电流补偿单元的负载，具有面积小，节省偏置电路面积的优点。

在可选的实施方式中，所述第二晶体管为异质结双极型晶体管；相应的，所述第二晶体管的输入端为所述异质结双极型晶体管的集电极，所述第二晶体管的输出端为所述异质结双极型晶体管的发射极，所述第二晶体管的控制端为所述异质结双极型晶体管的基极。

第二方面，本申请提供一种功率放大器，包括：功率放大器和如前述实施方式任一项所述的偏置电路；所述偏置电路的输出端与所述功率放大器的输入端连接，用于向所述功率放大器输入偏置电流。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括：如前述实施方式所述的功率放大器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种偏置电路的结构框图；

图2为本申请实施例提供的第一种偏置电路的电路图；

图3为本申请实施例提供的第二种偏置电路的电路图；

图4为本申请实施例提供的第三种偏置电路的电路图；

图5为本申请实施例提供的功率放大器的结构框图。

图标：100-偏置电路；101-输入电流支路；102-输出电流支路；103-偏置电流补偿单元；500-功率放大器；501-功率放大器本体。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了保证功率放大器中的射频晶体管电性能不会因输入的偏置电压的波动发生较大变化，本申请实施例的提供一种偏置电路、功率放大器和电子设备，以解决上述问题。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种偏置电路的结构框图。在本实施例中，偏置电路100可以包括输入电流支路101，输出电流支路102和偏置电流补偿单元103，偏置电路100用于产生并向功率放大器提供偏置电流。输入电流支路101与供电电源连接，用于根据供电电源产生第一电流。输出电流支路102，与输入电流支路101连接，用于根据第一电流输出偏置电流。偏置电流补偿单元103，与输入电流支路101及供电电源连接，用于调节第一电流，以保证在供电电源波动时，输出的偏置电流保持不变。

具体地，请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种偏置电路的电路图。输入电流支路101可以包括电阻R1、第一晶体管M1和第三晶体管M3。电阻R1的一端与供电电源连接，另一端与第一晶体管M1的输入端连接。第一晶体管M1的输出端与第三晶体管M3的输入端连接，第三晶体管M3的输出端接地。第三晶体管M3的输入端和控制端连接。

输出电流支路102可以包括第四晶体管M4，第四晶体管M4的输入端与供电电源连接，第四晶体管M4的控制端与第一晶体管M1的输入端连接，第四晶体管M4的输出端与功率放大器或微波集成电路中的射频晶体管M5的控制端连接，第四晶体管M4的输出端输出偏置电流，对射频晶体管M5的工作状态进行控制。

偏置电流补偿单元103可以包括第一限流元件和第二限流元件。在本申请实施例中，第一限流元件和第二限流元件均为电阻，第一限流元件对应图2中的第一电阻R2，第二限流元件对应图2中的第二电阻R3。第一电阻R1设置于输入电流支路中的第一晶体管M1的控制端和输入端之间。第二电阻R2的第一端与供电电源连接，第二端与第一晶体管M1的控制端连接。

需要说明的是，在其他实施方式中，第一限流元件和第二限流元件可以为其他可以起到限流功能的元件，例如：稳压二极管、三极管等器件，本申请对此不作具体限定。

需要说明的是，在本申请实施例后续的介绍中，各个晶体管：第一晶体管M1、第三晶体管M3、第四晶体管M4以及和射频晶体管M5均为异质结双极型晶体管（HeterojunctionBipolar Transistor，HBT），且第一晶体管M1、第三晶体管M3、第四晶体管M4以及和射频晶体管M5的晶体管尺寸相同。

相应地，在晶体管为异质结双极型晶体管时，晶体管的输入端为异质结双极型晶体管的集电极，晶体管的输出端为异质结双极型晶体管的发射极，晶体管的控制端为异质结双极型晶体管的基极。

在其他实施例中，第一晶体管M1、第三晶体管M3、第四晶体管M4以及和射频晶体管M5也可以为双级结晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）或其他各种类型的晶体管，本申请对此不作具体限定。

以下对图2的偏置电路100的工作原理进行介绍。

根据电路原理可知，输入电流支路101和输出电流支路102组成一个电流镜结构。流经电阻R1的电流IV在V点进行分流，IV=I2+I1。电流I1输入第四晶体管M4的基极，第四晶体管M4的发射极输出偏置电流至射频晶体管M5的基极，对射频晶体管M5的工作状态进行控制。

若供电电源V_bias的电压保持不变（V_bias的电压值为

），通过选择合适大小阻值的电阻R1，在电阻R1的作用下，电流I1输入第四晶体管M4的基极，使得第四晶体管M4的发射极输出的偏置电流I输入射频晶体管M5的基极，保证射频晶体管M5工作在合适的放大区间。

当供电电源V_bias的电压产生波动时（V_bias的电压值为由

变化为/>

），流经电阻R1的电流IV在V点进行分流，IV=I2+I1。由于V_bias的电压值为由/>

变化为/>

，则流经电阻R1的电流会发生变化，即/>

。其中，/>

为V_bias的电压值为/>

时，流经电阻R1的电流。

为了保证射频晶体管M5工作在合适的放大区间，需要保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1在供电电源V_bias的电压产生波动时依然保持不变。根据前述公式可知，I1=IV-I2。于是，当输入电流支路101产生的第一电流I2的变化量与流经电阻R1的电流IV的变化量相同（即

）时，输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变。/>

第一电流I2是由第一晶体管M1的发射极输出的，第一晶体管M1的发射极输出的第一电流I2由输入第一晶体管M1的基极电流

控制。根据图2的电路原理可知，/>

=

。/>

为流经第二电阻R3的电流，/>

为流经第一电阻R2的电流。/>

，通过选择合适的电阻R2，在供电电源V_bias的电压产生波动，电流IV与供电电源V_bias的斜率和第一电流I2与供电电源V_bias的斜率保持一致，使得在供电电源V_bias的电压产生波动时，第一电流I2的变化量与流经电阻R1的电流IV的变化量相同，从而保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变。

通过设置偏置电流补偿单元，在供电电源V_bias的电压产生波动，第一晶体管M1的基极电压会随着供电电源的电压的增加而增加，减小而减小。相应地，第一晶体管M1的基极电流也会随着供电电源电压的增加而增加，减小而减小。在供电电源电压的增加时，第一晶体管M1的基极电流与供电电源的电压呈正斜率变化，第一晶体管M1的导通能力增强，导通电流I2与供电电源的电压也呈正斜率变化。第一电阻R2用于调节导通电流I2的斜率，使得第一电流I2的变化量与流经电阻R1的电流IV的变化量相同，从而保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变，进而保证第四晶体管M4的发射极输出的偏置电流保持不变，使得射频晶体管M5的工作状态不会随供电电源的电压波动而造成其集电极电流的变化，从而保证射频晶体管M5的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响。

进一步地，请参阅图3，作为一种可选的实施方式，偏置电流补偿单元103还包括第三限流元件。在本申请实施例中，第三限流元件为电阻，第三限流元件对应图3中的第三电阻R4，第三电阻R4的一端与第一晶体管M1的集电极连接，另一端与第四晶体管M4的基极连接。

可以理解的是，在供电电源波动时，流入目标交点的电流与供电电源输出的偏置电压之间的斜率，及第一电流I2与供电电源输出的偏置电压之间斜率保持一致，目标交点为第三电阻R4和输入电流支路的连接点（即图3中的V点）。

本申请实施例提供的偏置电路的输入电流支路101和输出电流支路102的工作原理与图2中的偏置电路的输入电流支路101和输出电流支路102的工作原理类似，相同或相似之处可以互相参照，为使说明书简洁，在此不作赘述。

具体地，本申请实施例提供中的偏置电流补偿单元103中增加了第三电阻R4，第一晶体管M1的基极电流

=/>

。/>

为流经第二电阻R3的电流，/>

为流经第一电阻R2和第三电阻R4的电流之和。即/>

。通过选择合适的电阻R2和电阻R4，在供电电源V_bias的电压产生波动，电流IV与供电电源V_bias的斜率和第一电流I2与供电电源V_bias的斜率保持一致，使得在供电电源V_bias的电压产生波动时，第一电流I2的变化量与流经电阻R1的电流IV的变化量相同，从而保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变。

需要说明的是，在其他实施方式中，第三限流元件可以为其他可以起到限流功能的元件，例如：稳压二极管、三极管等器件，本申请对此不作具体限定。

通过设置偏置电流补偿单元，在供电电源V_bias的电压产生波动，第一晶体管M1的基极电压会随着供电电源的电压的增加而增加，减小而减小。相应地，第一晶体管M1的基极电流也会随着供电电源电压的增加而增加，减小而减小。在供电电源电压的增加时，第一晶体管M1的基极电流与供电电源的电压呈正斜率变化，第一晶体管M1的导通能力增强，导通电流I2与供电电源的电压也呈正斜率变化。第一电阻R2和第三电阻R4共同调节导通电流I2的斜率，使得第一电流I2的变化量与流经电阻R1的电流IV的变化量相同，从而保证输入第四晶体管M4的基极的电流I1保持不变，进而保证第四晶体管M4的发射极输出的偏置电流保持不变，使得射频晶体管M5的工作状态不会随供电电源的电压波动而造成其集电极电流的变化，从而保证射频晶体管M5的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响。

进一步地，请参阅图3，作为一种可选的实施方式，偏置电流补偿单元103还包括第二晶体管M2，第二晶体管M2设置在供电电源V_bias和第二电阻R3之间，第二晶体管M2的控制端和输入端与供电电源连接，输出端与第二电阻R3连接。第二晶体管M2作为偏置电流补偿单元103的负载，避免在供电电源的电压较大时，偏置电路100中的各个器件出现工作异常的情况。

具体地，第二晶体管M2可以异质结双极型晶体管（HeterojunctionBipolarTransistor，HBT），且第二晶体管M2与第一晶体管M1晶体管尺寸相同。

在本申请实施例中，通过设置第二晶体管M2作为偏置电流补偿单元103的负载，具有面积小，节省偏置电路面积的优点。

作为一种可选的实施方式，请参阅图4，第一电阻R2和第三电阻R4为可变电阻。偏置电流补偿单元103还包括采样电路，用于对第二电流进行采样。通过调节第一电阻和/或第三电阻的阻值，以保证第二电流不变，进而保证偏置电流不变。

第一电阻R2和第三电阻R4可以为电阻箱、滑动变阻器和电位器等，本申请对此不作具体限定。

本申请实施例中，第二电流为图4中的电流I1，即第四晶体管M4的基极电流。根据前述对偏置电流补偿单元103的工作原理可知，为了保证射频晶体管M5的电性能最大程度不受供电电源的电压波动的影响，需要在供电电源波动时，保证第四晶体管M4的基极电流不变。根据前述电路的工作原理可知，第一电阻R2和第三电阻R4的阻值大小会影响第四晶体管M4的基极电流。因此，将第一电阻R2和第三电阻R4设置为可变电阻，通过设置采样电路对第四晶体管M4的基极电流进行采样，然后调节第一电阻R2和第三电阻R4的阻值，使得第四晶体管M4的基极电流不变，从而保证第四晶体管M4的发射极输出的偏置电流保持不变。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供一种功率放大器。请参阅图5，图5为本申请实施例提供的一种功率放大器的结构框图，该功率放大器500包括功率放大器本体501和前述各个实施例中所记载的偏置电路100，偏置电路100的输出端与功率放大器本体501的输入端连接，用于向功率放大器本体501输入偏置电流。

其中，功率放大器本体501中可以包括用于进行功率放大的射频晶体管，射频晶体管的控制端作为功率放大器本体501的输入端与偏置电路100的输出端连接，偏置电路100的输出端向射频晶体管的控制端输入偏置电流，以使射频晶体管工作在放大区。

此外，本申请实施例中还提供一种电子设备。该电子设备包括前述实施例中的功率放大器500。

于本申请实施例中，电子设备可以是，但不限于台式机、笔记本电脑、智能手机、智能穿戴设备、车载设备等设备。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种偏置电路，用于向功率放大器提供偏置电流，其特征在于，所述偏置电路包括：

输入电流支路，与供电电源连接，所述输入电流支路用于根据所述供电电源产生第一电流；所述输入电流支路包括电阻R1、第一晶体管和第三晶体管，所述电阻R1的一端与所述供电电源连接，另一端与所述第一晶体管的输入端连接；所述第一晶体管的输出端与所述第三晶体管的输入端连接，所述第三晶体管的输出端接地；所述第三晶体管的输入端和控制端连接；

输出电流支路，与所述输入电流支路连接，用于根据所述第一电流输出偏置电流；所述输出电流支路包括第四晶体管，所述第四晶体管的输入端与所述供电电源连接，所述第四晶体管的控制端与所述第一晶体管的输入端连接，所述第四晶体管的输出端输出所述偏置电流；

偏置电流补偿单元，与所述输入电流支路及所述供电电源连接，所述偏置电流补偿单元包括：第一限流元件和第二限流元件，所述第一限流元件设置于所述第一晶体管的控制端和输入端之间，所述第二限流元件的第一端与所述供电电源连接，第二端与所述第一晶体管的控制端连接；所述偏置电流补偿单元，用于调节所述第一电流，以保证在所述供电电源波动时，使得流经所述电阻R1的电流与所述供电电源的偏置电压之间的斜率，及所述第一电流与所述供电电源的偏置电压之间的斜率保持一致，所述偏置电流保持不变。

2.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，所述偏置电流补偿单元还包括：第三限流元件；

所述第三限流元件的一端与所述第一晶体管的输入端连接，另一端与所述第四晶体管的控制端连接。

3.根据权利要求2所述的偏置电路，其特征在于，所述第一限流元件为第一电阻，所述第二限流元件为第二电阻，所述第三限流元件为第三电阻。

4.根据权利要求3所述的偏置电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第三电阻的阻值满足：

在所述供电电源波动时，流入目标交点的电流与所述供电电源输出的偏置电压之间的斜率，及所述第一电流与所述供电电源输出的偏置电压之间斜率保持一致，所述目标交点为所述第三电阻和所述输入电流支路的连接点。

5.根据权利要求3所述的偏置电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第三电阻为可变电阻；

所述偏置电流补偿单元还包括采样电路，用于对第二电流进行采样，所述第二电流根据所述第一电流确定，所述第二电流与所述偏置电流正相关；

通过调节所述第一电阻和/或所述第三电阻的阻值，以保证所述第二电流不变，进而保证所述偏置电流不变。

6.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，所述偏置电流补偿单元还包括：第二晶体管；

所述第二晶体管设置在所述供电电源和所述第二限流元件之间，所述第二晶体管的控制端和输入端与所述供电电源连接，输出端与所述第二限流元件连接。

7.根据权利要求6所述的偏置电路，其特征在于，所述第二晶体管为异质结双极型晶体管；相应的，所述第二晶体管的输入端为所述异质结双极型晶体管的集电极，所述第二晶体管的输出端为所述异质结双极型晶体管的发射极，所述第二晶体管的控制端为所述异质结双极型晶体管的基极。

8.一种功率放大器，其特征在于，包括：

功率放大器和如权利要求1-7任一项所述的偏置电路；

所述偏置电路的输出端与所述功率放大器的输入端连接，用于向所述功率放大器输入偏置电流。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求8所述的功率放大器。

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