CN116667798B - 射频功率放大电路及射频芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种射频功率放大电路，包括依次连接的输入端、功率放大单元、输出端、以及为所述功率放大单元提供偏置电压的偏置电路；所述偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路；所述第一偏置电路用于调节阻抗点；所述第二偏置电路为有源偏置电路，用于随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，并与所述第一偏置电路共同作用以调节所述射频功率放大电路的线性度。本发明还提供一种射频芯片。与现有技术相比，本发明的射频功率放大电路及射频芯片线性度更好。

Description

射频功率放大电路及射频芯片
技术领域
本发明涉射频通讯技术领域，尤其涉及一种射频功率放大电路及射频芯片。
背景技术
通信领域的功率放大器（Power Amplifier，PA）是无线通信链路中的关键单元之一。相对4G LTE射频功率放大器，5G NR射频功率放大器对线性度要求更高，特别是CP-256QAM调制信号下的误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）线性度指标，对于射频功率放大器提出了更高的要求。
相关技术的功率放大器所用的自适应线性化偏置电路架构如图1所示，相关技术的PA的偏置电路的阻抗Z=Z1+R0，R0是热镇流电阻，Z1是决定PA偏置电路阻抗的主要因素。以5G-NR N41频段为例，Z1的阻抗参图2所示。从图2仿真可以得到，包络阻抗100MHz的阻抗约在29欧姆，主频（2.7GHz）阻抗约为28欧姆，二阶谐波阻抗（5.4GHz）阻抗约为15欧姆，三阶谐波阻抗（8.1GHz）阻抗约为9欧姆。相关技术PA的偏置电路主要的问题是，主频阻抗不够高，包络信号阻抗不够低，会导致射频信号泄漏进偏置电路，记忆效应增强，影响PA的线性度。影响PA线性度的另外一个重要因素是幅度调制-幅度调制（AM-AM）幅度失真，由此引起功率管跨导Gm的变化，跨导的变化将导致AM-AM失真，使功率放大器的线性度恶化。
因此，相关技术的功率放大器所用的自适应线性化偏置电路，其利用HBT1 BE结和射频旁路电容C1组成“线性化器”，将射频信号引入偏置电路中，利用二极管整流特性，补偿功率管的输入电压Vbe的减小，但是这种补偿作用有限，无法满足PA日益升高的线性功率的要求。
故，有必要提出一种新的射频功率放大电路及射频芯片解决上述技术问题。
发明内容
针对以上相关技术的不足，本发明提出一种线性度好的射频功率放大电路及功率放大器。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种射频功率放大电路，包括依次连接的输入端、功率放大单元、输出端、以及为所述功率放大单元提供偏置电压的偏置电路；所述偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路；
所述第一偏置电路用于调节阻抗点；所述第二偏置电路为有源偏置电路，用于随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，并与所述第一偏置电路共同作用以调节所述射频功率放大电路的线性度；
所述第一偏置电路包括第一晶体管、第二晶体管、第一电容、第二电容、第三电容、第一热镇流电阻、第一电阻、第二电阻以及第三电阻；
所述第一晶体管的基极连接至所述第二电阻的第一端，所述第一晶体管的集电极用于连接至供电电压，所述第一晶体管的发射极连接至所述第一热镇流电阻的第一端，所述第一热镇流电阻的第二端作为所述第一偏置电路的输出端连接至所述功率放大单元的输入端；
所述第二电阻的第二端连接至所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接至参考电压；
所述第二晶体管的基极连接至所述第二电阻的第一端，所述第二晶体管的集电极连接到所述第一电阻的第一端，所述第二晶体管的发射极接地；
所述第一电容的两端分别连接至第二晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极；
所述第三电容的第一端连接至所述第二电阻的第一端，所述第三电阻的第一端连接至所述第二电阻的第一端；所述第三电容的第二端与所述第三电阻的第二端连接，并共同连接至所述第一热镇流电阻的第一端。
优选的，所述第二偏置电路包括第三晶体管、第二热镇流电阻、第一二极管、第二二极管、电流源以及第四电容；
所述第三晶体管的基极连接至所述第一二极管的正极端，所述第三晶体管的集电极连接至供电电压，所述第三晶体管的发射极连接至所述第二热镇流电阻的第一端，所述第二热镇流电阻的第二端作为所述第二偏置电路的输出端连接至所述功率放大单元的输入端；
所述第一二极管的负极端连接至所述第二二极管的正极端，所述第二二极管的负极端接地；
所述电流源的正极端连接至所述第三晶体管的基极，所述电流源的负极端接地；
所述第四电容的第一端连接至所述电流源的正极端，所述第四电容的第二端接地。
优选的，所述功率放大单元为第四晶体管，所述第四晶体管的基极作为所述功率放大单元的输入端，所述第四晶体管的集电极分别连接至电源电压和所述输出端，所述第四晶体管的发射极接地。
优选的，所述射频功率放大电路还包括输入匹配电路，所述输入匹配电路的输入端连接至所述输入端，所述输入匹配电路的输出端连接至所述第四晶体管的基极。
优选的，所述射频功率放大电路还包括输出匹配电路，所述第四晶体管的集电极通过串联所述输出匹配电路后连接至所述电源电压。
第二方面，本发明实施例还提供一种射频芯片，所述射频芯片包括本发明实施例提供的上述射频功率放大电路。
与现有技术相比，本发明的射频功率放大电路及射频芯片中，通过设置双偏置电路结构共同改善线性度，所述第一偏置电路用于调节阻抗点，通过其电路设计使得第一电容、第二电容以及第三电容共同实现调节第一偏置电路对射频功率放大电路的主频、包络信号、谐波的阻抗位置，同时通过第二电容与第二电阻的配合设计提升第一偏置电路的稳定性；随着射频功率放大电路的功率增大，通过有源偏置电路的第二偏置电路，随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，有效改善AM-AM相位失真。从而第一偏转电路与第二偏置电路共同作用以较大程度的改善了所述射频功率放大电路的线性度。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为相关技术的射频功率放大电路的电路图；
图2为图1所示相关技术的射频功率放大电路的阻抗仿真图；
图3为本发明实施例的射频功率放大电路的电路图；
图4为本发明实施例的射频功率放大电路的第一偏置电路的阻抗仿真图；
图5为本发明实施例的射频功率放大电路与相关技术的射频功率放大器的1dB压缩点仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。
理想情况下，射频功率放大电路的偏置电路对射频主频信号表现出高阻，防止射频信号进入偏置电路中；对其他频率信号表现出低阻，从而防止出现其他频率的电压摆幅；在射频信号带有调制带宽时，偏置电路受到调制信号的包络调制，从而供电电压发生波动，若此时射频功率放大电路的工作特性随供电电压的波动发生变化，则产生了记忆效应。调制带宽越大，包络调制影响越大，从而越容易发生记忆效应。这种记忆效应主要由谐波阻抗和包络频率阻抗过大引起，因此在电路设计中需要射频功率放大电路的偏置电路尽量将谐波阻抗和包络频率阻抗归零。
基于此，本发明实施例提供一种射频功率放大电路100，请参图3所示，为本发明实施例的射频功率放大电路的电路图。射频功率放大电路100包括依次连接的输入端RFin、功率放大单元1、输出端RFout、以及为所述功率放大单元1提供偏置电压的偏置电路。所述偏置电路包括第一偏置电路21和第二偏置电路22。
所述第一偏置电路21用于调节阻抗点；所述第二偏置电路为有源偏置电路，用于随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，并与所述第一偏置电路共同作用以调节所述射频功率放大电路的线性度。
具体而言，所述第一偏置电路21包括第一晶体管HBT1、第二晶体管HBT2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一热镇流电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3。
所述第一晶体管HBT1的基极连接至所述第二电阻R2的第一端，所述第一晶体管HBT1的集电极用于连接至供电电压Vbatt，所述第一晶体管HBT1的发射极连接至所述第一热镇流电阻R0的第一端，所述第一热镇流电阻R0的第二端作为所述第一偏置电路21的输出端连接至所述功率放大单元1的输入端。
所述第二电阻R2的第二端连接至所述第二电容C2的第一端，所述第二电容C1的第二端连接至所述第一电阻R1的第一端，所述第一电阻R1的第二端连接至参考电压Vreg。
所述第二晶体管HBT2的基极连接至所述第二电阻R2的第一端，所述第二晶体管HBT2的集电极连接到所述第一电阻R1的第一端，所述第二晶体管HBT2的发射极接地。
所述第一电容C1的两端分别连接至第二晶体管HBT2的集电极与所述第二晶体管HBT2的发射极。
所述第三电容C3的第一端连接至所述第二电阻R2的第一端，所述第三电阻R3的第一端连接至所述第二电阻R2的第一端；所述第三电容C3的第二端与所述第三电阻R3的第二端连接，并共同连接至所述第一热镇流电阻R0的第一端。
通过上述第一偏置电路21的设计，使得第一偏置电路21主要通过偏置电路阻抗点调节改善射频功率放大电路100的记忆效应。第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3均为偏置阻抗调节电容，调节这三个电容的值可以调节第一偏置电路21对射频功率放大电路的主频、包络信号、谐波等的阻抗位置。第二电容C2、第二电阻R2和第三电阻R3同时组成了相位裕度网络。如果射频信号通过第二电容C2、第二电阻R2和第三电阻 R3耦合到第二晶体管HBT2的基级，耦合到第二晶体管HBT2的射频信号经过第二晶体管HBT2的BE结检波效应，会使第二晶体管HBT2的基极电位随着射频信号增大而下降，从而使得第一晶体管HBT1的发射极电位也随之下降，导致射频功率放大电路100在大功率信号下出现明显的AM-AM失真，进而导致射频功率放大电路100的线性度恶化。由此可见，第二电容C2和第二电阻R2的引入提升了第一偏置电路21的稳定性。第一偏置电路21的阻抗Z1参图4所示，由图4可以得到，包络阻抗100MHz的阻抗约在13欧姆，主频（2.7GHz）阻抗约为45欧姆，二阶谐波阻抗（5.4GHz）阻抗约为13.6欧姆，三阶谐波阻抗（8.1GHz）阻抗约为6欧姆。相比相关技术的如图1所示的偏置电路，本发明实施例中的第一偏置电路21在包络信号阻抗、谐波阻抗上都有一定程度的下降，主频阻抗则有一定的上升。
本实施方式中，具体的，所述功率放大单元1为第四晶体管HBT0，所述第四晶体管HBT0的基极作为所述功率放大单元1的输入端，所述第四晶体管HBT0的集电极分别连接至电源电压Vcc和所述输出端RFout，所述第四晶体管HBT0的发射极接地。
所述第二偏置电路22包括第三晶体管HBT3、第二热镇流电阻Rba、第一二极管Diode1、第二二极管Diode2、电流源Ibst以及第四电容C4。
所述第三晶体管HBT3的基极连接至所述第一二极管Diode1的正极端，所述第三晶体管HBT3的集电极连接至供电电压Vbatt，所述第三晶体管HBT3的发射极连接至所述第二热镇流电阻Rba的第一端，所述第二热镇流电阻Rba的第二端作为所述第二偏置电路22的输出端连接至所述功率放大单元1的输入端。
所述第一二极管Diode1的负极端连接至所述第二二极管Diode2的正极端，所述第二二极管Diode2的负极端接地。
所述电流源Ibst的正极端连接至所述第三晶体管HBT3的基极，所述电流源Ibst的负极端接地。
所述第四电容的第一端连接至所述电流源的正极端，所述第四电容的第二端接地。
第二偏置电路22主要通过有源偏置电路，随着输入射频功率放大电路100的功率增大逐渐释放电流，从而大幅度补偿功率放大单元1的输入端电压Vbe。
第二偏置电路22中的第二热镇流电阻RBa，第三晶体管HBT3，第一二极管Diode1，第二二极管Diode2，第四电容C4组成偏置推动补偿电路。
选择合适的第四电容C4可降低偏置推动补偿电路的基频阻抗，且可实现第一二极管Diode1连接至第四电容C4与第三晶体管HBT3之间的位置的连接点T点的电压维持恒定。基频阻抗降低后，泄露过去的射频信号增加。因为第三晶体管HBT3的BE结的整流作用，第三晶体管HBT3 的直流（DC）电流增加，第三晶体管HBT3的BE结电压减小，因为T点电压恒定，那么第三晶体管HBT3的发射极电压升高，从而补偿了功率放大单元1输入端的电压Vbe。
第二热镇流电阻Rba能够抑制功率放大单元1（即第四晶体管HBT0）的热效应。加入第二镇流电阻Rba后，电流越大的晶体管在镇流电阻上产生的压降越大，发射结上的分压减小，电流随之减小，结温降低，起到了负反馈的作用，最终维持各个晶体管的开启电压和电流相等，温度基本相等，抑制电流增益崩塌的发生，有效提高可靠性。但是过大的阻值必然使得第四晶体管HBT0的高频性能恶化，所以需要选择合适的第二镇流电阻Rba的阻值，一般取几百欧姆。
第一偏置电路21与第二偏置电路22相互配合，选取第一二极管Diode1和第二二极管Diode2两个二极管叠加，配合第二镇流电阻Rba可以使得第三晶体管HBT3处于临界导通状态。射频功率放大电路100在还未压缩的小功率下，因为第三晶体管HBT3处于临界导通状态，故此时的第二偏置电路22的阻抗Z2相比第一偏置电路21的阻抗Z1而言是大阻抗，因此不会影响第一偏置电路21对于偏置电路阻抗的调节。
在随着功率增大，射频功率放大电路100的AM-AM相位失真逐渐加剧成为射频功率放大电路100的主要失真源，第二偏置电路22中形成的偏置推动补偿电路会释放更多的电流，第三晶体管HBT3从临界导通状态逐渐转为导通状态，从而大幅度补偿作为功率放大器1的第四晶体管HBT0的输入端的电压Vbe，改善射频功率放大电路100的AM-AM相位失真。
本发明实施例中第一偏置电路21与第二偏置电路22组成的双偏置电路结构和相关技术的偏置电路的1dB压缩点仿真结果参图5所示，由图5可知，使用相关技术的偏置电路，增益从32db压缩到31db的压缩点输出功率30dbm；使用本发明的偏置电路，增益从31.5db压缩到30.5db增益的1dB压缩点提高到32.5dbm，因此与现关技术相比可以看到约提升2dB P1dB，即，本发明实施例的射频功率放大电路100的双偏置电路结构比相关技术的偏置电路结构1dB压缩点高2dB，极大程度改善了射频功率放大电路的线性度。
当然，所述射频功率放大电路100还包括输入匹配电路和输出匹配电路，所述输入匹配电路的输入端连接至所述输入端RFin，所述输入匹配电路的输出端连接至所述第四晶体管HBT0的基极。所述第四晶体管HBT0的集电极通过串联所述输出匹配电路后连接至所述电源电压Vcc。本实施方式中输入匹配电路为电容C0，输出匹配电路为电感L0。
第二方面，本发明实施例还提供一种射频芯片（图未示），所述射频芯片包括本发明实施例提供的上述射频功率放大电路100。
与现有技术相比，本发明的射频功率放大电路及射频芯片中，通过设置双偏置电路结构共同改善线性度，所述第一偏置电路用于调节阻抗点，通过其电路设计使得第一电容、第二电容以及第三电容共同实现调节第一偏置电路对射频功率放大电路的主频、包络信号、谐波的阻抗位置，同时通过第二电容与第二电阻的配合设计提升第一偏置电路的稳定性；随着射频功率放大电路的功率增大，通过有源偏置电路的第二偏置电路，随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，有效改善AM-AM相位失真。从而第一偏转电路与第二偏置电路共同作用以较大程度的改善了所述射频功率放大电路的线性度。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (5)

1.一种射频功率放大电路，包括依次连接的输入端、功率放大单元、输出端、以及为所述功率放大单元提供偏置电压的偏置电路，其特征在于，所述偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路；
所述第一偏置电路用于调节阻抗点；所述第二偏置电路为有源偏置电路，用于随着射频功率放大电路的功率增大而逐渐释放电流，以对所述功率放大单元的输入端实现电压补偿，并与所述第一偏置电路共同作用以调节所述射频功率放大电路的线性度；
所述第一偏置电路包括第一晶体管、第二晶体管、第一电容、第二电容、第三电容、第一热镇流电阻、第一电阻、第二电阻以及第三电阻；
所述第一晶体管的基极连接至所述第二电阻的第一端，所述第一晶体管的集电极用于连接至供电电压，所述第一晶体管的发射极连接至所述第一热镇流电阻的第一端，所述第一热镇流电阻的第二端作为所述第一偏置电路的输出端连接至所述功率放大单元的输入端；
所述第二电阻的第二端连接至所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接至参考电压；
所述第二晶体管的基极连接至所述第二电阻的第一端，所述第二晶体管的集电极连接到所述第一电阻的第一端，所述第二晶体管的发射极接地；
所述第一电容的两端分别连接至第二晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极；
所述第三电容的第一端连接至所述第二电阻的第一端，所述第三电阻的第一端连接至所述第二电阻的第一端；所述第三电容的第二端与所述第三电阻的第二端连接，并共同连接至所述第一热镇流电阻的第一端；
所述第二偏置电路包括第三晶体管、第二热镇流电阻、第一二极管、第二二极管、电流源以及第四电容；
所述第三晶体管的基极连接至所述第一二极管的正极端，所述第三晶体管的集电极连接至供电电压，所述第三晶体管的发射极连接至所述第二热镇流电阻的第一端，所述第二热镇流电阻的第二端作为所述第二偏置电路的输出端连接至所述功率放大单元的输入端；
所述第一二极管的负极端连接至所述第二二极管的正极端，所述第二二极管的负极端接地；
所述电流源的正极端连接至所述第三晶体管的基极，所述电流源的负极端接地；
所述第四电容的第一端连接至所述电流源的正极端，所述第四电容的第二端接地。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述功率放大单元为第四晶体管，所述第四晶体管的基极作为所述功率放大单元的输入端，所述第四晶体管的集电极分别连接至电源电压和所述输出端，所述第四晶体管的发射极接地。
3.根据权利要求2所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述射频功率放大电路还包括输入匹配电路，所述输入匹配电路的输入端连接至所述输入端，所述输入匹配电路的输出端连接至所述第四晶体管的基极。
4.根据权利要求3所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述射频功率放大电路还包括输出匹配电路，所述第四晶体管的集电极通过串联所述输出匹配电路后连接至所述电源电压。
5.一种射频芯片，其特征在于，所述射频芯片包括如权利要求1-4任意一项所述的射频功率放大电路。
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