CN1799193A - 具有阻抗可控制的偏置提升电路的放大器电路 - Google Patents

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Abstract

一种放大器电路(1)包括放大晶体管(QΦ)和用于偏置放大器晶体管(QΦ)来得到至少大约为180°的导通角的阻抗可控制的直流偏置电路(2)。该直流偏置电路(2)包括自偏置提升电路，该自偏置提升电路具有用于独立地控制直流偏置电路(2)的输出阻抗和放大器晶体管(QΦ)的静态电流的分开的电流源(Ibias，Iclass)，并且该直流偏置电路(2)具有与共射－共基电流镜电路(Q2，Q3，Q8)集成在一起的威尔逊电流镜(Q4，Q5，Q6，Q7)以形成具有通过电阻(R1)耦合到放大晶体管(QΦ)控制端的输出的扩展威尔逊电流镜电路(Q2－Q8)，以及具有从扩展威尔逊电流镜电路(Q2－Q8)耦合到公共端(Gnd)的电容(C2)。

Description

具有阻抗可控制的偏置提升电路的放大器电路
本发明属于晶体管放大器电路领域，并特别地涉及一种具有阻抗可控制的偏置提升电路的功率放大器电路。
这种常规类型的放大器经常地用于高频RF放大器中，如用于电信应用，也用于音频放大器和其他应用中。为了得到线性的输入-输出关系和高操作效率，典型地以大约180°(B类)或略大(AB类)的导通角来操作这类放大器，以避免交叉失真。
典型地，这种类型的放大器需要一个直流偏置电路以在放大器电路中建立静态偏置电流，从而确保在B类或AB类模式中的操作。在先有技术中，典型地通过一个固定电流源来提供偏置(如在美国专利No.5,844,443中所示)，或另外通过外部电源提供偏置，该外部电源能够被设置为所期望的恒定值来保证在所期望模式中操作所必要的静态电流，如在美国专利No.5,548,248中所示。
然而，在上述的这种类型的放大器中，从电源所吸取的平均电流取决于输入信号电平。当输出功率增加时，在功率晶体管的发射极和基极二者中的平均电流也增加。这个增加的平均电流在偏置电路中和在镇流电阻(其用于避免在利用交指型设计的晶体管中的热点和热逃逸)中引起增加的电压降。这又减少了导通角(即放大器导通的360°中的角度数)，并强制放大器处在B类或甚至C类的深度操作内，从而减少最大功率输出。为了避免这个功率减少，放大器必须具有更大的静态偏置。在先有技术的电路中，这不可避免地导致在低功率输出电平下的较高的功率耗散，因此导致在操作特性中的所不期望的折衷。
为了得到更高的功率增加的效率(PAE)，放大器(并且特别是线性RF放大器)被典型地偏置AB类中，而对于放大晶体管的偏置被提升，以提高在更高输出功率电平下的线性度，其中放大器操作在饱和状态或接近饱和状态中。
在此技术领域中的一个近来的改进在共同转让的美国专利No.6,300,837中所公开，其题目为“Dynamic Bias Boosting Circuit For APower Amplifier(用于功率放大器的动态偏置提升电路)”。这个专利公开了一种对上面所讨论的问题的解决方案，其需要为功率放大器电路提供动态偏置提升电路以便随着输出功率增加动态地增加功率晶体管的偏置，这是通过利用这样一种电路，该电路感测放大器的输入电压并且作为该信号幅度的函数来产生动态偏置提升。这种解决方案的缺点是它使用了许多有源和无源组件，从而并不是最简单、紧凑的，在制造上也不是最经济的。
在这个领域中另一个近来的改进在共同未决和共同转让的所允许的美国专利申请系列号09/730,657中所公开，其题目为“Self-BoostingCircuit For A Power Amplifier(用于功率放大器的自提升电路)”，提交日为2000年12月6日。这个申请提出了一种改良的自偏置提升电路，该改良的自偏置提升电路在利用普通的DC偏置电路的同时还具有在DC偏置电路和放大晶体管之间的RC耦合网络。一种类似的RC耦合网络连同一个共射-共基电流镜偏置提升电路在共同转让的美国专利No.6,414,553中所示出。
一种用于独立地控制静态电流和偏置阻抗的方案在题目为“High-Frequency Amplifier Circuit With Independent Control OfQuiescent Current And Bias Impedance(具有对静态电流和偏置阻抗的独立控制的高频放大器电路)”的共同转让的美国专利No.6,358,516中所公开。尽管这个方案能够在保持线性的同时得到高的功率增加的效率，但它使用了相当复杂的电路并且给输出级带来了相当高的噪声水平。
在此引用前面的参考文献的全部内容以作参考。
因此，希望具有这样一种功率放大器电路，其在保持放大级的无功电流(idle current)相对较低的同时提供最佳的最大输出功率和增益的优点。此外，该电路应该能够确定自偏置提升的量，使得当功率输出增加时功率晶体管能够对于高功率输出和线性适当地被偏置(无需利用提升电容)，同时控制在功率晶体管中的静态电流。此外，该电路应该能够独立地控制在放大晶体管中的静态电流(操作类别)和用于放大晶体管的驱动电流(偏置阻抗)。最后，将希望这个电路在设计方面是简单和紧凑的，并对于制造而言是经济的。
因此，本发明的一个目的是提供一种放大器电路，该放大器电路提供改进的最大输出功率和增益，同时保持放大级的无功电流相对较低。本发明的另一个目的是提供一种电路，这种电路能够确定自偏置提升的量，使得当功率输出增加时放大晶体管能够对于高功率输出和线性适当地被偏置(无需利用提升电容)，同时控制在放大晶体管中的无功电流。本发明的另外一个目的是提供一种电路，该电路能够独立地控制在放大晶体管中的静态电流(操作类别)和用于放大晶体管的驱动电流(偏置阻抗)。本发明的再一个目的是提供一种电路，该电路在设计方面是简单和紧凑的，并且对于制造而言是经济的。
根据本发明，这些目的通过一种新的放大器电路所达到，这种新的放大器电路用于放大输入信号并具有至少大约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器晶体管以得到所希望的导通角的阻抗可控制的直流偏置电路。这个直流偏置电路包括一个自偏置提升电路，该自偏置提升电路具有用于控制该电路的输出阻抗的“偏置”电流源和用于独立地控制放大晶体管的静态电流的“类别”电流源。该自偏置提升电路具有与共射-共基电流镜电路集成在一起的威尔逊电流镜以形成具有通过电阻耦合到放大晶体管控制端的输出的扩展威尔逊电流镜电路，并且该自偏置提升电路具有一个从共射-共基电流镜电路耦合到公共端的电容。
在本发明的一个优选实施例中，共射-共基电流镜电路包括具有串联连接的主电流通路的第一对晶体管、具有串联连接的主电流通路的第二对晶体管以及具有串联连接的主电路通路的第三对晶体管，其中该电流镜电路的输出取自第一对晶体管的串联连接的公共点，并且有一个“偏置”电流源和一个“类别”电流源用来提供对输出阻抗和静态电流的独立控制。
根据本发明的一种放大器电路提供显著的改进，因为可以在一个简单、紧凑并且经济的配置中获得各个特征的一个特别有利的组合，所述特征包括增加的最大输出功率和增益、提高的线性度、可选择的自偏置提升电平、独立地可控制的静态电流和输出阻抗以及减小的无功电流。
参考下面所描述的实施例，本发明的这些和其他的方面将显而易见并被阐明。
参考下面的描述并连同附图来阅读，可以更完全地理解本发明，在附图中的单个附图表示根据本发明的一个优选实施例的RF功率放大器电路的示意简图。
放大器电路1的示意简图在附图中的该单个附图中所表示。这个放大器电路包括放大晶体管Q和通过电阻R1耦合到放大晶体管Q基极的直流偏置电路2。这个偏置电路2包括串联耦合在Vcc和公共端(Gnd)之间的双极型晶体管Q2和Q3，这两个晶体管的公共点通过电阻R1耦合到晶体管Q的基极。该基本电路结构由输入耦合电容C0所完成，该电容C0用于耦合一个输入(Input)到放大晶体管Q的基极，其中晶体管Q连接成共发射极结构并且通过电感L1耦合在Vcc和Gnd之间。功率放大器电路1的输出(Output)通过电容C1取自晶体管Q的集电极。
关于所示出的电路，可以理解，尽管为了说明将有源组件示为双极型晶体管，但场效应晶体管或双极型和场效应晶体管的组合可以替换地应用在本发明的范围内。另外，还可以理解，功率放大器电路1和偏置电路2可以在形式上和细节上不同于附图中的简化的说明性图示。此外，还可以理解，可以配置和调节偏置电源来准许放大器电路在B类或AB类模式中操作。
偏置电路2(晶体管Q2-Q8)包括一个与共射-共基电流镜集成在一起的威尔逊电流镜，该威尔逊电流镜包括晶体管Q4、Q5、Q6和Q7、电流源Ibias、电流源Iclass及电阻R2，该共射-共基电流镜包括晶体管Q2、Q3和Q8以及作为旁路电容的电容C2。晶体管Q2-Q8形成一个扩展威尔逊电流镜。Q的集电极节点是输出节点，并通过外部上拉电感L1连接到电源电压。通过AC耦合电容C给Q的基极施加一个输入(Input)，该电容C可以是对于驱动级的匹配电路的一部分。
通过两个电流源Ibias和Iclass控制偏置电路(2)。Ibias控制输出驱动电流并由此控制偏置电路的输出阻抗，Iclass控制放大晶体管(Q)的静态电流并由此控制其操作类别。以这种方式，输出级的操作类别和偏置阻抗能够简单地和独立地通过外部地控制所述两个电流源来控制。
用于控制Q的静态电流的这个机制可以如下面所解释的那样。假定在电路中的所有的晶体管都是相同的并完全地匹配。Kirchoff定律规定DC电压Vbe(Q)+V(R1)+Vbe(Q3)必须等于Vbe(Q2)+V(R2)+Vbe(Q7)。由于Vbe(Q3)约等于Vbe(Q2)，所以当通过适当地选择电阻值而将V(R1)设置成等于V(R2)时，Vbe(Q)因而约等于Vbe(Q7)。由于Q7的集电极电流由Iclass所控制，因此Iclass决定在Q中的静态电流。
利用与上述相同的假设，能够容易地解释Ibias控制偏置电路的输出阻抗的机制。由于Q2、Q3和Q8形成简单的电流镜，在Q8中流过的电流源Ibias也必然在Q2中、并由此在Q3中流过。偏置电路的输出阻抗主要地由Q3所确定，由Ibias所控制。
通过适当地缩放在晶体管对之间的发射极面积比率，可以使在Q中的静态电流和在Q2及Q3中的驱动电流直接地分别地与Iclass和Ibias的值成比例。在这里所给出的例子中，可以应用32比1(Q比Q7)和4比1(Q2和Q3比Q4-Q8)的比率。
在附图中所示的偏置电路的自偏置提升机制能够如下面所解释的那样。通过电阻R1，Q3给Q充电，Q2给Q放电。当输入功率较低时，Q2的放电速率比Q3的充电速率快得多或者与之相等。当输入功率增加时，Q2的放电速率变得比Q3的充电速率慢。因此，Q的正向偏置的PN结两端的平均电压增加。
以前述的方式，本发明提供一种具有自偏置提升电路的放大器电路，该自偏置提升电路提供改进的最大输出功率和增益，同时保持放大级的无功电流相对较低。另外，该放大器电路能够设置自偏置提升的量，使得当功率输出增加时放大晶体管能够对于高功率输出和线性适当地被偏置(无需利用提升电容)，同时控制在放大晶体管中的无功电流。这个电路在设计上是简单和紧凑的，并对于制造而言是经济的。此外，该电路能够独立地控制在放大晶体管中的静态电流(操作类别)和用于放大晶体管的驱动电流(偏置阻抗)。
虽然已经特别参照其优选实施例对本发明进行了显示和描述，但是本领域的技术人员应该理解，可以在不背离本发明精神或范围的情况下对其进行各种改变，其中的一些改变已经在上面提出。因此，例如可以使用不同类型的晶体管，以及可以改变电路结构以适合于特定的设计要求。

Claims (6)

1.一种放大器电路，该放大器电路用于放大输入信号并具有至少大约180°的导通角，所述放大器电路包括一个放大晶体管和一个用于偏置所述放大晶体管以得到所述导通角的阻抗可控制的直流偏置电路，所述直流偏置电路具有一个自偏置提升电路，所述自偏置提升电路具有用于独立地控制该直流偏置电路的输出阻抗和该放大器晶体管的静态电流的装置，并且所述自偏置提升电路包括一个与共射-共基电流镜电路集成在一起的威尔逊电流镜以形成一个具有通过电阻耦合到所述放大晶体管控制端的输出的扩展威尔逊电流镜电路，以及一个从所述扩展威尔逊电流镜电路耦合到一个公共端的电容。
2.如权利要求1所述的放大器电路，其中所述放大器电路为AB类放大器电路。
3.如权利要求1所述的放大器电路，其中所述共射-共基电流镜电路包括具有串联连接的主电流通路的第一对晶体管、具有串联连接的主电路通路的第二对晶体管以及具有串联连接的主电流通路的第三对晶体管，其中所述输出取自第一对晶体管的所述串联连接的公共点，并且有一个从放大器的电源端耦合到所述第一对晶体管的第一晶体管的控制电极以用于控制所述输出阻抗的“偏置”电流源，和一个从所述电源端耦合到所述第一、第二和第三对晶体管以用于控制所述静态电流的“类别”电流源。
4.如权利要求3所述的放大器电路，还包括一个与所述第三对晶体管串联耦合并耦合在所述第三对晶体管之间的电阻。
5.如权利要求4所述的放大器电路，其中所述第一、第二和第三对的主电流通路各连接到所述公共端。
6.如权利要求5所述的放大器电路，还包括一个连接在所述“偏置”电流源和所述公共端之间的以二极管形式连接的晶体管。
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