CN1263214C - 独立控制静态电流和偏置阻抗的高频放大器电路 - Google Patents

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Abstract

一种高频放大器电路，包括放大晶体管和与该放大晶体管相耦合的偏置电路。偏置电路包括用于控制该放大晶体管静态电流的第一偏置子电路和单独控制该放大晶体管偏置阻抗的第二偏置子电路。利用这种结构能够设定放大晶体管的增益和工作类型，单独控制放大晶体管偏置阻抗从而得到线性与调谐能力的改善并提高效率。

Description

独立控制静态电流和偏置阻抗的高频放大器电路
本发明属于晶体管放大器电路领域，特别涉及高频放大器电路以及这种放大器电路的一些偏置电路。
典型地，这类高频放大器输出级是一个共射极结构连接的、在基极由一个电压源或者一个电流源偏置的双极晶体管。
在IC(集成电路)技术中，输出级的直接偏置方法是在基极提供一个恒流源。该恒流源可直接控制输出级的静态电流。但是，基极耦合电流源的输出级的集电极与发射极之间的击穿电压要比相应的基极耦合电压源的输出级的击穿电压低。于是，替代技术是采用基极耦合电压源的输出晶体管。这种技术的缺陷是，由于基极电压与电流之间的指数关系，通过改变基极电压来控制静态电流就变得困难了。
另一种在输出级提供静态电流控制的在先技术在U.S.专利第5,828,269号中示出。该发明与本申请具有一个共同的发明人。但是，在那篇参考文献中，输出晶体管的偏置级是RF(射频)信号通路中的射极跟随器，该射极跟随器是由另一个恒流源控制的。所以，偏置级的输出阻抗既影响射极跟随器级也影响输出级，仍未为一最佳结果。
于是，为了提高高频放大器的工作参数，这样的高频放大器电路将是理想的，即，在这个电路中偏置电路可对输出级的静态电流和偏置级输出阻抗(即输出级的偏置阻抗)提供单独和直接的控制，且偏置级不在RF信号通路之中。
因此，本发明的目的是提供一种高频放大器电路，该电路的偏置电路对输出级静态电流不在RF信号通路中的偏置级输出阻抗提供单独和直接的控制。这样的结构允许优良的增益控制和工作类型控制，还允许将电路调整到最佳效率和线性。
根据本发明，通过一种新的高频放大器电路来达到此目的。该电路包括一个放大晶体管和一个与该放大晶体管相耦合的偏置电路，该偏置电路包括一个用于控制放大晶体管静态电流的第一子电路和一个用于单独控制放大晶体管偏置阻抗的第二子电路。
在本发明的一个实施例中，第一和第二子电路各包括一个单独可调电流源和一个电流镜。
本发明的另一个优选实施例则着眼于与上述形式的高频放大器电路的放大晶体管相耦合的一个偏置电路。
根据本发明的放大器和偏置电路结构，在以下方面提供了可观改善，即，对输出级静态电流和偏置级输出阻抗的单独直接控制，使精确控制放大器增益和工作类型成为可能，同时提供很好的效率和线性。
本发明的这些和其他方面将参考下文叙述的实施例得到进一步阐述，并更加明了。
参考下面的叙述，结合阅读附图，可更完整地理解本发明。在仅有的一页图中示出了根据本发明的高频放大器电路的简化示意图。
高频放大器电路1表示在唯一的简化示意图中。本放大器电路包括一个放大晶体管11和一个偏置电路2，后者经一个电感器10a，或者替代地经一电阻器10b(图中虚线所示)，与放大晶体管11的基极相耦合。偏置电路2包括6个双极晶体管(12-17)和两个耦合于Vcc和GND之间的电流源18和19。对其下文中将有进一步的详细叙述。该基本电路结构是通过一用于将输入信号Vin耦合到放大晶体管11的基极的输入耦合电容器20、而与该晶体管11以共射结构连接而构成的，并通过一电感器21耦合于Vcc和GND之间。高频放大器电路1的输出端在晶体管11的集电极取出，如图中Vout所示。
根据本发明，放大晶体管11通过一种单连接(或是电感10a或是电阻10b)连于偏置电路2，实现在基极的偏置，而偏置电路包括2个子电路，以至放大晶体管的静态电流和偏置级的输出阻抗(输出级的偏置阻抗)可被两个电流源18和19单独直接控制，下文将详细说明其控制方式。
根据本发明的一个较佳实施例，每个偏置子电路包括一个电流源和一个电流镜。于是电流源18通过晶体管15和16组成的电流镜提供偏置电流，同是电流源19通过晶体管12、14和17组成的电流镜提供偏置电流成份。
工作时，高频放大器电路1的放大晶体管11被典型地偏置为甲乙类工作状态。但是当RF输入功率非常低时，放大晶体管工作于甲类是理想的。因此，有必要控制放大器的增益和类型，并且单独控制放大器的效率与线性也是所希望的。
根据本发明，这些参数的单独控制是通过在偏置电路2中提供两个独立的电流源而获得的。即，提供电流源18用以控制输出级的静态电流从而控制其工作类型，和电流源19用以控制偏置级的输出驱动电流从而控制其输出阻抗(输出级的偏置阻抗)。分别将两个电流源设置成所需值，就可有效实现工作类型和偏置阻抗的直接单独控制。
在如图所示的电路中，输出级静态电流正比于由电流源18提供的电流，因此当电流源19单独控制偏置级输出阻抗时，也就设定了工作类型。以此种方式，本发明所披露的电路允许调整输出级增益而不影响偏置阻抗的电平。
从总体上看，并假设电路中的所有晶体管相同且完全匹配，Kirchoff’s定律规定晶体管11和13的基极-发射极电压之和必须等于晶体管12和14的基极-发射极电压之和。由于晶体管13的基极-发射极电压大体与晶体管12之相等，所以晶体管11的基极-发射极电压也大体与晶体管14的相等。由于晶体管15和16形成一电流镜，那么来自电流源18的电流流过晶体管16也必须流过晶体管14和15。因此，电流源18的电流规定了输出晶体管11的静态电流、从而规定了它的工作类型和增益。
仍假设所有晶体管相同并完全匹配，类似地可以看到电流源19中的电流将控制偏置电路的输出阻抗。由于晶体管12、14和17形成一电流镜，来自电流源19的电流流过晶体管17也必然流过晶体管12和13。晶体管12、13、14和17形成一低阻抗通路，且偏置电路的输出阻抗大体由晶体管12和17所决定，即由电流源19提供的电流所决定。
通过业内人士熟知的适当标定晶体管对之间的射极系数的技术，可使晶体管11中的静态电流直接正比于电流源18的电流值，此时偏置电路的输出阻抗由电流源19的电流单独控制。于是，根据本发明，放大晶体管11的静态电流可被控制，同时为提高效率和线性，可单独设置偏置阻抗电平。
在如图所示电路中，电感10a用来将偏置电路耦合到放大晶体管11上，同时使偏置电路与RF通路相隔离。但是，由于在硅技术中电感的品质因数(Q)比较低而体积比较大，为上述目的而使用电感器可能不太经济和有效。因此提供了一个电阻，如图中标示为电阻10b，用虚线连接示出。这种表示应理解为，出于经济和/或效率的目的，电阻10b可用来代替电感10a作为偏置电路和放大晶体管之间的耦合元件。另外，使用电阻10b还有助于控制放大晶体管从甲类工作转向甲乙类工作，只要这个电阻上的电压降远远小于一基极-发射极电压，上述的详尽分析仍然有效。
以这种方式，本发明提供了一个高频放大器电路，该电路中放大晶体管的静态电流和不在RF通路中的偏置级输出阻抗可被单独和直接地控制。这允许有效控制放大器的增益和工作类型，同时获得效率和线性的改善。
尽管已参照几个实施例对本发明进行了特定的图示和描述，熟悉本技术的人员应能理解到，在未超出本发明的精神和范围内，可以进行各种形式上和细节上的各种改变。例如，可能使用不同类型的晶体管，为适合专门设计需要可能进行的电路结构的替代。

Claims (7)

1.一种高频放大器电路(1)，包括一放大晶体管(11)和一个具有与所述放大晶体管相耦合的输出端的偏置电路(2)，到所述放大器电路的输出端的高频信号的高频路径没有经所述偏置电路，所述偏置电路(2)包括一个用于控制所述放大晶体管(11)的静态电流的第一偏置子电路(18，15，16)和一个用于单独控制与所述放大晶体管(11)相耦合的所述偏置电路的输出端的偏置阻抗的第二偏置子电路(19，12，14，17)。
2.如权利要求1的高频放大器电路，其中所述第一和第二偏置子电路各包含一个独立可调的电流源(18和19)和一个电流镜(15，16，12，14，17)。
3.如权利要求2的高频放大器电路，其中偏置级包括具有彼此耦合的基极的第一和第二另外的晶体管(14，13)，该第一另外的晶体管(14)具有发射极，该发射极耦合到第二偏置子电路的电流镜(17，12)的输出晶体管(12)的基极，该第二偏置子电路的电流镜(17，12)的输出晶体管(12)经耦合到偏置级的输出端的节点，与第二另外的晶体管(13)串联耦合，第一偏置子电路的电流镜(15，16)驱动经第一另外的晶体管(14)的电流，到所述放大器晶体管(111)的高频信号的高频路径没有经所述节点。
4.如权利要求1的高频放大器电路，其中所述偏置电路(2)通过一电感器(10a)与所述放大晶体管(11)相耦合。
5.如权利要求1的高频放大器电路，其中所述偏置电路(2)通过一电阻(10b)与所述放大晶体管(11)相耦合。
6.如权利要求1的高频放大器电路，其中所述放大晶体管(11)和所述偏置电路(2)包括一些双极晶体管，所述放大晶体管连接为共基极结构，且所述偏置电路(2)与所述放大晶体管(11)的基极相耦合。
7.一种具有与高频放大器电路(1)的放大晶体管(11)相耦合的输出端的偏置电路(2)，所述偏置电路包括一个用于控制所述放大晶体管(11)的静态电流的第一偏置子电路(18，15，16)和一个用于单独控制与所述放大晶体管(11)相耦合的所述偏置电路的输出端的偏置阻抗的第二偏置子电路(19，12，14，17)，到所述放大器电路的输出端的高频信号的高频路径没有经所述偏置电路。
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