一种射频功率放大器偏置电路及其实现方法与流程

本申请涉及一种射频功率放大器的偏置电路。

背景技术：

在射频接收电路中，射频前端(RF front end)通常指天线到混频器之间的所有电路，用来将天线接收的射频信号转换为频率较低的中频信号。以超外差结构的接收机为例，射频前端通常包括带通滤波器、射频功率放大器、本地振荡器、混频器，还可能包括模数转换器。

在射频前端电路中，射频功率放大器是最重要的器件之一，也是耗能最大的器件。工作时，射频功率放大器会产生大量的热，其温度也随之升高。由于PN结特性，在正向压降恒定时正向电流随温度的升高而增大。因此射频功率放大器随温度的升高而电流增大，增大的电流产生更多的热，使得射频功率放大器的温度进一步升高，由此进入恶性循环。这种情况下，射频功率放大器甚至会偏离正常工作点，影响其稳定性。高线性度(high linearity)的射频功率放大器由于效率较低，因而上述现象较为明显。

为了克服上述现象，就需要一种具有温度补偿作用的射频功率放大器偏置电路。请参阅图1，这是一种现有的射频功率放大器及其偏置电路，其中的虚线方框部分是偏置电路。所述射频功率放大器主要包括三极管四Q4也称功率管，其集电极通过电感一L1接电源电压Vsup，其发射极接地，其基极通过电容二C2连接射频信号输入端RFin。所述偏置电路主要包括三个三极管，三极管一Q1和三极管二Q2的基极均与集电极短接因此均作为二极管使用，三极管三Q3也称有源驱动管用来为功率管Q4提供基极偏置电流。在参考电压Vreg和地之间串联有电阻一R1、三极管一Q1和三极管二Q2，其中的三极管一Q1和三极管二Q2起到温度补偿作用。串联的三极管一Q1和三极管二Q2与电容一C1并联，电容一C1主要起线性化作用。有源驱动管Q3的基极连接电阻一R1和电容一C1之间的连接点，其集电极通过电阻二R2连接电源电压Vsup，其发射极通过电阻三R3连接功率管Q4的基极。各个三极管，例如均采用异质结双极晶体管(HBT)。这种射频功率放大器及其偏置电路的更多内容，可以参考2002年9月出版的《PCS/W-CDMA dual-band MMIC power amplifier with a newly proposed linearizing bias circuit》一文，作者是Youn Sub Noh和Chul Soon Park，刊载于《IEEE Journal of Solid-State Circuits》37卷9期。

图1所示的射频功率放大器偏置电路简单易用，但主要存在两个问题。其一，只有当四个三极管Q1至Q4具有完全相同的温度环境和工作条件时，才能实现最为理想的温度补偿效果。这在实际应用中是无法实现的，在实际应用时只能达到部分比例的温度补偿效果。其二，这种偏置电路对参考电压Vreg的变化非常敏感。当参考电压Vreg发生变化时，功率管Q4的基极偏置电流会发生很大的变化。

公开号为CN1373626A、公开日为2002年10月9日的中国发明专利申请公开了一种偏置控制电路，用来根据输入的控制电压来控制高频功率放大器的偏压电流。其中包括发射极相连的两个三极管构成的差分放大器，仅用来提供控制电压的增益放大，并不起温度补偿作用。

公开号为CN101478293A、公开日为2009年7月8日的中国发明专利申请公开了一种具有温度补偿的功率放大器。其中包括发射极相连的两个三极管构成的差分管，也是仅用来提供运放功能，并不起温度补偿作用。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器的偏置电路，可以明显降低对于温度变化和/或参考电压变化的敏感性，使得射频功率放大器稳定工作。为此，本申请还要提供所述偏置电路实现温度补偿的方法。

为解决上述技术问题，本申请射频功率放大器偏置电路包括由两个三极管构成的差分放大器，差分放大器以这两个三极管的基极作为差分输入端，以其中一个三极管的集电极作为单端输出端；所述偏置电路还包括有源驱动管，所述有源驱动管的基极接收差分放大器的单端输出端的电压作为输入，所述有源驱动管的发射极为功率管提供基极偏置电流；两个分压支路分别为构成差分放大器的两个三极管提供基极电压，并且在温度变化时所述构成差分放大器的两个三极管的基极电压变化方向相反。

所述差分放大器具体有两种实现方式。第一种实现方式是：构成差分放大器的两个三极管的发射极相连并通过一个电流源接地。这种实现方式具体例如是：构成差分放大器的两个三极管的发射极相连并通过三极管六接地；三极管五的基极与集电极短接；由电阻七和三极管五串联组成的支路相当于一个电流源；三极管五的基极连接三极管六的基极；三极管六相当于一个镜像电流源。第二种实现方式是：构成差分放大器的两个三极管的发射极通过Y型连接的三个电阻接地。

所述分压支路具有四种实现方式。第一种实现方式是：在一条分压支路中，从参考电压往地的方向依次串联有电阻一、二极管一和电阻二，二极管一的阴极为构成差分放大器的一个三极管提供基极电压；在另一条分压支路中，从参考电压往地的方向依次串联有电阻五、二极管二和电阻六，二极管二的阳极为构成差分放大器的另一个三极管提供基极电压。第二种实现方式是：在一条分压支路中，从参考电压往地的方向依次串联有电阻一、三极管五和电阻二，三极管五的基极与集电极短接，三极管五的发射极为构成差分放大器的一个三极管提供基极电压；在另一条分压支路中，从参考电压往地的方向依次串联有电阻八、三极管六和电阻九，三极管六的基极与集电极短接，三极管六的集电极为构成差分放大器的另一个三极管提供基极电压。将以上两种实现方式中的分压支路交叉组合，便构成了第三种和第四种实现方式。

进一步地，所述偏置电路还包括电容一，在差分放大器的单端输出端与地之间，用于线性化作用。

进一步地，所述三极管采用异质结双极晶体管和/或金属氧化物半导体场效应晶体管。

本申请射频功率放大器偏置电路的实现方法是：当温度发生变化时，两个分压支路分别为构成差分放大器的两个三极管提供的基极电压产生方向相反的变化，由两个三极管所组成的差分放大器的单端输出端的电压下降；这使得有源驱动管的电压也跟随着下降，并使得提供给功率管的基极偏置电流朝着对温度变化进行补偿的方向发生改变。

本申请取得的技术效果是能够明显降低对温度变化的敏感度，提高射频功率放大器的线性度，从而使射频功率放大器能够在较为恶劣的工作条件和环境下保持正常工作状态。

附图说明

图1是一种现有的射频功率放大器及偏置电路的示意图。

图2是本申请的射频功率放大器及偏置电路的实施例一的示意图。

图3是本申请的射频功率放大器及偏置电路的实施例二的示意图。

图4是本申请的射频功率放大器及偏置电路的实施例三的示意图。

图5是本申请的射频功率放大器及偏置电路的实施例四的示意图。

图中附图标记说明：以x表示自然数，Qx为三极管；Lx为电感；Cx为电容；Rx为电阻；Vsup为电源电压；Vreg为参考电压；RFin为射频信号输入端。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请的射频功率放大器及其偏置电路的实施例一，其中的虚线方框部分是偏置电路。所述射频功率放大器主要包括三极管四Q4也称功率管，其集电极通过电感一L1接电源电压Vsup，其发射极接地，其基极通过电容二C2连接射频信号输入端RFin。功率管Q4的集电极还作为射频信号输出端(未图示)。所述偏置电路主要包括五个三极管和两个二极管。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻一R1、二极管一D1和电阻二R2构成了第一分压支路，二极管一D1的阴极称为偏置点一V1用来为三极管一Q1提供基极偏置电压。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻五R5、二极管二D2和电阻六R6构成了第二分压支路，二极管二D2的阳极称为偏置点二V2用来为三极管二Q2提供基极偏置电压。三极管一Q1和三极管二Q2组成了差分放大器，它们的基极分别以偏置点一V1和偏置点二V2的电压作为输入，它们的发射极相连并连接三极管六Q6的集电极。三极管一Q1的集电极作为差分放大器的单端输出的输出点Vo。三极管一Q1的集电极还通过电阻三R3连接参考电压Vreg。三极管二Q2的集电极还通过电阻四R4连接参考电压Vreg。三极管五Q5的基极与集电极短接因此作为二极管使用，其集电极通过电阻七R7连接参考电压Vreg，其发射极接地，其基极连接三极管六Q6的基极。三极管六Q6的发射极接地。三极管三Q3也称有源驱动管，用来为功率管Q4提供基极偏置电流。有源驱动管Q3的基极连接输出点Vo并以输出点Vo的电压作为输入，其集电极通过电阻八R8连接电源电压Vsup，其发射极通过电阻九R9连接功率管Q4的基极从而为功率管Q4提供基极偏置电流。在输出点Vo与地之间还连接有电容一C1，电容一C1主要起线性化作用。各个三极管，优选采用异质结双极晶体管(HBT)，也可采用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。

上述实施例一中，电阻七R7与作为二极管使用的三极管五Q5串联并构成一个电流源，而三极管六Q6是镜像电流源。可选地，可以将电阻七R7与三极管五Q5的串联支路删除，同时将三极管六Q6替换为一个电流源。

上述实施例一的工作原理是：当温度升高时，二极管的正向压降减小，因此偏置点一V1的电压升高，偏置点二V2的电压降低。由三极管一Q1和三极管二Q2所组成的差分放大器，其输出点Vo的电压将下降A×(V1-V2)，其中A为差分放大器的放大倍数。这使得有源驱动管Q3的基极电压也跟随着下降，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流减小，从而对温度升高进行了补偿。同理，当温度下降时，有源驱动管Q3的基极电压将上升，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流增大，从而对温度下降进行了补偿。通过选择合适的器件参数可以调整差分放大器的放大倍数，从而为功率管Q4提供的基极偏置电流可以正好抵消温度变化的影响，使功率管Q4总是能够偏置在所需要的工作点。

请参阅图3，这是本申请的射频功率放大器及其偏置电路的实施例二，其中的虚线方框部分是偏置电路。所述射频功率放大器主要包括三极管四Q4也称功率管，其集电极通过电感一L1接电源电压Vsup，其发射极接地，其基极通过电容二C2连接射频信号输入端RFin。功率管Q4的集电极还作为射频信号输出端(未图示)。所述偏置电路主要包括五个三极管，其中的三极管五Q5和三极管六Q6的基极均与集电极短接因此均作为二极管使用。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻一R1、三极管五Q5和电阻二R2构成了第一分压支路，三极管五Q5的发射极称为偏置点一V1用来为三极管一Q1提供基极偏置电压。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻八R8、三极管六Q6和电阻九R9构成了第二分压支路，三极管六Q6的集电极称为偏置点二V2用来为三极管二Q2提供基极偏置电压。三极管一Q1和三极管二Q2组成了差分放大器，它们的基极分别以偏置点一V1和偏置点二V2的电压作为输入，三极管一Q1的集电极作为差分放大器的单端输出的输出点Vo。三极管一Q1的集电极还通过电阻三R3连接参考电压Vreg，其发射极还通过串联的电阻五R5和电阻七R7接地。三极管二Q2的集电极还通过电阻四R4连接参考电压Vreg，其发射极还通过串联的电阻六R6和电阻七R7接地。三极管三Q3也称有源驱动管，用来为功率管Q4提供基极偏置电流。有源驱动管Q3的基极连接输出点Vo并以输出点Vo的电压作为输入，其集电极通过电阻十R10连接电源电压Vsup，其发射极通过电阻十一R11连接功率管Q4的基极从而为功率管Q4提供基极偏置电流。在输出点Vo与地之间还连接有电容一C1，电容一C1主要起线性化作用。各个三极管，优选采用异质结双极晶体管，也可采用金属氧化物半导体场效应管。

比较实施例一和实施例二可以发现，两者主要有下面两个区别。

首先是差分放大器的结构。实施例一中的构成差分放大器的两个三极管的发射极均连接同一个电流源后接地。电阻七R7与三极管五Q5的串联支路、三极管六Q6可视作电流源的一种具体实现方式。实施例二中构成差分放大器的两个三极管的发射极是通过Y型连接的三个电阻接地。这两个实施例中的差分放大器在功能上并无差别。

其次是分压支路的结构。实施例一中的两个分压支路均采用二极管。实施例二中的两个分压支路均采用基极与集电极短接的三极管，相当于二极管。采用特殊连接关系的三极管来取代二极管可以与电路中的其他三极管具有基本相同的温度特性和器件特性，在实现温度补偿时的效果可能更好。可选地，也可在一条分压支路中采用二极管，在另一条分压支路中采用基极与集电极短接的三极管。

上述实施例二的工作原理是：当温度升高时，基极与集电极相连的三极管的集电极-发射极电压减小，因此偏置点一V1的电压升高，偏置点二V2的电压降低。由三极管一Q1和三极管二Q2所组成的差分放大器，其输出点Vo的电压将下降A×(V1-V2)，其中A为差分放大器的放大倍数。这使得有源驱动管Q3的电压也跟随着下降，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流减小，从而对温度升高进行了补偿。同理，当温度下降时，有源驱动管Q3的电压将上升，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流增大，从而对温度下降进行了补偿。通过选择合适的器件参数可以调整差分放大器的放大倍数，从而为功率管Q4提供的基极偏置电流可以正好抵消温度变化的影响，使功率管Q4总是能够偏置在所需要的工作点。

请参阅图4，这是本申请的射频功率放大器及其偏置电路的实施例三，其中的虚线方框部分是偏置电路。实施例三可视作实施例一中的差分放大器结构与实施例二中的分压电路结构的组合。所述射频功率放大器主要包括三极管四Q4也称功率管，其集电极通过电感一L1接电源电压Vsup，其发射极接地，其基极通过电容二C2连接射频信号输入端RFin。功率管Q4的集电极还作为射频信号输出端(未图示)。所述偏置电路主要包括七个三极管，其中的三极管五Q5、三极管七Q7和三极管八Q8的基极均与集电极短接因此均作为二极管使用。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻一R1、三极管七Q7和电阻二R2构成了第一分压支路，三极管七Q7的发射极称为偏置点一V1用来为三极管一Q1提供基极偏置电压。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻五R5、三极管八Q8和电阻六R6构成了第二分压支路，三极管八Q8的集电极称为偏置点二V2用来为三极管二Q2提供基极偏置电压。三极管一Q1和三极管二Q2组成了差分放大器，它们的基极分别以偏置点一V1和偏置点二V2的电压作为输入，它们的发射极相连并连接三极管六Q6的集电极，三极管一Q1的集电极作为差分放大器的单端输出的输出点Vo。三极管一Q1的集电极还通过电阻三R3连接参考电压Vreg。三极管二Q2的集电极还通过电阻四R4连接参考电压Vreg。三极管五Q5的集电极通过电阻七R7连接参考电压Vreg，其发射极接地，其基极连接三极管六Q6的基极。三极管六Q6的发射极接地。三极管三Q3也称有源驱动管，用来为功率管Q4提供基极偏置电流。有源驱动管Q3的基极连接输出点Vo并以输出点Vo的电压作为输入，其集电极通过电阻八R8连接电源电压Vsup，其发射极通过电阻九R9连接功率管Q4的基极从而为功率管Q4提供基极偏置电流。在输出点Vo与地之间还连接有电容一C1，电容一C1主要起线性化作用。各个三极管，优选采用异质结双极晶体管，也可采用金属氧化物半导体场效应管。

上述实施例三中，电阻七R7与作为二极管使用的三极管五Q5串联并构成一个电流源，而三极管六Q6是镜像电流源。可选地，可以将电阻七R7与三极管五Q5的串联支路删除，同时将三极管六Q6替换为一个电流源。

上述实施例三的工作原理是：当温度升高时，基极与集电极相连的三极管的集电极-发射极电压减小，因此偏置点一V1的电压升高，偏置点二V2的电压降低。由三极管一Q1和三极管二Q2所组成的差分放大器，其输出点Vo的电压将下降A×(V1-V2)，其中A为差分放大器的放大倍数。这使得有源驱动管Q3的电压也跟随着下降，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流减小，从而对温度升高进行了补偿。同理，当温度下降时，有源驱动管Q3的电压将上升，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流增大，从而对温度下降进行了补偿。通过选择合适的器件参数可以调整差分放大器的放大倍数，从而为功率管Q4提供的基极偏置电流可以正好抵消温度变化的影响，使功率管Q4总是能够偏置在所需要的工作点。

请参阅图5，这是本申请的射频功率放大器及其偏置电路的实施例四，其中的虚线方框部分是偏置电路。实施例四可视作实施例二中的差分放大器结构与实施例一中的分压电路结构的组合。所述射频功率放大器主要包括三极管四Q4也称功率管，其集电极通过电感一L1接电源电压Vsup，其发射极接地，其基极通过电容二C2连接射频信号输入端RFin。功率管Q4的集电极还作为射频信号输出端(未图示)。所述偏置电路主要包括三个三极管和两个二极管。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻一R1、二极管一D1和电阻二R2构成了第一分压支路，二极管一D1的阴极称为偏置点一V1用来为三极管一Q1提供基极偏置电压。从参考电压Vreg往地的方向依次串联的电阻八R8、二极管二D2和电阻九R9构成了第二分压支路，二极管二D2的阳极称为偏置点二V2用来为三极管二Q2提供基极偏置电压。三极管一Q1和三极管二Q2组成了差分放大器，它们的基极分别以偏置点一V1和偏置点二V2的电压作为输入，三极管一Q1的集电极作为差分放大器的单端输出的输出点Vo。三极管一Q1的集电极还通过电阻三R3连接参考电压Vreg，其发射极还通过串联的电阻五R5和电阻七R7接地。三极管二Q2的集电极还通过电阻四R4连接参考电压Vreg，其发射极还通过串联的电阻六R6和电阻七R7接地。三极管三Q3也称有源驱动管，用来为功率管Q4提供基极偏置电流。有源驱动管Q3的基极连接输出点Vo并以输出点Vo的电压作为输入，其集电极通过电阻十R10连接电源电压Vsup，其发射极通过电阻十一R11连接功率管Q4的基极从而为功率管Q4提供基极偏置电流。在输出点Vo与地之间还连接有电容一C1，电容一C1主要起线性化作用。各个三极管，优选采用异质结双极晶体管，也可采用金属氧化物半导体场效应管。

上述实施例四的工作原理是：当温度升高时，二极管的正向压降减小，因此偏置点一V1的电压升高，偏置点二V2的电压降低。由三极管一Q1和三极管二Q2所组成的差分放大器，其输出点Vo的电压将下降A×(V1-V2)，其中A为差分放大器的放大倍数。这使得有源驱动管Q3的基极电压也跟随着下降，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流减小，从而对温度升高进行了补偿。同理，当温度下降时，有源驱动管Q3的基极电压将上升，并使得提供给功率管Q4的基极偏置电流增大，从而对温度下降进行了补偿。通过选择合适的器件参数可以调整差分放大器的放大倍数，从而为功率管Q4提供的基极偏置电流可以正好抵消温度变化的影响，使功率管Q4总是能够偏置在所需要的工作点。

综合以上各个实施例可知，本申请的射频功率放大器的偏置电路与现有技术相比，具有如下突出的有益效果。

其一，采用差分放大器实现温度补偿，通过调整差分放大器的放大倍数可以实现较为理想的温度补偿效果。

其二，差分放大器本身具有更好的电源抑制比，因而大大增强了抵御参考电压Vreg变化的影响。

其三，本申请的偏置电路只有一级差分放大结构，偏置电路本身不存在稳定性问题。综合以上三点，与现有的射频功率放大器偏置电路相比，本申请能够明显降低对温度的敏感度，提高射频功率放大器的线性度，从而使射频功率放大器能够在较为恶劣的工作条件和环境下保持正常工作状态。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。