CN219893300U - 射频功率放大器偏置电路及其射频功率放大器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种射频功率放大器偏置电路及其射频功率放大器电路，所述偏置电路包括：运算放大器，其第一输入端被连接到参考电压，其第二输入端被连接到反馈电路的输出端以接收反馈信号；输出电路，其输入端连接到所述运算放大器的输出端，其第一输出端被连接到所述反馈电路以形成反馈信号，并且其第二输出端用于为功率放大器电路提供偏置；以及反馈电路，其输入端连接到所述输出电路的第一输出端，并且其输出端连接到所述运算放大器的第二输入端，所述反馈电路还包括第一开关，所述输出电路还包括第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为用于控制所述功率放大器偏置电路的工作模式。

Description

射频功率放大器偏置电路及其射频功率放大器电路

技术领域

本实用新型涉及模拟射频集成电路，更具体地，涉及一种射频功率放大器(PA)偏置电路以及包括其的射频功率放大器电路。

背景技术

射频功率放大器(PA)芯片通常由两个主要部分组成：功率放大器芯片和控制器芯片。功率放大器芯片通常使用高电子迁移率晶体管(HBT)技术制造，以实现高功率、高效率和高线性度的射频功率放大。控制器芯片通常采用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造，以实现低功耗和高集成度的功能。它们通常用于控制功率放大器的增益、电源开关和保护等方面。

功率放大器芯片和控制器芯片通过封装技术，如球栅阵列(BGA)或无引脚封装(WLCSP)等，集成在一个射频功率放大器(PA)芯片中。控制器芯片为PA提供偏置，其中，偏置电路用于稳定放大器的工作点，以确保其在特定的操作状态下进行放大，偏置电路可以采用电流偏置或电压偏置的形式。控制器芯片在射频功率放大器中的主要作用之一是提供所需的偏置电压，以确保功率放大器能够以正确的工作点工作。偏置电压是在不进行信号放大的情况下应用在晶体管上的直流电压，以使其处于适当的工作状态。控制器芯片在射频功率放大器中的另一个主要作用是提供所需的偏置电流，以确保功率放大器能够以正确的工作点工作。偏置电流是在不进行信号放大的情况下应用在晶体管上的直流电流，以使其处于适当的工作状态。射频功率放大器的控制器电路可以同时支持电压偏置和电流偏置，这种控制器电路通常被称为电压-电流双模式控制器。在电压-电流双模式控制器电路中，可以通过控制器内部的模式选择信号来选择电压偏置模式或电流偏置模式。在电压偏置模式下，控制器工作状态为低压差线性稳压器(LDO)，其输出相应的偏置电压，以提供所需的偏置电压；在电流偏置模式下，控制器工作状态为电流源，其输出相应的偏置电流，以提供所需的偏置电流。通常，在实际应用中，可以通过控制器的输入信号来调节偏置电压或偏置电流的大小，以满足不同的应用需求。

电压-电流双模式控制器是可以同时支持电压偏置和电流偏置两种工作模式的高级PA偏置电路。相对于只支持单一偏置模式的控制器电路，电压-电流双模式控制器的设计和制造成本较高，因为它需要同时集成电压偏置电路和电流偏置电路。但是，这种复杂的控制器电路可以提供更加灵活和多样化的偏置控制方式，可以满足更多的应用需求。

图1是示出了一种电压-电流双模式控制器的示意图。如图1所示，电压-电流双模式控制器通过模式开关SW1和SW2的切换，可以为射频功率放大器PA提供电流偏置或者电压偏置。其中，电压偏置由低压差线性稳压器(LDO)提供，并且电流偏置由电流源提供。值得注意的是，电压-电流双模式控制器虽然可以同时支持电压偏置和电流偏置，但在实际应用中还需要考虑以下问题：(1)功耗和热量问题，因为电压-电流双模式控制器需要同时提供偏置电压和偏置电流，可能会导致较高的功耗和热量，因此，在设计时需要进行合理的功率管理和散热设计；(2)稳定性问题，由于电压-电流双模式控制器需要同时控制偏置电压和偏置电流，因此需要考虑两种偏置控制方式之间的交互作用，以保证稳定性和可靠性；(3)设计复杂度问题，电压-电流双模式控制器的设计比较复杂，需要同时考虑电压偏置和电流偏置两种控制方式，因此，需要一定的设计经验和技术支持。综上所述，电压-电流双模式控制器可以同时支持电压偏置和电流偏置，提供更加灵活和多样化的偏置控制方式。但是，需要在实际应用中综合考虑功耗、稳定性和设计复杂度等问题，才能确保该控制器电路的性能和可靠性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种射频功率放大器(PA)偏置电路，其包括运算放大器、反馈电路和输出电路。通过模式开关的切换，所述射频功率放大器(PA)偏置电路可以支持电压偏置和电流偏置两种工作模式。当电压偏置模式启用时，偏置电路会基于输入信号的电压值来控制射频功率放大器PA的偏置电流；以及当电流偏置模式启用时，偏置电路会基于输入信号的电流值来控制射频功率放大器PA的偏置电流。由此，偏置电路可以根据实际情况自动调整偏置电流，从而提高PA的性能和稳定性。此外，根据本实用新型的射频功率放大器PA偏置电路是射频功率放大器PA控制器芯片的重要组成部分，它可以灵活地控制射频功率放大器PA的工作状态，包括功率输出、线性度和效率等方面。由于射频功率放大器PA的特性在不同应用中会有所不同，因此该偏置电路的多样化工作模式可以提供更加灵活的偏置控制方式，从而满足不同应用的需求。此外，该偏置电路的设计采用了高度集成化的技术，由此可以大大降低射频功率放大器PA控制器芯片的体积和成本，从而促进射频功率放大器PA技术的发展和应用。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，包括：运算放大器、反馈电路和输出电路，所述运算放大器的第一输入端被连接到参考电压，其第二输入端被连接到反馈电路的输出端以接收反馈信号；所述输出电路的输入端连接到所述运算放大器的输出端，输出电路的第一输出端被连接到所述反馈电路以形成反馈信号，并且所述输出电路的第二输出端用于为功率放大器电路提供偏置；以及所述反馈电路的输入端连接到所述输出电路的第一输出端，并且所述反馈电路的输出端连接到所述运算放大器的第二输入端，所述反馈电路还包括第一开关，所述输出电路还包括第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为用于控制所述功率放大器偏置电路的工作模式，以使其工作在电压偏置模式或者电流偏置模式下。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述输出电路包括第一晶体管、第二晶体管和第二开关，第一晶体管的栅极连接运算放大器的输出端，第一晶体管的源极接电源VDD，并且第一晶体管的漏极连接所述输出电路的第一输出端，第二晶体管的栅极连接运算放大器的输出端，第二晶体管的源极接电源VDD，并且第二晶体管的漏极连接所述输出电路的第二输出端，以及第二开关连接所述输出电路的第一输出端和第二输出端。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管的尺寸比例为1：M。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述运算放大器的第一输入端为负向输入端，并且所述运算放大器的第二输入端为正向输入端。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述反馈电路包括：第一电阻器、第二电阻器和第一开关，所述第一电阻器的一端连接所述反馈电路的输入端，并且其另一端连接所述反馈电路的输出端，所述第一开关的两端连接在所述第一电阻器的两端，以及所述第二电阻器的一端连接到接地节点，并且其另一端连接所述反馈电路的输出端。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，当所述射频功率放大器偏置电路被配置为在电压偏置模式下时，所述第一开关被配置为关断，并且所述第二开关被配置为导通。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，当所述射频功率放大器偏置电路被配置为在电流偏置模式下时，所述第一开关被配置为导通，并且所述第二开关被配置为关断。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述参考电压通过带隙基准源提供。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器电路，其特征在于，包括N个射频功率放大器单元、射频功率放大器偏置接口电路、以及如上所述的射频功率放大器偏置电路，N为大于等于1的整数，所述N个射频功率放大器单元被配置为级联连接，以对射频信号进行放大，所述射频功率放大器偏置接口电路提供射频功率放大器单元和射频功率放大器偏置电路之间的连接，以及所述射频功率放大器偏置电路被配置为为射频功率放大器单元提供偏置。

本实用新型的一方面提出了一种射频功率放大器电路，其特征在于，N等于2；并且通过电流偏置模式下的第一射频功率放大器偏置电路和第一射频功率放大器偏置接口电路来为第一级射频功率放大器单元提供电流偏置，以及通过电压偏置模式下的第二射频功率放大器偏置电路和第二射频功率放大器偏置接口电路来为第二级射频功率放大器单元提供电压偏置。

附图说明

图1是示出了一种电压-电流双模式控制器的示意图；

图2是示出了根据本实用新型实施例的射频功率放大器PA偏置电路的示意图；

图3是示出了根据本实用新型实施例的PA偏置电路工作在电压偏置的工作模式时的等效电路示意图；

图4是示出了根据本实用新型实施例的PA偏置电路工作在电流偏置的工作模式时的等效电路示意图；

图5是示出了根据本实用新型实施例的射频功率放大器电路的示意图；以及

图6是示出了根据本实用新型实施例的两级射频功率放大器电路的示意图。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。

图2是示出了根据本实用新型实施例的射频功率放大器PA偏置电路的示意图。

参考图2，根据本实用新型实施例的PA偏置电路的电路结构包括：运算放大器OP1、反馈电路和输出电路。运算放大器OP1的负向输入端连接端口VREF，该参考电压可由带隙基准源提供。运算放大器OP1的正向输入端连接反馈电路的反馈输出节点VFB。反馈电路被配置为向运算放大器OP1提供反馈信号，其包括电阻R1、电阻R2和开关SW1，其中电阻R1一端连接反馈电路的输入端，另一端连接反馈电路的输出端VFB，开关SW1两端连接在电阻R1两端。电阻R2一端接地，另一端连接反馈电路的输出端VFB。输出电路被配置为用于提供偏置电压或者偏置电流，其包括晶体管M1、晶体管M2和开关SW2。其中，晶体管M1的栅极连接运算放大器OP1的输出端，晶体管M1的源极接电源VDD，晶体管M1的漏极连接节点VS1。晶体管M2的栅极连接运算放大器OP1的输出端，晶体管M2的源极接电源VDD，晶体管M2的漏极连接输出端OUT。晶体管M2和晶体管M1构成电流镜关系，比例为1：M。开关SW2连接节点VS1和输出端OUT。

表1示出了开关SW1和SW2在不同工作模式下的工作状态。

表1

开关状态	电压偏置模式	电流偏置模式
			SW1	关断	导通
SW2	导通	关断

参考表1，通过模式开关的切换，可以为PA提供不同的电流偏置或电压偏置。在电流偏置模式下，开关SW1闭合，开关SW2断开，此时电流源为反馈电路提供偏置电流，并且向射频功率放大器提供镜像的偏置电流；在电压偏置模式下，开关SW1断开，开关SW2闭合，此时通过LDO为射频功率放大器提供偏置电压。值得注意的是，本实用新型的PA偏置电路通过运算放大器、反馈电路和输出电路构成。其中，反馈电路通过调节电阻R1和R2以及开关SW1的工作状态来实现对偏置电流的控制，输出电路通过晶体管M1和M2的电流镜关系以及开关SW2的工作状态来实现对偏置电压的控制。同时，VREF的参考电压可以由带隙基准源提供，保证偏置电路的精度和稳定性。

根据本实用新型实施例的PA偏置电路可以实现多种偏置控制方式，并且在不同工作模式下可以实现电压偏置和电流偏置的自由切换，从而满足不同场合的需求。例如，在高功率输出时，采用电流偏置模式可以获得更好的线性度和动态范围，而在低功率输出时，采用电压偏置模式可以降低功耗和热量。此外，根据本实用新型实施例的PA偏置电路通过复用电流偏置和电压偏置模式的部分电路来使得减小了偏置电路的元件数量从而减少了电路成本。根据本实用新型实施例的PA偏置电路结构简单，成本低廉，易于制造和集成。综上所述，根据本实用新型实施例的PA偏置电路通过运算放大器、反馈电路和输出电路构成，可以实现多种偏置控制方式，同时在不同工作模式下可以实现电压偏置和电流偏置的自由切换，具有灵活性和多样性，适用于不同场合的需求。

图3是示出了根据本实用新型实施例的PA偏置电路工作在电压偏置的工作模式时的等效电路示意图。

根据表1中的信息，当工作模式为电压偏置时，开关SW1会关断，开关SW2会导通。在开关SW1关断后，反馈电路的等效电路为电阻R1和电阻R2的串联。同时，在开关SW2导通后，输出电路的等效电路为晶体管M1和晶体管M2的并联。电压偏置模式下的等效电路如图3所示，其中晶体管M3是M1和M2并联。该工作模式下的电路结构是LDO(低压差线性稳压器)电路，其中，运算放大器OP1的负向输入端与VREF相连，而VREF是可以由带隙基准源提供的参考电压。运算放大器OP1的正向输入端连接反馈电路的反馈输出节点VFB，因此当两输入端电压相等时，VFB＝VREF。根据欧姆定律，可以计算流经电阻R2的电流为I＝VREF/R2。因此，可以推导出输出电压VOUT的表达式为Vout＝VREF(1+R1/R2)。

当PA偏置电路被配置为电压偏置的工作模式时，其具有如下的特点：(1)稳定性高，LDO具有较低的输出电压波动和噪声，能够提供相对稳定的偏置电压，有利于确保功率放大器的性能和可靠性；(2)精度高，LDO通常具有较高的输出电压精度和稳定性，能够满足射频功率放大器对偏置电压精度和稳定性的要求；(3)噪声低，由于LDO的输出电压波动和噪声较低，它可以减少射频功率放大器中的杂散信号和干扰，提高系统的性能和抗干扰能力。

图4是示出了根据本实用新型实施例的PA偏置电路工作在电流偏置的工作模式时的等效电路示意图。

根据表1中的信息，当工作模式为电流偏置时，开关SW1导通，开关SW2关断。开关SW1导通后，电阻R1被短路掉，反馈电路等效电路为电阻R2。开关SW2关断后，晶体管M1和晶体管M2的漏端是高阻态，由于晶体管M1和晶体管M2的栅极相连，源极相连，因此晶体管M1和M2构成电流镜结构。电流偏置模式的等效电路如图4所示，所述电路为电流源结构电路。其中，晶体管M1提供参考电流，参考电流值为I＝VREF/R2，晶体管M2作为电流镜，把参考电流I放大M倍，输出电流值为Iout＝M×VREF/R2，其中，M是晶体管管M2和晶体管M1的尺寸比例系数。通过电流偏置模式的等效电路可以得到输出电流的表达式，从而计算出输出电流的值。

当PA偏置电路被配置为电流偏置的工作模式时，其具有如下的特点：(1)稳定性高，电流源和电流镜都是被广泛应用的稳定的电路，其提供的偏置电流比较稳定，可以保证功率放大器工作在合适的工作状态；(2)精度高，电流源和电流镜通常可以提供相对较高的偏置电流精度，可以满足高精度要求的应用场景；(3)适用性广，电流源和电流镜的结构简单，适用于不同类型的射频功率放大器芯片，具有很好的通用性。

图5是示出了根据本实用新型实施例的射频功率放大器电路的示意图。

参考图5，射频功率放大器电路包括：N个功率放大器单元、PA偏置接口电路(PABias)、以及PA偏置电路。其中，N个功率放大器单元被配置为级联连接，以对射频信号进行放大；PA偏置接口电路提供功率放大器单元和PA偏置电路之间的连接；并且PA偏置电路被配置为为N个功率放大器单元同时提供偏置。

图6是示出了根据本实用新型实施例的两级射频功率放大器电路的示意图。

在两级功率放大器中，采用电流偏置和电压偏置的组合可以发挥它们各自的优点，从而获得更好的性能。参考图6，通过电流偏置模式下的第一PA偏置电路和第一PA偏置接口电路来为第一级功率放大器单元提供电流偏置，从而可以提供高线性度和稳定性。由于第一级功率放大器单元的放大倍数相对较小，因此非线性失真可能不是很严重。但是，稳定性对整个功率放大器PA电路的性能影响非常重要，因此采用电流偏置可以提供更好的稳定性和线性度，从而减少失真。参考图6，通过电压偏置模式下的第二PA偏置电路和第二PA偏置接口电路来为第二级功率放大器单元提供电压偏置，可以提供更高的效率和更简单的电路设计。由于第二级功率放大器单元需要放大第一级功率放大器单元的输出信号，因此需要更高的放大倍数，这可能会导致更严重的非线性失真。此时，使用电压偏置可以提高效率，并减少对放大器线性度的影响。因此，在两级射频功率放大器中使用电流偏置和电压偏置的组合可以综合发挥各自的优点，从而获得更好的性能和更低的成本。

根据本实用新型的实施例，提供了一种包括运算放大器、反馈电路和输出电路的功率放大器PA偏置电路，通过模式开关的切换，可实现电压偏置和电流偏置两种工作模式。本实用新型的射频功率放大器PA偏置电路是射频功率放大器PA控制器芯片的一部分，由于射频功率放大器PA的特性在不同应用中会有所不同，因此该偏置电路的多样化工作模式可以提供更加灵活的偏置控制方式，从而满足不同应用的需求。此外，该偏置电路的设计采用了高度集成化的技术，可以大大降低射频功率放大器PA控制器芯片的体积和成本，从而促进射频功率放大器PA技术的发展和应用。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本实用新型中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种射频功率放大器偏置电路，其特征在于，包括：运算放大器、反馈电路和输出电路，

所述运算放大器的第一输入端被连接到参考电压，其第二输入端被连接到反馈电路的输出端以接收反馈信号；

所述输出电路的输入端连接到所述运算放大器的输出端，输出电路的第一输出端被连接到所述反馈电路以形成反馈信号，并且所述输出电路的第二输出端用于为功率放大器电路提供偏置；以及

所述反馈电路的输入端连接到所述输出电路的第一输出端，并且所述反馈电路的输出端连接到所述运算放大器的第二输入端，

所述反馈电路还包括第一开关，所述输出电路还包括第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为用于控制所述功率放大器偏置电路的工作模式，以使其工作在电压偏置模式或者电流偏置模式下。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述输出电路包括第一晶体管、第二晶体管和第二开关，

第一晶体管的栅极连接运算放大器的输出端，第一晶体管的源极接电源VDD，并且第一晶体管的漏极连接所述输出电路的第一输出端，

第二晶体管的栅极连接运算放大器的输出端，第二晶体管的源极接电源VDD，并且第二晶体管的漏极连接所述输出电路的第二输出端，以及

第二开关连接所述输出电路的第一输出端和第二输出端。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管的尺寸比例为1：M。

4.根据权利要求2所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述运算放大器的第一输入端为负向输入端，并且所述运算放大器的第二输入端为正向输入端。

5.根据权利要求1所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述反馈电路包括：第一电阻器、第二电阻器和第一开关，

所述第一电阻器的一端连接所述反馈电路的输入端，并且其另一端连接所述反馈电路的输出端，

所述第一开关的两端连接在所述第一电阻器的两端，以及

所述第二电阻器的一端连接到接地节点，并且其另一端连接所述反馈电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，当所述射频功率放大器偏置电路被配置为在电压偏置模式下时，所述第一开关被配置为关断，并且所述第二开关被配置为导通。

7.根据权利要求1所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，当所述射频功率放大器偏置电路被配置为在电流偏置模式下时，所述第一开关被配置为导通，并且所述第二开关被配置为关断。

8.根据权利要求7所述的射频功率放大器偏置电路，其特征在于，所述参考电压通过带隙基准源提供。

9.一种射频功率放大器电路，其特征在于，包括N个射频功率放大器单元、射频功率放大器偏置接口电路、以及如上述权利要求1至8中的任何一个所述的射频功率放大器偏置电路，N为大于等于1的整数，

所述N个射频功率放大器单元被配置为级联连接，以对射频信号进行放大，

所述射频功率放大器偏置接口电路提供射频功率放大器单元和射频功率放大器偏置电路之间的连接，以及

所述射频功率放大器偏置电路被配置为为N个射频功率放大器单元提供偏置。

10.根据权利要求9所述的射频功率放大器电路，其特征在于，N等于2；并且

通过电流偏置模式下的第一射频功率放大器偏置电路和第一射频功率放大器偏置接口电路来为第一级射频功率放大器单元提供电流偏置，以及

通过电压偏置模式下的第二射频功率放大器偏置电路和第二射频功率放大器偏置接口电路来为第二级射频功率放大器单元提供电压偏置。