CN219436956U - 预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，包括：相连接的：电流镜电路和相位补偿电路；所述电流镜电路包括由三极管Q _B1‑Q _B3以及三极管Q ₀构成电流镜；其中，三极管Q _B1的发射极经电阻R₀接地，集电极和基极接三极管Q _B3的发射极；所述三极管Q _B3的集电极和基极与三极管Q _B2的基极经一电容接地，并经电阻R₂接电压输入端V _ref1 ；所述三极管Q _B2的集电极接电压输入端V _CC ，且发射极经相位补偿电路和电阻R₁接三极管Q ₀的基极，并经一电容接入输入信号；所述三极管Q ₀的发射极接地，集电极经一电感接电压输入端V _CC 且经一电容接地，并作为信号输出端；所述相位补偿电路用于形成反向电容C _bc‑rb 以抵消三极管Q ₀的基极‑集电极寄生电容C _bc 。

Description

预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路

技术领域

本实用新型涉及功率放大器技术领域，具体涉及一种预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路。

背景技术

在无线通信系统中，为了提高数据吞吐量、数据传输速率，往往采用负载的调制技术对信号进行处理，而更高阶的信号调制方式带来的一大问题就是信号峰均功率比随之增大。

为了以高保真度对高峰均功率比的信号进行放大，功率放大器就需要具备良好的线性度，因此，为了适应技术发展趋势，应用于短距离无线通信系统的功率放大器的线性度规范将更为严格。

为了提高功率放大器的线性性能，可以采用数字/模拟预失真、前馈、负反馈等线性化措施，其中模拟预失真凭借其实现难度小、线性化程度较好等优势在线性功率放大器中得到了非常广泛的运用，其实现原理一般是通过在多级级联放大器中设计驱动级放大电路，使其呈现出与输出级放大电路相反的非线性特性，进而实现非线性抵消，达到线性化提升的目的。

实用新型内容

为了实现更高精度的放大器设计，本实用新型提出了一种预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，可用于设计通用驱动级电路，调整模块中各参数值可控制驱动级电路的非线性特性，配合输出级电路实现模拟预失真，提高整体电路的线性度。模块中可选采用的双并联负反馈回路进一步可以使放大电路获得平缓的增益曲线，改善电路输入阻抗及稳定性。将偏置电阻吸收进负反馈回路中，可进一步提高电路的集成度，降低成本。

该电路采用电流镜作为放大管基极偏置电流产生电路，通过引入由一对基极-集电极二极管作为相位补偿电路补偿放大管自身基极-集电极寄生电容所带来的寄生效应，改善AM-PM失真，在偏置电路输出端串联电阻用以稳定放大管基极发射极压降，扩宽大输入功率下晶体管的线性工作范围，调节电阻阻值使驱动电路呈现出适当的增益膨胀特性，可配合输出级电路对其增益压缩进行补偿，改善整体功率放大器的AM-AM失真。

在进一步的设计中，该电阻配合双并联负反馈回路，构成放大管的负反馈电阻的一部分，参与负反馈深度的调节，双并联负反馈回路中的RLC支路和旁路电容用来调整回路的高频阻抗，以实现高频增益补偿的高精度控制，相比于传统RLC负反馈，能使放大电路呈现更为平坦的增益曲线。

其可以应用于InGaP/GaAs HBT驱动级放大器，通过对电路参数的合理设置，能够配合功率输出电路实现模拟预失真，提高整体功率放大器的线性性能，且在工作频率范围内获得实现良好的增益平坦度。

为实现上述目的，本实用新型具体采取如下技术方案：

一种预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，其特征在于，包括：相连接的：电流镜电路和相位补偿电路；

所述电流镜电路包括由三极管Q_B1-Q_B3以及三极管Q₀构成电流镜；用于产生直流电流输入放大管作为偏置电流；通过电流镜给放大管提供合适的直流偏置点，并可以通过调整电阻R₁的阻值对驱动级放大器非线性特性进行调节，实现预失真的作用。

其中，三极管Q_B1的发射极经电阻R₀接地，集电极和基极接三极管Q_B3的发射极；所述三极管Q_B3的集电极和基极与三极管Q_B2的基极经一电容接地，并经电阻R₂接电压输入端V_ref1；所述三极管Q_B2的集电极接电压输入端V_CC，且发射极经相位补偿电路和电阻R₁接三极管Q₀的基极，并经一电容接入输入信号；所述三极管Q₀的发射极接地，集电极经一电感接电压输入端V_CC且经一电容接地，并作为信号输出端；

所述相位补偿电路由两个反向接入的基极-集电极二极管构成，用于形成反向电容C_bc-rb以抵消三极管Q₀的基极-集电极寄生电容C_bc。即用于补偿放大管基极-集电极寄生电容所带来的非线性效应，调整放大管的AM-PM特性；

进一步地，所述相位补偿电路和电阻R₁的连接端与三极管Q₀的集电极之间经电容C_f1和反馈电阻R_f1相连，所述电容C_f1的两端还并联有：构成串联的电感L_f、电容C_f2和反馈电阻R_f2构成双并联负反馈电路。其采用新型双并联负反馈回路，用于实现驱动级的负反馈机制，与传统的RLC负反馈结构相比能进一步提升放大器宽带线性性能；并联晶体管放大电路，对输入信号进行放大。采用RLC和旁路电容构成双并联负反馈回路，能提高增益平坦度的调节精度，使功率放大器在带宽内具有更平缓的增益曲线，改变放大电路的输入阻抗的同时提高整体电路的线性度及稳定性。

以及，一种两级放大电路，基于以上所述的预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路；由电流镜电路、相位补偿电路和双并联负反馈电路构成的偏置模块电路作为第一级，第二级仅包括由一个电流镜电路构成的并联晶体管放大电路；两级之间由2个电容、一个电感构成的T型高通网络连接。

进一步地，通过调节偏置电阻R₁及R₂的值，可以控制输入到晶体管的基极偏置电流大小，以调整增益膨胀或压缩特性，对于后级放大电路在大信号下所表现的增益压缩趋势，适当的增益膨胀可实现补偿，改善AM-AM失真。

与现有技术相比，本实用新型及其优选方案可用于设计通用驱动级电路，调整模块中各参数值可控制驱动级电路的非线性特性，配合输出级电路实现模拟预失真，提高整体电路的线性度。模块中可选采用的双并联负反馈回路进一步可以使放大电路获得平缓的增益曲线，改善电路输入阻抗及稳定性。将偏置电阻吸收进负反馈回路中，可进一步提高电路的集成度，降低成本。

附图说明

图1是本实用新型第一个实施例提供的预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路示意图；

图2是本实用新型第二个实施例提供的加入双并联负反馈回路的偏置模块电路图；

图3是本实用新型第三个实施例提供的典型两级放大电路结构图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举三个实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1所示，在本发明第一个实施例当中，体现的实现本设计目的的最简偏置模块电路，由偏置管Q_B1-Q_B3以及放大管Q₀构成电流镜，调整R₁的值可以控制偏置电流大小，同时偏置电路输出部分的相位补偿电路由两个反向接入的基极-集电极二极管，其形成的反向电容C_bc-rb可抵消放大管Q₀的基极-集电极寄生电容C_bc，改善放大电路的非线性失真。

在进一步的优选方案中，电流镜电路可以采用片上元器件设计的L型高通匹配网络，将放大器输入阻抗匹配至50欧姆最佳源阻抗，同时阻隔直流信号。

如图2所示，在本发明第二个实施例当中，是增加了双并联负反馈回路的偏置模块电路，其中，由R_f1-R_f2-C_f1-C_f2-L_f与放大管Q₀共同构成双并联反馈回路，在频率较低时，降低电路增益，进而提高增益平坦度，同时调整电阻R₁的大小可以调节驱动级的增益膨胀特性，与功率级在大输入功率下的增益压缩相抵消，改善电路的AM-AM特性，同时驱动级负反馈网络输出端所串联的两个基极-集电极二极管能够使驱动级获得与功率级相反的AM-PM特性，在输出端实现相位失真补偿，改善电路的AM-PM失真。

如图3所示，在本发明第三个实施例当中，是结合以上提出的偏置模块电路设计的典型的两级放大电路结构，根据输出级的非线性特性进行第一级驱动级的非线性设计，通过改变第一级偏置电路的偏置电阻值，来调节其AM-AM失真，在输出端实现增益膨胀与压缩相抵消，同时第一级引入的相位补偿器用来调节第一级的AM-PM特性，使其与输出级相反，同样在输出端实现相位补偿，改善整体电路的AM-PM失真。

基于以上电路结构的设计，以下从原理上对本设计进行进一步的介绍，以方便本领域技术人员对方案进行进一步的理解，但不应视为对本方案保护范围的限制。

对于典型的两级级联功率放大器，首先分析整体电路的非线性特性，根据沃尔特拉级数展开可得驱动级和输出级输出端电压表达式分别为(1)、(2)：

其中a_x、b_x(x＝1,2,3)为沃尔特拉系数，二者均为复数。

假设输入双音信号A(cosω₁t+cosω₂t)，可得驱动级放大器的基波和三阶互调信号(IM3)分别为(3)、(4)：

V_1,out(ω₁orω₂)≈Aa₁ (3)

带入式(2)中可得输出级放大器输出电压的基波和三阶互调信号IM3：

V_2,out(ω₁orω₂)≈Aa₁b₁ (5)

其中式(6)第一项由驱动级(第一级)产生后经过第二级放大，第二项/>则是输出级(第二级)通过第一级的基波输出生成。根据IMD3定义：

则系统的IMD3为：

由于式(9)的整体IMD3是由来自式(6)的两个IM3电压组成的，因此调节两个IM3电压的相位，使其相位相反，可以优化三阶互调失真，进而提高整体IMD3。

基于该思想，利用基极偏置电路的偏置电阻R₁的大小来控制不同输入功率水平下放大管的基射结压降V_BE。理想情况下为了避免增益压缩或膨胀应保证跨导不变，即保持V_BE稳定，而此处通过调整驱动级、输出级的偏置电阻，使两级的增益膨胀/压缩特性相抵消，能够改善整体电路的AM-AM失真，使电路达到高线性度的设计要求。

相位补偿器主要由两个基极-集电极二极管构成。所形成的反向电容C_bc-rb表达式为：

其中V_CB为集电极-基极压降，为集电极和基极PN结的内建电势，n是集电极和基极PN结的梯度因子。当V_CB＝0时，C_bc0为基极-集电极电容，若集电极-基极正偏，则反向电容C_bc-rb将会产生与正偏相反的非线性特性，相应的，正向电容C_bc-fb的表达式为：

双并联负反馈回路与传统的RLC负反馈结构不同，除了在RLC支路上并联电容参与反馈回路的高频阻抗调节以外，还将电阻R_f分离为三部分，即R_f1、R_f2和R₁，其中R₁作为驱动级的偏置电阻。

在传统的RLC反馈回路中，C_f用于隔绝直流信号，R_f则作为主要反馈元件，将输出端信号耦合至输入端实现负反馈，牺牲部分增益换取一定带宽范围内的增益平坦度，而L_f用于引入高频电抗，其在低频时不起作用，在高频时提高负反馈回路的阻抗，降低负反馈深度。

因此传统的RLC负反馈结构仅通过调节放大器在低频和高频时增益的频响特性，以获得平坦的增益曲线，所能实现的增益平坦度较为有限，在本设计的双并联负反馈回路中，通过实现较为平缓的增益曲线的情况下，可通过调节C_f2改变负反馈回路的交流阻抗，控制高频负反馈深度，例如，在减小R_f1加大低频负反馈深度的同时将不可避免降低部分高频增益，传统RLC负反馈需通过调节L_f进行高频增益回调，而双并联负反馈回路中则可通过C_f2、L_f和C_f1来共同实现高频增益的协同调节，可进一步提高平坦度补偿的精度。除了改善增益平坦度以外，负反馈的引入还可以改善放大器的输入、输出驻波比。

由于负反馈电阻阻值较大，在版图实现时可以将其分割为多电阻串联的形式实现，为了提高集成度，经过验证，可以将驱动级负反馈电阻的部分串联与驱动级偏置电阻R₁共用，以节省芯片面积。

并联晶体管放大电路的设计主要遵循输出功率水平合理选择晶体管发射结面积，根据设计要求的输出级输出功率P_out及预设的增益，可确定所设计驱动级电路的所需实现的线性输出功率大小，结合所选择工艺晶体管的发射极最大电流密度为J_c，可根据式(13)计算所需晶体管发射结面积大小。当驱动级所需实现的线性输出功率为P_out时，可计算其晶体管发射结的总面积S为：

其中V_max为驱动级输出的最大电压摆幅。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，其特征在于，包括：相连接的：电流镜电路和相位补偿电路；

所述电流镜电路包括由三极管Q _B1-Q _B3以及三极管Q ₀构成电流镜；

其中，三极管Q _B1的发射极经电阻R₀接地，集电极和基极接三极管Q _B3的发射极；所述三极管Q _B3的集电极和基极与三极管Q _B2的基极经一电容接地，并经电阻R₂接电压输入端V _ref1 ；所述三极管Q _B2的集电极接电压输入端V _CC ，且发射极经相位补偿电路和电阻R₁接三极管Q ₀的基极，并经一电容接入输入信号；所述三极管Q ₀的发射极接地，集电极经一电感接电压输入端V _CC 且经一电容接地，并作为信号输出端；

所述相位补偿电路由两个反向接入的基极-集电极二极管构成，用于形成反向电容C _bc-rb 以抵消三极管Q ₀的基极-集电极寄生电容C _bc 。

2.根据权利要求1所述的预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，其特征在于：所述相位补偿电路和电阻R₁的连接端与三极管Q ₀的集电极之间经电容C _f1和反馈电阻R _f1相连，所述电容C _f1的两端还并联有：构成串联的电感L _f 、电容C _f2和反馈电阻R _f2构成双并联负反馈电路。

3.根据权利要求2所述的预失真负反馈驱动放大器的偏置模块电路，其特征在于：构成两级放大电路：由电流镜电路、相位补偿电路和双并联负反馈电路构成的偏置模块电路作为第一级，第二级仅包括由一个电流镜电路构成的并联晶体管放大电路；两级之间由2个电容、一个电感构成的T型高通网络连接。