CN1561572A - 用于功率放大器的自增压电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率放大器电路(1)，包括放大晶体管(10)和用于偏置该放大晶体管以获得至少约180°导通角的DC偏置电路。该DC偏置电路(2)包括一个自偏置增压电路，用于当提供给功率放大器的输入信号增大时，由该DC偏置电路(2)先减小然后增大提供给放大晶体管(10)控制端子的DC偏置电压。该自偏置增压电路在设计上非常简单紧凑，并且允许功率放大器电路(1)以改进的功率输出特性工作在B类或AB类。

Description

用于功率放大器的自增压电路
本发明属于晶体管放大器电路领域，更具体而言，涉及带自偏置增压电路用于在低功率电平时提高最大功率输出和降低功耗的功率放大器电路。
这种通用类型的放大器经常用于高频RF放大器，及音频放大器和其它应用。为了获得线性输入-输出关系和高工作效率，这种放大器典型地工作在大约180°(B类)或稍大一点(AB类)的导通角以避免交越失真。
典型地，这种类型的放大器需要一个DC偏置电路来建立放大器电路中的静态偏置电流以确保工作在B类或AB类模式。在现有技术中，偏置典型地由固定的电流源来提供，如美国专利No.5,844,443中所示，也可以由外部电源提供，该外部电源可以被设置到一个期望的恒定值以保证期望模式下工作所需的静态电流，如美国专利No.5,548,248中所示。
但是，在上述类型放大器中，从电源流出的平均电流依赖于输入信号电平。当输出功率增大时，功率晶体管发射极和基极的平均电流也都增大。该增大的平均电流引起偏置电路和镇流电阻(用于避免利用交叉设计的晶体管中的预热和热耗散)中增大的压降。这又会减小导通角(即，放大器导通的360°之外的度数)，而且强制放大器进入深度B类甚至C类工作，从而降低了最大功率输出。为了避免该功率降低，该放大器必须有更大的静态偏压。在现有技术的电路中这不可避免地导致低功率输出电平时更高的功耗，从而导致工作特性中不期望的折衷。
本领域一种新近的改进公开于共同未决的序列号为No.09/536,946的美国专利申请中，该申请的题目为“用于功率放大器的动态偏置增压电路”，由本发明的两个发明者，Sowlati和Luo，在2000年3月28日提交。该申请公开了上面所讨论问题的一种解决方案，它要求提供带动态偏置增压电路的功率放大器电路，以便当输出功率通过利用一个检测放大器输入电压并产生作为该信号振幅函数的动态偏置增压的电路而增大时，能够动态增大功率晶体管的偏压。这种解决方案的缺点是使用了过多的有源和无源元件，这样就没有将简单性、紧凑性和制造的经济性达最大限度。
因此，期望有一种功率放大器电路，它具有在低功率电平时最优的最大输出功率和降低的功耗的优点。此外，对这种电路，还期望在设计上能非常简单紧凑，而且制造可以节约成本。
因而本发明的一个目的是提供一种功率放大器电路，它在低功率电平时提供提高的最大输出功率和更少的功耗。本发明还有一个目的是提供一种功率放大器电路，它不仅在设计上非常简单紧凑，而且制造也非常节约成本。
根据本发明，这些目的都是通过一种新的功率放大器电路来实现的，该新电路用于放大输入信号并有至少约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获得期望导通角的DC偏置电路。该DC偏置电路包括一个自偏置增压电路，用于当提供给功率放大器的输入信号增大时，由该DC偏置电路先减小然后增大提供给放大晶体管控制端子的DC偏置电压。
在本发明的一种优选实施例中，该放大器电路是B类或AB类放大器电路。
在本发明的另一种优选实施例中，该自偏置增压电路包括从该自偏置增压电路的一个输出端子耦合到公共端子的电容，以及在该输出端子和放大晶体管控制端子之间耦合的电阻。
在本发明的又一种优选实施例中，该自偏置增压电路还包括一个与该电容串联耦合的开关，用于使该功率放大器电路能够工作在两种输出功率模式中的任一种。
一种根据本发明的功率放大器电路尤其在各种特征的优势组合方面提出了显著的改进，包括在低功率电平时提高的最大输出功率和降低的功耗，可以在非常简单、紧凑和节约的配置下获得。
本发明的这些和其它方面将通过参考下面描述的实施例变得明显，并加以说明。
通过参考下面的描述，及联系相应附图，可以更加完整地理解本发明，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；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简化示意图。
在附图中，相同的标号一般用于标明相同的元件。
高频功率放大器电路1的简化示意图在附图1中示出。该放大器电路包括放大晶体管10和通过电阻11耦合到放大晶体管10基极的偏置电路2。偏置电路2包括双极型晶体管12和13，在Vcc和公共端子(GND)之间串联耦合，晶体管耦合到偏置电压源，该偏置电压源以简化的形式示为分别通过电阻16和17耦合到晶体管12和13的基极的偏置电压源14和15。该基本电路配置由用于将输入信号Vin耦合到放大晶体管10基极的输入耦合电容18而变得完整，晶体管10连接在共发射极配置中并通过电感19耦合在Vcc和GND之间。功率放大器电路1的输出来自晶体管10的集电极，而且在附图中标明为Vout。
关于到目前为止所述的电路，应当理解尽管为了说明的目的有源元件被示为双极型晶体管，但在本发明范围内，场效应晶体管或双极型和场效应晶体管的组合也可以作为选择来使用。还应当理解功率放大器电路1和偏置电路2在形式和细节上可以不同于附图所示简化的、说明性的描述。此外，应当理解偏置电源可以被配置和调节以允许放大器电路工作在B类或AB类模式。
根据本发明，为了以非常简单、紧凑和经济的方式获得自偏置增压特征，电容20从偏置电路2的输出端子21耦合到公共端子(在这里是GND)。在一种具有说明性但非限制的实例中，在适于无线电话通信频率的电路中，电容20可以有大约2.2pF的值，而电阻11可以有大约15欧姆的值。此外，在一种实际的实现中，通过元件14、15、16和17提供给晶体管12和13的偏置电压可以由其它已经存在于引入了本发明功率放大器的装置其它部分的偏置电路来提供，这样进一步简化了电路并减小了成本和尺寸。
与更复杂和高成本的现有技术偏置控制电路相比，本发明通过使用电容20和其它电路元件，以下面将进一步详细解释的方式，在电路性能上提供了非常简单和自动化的改进，其中电容在放大器电路中充当自偏置增压器。
本发明一种更优选的实施例在图2的简化示意图中示出。图2所示电路引入了图1的所有元件，相同的标号标明相同的元件，因而这些元件在此不再赘述。图2电路与图1电路的区别在于它还包括与电容20串联耦合的开关22，因此这两个串联的元件连在端子21和GND之间。以这种方式，只多加了一个额外的元件，功率放大器电路就可以工作在两种不同输出功率模式中的任一种，即高功率模式(其中电容接地)和低功率模式(其中开关22打开，使电容20与电路断开)。例如，当该电路用于无线通信应用时，这个双功率模式实施例可以用来切换功率电平以便能够工作在模拟和数字模式，其中模拟和数字模式典型地使用不同的功率电平。尽管电路元件22在图2中示为简单开关，应当理解这个元件在实际实现时可以使用机械开关或半导体设备，如晶体管或PIN二极管。
在上述电路中，电容20在放大器电路中充当自偏置增压器。当与合适的输入和输出匹配网络一起使用时，这个特征将在低功率电平时提供提高的最大输出功率和更低的功耗。
为了更好地理解本发明的工作，考虑在开关22开启时图2电路的工作，此时电容20实际上是断开的。在这种模式下，通过电阻11的平均压降将随着RF输入电平(Vin)的增大而增大。这将依次引起晶体管10基极-发射极电压的降低，从而使该晶体管达到饱和。当开关22关闭时，电容20连入电路，晶体管10基极-发射极电压先减小，而随后随着提供给功率放大器电路的输入信号的增大而增大，从而帮助晶体管10保持在期望的工作区域中，并且允许期望工作模式下提高的最大输出功率。
应当强调尽管本发明中的改进对于实现是非常简单、紧凑和节约的，但它是基于对特定工作条件的认可，而该工作条件不是明显或显然的。更具体而言，本发明是基于对在低输入功率电平时电容20通过晶体管12的放电速率等于或大于其通过晶体管10和13的充电速率的认可。相反，在高功率电平时，电容20的放电速率变得比其充电速率慢。因此，当提供给功率放大器电路的输入信号增大时，提供给晶体管10基极的DC偏置电压将先减小然后增大，从而以非常简单和经济的方式提供期望的自偏置增压效果。计算机模拟显示提供这单个元件(电客20)能够提高可用的最大输出功率高达约40％。
尽管本发明已经参考其一些优选的实施例进行了具体的展示和描述，对于本领域的技术人员，应当理解在不背离本发明主旨和范围的前提下，可以在形式和细节上进行许多的变化，其中一些在上面已经给出了建议。这样，例如，可以使用不同类型的晶体管，而且为满足具体的设计需求可以对电路配置进行改造。

Claims (5)

1.一种功率放大器电路(1)，用于放大输入信号(Vin)且有至少约180°的导通角，所述功率放大器电路(1)包括放大晶体管(10)和用于偏置所述放大晶体管(10)以获得所述导通角的DC偏置电路(2)，所述DC偏置电路(2)包括自偏置增压电路，用于当提供给所述功率放大器电路(1)的输入信号(Vin)增大时，由DC偏置电路(2)先减小然后增大提供给放大晶体管(10)控制端子的DC偏置电压。
2.权利要求1中的功率放大器电路(1)，其中所述放大器电路(1)是B类放大器电路。
3.权利要求1中的功率放大器电路(1)，其中所述放大器电路(1)是AB类放大器电路。
4.权利要求1中的功率放大器电路(1)，其中所述自偏置增压电路包括从该自偏置增压电路输出端子(21)耦合到公共端子(GND)的电容(20)，及在所述输出端子(21)和所述放大晶体管控制端子之间耦合的电阻(11)。
5.权利要求4中所述的功率放大器电路(1)，还包括与所述电容(20)串联耦合的开关(22)，用于使所述功率放大器电路(1)能够工作在两种输出功率模式中的任一种。
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