WO2011137635A1 - 一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法 - Google Patents

Description

一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法 本申请要求于 2010年 5月 6日提交中国专利局， 申请号为 201010164401.2, 发明名称为"一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法"的中国专利 申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域

本发明涉及电子技术领域， 尤其涉及一种功率放大器和基于功率放 大器的信号放大方法。 背景技术

现代无线通信系统， 例如码分多址、 宽带码分多址等系统中通常 采用可变包络调制技术对信号进行调幅和调相。 在可变包络调制技术 中， 需要使用功率放大器进行信号放大， 而由于此类调制技术使得包 络信号具有较宽的动态范围， 带宽往往达到几十兆赫兹 （MHz ) 以上， 因此对功率放大器的带宽和增益性能具有很高的要求， 功率放大器需 要具有较高的带宽和平坦的增益曲线。

由于功率级的密勒（Miller )效应， 现有的功率放大器的增益频率特 性和带宽受到很大影响， 增益曲线不平坦， 高带宽功率放大器对大信号 响应极易产生不稳定， 限制了带宽范围。 发明内容

本发明实施例的主要目的在于， 提供一种功率放大器和基于功率 放大器的信号放大方法， 以获得较高的带宽和稳定的增益的功率放大 器性能。

为达到上述目的， 本发明的实施例采用如下技术方案：

一种功率放大器， 包括依次相连的运算放大级、 至少一个緩冲级 和输出级； 其中，

所述运算放大级有两个输入端， 正输入端连接信号源， 接收待放 大信号， 负输入端接收反馈信号；

所述输出级的输出端与所述运算放大级的负输入端之间连接有第 一反馈单元， 用于对所述功率放大器的输出进行闭环负反馈； 所述输出级的输入端与所述运算放大级的负输入端之间连接有第 二反馈单元， 用于补偿所述输出级输入端输入电容造成的相位滞后； 所述至少一个緩冲级的输入端与所述运算放大级的负输入端之间 连接有第三反馈单元， 用于补偿所述緩沖级输入端输入电容造成的相 位滞后；

所述第一反馈单元、 第二反馈单元、 第三反馈单元提供的反馈信 号在所述运算放大级的负输入端叠加。

一种基于功率放大器的信号放大方法， 包括：

将取自输出级输出端的第一反馈信号、 输出级输入端的第二反馈 信号和緩冲级输入端的第三反馈信号相叠加， 形成总反馈信号；

将待放大信号和总反馈信号在负反馈的方式下在运算放大级输入 端相耦合， 在总反馈信号的补偿作用下， 对所述待放大信号进行放大。

采用上述技术方案后， 本发明实施例提供的功率放大器和基于功率 放大器的信号放大方法， 通过对 Miller效应所带来的等效负载电容进行 反馈补偿， 有效改善了 Miller效应对功率放大器高频特性的影响， 使功 率放大器能够获得较高的带宽和平坦的增益频率特性。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案， 下面将对实施例描述中 所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性 的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为本发明实施例提供的功率放大器的系统架构图；

图 2为本发明实施例一的电路示意图；

图 3为本发明实施例一的输出级的另一种电路示意图；

图 4为本发明实施例一的频率响应曲线；

图 5为本发明实施例提供的基于功率放大器的信号放大的方法的流 程图。 具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而 不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例旨在提供一种功率放大器和基于功率放大器的信 号放大方法， 能够提供较高的带宽和稳定的增益性能。

本发明实施例提供的功率放大器， 如图 1所示， 包括：

包括运算放大级 01、 至少一个缓冲级 02和输出级 03 ; 其中， 运算放大级 01有两个输入端， 正输入端连接信号源， 接收待放大 信号， 负输入端接收反馈信号， 用于进行幅值放大；

输出级 03 的输出端与运算放大级 01 的负输入端之间连接有第一 反馈单元 04， 用于对所述功率放大器的输出进行闭环负反馈；

输出级 03 的输入端与运算放大级 01 的负输入端之间连接有第二 反馈单元 05 , 用于补偿输出级 03输入端输入电容造成的相位滞后； 至少一个緩冲级 02的输入端与运算放大级 01 的负输入端之间连 接有第三反馈单元 06 ,用于补偿緩沖级 02输入端输入电容造成的相位 滞后；

第一反馈单元 04、 第二反馈单元 05和第三反馈单元 06提供的反 馈信号在运算放大级 01的负输入端叠加， 形成整个功率放大器的总反 馈信号。

此外， 输出级 03的输出端为所述功率放大器的输出端， 应用时连 接负载 07。

本发明实施例提供的功率放大器， 通过反馈信号的引入，对 Miller 效应所带来的等效负载电容进行反馈补偿， 有效改善了 Miller效应对 功率放大器高频特性的影响， 使功率放大器能够提供较高的带宽和平 坦的增益频率特性， 同时， 还能够显著提高功率放大器系统的稳定性。

Miller效应 （Miller effect) 是指， 在电子学的反相放大电路中， 输 入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用， 其等效 到输入端的电容值会扩大 1+Av倍， 其中 Av是该级放大电路电压放大 倍数。 虽然一般 Miller效应指的是电容的放大， 但是任何输入与其它 高放大节之间的阻抗也能够通过 Miller效应改变放大器的输入阻抗。 对于采用金属氧化物半导体场效应管 （ MOS 管， Metal Oxid Semiconductor ) 的放大器来讲， Miller效应使得 MOS管的门漏极间的 寄生电容比实际值要大很多， 会带来很强的容性负载效应。 尤其当频 率足够高时， 由于 Miller 电容的影响， 放大器的增益输出电压将随频 率下降， 即随频率发生反响。 因此在高频、 高带宽功率放大器中 Miller 电容的影响很大， Miller电容限制了放大器的带宽， 尤其影响其大信号 特性， 且极易使多级放大器系统不稳定。 基于此， 本发明的实施例通 过反馈信号的引入， 对 Miller效应所带来的等效负载电容进行反馈补 偿， 能有效减少緩沖级 02的高频输出阻抗， 提高功率放大器整体的有 效带宽， 尤其是大信号特性， 有效改善了 Miller效应对功率放大器的 影响。

其中， 第一反馈单元 04为相位滞后反馈单元， 具体为能够实现相 位滞后反馈功能的器件或电路， 所在的反馈环路闭环整个功率放大器， 釆样功率放大器的输出端， 提供第一反馈信号， 所釆样的第一反馈信 号能够提高功率放大器增益的稳定性， 扩展功率放大器的带宽；

第二反馈单元 05为相位超前反馈单元， 具体为能够实现相位超前 反馈功能的器件或电路，采样输出级 03的输入端，提供第二反馈信号， 所釆样的第二反馈信号提供对输出级 03的 Miller负载电容造成的相位 损失进行补偿， 提高系统稳定性， 扩展功率放大器的带宽， 使线性功 率放大器提供相对平緩的频率响应特性；

第三反馈单元 06 为相位超前反馈单元， 具体为能够实现相位超 前反馈功能的器件或电路， 釆样至少一个緩冲级 02的输入端， 提供第 三反馈信号， 所采样的第三反馈信号提供对緩冲器 02的 Miller电容造 成的相位损失进行补偿， 提高系统的稳定性。

本发明实施例提供的功率放大器可用于基站等需要提供跟随电压 的场合以及需要提供较高的带宽和稳定的增益性能的功率放大设备 中。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明实施例的技术方案， 下面通过具体的实施例对本发明实施例提供的功率放大器进行详细描 述。 实施例一

如图 2所示，本实施的功率放大器包括依次相连的运算放大级 01 , 一个緩冲级 02和输出级 03 , 还包括第一反馈单元 04、 第二反馈单元 05和第三反馈单元 06 ,三个反馈单元提供的反馈信号在运算放大级 01 的反相输入端叠加， 形成整个功率放大器的反馈信号。

其中， 运算放大级 01采用 CFA ( Current Feedback Amplifier, 电 流反馈放大器） 。 CFA 的增益与带宽相互影响程度小， 可以实现更快 的摆率、 更低的失真； CFA01 的正相输入端与输入信号源相连接， 作 为整个功率放大器的输入端， 接收待放大信号； 反相输入端与第一反 馈单元 04、 第二反馈单元 05和第三反馈单元 06的输出端相连接， 接 收三个反馈单元采样的反馈信号； CFA01的输出端与緩沖级 02的输入 端相耦合。

緩冲级 02釆用现有的集成緩冲器，例如对称 AB类射极跟随器等， 提供运算放大级 01到输出级 03之间的功率放大， 同时为本实施例提 供推电流、 拉电流及在正负输出时提供相对于负载较低的输出阻抗。 緩冲级 02的输出端与输出级 03 的输入端相耦合； 需要指出的是， 緩 沖级 02还可以选择现有的其他集成緩沖器， 根据实际情况选择。

输出级 03 由对称 AB类源极跟随器组成，包括 NMOS ( N-channel Metal Oxide Semiconductor, N沟道 MOS ) 031 , PMOS ( P-channel Metal Oxide Semiconductor, P沟道 MOS ) 032和偏置电压源 033 ; 其中，

NMOS 031的漏极 D和 PMOS管 032的源极 S耦合连接， 作为整 个功率放大器的输出端， 使用时连接负载 07 ; NMOS 031的源极 S连 接供电电源正极 VCC ; PMOS 032 的漏极接地或所述供电电源负极 VSS; 偏置电压源 033的正极连接 NMOS的门极 G， 负极连接 PMOS 的门极 G , 用于为 NMOS 031和 PMOS 032提供大于门限电压的门极 偏置电压， 使两个 MOS管工作在饱和区； PMOS管 032的门极 G作为 输出级 03的输入端。

这里需要指出的是， 输出级 03 的 NMOS 031 可采用 NPN ( Negative-Positive-Negative , 负极-正极-负极）型三极管代替， PMOS 032可采用 PNP ( Positive-Negative-Positive , 正极-负极-正极） 型三极 管代替， 具体连接方式详见图 3， 其中， NPN型三极管 034的发射极 E 和 PNP型三极管 035的集电极 C耦合连接， 作为整个功率放大器的输 出端； NPN型三极管 034的集电极 C连接供电电源正极 VCC; PNP型 三极管 035的发射极 E接地或所述供电电源负极 VSS; PNP型三极管 035的基极 B作为输出级 03的输入端；偏置电路 036用于为所述 NPN 型三极管和 PNP型三极管提供偏置电流。

需要说明的是，图 2和图 3中所示的 VCC代表供电电源电压， VSS 表示地或供电电源电压负极。

其中， 如图 2 所示， 在本实施例中第一反馈单元 04 可以为实现 相位滞后反馈功能的 LPF ( Low-Pass Filter, 低通滤波器） 。 LPF 04所 在的反馈环路闭环整个功率放大器， 它的输入端与输出级 03的输出端 即本实施例的功率放大器的输出端相连接， 输出端与运算放大级 01的 反相输入端相连接， 采样功率放大器的输出端， 为运算放大级 01提供 第一反馈信号， 所采样的第一反馈信号能够提高功率放大器增益的稳 定性， 扩展功率放大器的带宽；

在本实施例中第二反馈单元 05 可以为实现相位超前反馈功能的

HPF ( High-Pass Filter, 高通滤波器） ， HPF 05的输入端与緩冲级 02 的输出端即输出级 03 的输入端相连接， 输出端与输出放大级 01 的反 相输入端相连接， 釆样输出级 03 的输入端， 为运算放大级 01提供第 二反馈信号， 所采样的第二反馈信号提供对输出级 03的 Miller电容造 成的相位损失进行补偿， 提高系统稳定性， 扩展功率放大器的带宽， 使线性功率放大器提供相对平緩的频率响应特性；

在本实施例中， 第三反馈单元 06可以为实现相位超前反馈功能的 HPF , HPF 06的输入端与运算放大级 01的输出端即緩冲级 02的输入 端相连接， 输出端与运算放大级 01的反相输入端相连接， 采样緩冲级 02的输入端， 为放大级 01提供第三反馈信号， 所采样的第三反馈信号 提供对緩沖器 02的 Miller电容造成的相位损失进行补偿， 提高系统的 稳定性；

所述第一反馈信号、 第二反馈信号、 第三反馈信号在放大级的负 输入端叠加形成整个功率放大器的反馈信号。

本实施例的功率放大器， 由于对緩冲级 02和输出级 03 的 Miller 电容进行了反馈补偿， 有效改善了 Miller效应对功率放大器高频特性 的影响， 使功率放大器能够提供较高的带宽和稳定的增益性能。 同时， 还能够提高功率放大器系统的稳定性。

图 4为本实施例的功率放大器的频率响应曲线， 如图 4可知， 本 实施例的功率放大器增益曲线较平坦 ,对大信号响应较稳定 ,对 50MHz 左右的高频信号依然能够保持较平坦的增益曲线和相位响应， 即有效 提高了功率放大器的带宽。

相应的， 本发明的实施例还提供了一种基于功率放大器的信号放 大方法， 如图 5所示的流程图， 包括下列步骤：

511 , 将取自输出级输出端的第一反馈信号、 输出级输入端的第二 反馈信号和緩冲级输入端的第三反馈信号相叠加， 形成总反馈信号；

512 , 将待放大信号和总反馈信号在负反馈的方式下在运算放大级 输入端相耦合， 在总反馈信号的补偿作用下， 对所述待放大信号进行 放大。

需要指出的是， 本发明实施例提供的基于功率放大器的信号放大 方法， 所述功率放大器采用依次连接的运算放大级、 緩沖级和输出级 的多级架构。

S11 步骤中， 所述第一反馈信号由相位滞后反馈单元将所述输出 级输出端信号反馈至所述运算放大级输入端， 提供相位滞后反馈， 能 够提高功率放大器增益的稳定性， 扩展功率放大器的带宽；

所述第二反馈信号由相位超前反馈单元将所述输出级输入端信号 反馈至所述运算放大级输入端， 提供对输出级的 Miller 电容造成的相 位损失进行补偿， 提高系统稳定性， 扩展功率放大器的带宽， 使线性 功率放大器提供相对平緩的频率响应特性；

所述第三反馈信号由相位超前反馈单元将所述緩冲级输入端信号 反馈至所述运算放大级输入端， 提供相位超前反馈， 所釆样的第三反 馈信号提供对缓冲器的 Miller 电容造成的相位损失进行补偿， 提高系 统的稳定性；

上述反馈信号在信号幅值放大器的负输入端相叠加， 形成了功率 放大器的总反馈信号； 功率放大器通过运算放大级的正输入端接收待 放大信号， 负输入端接收总反馈信号， 形成负反馈。

本发明实施例提供的基于功率放大器的信号放大方法， 通过对 Miller 效应所带来的等效负载电容进行反馈补偿， 有效改善了 Miller 效应对功率放大器高频特性的影响， 使功率放大器能够提供较高的带 宽和稳定的增益性能。

以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本 发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

权 利 要 求

1、 一种功率放大器， 其特征在于，

包括依次相连的运算放大级、 至少一个緩冲级和输出级； 所述运算放大级有两个输入端， 正输入端连接信号源， 接收待放 大信号， 负输入端接收反馈信号；

所述输出级的输出端与所述运算放大级的负输入端之间连接有第 一反馈单元， 用于对所述功率放大器的输出进行闭环负反馈；

所述输出级的输入端与所述运算放大级的负输入端之间连接有第 二反馈单元， 用于补偿所述输出级输入端输入电容造成的相位滞后； 所述至少一个緩沖级的输入端与所述运算放大级的负输入端之间 连接有第三反馈单元， 用于补偿所述緩冲级输入端输入电容造成的相 位滞后；

所述第一反馈单元、 第二反馈单元、 第三反馈单元提供的反馈信 号在所述运算放大级的负输入端叠加。

2、 根据权利要求 1所述的功率放大器， 其特征在于，

所述第一反馈单元为相位滞后反馈单元；

所述第二反馈单元为相位超前反馈单元；

所述第三反馈单元为相位超前反馈单元。

3、 根据权利要求 2所述的功率放大器， 其特征在于，

所述第一反馈单元为低通滤波器；

所述第二反馈单元为高通滤波器；

所述第三反馈单元为高通滤波器。

4、 根据权利要求 2所述的功率放大器， 其特征在于， 所述运算放 大级为电流反馈放大器， 所述电流反馈放大器的正相输入端连接信号 源， 接收待放大信号， 反相输入端接收反馈信号， 将所述第一反馈单 元、 第二反馈单元和第三反馈单元提供的反馈信号叠加。

5、 根据权利要求 1 至 4任一项所述的功率放大器， 其特征在于, 所述输出级包括 N型金属氧化物半导体场效应管 NMOS , P型金属氧 化物半导体场效应管 PMOS和偏置电压源；

其中， 所述 NMOS的漏极和所述 PMOS管的源极耦合连接， 作为 所述功率放大器的输出端； 所述 NMOS的源极连接供电电源正极；

所述 PMOS的漏极接地或所述供电电源负极；

所述偏置电压源的正极连接 NMOS的门极， 负极连接 PMOS的门 极， 用于为所述 NMOS管和 PMOS管提供门极偏置电压。

6、 根据权利要求 1 至 4任一项所述的功率放大器， 其特征在于， 所述输出级包括负极-正极-负极 NPN型三极管， 正极-负极 -正极 PNP 型三极管和偏置电路；

其中，所述 NPN型三极管的发射极和所述 PNP型三极管的集电极 耦合连接， 作为所述功率放大器的输出端；

所述 NPN型三极管的集电极连接供电电源正极；

所述 PNP型三极管的发射极接地或所述供电电源负极；

所述 PNP型三极管的基极作为所述输出级的输入端；

所述偏置电路用于为所述 NPN型三极管和 PNP型三极管提供偏置 电流。

7、 一种基于功率放大器的信号放大方法， 其特征在于， 包括： 将取自输出级输出端的第一反馈信号、 输出级输入端的第二反馈 信号和緩冲级输入端的第三反馈信号相叠加， 形成总反馈信号；

将待放大信号和总反馈信号在负反馈的方式下在运算放大级输入 端相耦合， 在总反馈信号的补偿作用下， 对所述待放大信号进行放大。

8、 根据权利要求 7所述的信号放大方法， 其特征在于，

所述第一反馈信号由相位滞后反馈单元将所述输出级输出端信号 反馈至所述运算放大级输入端；

所述第二反馈信号由相位超前反馈单元将所述输出级输入端信号 反馈至所述运算放大级输入端；

所述第三反馈信号由相位超前反馈单元将所述緩沖级输入端信号反 馈至所述运算放大级输入端。