專利名稱：用于功率放大器的電容耦合動(dòng)態(tài)偏置升壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體管放大器電路領(lǐng)域，尤其涉及具有偏置升壓電路的功率放大器，用于增強(qiáng)放大器線性度并減少無(wú)功電流。
背景技術(shù)：
這種通用類型的放大器常用于高頻RF放大器，音頻放大器以及其他應(yīng)用中。為了獲得線性輸入-輸出關(guān)系和高工作效率，此放大器典型地工作在大概180°導(dǎo)通角(B類)或稍大一些的導(dǎo)通角(AB類)從而避免交叉失真。
典型地，這種放大器需要一個(gè)直流偏置電路，以便在所述放大器電路中建立所述靜態(tài)偏置電流，從而確保在B類或AB類模式的操作。在現(xiàn)有技術(shù)中，偏置通常由固定電流源提供，如美國(guó)專利US5,844,443所述，或者由外部電源提供，所述電源可被設(shè)置為一個(gè)期望恒定值從而確保靜態(tài)電流工作在所需要的模式，如美國(guó)專利US5,548,248所述。
然而，在上述類型的放大器中，來(lái)自所述電源的平均電流取決于所述輸入信號(hào)電平。隨著輸出功率的增加，功率晶體管的發(fā)射極和基極的平均電流也隨之增加。增加的平均電流引起偏置電路和鎮(zhèn)流電阻(被用于避免使用交叉指型設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和熱擊穿)中的電壓降。這又降低了導(dǎo)通角(即放大器360°導(dǎo)通之外的度數(shù))，并且迫使放大器深入成B類甚至C類操作，從而把最大功率輸出降低大約25％。為了避免這功率降低，放大器必須有更大的靜態(tài)偏置。這在已有技術(shù)的電路中將不可避免地導(dǎo)致在低功率輸出電平的較高的功耗，因此導(dǎo)致一個(gè)不希望的在工作特性中的折衷。
本發(fā)明人過(guò)去開(kāi)發(fā)了各種包括改進(jìn)的偏置電路和偏置升壓技術(shù)，但是這些不具有所述放大器電路輸入的信號(hào)，或者不具有直流耦合信號(hào)輸入，這對(duì)所述偏置電路和與之耦合的級(jí)的操作不利，使之設(shè)計(jì)受限。
因此，所希望的是具有一個(gè)功率放大器電路，其提供最佳的最大輸出功率以及在低功率電平的降低功耗的優(yōu)點(diǎn)，并且具有改進(jìn)的放大器線性度和降低的無(wú)功電流。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)功率放大器電路，其提供增強(qiáng)的最大輸出功率和在低功率電平的較少的功耗，并且具有改進(jìn)的放大器線性度和降低的無(wú)功電流。
依據(jù)本發(fā)明，上述目的是通過(guò)一個(gè)新的功率放大器電路實(shí)現(xiàn)，所述新的功率放大器電路用于放大一輸入信號(hào)并具有至少大約180°的導(dǎo)通角，所述放大器電路包括一放大晶體管和一用于偏置所述放大晶體管以便獲得該期望導(dǎo)通角的直流偏置電路。所述直流偏置電路包括一個(gè)動(dòng)態(tài)偏置升壓電路，用于與提供給所述功率放大器的輸入信號(hào)的增加成正比地增加所述直流偏置電路提供給所述放大晶體管的直流偏置電流，而且所述直流偏置電路的輸入通過(guò)一電容與所述功率放大的一級(jí)耦合。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述放大器電路是B類或AB類放大器電路。
在本發(fā)明的還一優(yōu)選實(shí)施例中，所述功率放大器電路也包括具有一驅(qū)動(dòng)器晶體管的一驅(qū)動(dòng)器級(jí)，而且上述電容直接與所述驅(qū)動(dòng)器晶體管的輸出端相連。
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)功率放大器電路提供了一個(gè)重要改進(jìn)在于多個(gè)特征的有益組合，包括可以簡(jiǎn)單、緊湊和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)獲得增強(qiáng)的最大輸出功率和在低功率電平的較少的功耗，并且具有改進(jìn)的放大器線性度和降低的無(wú)功電流。
參照以下的實(shí)施例說(shuō)明，本發(fā)明的這些和其它方面的優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。


結(jié)合附圖而參照下面的描述將可以更完整地理解本發(fā)明，其中圖1是依據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的一功率放大器電路的示意圖；而且圖2是依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的一功率放大器電路的示意圖。
在所述圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
具體實(shí)施例方式
依據(jù)本發(fā)明的高頻放大器電路1的簡(jiǎn)要示意圖如圖1所示。所述放大器電路包括一放大晶體管11和通過(guò)一電阻10與所述放大晶體管11的基極耦合的一偏置電路2。所述偏置電路2包括耦合在VCC和GND之間的6個(gè)雙極型晶體管(12-17)和兩個(gè)電流源18和19，以下將進(jìn)一步描述。一輸入耦合電容器20用于將來(lái)自所述放大器的驅(qū)動(dòng)器級(jí)3的一輸入信號(hào)耦合到放大晶體管11的基極，所述晶體管11為共發(fā)射極配置連接并且通過(guò)一電感器21耦合在VCC和GND之間。所述高頻放大器電路1從晶體管11的集電極通過(guò)一電容器22進(jìn)行輸出。所述驅(qū)動(dòng)器級(jí)3包括其基極輸入與電容器24耦合的一驅(qū)動(dòng)器晶體管23、通過(guò)電感器25的一VCC連接、以及連接到電容器20的輸出。所述驅(qū)動(dòng)器晶體管23是由驅(qū)動(dòng)器偏置電路26進(jìn)行偏置，所述驅(qū)動(dòng)器偏置電路在圖1中以方框形式表示。
所述放大晶體管11通過(guò)電阻10到偏置電路2的連接從而在其基極被偏置，這實(shí)現(xiàn)了一動(dòng)態(tài)偏置升壓電路的功能，而且所述偏置電路包含兩個(gè)子電路，這使得所述放大晶體管的靜態(tài)電流和所述偏置級(jí)的輸出阻抗(所述輸出級(jí)的偏置阻抗)可被兩個(gè)電流源18和19獨(dú)立且直接地控制，以下將進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
每一個(gè)偏置子電路包括一電流源和一電流反射鏡。因此，電流源18通過(guò)包括晶體管15和16的電流反射鏡提供了一偏置電流，而電流源19通過(guò)包括晶體管12、14和17的電流反射鏡提供了一偏置電流分量。
在工作過(guò)程中，所述高頻放大器電路1的放大器晶體管11典型地以AB類偏置工作。然而，當(dāng)所述RF輸入功率非常低時(shí)，所述放大晶體管最好工作在A類。因此，需要控制所述放大器的增益和類型，而且最好獨(dú)立地控制所述放大器的效率和線性度。
通過(guò)在所述偏置電路2中提供兩個(gè)獨(dú)立電流源來(lái)獨(dú)立控制這些參數(shù)，所述兩個(gè)獨(dú)立電流源也就是用于控制所述輸出級(jí)的靜態(tài)電流并因此控制工作類型的電流源18以及控制所述輸出驅(qū)動(dòng)電流并因此控制所述偏置級(jí)的輸出阻抗(所述輸出級(jí)的偏置阻抗)的電流源19。通過(guò)將每個(gè)電流源設(shè)置為希望值，可有效達(dá)到直接和獨(dú)立控制操作類和偏置阻抗的目的。
如圖所示的電路中，在所述輸出級(jí)的靜態(tài)電流與電流源18所提供的電流成比例，因此設(shè)置工作類型，而所述偏置級(jí)的輸出阻抗是由所述電流源19獨(dú)立控制的。這樣，所述偏置電路允許輸出級(jí)增益調(diào)諧而不影響所述偏置阻抗水平。
以此方式，而且假設(shè)所述電路中的所有晶體管是相同的且完全匹配，則依據(jù)基爾霍夫定律，晶體管11和13的基極-發(fā)射極電壓和等于晶體管12和14的基極-發(fā)射極電壓和。由于所述晶體管13的基極-發(fā)射極電壓基本上等于晶體管12的基極-發(fā)射極電壓，因此所述晶體管11的基極-發(fā)射極電壓基本上等于晶體管14的基極-發(fā)射板電壓。由于晶體管15和16形成了一個(gè)電路反射鏡，從電流源18流經(jīng)晶體管16的電流也必然流經(jīng)晶體管14和15。因此，所述電流源18的電流決定所述輸出晶體管的靜態(tài)電流從而決定工作類型和增益。
再假設(shè)所有晶體管是相同的且完全匹配，則同樣地，所述電流源19的電流將控制所述偏置電路的輸出阻抗。由于晶體管12、14和17形成一電流反射鏡，從電流源19流經(jīng)晶體管17的電流也必然流經(jīng)晶體管12和13。晶體管12、13、14和17形成一低阻抗路徑，而且所述偏置電路的輸出阻抗基本上由晶體管12和17確定，正如電流源19所提供的電流所決定的。
通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)晶體管對(duì)之間的發(fā)射極比例，依據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的技術(shù)，晶體管11中的靜態(tài)電流可直接與電流源18的電流值成比例，而所述偏置電路的輸出阻抗由電流源19的電流獨(dú)立控制。因此，所述放大晶體管11中的靜態(tài)電流可被控制，而為了增大效率和線性度，所述偏置阻抗水平可被獨(dú)立設(shè)置。
依據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在所述直流偏置電路2和功率放大器電路1的一級(jí)之間提供一耦合電容器27從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏置升壓。在圖1中，電容器27連接驅(qū)動(dòng)器級(jí)3的晶體管23的集電極和所述偏置電路2的晶體管15和16的共基極連接。在一可選的實(shí)施例中，所述電容27具有與放大晶體管11的基極而不是晶體管23的集電極連接的一端，如圖2所示。然而，電容器27的功能，如以下將詳細(xì)描述的，仍然相同，而且由于圖2其他部分與圖1相同，如上所述，因此以下將不再詳述圖2。
電容器27的作用是檢測(cè)來(lái)自所述放大器電路一點(diǎn)(晶體管23的集電極或者晶體管11的基極)的RF信號(hào)并且將此RF信號(hào)耦合到所述偏置電路2中包括晶體管15和16的所述電流反射鏡，所述電路典型地為AB類偏置。所述偏置電路控制所述放大晶體管11的電流，而且當(dāng)所述鏡像晶體管的平均電流增長(zhǎng)時(shí)，由于所述電路的RF信號(hào)輸入，所述放大晶體管11的平均電流也向上增長(zhǎng)。由于所述放大晶體管11的平均電流的增長(zhǎng)不僅是因?yàn)樗鯮F信號(hào)輸入，而且還因?yàn)樗銎秒娐?通過(guò)耦合電容器27交流耦合到所述放大器電路所提供的附加電流，因此提供了動(dòng)態(tài)偏置升壓。
這樣，獨(dú)立于操作所述放大晶體管的模式，所提供的偏置升壓與所述RF輸入信號(hào)成比例。此偏置機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是它允許所述RF放大器被較低靜態(tài)電流偏置而不是在較高輸出功率水平將其達(dá)到飽和狀態(tài)。此配置的另一優(yōu)點(diǎn)是它可以只采用npn晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且因此可用于無(wú)法使用或者難以生產(chǎn)pnp晶體管的技術(shù)中。應(yīng)該知曉的是，即使所述附圖表示了雙極晶體管的使用，本發(fā)明并不局限于雙極晶體管，還可用于采用FET晶體管或者雙極和FET晶體管混合的電路。
如圖1和2，在沿所述放大器的主信號(hào)通道上的不同點(diǎn)，耦合電容器27與所述放大器電路進(jìn)行連接。而且，電容器27的值應(yīng)使得所述RF放大器的電容器的負(fù)載影響小，從而放大器的小信號(hào)性能不會(huì)被此電容器降低。
在工作中，耦合電容器27監(jiān)測(cè)RF輸入信號(hào)的改變，并將此改變耦合到晶體管15。這使得晶體管15的平均電流增加(晶體管15通常為AB類偏置)，而且這依次增加了晶體管14的平均電流。由于晶體管14控制了晶體管11的靜態(tài)電流，隨著RF輸入信號(hào)的增長(zhǎng)，由于來(lái)自耦合到電阻器10的所述偏置電路2的輸入以及RF信號(hào)的增長(zhǎng)，晶體管11的電流也將增長(zhǎng)，因此實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偏置升壓條件。
這樣，本發(fā)明提供了一種具有電容器耦合的動(dòng)態(tài)偏置升壓電路的功率放大器電路，所述電路提供了改進(jìn)的最大輸出功率以及在低功率電平的降低功耗，并且具有改進(jìn)的放大器線性度和降低的無(wú)功電流。而且，通過(guò)避免所述放大器電路和所述偏置電路輸入的直流連接以及通過(guò)選用耦合電容器的適當(dāng)值，所述偏置電路的負(fù)載影響可最小化并且所述放大器的小信號(hào)性能將不受所述偏置電路的影響。
雖然已經(jīng)參照幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例展示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可以進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的改變。因此，例如，不同類型的晶體管，直流偏置電路和驅(qū)動(dòng)器以及功率輸出級(jí)可被適當(dāng)?shù)夭捎茫铱梢詫?duì)電路結(jié)構(gòu)改變以便適合具體地設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器電路，用于放大一輸入信號(hào)并且具有至少大約180°導(dǎo)通角，所述功率放大器電路包括一放大晶體管和與所述放大晶體管直流耦合的一直流偏置電路，所述偏置電路直流用于偏置所述放大晶體管從而獲得所述導(dǎo)通角，所述直流偏置電路包括一動(dòng)態(tài)偏置升壓電路，用于與提供給所述功率放大器電路的輸入信號(hào)的增加成正比地增加所述直流偏置電路提供給所述放大晶體管的直流偏置電流，而且所述直流偏置電路的輸入通過(guò)一電容器與所述功率放大器電路的一級(jí)耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中所述放大器電路是B類放大器電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中所述放大器電路是AB類放大器電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，還包括一驅(qū)動(dòng)器晶體管，其中所述電容直接與所述驅(qū)動(dòng)器晶體管的輸出終端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中所述電容器與所述放大晶體管的輸入終端直接相連。
全文摘要
一種功率放大器電路，包括放大器晶體管和用于偏置所述放大晶體管管從而獲得至少大約180°導(dǎo)通角的一個(gè)直流偏置電路。所述直流偏置電路包括一動(dòng)態(tài)偏置升壓電路，用于與提供給所述功率放大器的輸入信號(hào)的增加成正比地增加所述直流偏置電路提供給所述放大晶體管的直流偏置電流。直流偏置電路的輸入通過(guò)一電容器與所述功率放大器電路的一級(jí)耦合。所述偏置升壓電路使得所述功率放大器電路工作在B或AB類，具有改進(jìn)的線性度、改進(jìn)的效率和降低的無(wú)功電流。
文檔編號(hào)H03F1/02GK1689221SQ03823597
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月2日
發(fā)明者S·羅, T·索拉蒂 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司