CN1190889C - 用于功率放大器的动态偏置升压电路 - Google Patents

Abstract

一个功率放大器电路，包括放大晶体管和用于偏置该放大晶体管、以便获得至少大约180°导通角的一个直流偏置电路。该直流偏置电路包括一个动态偏置升压电路，用于由该直流偏置电路以提供到该功率放大器的输入信号的增加成正比地增加提供到该放大晶体管的直流偏置电流。该偏置升压电路使得该功率放大器电路工作在B或AB类，具有改进的功率输出特性和在低功率电平的降低的功耗。

Description

用于功率放大器的动态偏置升压电路

发明背景

本发明涉及晶体管放大器电路领域，尤其涉及具有用于偏置升压电路的一个功率放大器电路，用于增加最大功率输出以及减小低功率电平的功耗。

这种通用类型的放大器时常使用在高频RF放大器中，以及使用在音频放大器和其它应用中。为了获得线性输入-输出关系和高工作效率，这种放大器通常以大约180°的导通角(B类)或稍微更大的导通角(AB类)工作，以便避免交叉失真。

通常，这种类型的放大器需要一个直流偏置电路，以便建立该放大器电路中的静态偏置电流，保证在B类或AB类模式中的操作。在已有技术中，偏置通常由一个固定电流源提供，如美国专利5,844,443所示，或通过外部提供，其偏置可被设置为一个期望常量值，以便保证在该期望模式中的操作所需要的静态电流，如美国专利5,548,248所示。

然而，在上述类型的放大器中，从电源汲取的平均电流取决于该输入信号的电平。随着输出功率的增加，使得功率晶体管的发射极和基极的平均电流都增加。增加的平均电流引起偏置电路和镇流电阻(被用于避免使用交叉指型设计的晶体管中的热点和热击穿)中的电压降。这又降低了导通角(即放大器360°导通之外的度数)，并且迫使放大器深入成B类甚至C类操作，从而把最大功率输出降低大约25％。为了避免这功率降低，放大器必须有更大的静态偏置。这在已有技术的电路中将不可避免地导致在低功率输出电平的较高的功耗，因此导致一个不希望的在工作特性中的折衷。

因此，所希望的是具有一个功率放大器电路，其提供最佳的最大输出功率以及在低功率电平的降低的功耗的优点。另外，希望这种电路在设计上简单和紧凑，并且制造上经济。

本发明概要

因此本发明的一个目的是提供一个功率放大器电路，其提供改进的最大输出功率和在低功率电平的较少的功耗。本发明的进一步的目的是提供功率放大器电路，其设计上简单和紧凑并且制造上经济。

根据本发明，这些目标由一个新的功率放大器实现，该新的功率放大器电路用于放大一个输入信号并且具有至少大约180°的导通角，该放大器电路包括一个放大晶体管和一个用于偏置该放大晶体管以便获得该期望导通角的直流偏置电路。该直流偏置电路包括一个动态偏置升压电路，用于由该直流偏置电路以提供到该功率放大器的输入信号的增加成正比地增加提供到该放大晶体管的直流偏置电流。

在本发明的一个最佳实施例中，该放大器电路是B类或AB类放大器电路之一。

在本发明的进一步的最佳实施例中，该动态偏置升压电路包括一个压控电流源，由正比于提供到该功率放大器电路的输入信号的幅度的一个直流电压控制。

在本发明的进一步的最佳实施例中，该功率放大器电路还包括一个驱动晶体管，并且该动态偏置升压电路检测一个正比于该驱动晶体管中的一个电流的电压，并且与该驱动晶体管的电压和电流的增加成正比地增加提供到该放大晶体管的直流偏置电流。

根据本发明的一个功率放大器电路提供的一个重要改进在于若干特点的有益组合，包括以简单、紧凑和经济的结构获得最大输出功率的增加以及在低功率电平的功耗降低。

参照在下文的实施例说明，本发明的这些和其它方面的优点将是显见的。

附图的简要描述

结合附图而参照下面的描述将可以更完整地理解本发明，其中：

图1示出已有技术功率放大器的的示意图；

图2示出根据本发明第一实施例的一个功率放大器电路的示意图；和

图3示出根据本发明第二实施例的一个功率放大器电路。

附图中，相同的参考数字被概括用于表明相同的成分。

最佳实施例的描述

图1中以简化形式示出已有技术的示例功率放大器，例如可结合本发明的一个AB类RF放大器。由于本放大器是传统形式的放大器，所以将参照其主要部件作总括描述，应该理解，本发明可被结合到所示类型或其它类型的放大器电路，例如B类B或AB类RF或音频放大器。

功率放大器10包括一个放大晶体管100，具有由镇流电阻102所示的镇流电阻。在实践中，功率晶体管，具体地说是RF功率晶体管，通常是以具有多个发射极单元的交叉指型形式制造。这可能在操作中产生热点并且导致热击穿。为了防止热击穿，通常引入串联在每一发射极(或基极)的镇流电阻以便分流均匀在该晶体管的发射极单元当中的发射极电流，因此最小化热点和热击穿的可能性。在图1所示的已有技术电路中，此发射极(或基极)电阻劣变该偏置电路在高功率电平的性能，因此减小最大功率输出。

晶体管100的集电极的输出被连接到一个输出匹配电路104的输入端，其被提供有来自终端106的电压Vcc并且在跨越负载电阻110的终端108提供一个输出信号Vo。

信源112把一个输入信号VIN提供到输入端114，其通过输入电阻116和输入匹配网路118连接到晶体管100的基极。

晶体管100的基极也通过基极偏置电阻122连接到直流偏置电路120。此实例中所示的直流偏置电路120包括一个电流镜像电路122，由晶体管124和126、电阻128、130和132以及电容器134组成，但是应该知道可以采用其它形式的直流偏置电流。

图1所示的已有技术电路所引起的问题在于，在AB类放大器中，从电源汲取的平均电流取决于该输入信号的水平。随着输入信号水平和功率输出增加，在功率晶体管100的发射极和基极中的平均电流也增加。增加的平均电流引起在偏置电路中的电压降的增加，具体地说是引起在电阻R122中的电压降的增加，并且还引起在镇流电阻102中的电压降的增加。这又降低了放大器的导通角，把一个AB类放大器深推到B类操作甚至C类操作，因此把最大功率输出减小达25％。在已有技术中，通过对放大器提供一个较大偏置能够避免这种情况，但是这种解决方案具有的缺陷在于其招致在低输出功率电平的较大功耗。

图2根据本发明第一实施例的克服上述已有技术缺陷的一个功率放大器电路，该功率晶体管在高和低信号电平都被正确地偏置以便避免最大功率输出的降低，同时避免在低功率电平的较大偏置条件的必要性，因此最小化在低功率电平的功耗。

此改进是通过将一个动态偏置升压电路提供到该功率放大器电路实现的，其动态的偏置升压电路随着输出功率增加而动态地增加该功率晶体管的偏置。

在图2的功率放大器电路中，根据本发明第一实施例的动态偏置升压电路加到图1的功率放大器电路，以便实现上述优点。示出的动态偏置升压电路136是简化的理想形式，压控电流源138与电阻128并联连接并且由耦合到该压控电流源138的直流电压源140控制。直流电压源140用于以在终端114的输入信号VIN的幅度的比例值产生偏置升高电压V_BB。因此，随着输入的信号V_IN的幅度增加，由直流电压源140产生的电压V_BB的值相似地增加，使得压控电流源138产生的直流电流增加，以便动态地提供最终提供到该放大晶体管100的额外直流偏置电流。以此方式，该放大晶体管100能够在高输入信号电平产生最大功率输出，而同时该放大器电路在低功率操作电平维持一个低功耗。与图1的电路比较，在低功率电平，两个电路都偏置为AB类操作，图2的电路能够最大输出功率中提供近似25％的增加而在低功率电平则不增加功耗。

图3以简化示意图的形成示出本发明的包含该动态升压电路的两级放大器电路。应该理解，图3的示意图中的相似设置成分和电路部分，比如用于该两放大级的直流偏置电路120以及电路成分，是以相同参考数字表明，以便简化并且不做进一步的描述。

图3的两级放大器电路包括由放大晶体管100组成的输出级，还包括由驱动晶体管142组成的一个驱动级。象先前描述的那样，每一级都具有一个直流偏置电路120，并且驱动晶体管142通过一个电感器144提供有集电极电压，并且其输出通过电容器146耦合到功率输出晶体管100的输入。通过其分别的直流偏置电路120，驱动晶体管142和功率晶体管100都被偏置为例如AB类。

在本实施例中，该动态偏置升压功能由检测晶体管148提供，其输入端与驱动晶体管142的输入端并联，以便检测两端的电压和驱动晶体管中的当前。因此，当到驱动晶体管142的输入驱动信号增加时，该驱动晶体管142中的电流增加并且该检测晶体管148中的电流也增加。检测晶体管148的输出提供到电流镜像器150的输入端，其用于平均、定标和镜像由驱动晶体管148提供的电流并且提供一个输出电流，该输出电流被相加到由功率放大器晶体管100的直流偏置电路120提供的偏置电流。电流镜像器150采用RC时间常数和适当规模的晶体管，以便以传统的方式实现平均、定标和镜像功能。因此，通过检测对驱动晶体管142的输入电压(因此检测通过驱动晶体管的电流)和晶体管148的输出，检测晶体管148和电流镜像器150共同执行该压控电流源136的功能，以便产生在电流镜像器150中的一个动态偏置升压电流，提供到输出晶体管100的直流偏置电路120。在图3所示的两级实施例中，本发明的动态偏置升压电路在最大输出功率中提供大约33％的一个增加，同时保持在低功率电平的低功耗。

以此方式，本发明提供一个适于使用在RF或音频放大器的一个功率放大器电路，其具有一个偏置升压电路，使得该放大器电路以改进的最大功率输出工作并且在低功率电平有较少功耗。另外，本发明提供功率放大器电路，其设计上简单和紧凑并且制造上经济。

虽然已经参照几个最佳实施例展示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的条件下可以进行各种形式和细节上的改变。因此，例如不同类型的晶体管、直流偏置电路和驱动器以及功率输出级可被适当地采用，并且可以对电路结构改变以便适合具体的设计要求。

Claims (4)

1.一种用于放大一个输入信号(112)并且具有至少大约180°导通角的功率放大器电路(10)，所说功率放大器电路包括一个放大晶体管(100)和一个用于偏置所说放大晶体管以便获得所说导通角的直流偏置电路(120)，所说直流偏置电路包括一个动态偏置升压电路(136)，用于与提供到所说功率放大器电路(10)的所说输入信号的增加成正比例地增加由所说直流偏置电路(120)提供到所说放大晶体管(100)的直流偏置电流，所说功率放大器电路进一步包括一个驱动器晶体管(142)，其中所说动态偏置升压电路(136)包括这样的装置，该装置用于检测与所说驱动器晶体管(142)中的电流成比例的电压(148)，并且还用于与所说驱动器晶体管(142)中的电流的增加成正比例地增加提供到所说放大晶体管(100)的所说直流偏置电流。

2.如权利要求1所述的功率放大器电路，其中所说放大器电路是一个B类放大器电路。

3.如权利要求1所述的功率放大器电路，其中所说放大器电路是一个AB类放大器电路。

4.如权利要求1所述的功率放大器电路，其中所说动态偏置升压电路包括一个压控电流源(138)，该压控电流源由与所说输入信号(112)的幅度成比例的直流电压(140)加以控制。