CN1550063A - 具有共射-共基电流镜自偏置提升电路的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大器电路包括放大晶体管和用于偏置所述放大器晶体管以便获得至少大约180°的导通角的dc偏置电路，所述dc偏置电路具有自偏置提升电路，该电路包括具有通过电阻器耦合至放大晶体管的控制端的输出的共射－共基电流镜电路，以及从共射－共基电流镜电路耦合至公共端的电容器。选择电容器的值以获得期望的自偏置提升量。

Description

具有共射-共基电流镜自偏置提升电路的功率放大器
发明背景
本发明涉及晶体管放大器电路领域，更具体地，涉及具有共射-共基(cascode)电流镜自偏置提升电路的功率放大器电路。
这种通用类型放大器多用于高频RF放大器，以及用于音频放大器和其他应用中。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°的导通角工作(B类)，或是以稍微大些的导通角工作(AB类)，以避免交叉失真。
通常，这类放大器要求dc偏置电路来建立放大器电路中的静态偏置电流，以确保在B类或AB类模式下工作。在现有技术中，偏置通常由固定的电流源提供，如美国专利No.5,844,443中所示，或者通过外部电源提供，其可以被设置为期望的常数值以确保必要的静态电流来在期望的模式下工作，如美国专利No.5,548,248中所示。
然而，在上面描述的这类放大器中，从电源引出的平均电流取决于输入信号电平。随着输出功率增大，功率晶体管的发射极和基极中的平均电流也都增大。该增大的平均电流引起偏置电路中和镇流电阻器(其用于避免采用广泛数位化设计的晶体管中的热定位和热逃逸)中增大的压降。这依次又减小了导通角(即放大器导通着的360°中的角度)，并迫使放大器深度进入B类或甚至是C类工作，由此降低了最大功率输出。为了避免该功率的降低，放大器必须具有更大的静态偏置。在现有技术电路中，这必然导致在低功率输出电平下的高功率耗散，因此导致工作特性中不期望的折衷。
在本领域中近来的改进在共同待审的且共同转让的美国专利申请号No.09/536,946中有所公开，该专利的标题为Dynamic BiasBoosting Circuit For A Power Amplifier(用于功率放大器的动态偏置提升电路)，2000年3月28日提交，后来的中间权利作为PCT申请No.WO 01/73941公布。该申请公开了对于上述讨论问题的解决方案，其通过使用感测放大器的输入电压并产生动态偏置提升作为该信号幅度的一个函数的电路，提供具有动态偏置提升电路的功率放大器电路，以便随着输出功率增大而动态地增大功率晶体管的偏置。该解决方案的缺点在于它采用了大量有源和无源部件，因此没有使得简单化、紧凑性和制造的经济性最大化。
在共同待审的且共同转让的美国专利申请号No.09/621,525中公开了一种用于独立地控制静态电流和偏置阻抗的方案，该专利的标题为High-Frequency Amplifier Circuit With IndependentControl Of Quiescent Current And Bias Impedance(具有独立地控制静态电流和偏置阻抗的高频放大器电路)，于2000年7月21日提交，后来的中间权利作为PCT申请No.WO 02/09272公布。尽管该方案能够实现高功率增加的效率同时维持线性，但是它采用了相当复杂的电路，并对输出级贡献了显著的噪声电平。
因此，期望有一种功率放大器电路，其提供最佳的最大输出功率以及在低功率电平下减少的功率耗散这些优点。此外，该电路应当能够设置自偏置提升量，以便随着功率输出增大，功率晶体管可以为高功率输出和线性被适当地偏置，同时控制功率晶体管中的静态电流。最终，期望这种电路可以在设计上非常简单且紧凑，并且非常经济以便制造。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种功率放大器电路，其提供改进的最大输出功率和在低功率电平下更小的功率耗散。本发明的另一目的是提供一种电路，其能够设置自偏置提升量，以便随着功率输出增大，功率晶体管可以为高功率输出和线性被适当地偏置，同时控制功率晶体管中的静态电流。本发明进一步的目的是提供一种电路，其在设计上非常简单且紧凑，并且非常经济以便制造。
根据本发明，这些目的通过用于放大输入信号并具有至少大约180°导通角的新的功率放大器电路来实现，放大器电路包括放大晶体管和用于偏置放大器晶体管以便获得期望的导通角的dc偏置电路。dc偏置电路包括自偏置提升电路，该自偏置提升电路具有通过电阻器耦合至放大晶体管的控制端的输出的共射-共基电流镜电路，以及从共射-共基电流镜电路耦合至公共端的电容器。
在本发明的优选实施例中，共射-共基电流镜电路包括具有串接的主电流通路的第一对晶体管，电流镜电路的输出取自该串联连接的公共点，以及具有与偏置电流源串接的主电流通路的第二对晶体管。
根据本发明的功率放大器电路提供显著的改进，在于技术特征的特别优势组合，包括增大的最大输出功率、可选择的自偏置提升电平、低噪声电平、可控制的静态电流和低功率电平下减小的功率耗散，它们可以采用非常简单、紧凑并且经济的结构来获得。
参考下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。
附图说明
参考下列说明并结合附图阅读，对本发明将会有更加完整的理解，其中：
图1示出了根据本发明第一实施例的功率放大器电路的简化示意图；以及
图2示出了根据本发明第二实施例的功率放大器电路的dc偏置电路部分的简化示意图。
在附图中，相同的附图标记通常用于指示相同的部件。
具体实施方式
附图的图1中示出了功率放大器电路1的简化示意图。该放大器电路包括放大晶体管Q1和通过电阻器R1耦合至放大晶体管Q1的基极的dc偏置电路2。该偏置电路2包括在Vcc和公共端(地)之间串接耦合的输出双极型晶体管Q2和Q3，晶体管的公共点通过电容器Cb耦合至公共端并通过电阻器R1耦合至晶体管Q1的基极。基本电路结构通过用于将输入信号耦合至放大晶体管Q1的基极的输入耦合电容器C1来完成，晶体管Q1以共发射极结构连接中，并通过电感器L1耦合在Vcc和地之间。功率放大器电路1的输出取自晶体管Q1的集电极。
接合所示电路，可以理解，尽管为了描述的目的，示出的有源部件为双极型晶体管，但是场效应晶体管或双极型和场效应晶体管的组合可以替换用于本发明的范围内。此外，应当理解，功率放大器电路1和偏置电路2可以在形式和细节上与附图中所示的简化的示意性的描述不同。此外，应当理解，可以配置偏置电源并调节偏置电源以允许放大器电路在B类或AB类模式下工作。
偏置电路包括：包含晶体管Q2到Q5、电阻器R1和R2以及电容器C2到Cb的共射-共基电流镜。C2是旁路电容器。Q1的集电极节点是通过外部上拉电感器L1连接至电源电压的输出节点。RF输入通过可以作为驱动级的匹配电路的一部分的AC耦合电容器C1施加到Q1的基极。
偏置电路中的电流源Ibias控制偏置级的输出驱动电流和功率晶体管的静态电流。Ibias控制输出驱动电流的机制是显而易见的，因为偏置电路是共射-共基电流镜电路。用于控制Q1的静态电流的机制解释如下。假设电路中的所有晶体管是相同的且完全匹配。定律指示出DC电压Vbe(Q1)+V(R1)+Vbe(Q3)必须等于Vbe(Q2)+V(R2)+Vbe(Q5)。由于Vbe(Q3)近似等于Vbe(Q2)，因此，当通过适当选择电阻值而将V(R1)设置为等于V(R2)时，Vbe(Q1)近似等于Vbe(Q5)。因此，Ibias支配Q1中的静态电流以及Q2和Q3中的驱动电流。
通过适当地缩放晶体管对之间的发射极面积比，就可以使Q1中的静态电流和Q2和Q3中的驱动电流直接和Ibias的值成比例。在这里给出的示例中，可以使用64比1(Q1比Q5)和8比1(Q2比Q4和Q3比Q5)的比率。
图1中示出的没有Cb的偏置电路的自偏置提升机制可以按如下进行解释。通过电阻器R1，Q3对Q1充电，Q2对Q1放电。当RF输入功率低时，Q2的放电速率大大高于或等于Q3的充电速率。随着RF输入功率增大，Q2的放电速率变为低于Q3的充电速率。因此，Q1的正向偏置PN结两端的平均电压增大。
不用Cb，一旦Q2和Q3的尺寸以及Ibias固定，则难以控制充电和放电速率。这导致了对于Q1不受控制的偏置提升。不受控制的偏置提示可能会贡献过多的平均电流，并因此引起Q1效率的降低，这接着会降低采用偏置方案的功率放大器(PA)的总体电源附加效率(PAE)。
使用Cb，充电和放电速率可以被调节到提供用于实现最优输出功率、增益、电源附加效率和线性的期望的偏置提升。实现Cb的优选方式是采用芯片外的表面安装的部件。然而，也可以采用芯片上的电容器来实现相同的目的。
为了实现更高的电源附加效率(PAE)，线性功率放大器通常被偏置在AB类工作。线性和PAE是放大器中两个互相矛盾的需求。对于放大器的一组给定规格，需要在线性和PAE之间折衷。这通常通过为给定线性需求实现最高PAE来获得，例如，在CDMA应用中的相邻信道功率比(ACPR)的线性需求。这要求对放大器的静态电流有很好的控制。
根据本发明，能够为功率晶体管提供需自偏置提升的共射-共基电流镜电路与图1所示的功率晶体管基极处的偏置电阻器以及电容器一起使用，以提供期望的自偏置提升能力程度。电容器Cb调节自偏置提升量，使得随着输出功率的增大，功率晶体管可以为高输出功率和线性被适当地偏置。附加的优点在于功率晶体管中的静态电流可以由共射-共基电流镜很好地控制。此外，本发明的电路对于功率放大器的输出级比前面提到的美国专利申请号No.09/621,525(中间权利作为WO 02/09272公开)贡献的电路更少的噪声。
在非限制性的描述性示例中，图1的电路被模型化为具有值为5.6pF、10pF和22pF的电容器Cb。已经建立了自偏置提升量确实是Cb值的一个函数，随着Cb值的增大，自偏置提升幅度增大。因此，对于给定的应用，可以选择Cb值来为在PAE和线性之间期望折衷实现适当偏置条件。
图2中示出了dc偏置电路2的替换实施例。在图2中，为了简化，仅示出了DC偏置电路2，可以理解，晶体管Q2和Q3之间的连接将以和图1中所示的相同方式耦合到电容器Cb和电阻器R1。此外，等同于图1电路的类似部分和前面描述的图2中的那些电路部分这里将不再详细描述。
图2区别于图1之处在于去掉了晶体管Q4和Q5之间连接的电阻器R2，使得这些晶体管现在直接相连在一起，其中在晶体管Q2和Q4的基极之间插入了电阻器R3和R4。该替换结构的目的在于在要求低电源电压的应用中改进电路性能。
尽管参考优选实施例具体示出并描述了本发明，本领域技术人员应当理解，可以不脱离本发明的精神或范围而实现在形式和细节上的各种变化，其中一些在上面已经暗示出。因此，例如可以采用不同类型的晶体管，也可以实现对电路结构的替换来适应特定设计要求。在附属权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一”一词不排除多个。

Claims (6)

1.一种功率放大器电路(1)，用于放大输入信号并具有至少大约180°的导通角，所述放大器电路(1)包括放大晶体管(Q1)和用于偏置所述放大器晶体管(Q1)以便获得所述导通角的dc偏置电路(2)，所述dc偏置电路(2)具有自偏置提升电路，该自偏置提升电路包括具有通过电阻器(R1)耦合至所述放大晶体管(Q1)的控制端的输出的共射-共基电流镜电路(Q2、Q3、Q4、Q5)，以及从共射-共基电流镜电路(Q2、Q3)耦合至公共端(地)的电容器(Cb)。
2.如权利要求1所述的功率放大器电路(1)，其中所述功率放大器电路(1)为AB类放大器电路。
3.如权利要求1所述的功率放大器电路(1)，其中所述共射-共基电流镜电路(Q2、Q3、Q4、Q5)包括具有串接的主电流通路的第一对晶体管(Q2、Q3)，所述输出取自所述串接的公共点，以及具有与偏置电流源(Ibias)的串接的主电流通路的第二对晶体管(Q4、Q5)。
4.如权利要求3所述的功率放大器电路(1)，进一步包括与所述第二对晶体管(Q4、Q5)串接耦合的电阻器(R2)。
5.如权利要求3所述的功率放大器电路(1)，其中所述第一对的第一晶体管(Q2)和所述第二对的第一晶体管(Q4)均具有连接至所述公共端(地)的主电流通路，电阻器(R2、R4)与每个第一晶体管(Q2、Q4)的控制端串接起来。
6.如权利要求1所述的功率放大器电路(1)，其中选择电容器(Cb)的值以获得期望的自偏置提升量。
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