专利名称：功率放大器偏置电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种异质结双极晶体管(HBT)功率放大器偏置电路， 特别涉及一种非常稳定的根据放大器输出功率的大小，自动改变静态 偏置电流以提高HBT功率放大器效率的偏置电路。
背景技术：
在当今的无线通信系统中，功率放大器的效率决定了移动终端电 池使用时间的长短，比如常用的CDMA制式或者GSM制式的手机。 因此，功率放大器需要有较高的效率，以增加电池的使用时间。当功 率放大器的输出功率达到最大时(比如31dBm)，其附加效率也最大； 而当输出功率降低时，其附加效率会相应的降低。最大输出功率是功 率放大器比较关键的指标之一。而一般的终端用功率放大器大部分时 间却工作在较低输出功率的水平，比如-15到15dBm。由于上述的原因， 现在的功率放大器都采取相应的措施来提高低功率输出时的效率。而 最普遍的方法是当输出功率大时，提供较高的静态电流；当输出功率 小时，提供较低的静态电流。图1所示为传统的功率放大器的电路图，该传统的功率放大器包 括功率放大电路部分，以及线性化偏置电路部分。其主体部分包括一 个或者一组信号放大晶体管Tl， 一个线性化偏置电路部分的晶体管 T2，两个起温度补偿作用的二极管D1、 D2，给T1直流馈电的电感L， 以及一个输入电容Ci和输出电容Co。偏置电路101由于采用了晶体 管T2发射极连接到信号放人晶体管Tl的基极提供偏置电流，隨着输 入功率的增大，电容C1的充放电可以给晶体管T2提供恒定的偏置电 流，从而减小信号经T1管放大后而导致的增益压縮。然而，不论功率 放大器工作在较大输出功率或者较小输出功率的模式，101偏置电路只 能提供给晶体管T1以恒定的偏置电流。这就造成了在低输出功率状态下偏置电流过大，放大器的整体功率附加效率较低。发明内容(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种HBT功率放大器偏置 电路，以能够稳定地随输出功率状态的变化，调节信号放大晶体管的 静态电流，改善低输出功率时的效率，并使整个偏置电路提供的电流 不会随控制电压的变化而产生较大的波动。(二) 技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种HBT功率放大器偏置电路， 包括功率放大电路和线性化偏置电路101，该功率放大电路包括一个或 一组信号放大晶体管Tl、用于给晶体管Tl直流馈电的电感L，以及 一个输入电容Ci和输出电容Co;该线性化偏置电路101包括第二晶 体管T2、两个起温度补偿作用的第一二极管D1和第二二极管D2，以 及一个第一电阻R1和第一电容C1;该电路还包括一功率控制电路102，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和 第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2; 该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体 管T2的基极，使整个功率控制电路102对所述线性化偏置电路101构 成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基 极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管 T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶 体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别 接地。上述方案中，所述功率放大电路中晶体管T1的集电极通过电感L 接于电源Vcx，并通过输出电容Co与输出端相连；所述晶体管T1的 基极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体管T2的发射极，并通 过输入电容Ci与输入端相连；所述晶体管T1的发射极接地。上述方案中，所述线性化偏置电路101中第二晶体管T2的集电极连接于电源Vbias，并通过第一电阻R1与基极相连接；该第二晶体管 T2的基极连接于所述功率控制电路102中第三晶体管T3的集电极， 并分别通过第一电容Cl接地，以及通过第一二极管Dl和第二二极管 D2接地。上述方案中，所述第一二极管Dl和第二二极管D2同向串联连接， 且第一二极管Dl的正极同时连接于第一电阻Rl和第二晶体管T2的 基极，第二二极管D2的负极接地。上述方案中，该电路进一步包括一信号耦合电容C2，该信号耦合 电容C2 —端同时连接于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的 基极，另一端与信号输入端相连。(三)有益效果 从上述技术方案中可以看出，本发明具有以下有益效果1、 本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，通过在原有线 性化偏置电路的基础上，增加新的功率控制电路，能够稳定地随输出 功率状态的变化，调节信号放大晶体管的静态电流，改善低输出功率 时的效率。2、 本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，避免了控制电 流IT3随控制电压Vref不稳定而引起的波动，可以得到很稳定，精度 较高的理想电流控制效果。3、 本发明提供的这种HBT功率放大器偏置电路，通过加入输入 信号耦合电容，可以进一步地提高放大器的线性度。
图1是为传统的功率放大器的电路图；图2是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的基本结构示意图；图3是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路中功率控制电路的 各部分电流示意图；图4是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的等效形式的电路图；器偏置电路与传统放大器电路 的功率附加效率对比示意图；图6是当Vref变化时，本发明的偏置电流变化与传统结构偏置电 流变化的对比示意图；图7是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的完整结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图2所示，图2是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路的基 本结构示意图，该电路包括功率放大电路、线性化偏置电路101和功 率控制电路102。其中，该功率放大电路包括一个或一组信号放大晶体管T1、用于 给晶体管Tl直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co。 晶体管T1的集电极通过电感L接于电源Vcc，并通过输出电容Co与 输出端相连；所述晶体管T1的基极连接于所述线性化偏置电路101的 第二晶体管T2的发射极，并通过输入电容Ci与输入端相连；所述晶 体管T1的发射极接地。该线性化偏置电路101包括第二晶体管T2、两个起温度补偿作用 的第一二极管Dl和第二二极管D2,以及一个第一电阻Rl和第一电 容Cl。第二晶体管T2的集电极连接于电源Vbias，并通过第一电阻 Rl与基极相连接；该第二晶体管T2的基极连接于所述功率控制电路 102中第三晶体管T3的集电极，并分别第一电容Cl接地，通过第一 二极管Dl和第二二极管D2接地。所述第一二极管Dl和第二二极管 D2同向串联连接，且第一二极管Dl的正极同时连接于第一电阻Rl 和第二晶体管T2的基极，第二二极管D2的负极接地。该功率控制电路102，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和 第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2; 该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路101的第二晶体7管T2的基极，使整个功率控制电路102对所述线性化偏置电路101构 成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基 极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管 T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶 体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别 接地。再参照图2，在通常的放大器偏置电路(由功率放大电路和线性化 偏置电路101构成)的基础之上，增加了电流控制电路102。 102电路 包括组成镜像电流结构的晶体管T4、 T5，控制电流作用的晶体管T3， 以及电阻R2。 T3的集电极连接到T2的基极，使整个102电路对101 电路构成旁路的作用。对于给定的线性化偏置电路101，从线性化偏置 电路101过来的旁路电流IT3由Vref、 R以及T3、 T4、 T5的发射结面控制电压Vref由一般的手持终端内部的MSM (mobile station modem)所提供，因此无需附加多余的电路来提供控制电压。以功率 控制电路102为例，当输出功率低于16dBm时，控制电压为高电平(2.85 至3.3V);当输出功率高于16dBm时，控制电压为低电平(O至0.45V)。当Pout处于高输出功率状态时，Vref为逻辑低电平，因而晶体管 T3、 T4、 T5截止。此时，电流控制电路不会从偏置电路抽取任何电流。 所以整个功放电路和图1中所示的电路等效。当Pout处于低输出功率状态时，Vref为逻辑高电平，因而晶体管 T3、 T4、 T5导通。此时，电流控制电路从偏置电路抽取电流IT3，由 于T5的c-e极之间的电阻很大，能够保证电流IT3高度的稳定,晶体管 不随基极电压的波动而导致射极电流的变化。旁路电流IT3造成了 T2 的基极电流降低，由此导致偏置电流IT2降低，电源功耗下降，放大 器效率提高。MSM (mobile station modem)芯片所能提供的电压范围为2.85至 3.3V，波动幅度为0.45V。图6所示为以3.1V为理想的Vref值，考察 其在2.7V至3.3V内变化所引起的Icc值变化效果。可以明显的看到，本发明结构的Icc值随电压波动要大大小于普通结构。如图3所示，图3是本发明提供的HBT功率放大器偏置电路中功 率控制电路的各部分电流示意图，其作用机制为T5管的c-e极串联 在T3的发射极，因为c-e极之间等效电阻大，所以Ic5可以高度稳定。 假定T3、 T4、 T5特性相同，则有电流放大系数a3-a4-a5二a，Ic4-Ic5.则有A「^""""+，<formula>formula see original document page 9</formula>得"V+2" + 2 fl ，可见晶体管的放大系数a越大，则IT3与 IR越接近。
一般可以近似有IT3=IR。使IT3受基极电流影响小，整个功率控制电路高度稳定。如图4为本发明的等效形式，即本发明提供的HBT功率放大器偏 置电路的等效形式的电路图，适用于兼容了NPN型管的工艺。其作用 原理为，当输出功率低于16dBm时，控制电压为低电平(0至0.45V), 103电路中的晶体管关闭，整个电路与图一所示电路等效，此时的偏置 电流全部由101提供；当输出功率高于16dBm时，控制电压为高电平 (2.85至3.3V), 103电路中的晶体管导通，103电路通过T3的集电 极向外提供电流IT3，从而增加了总的偏置电流，满足较大输出功率的 要求。如图7为在图2的基础之上，增加了一个信号耦合电容C2，是本 发明提供的HBT功率放大器偏置电路的完整结构示意图。电容C2可 以在线性度不足的情况下，耦合一部分射频信号到晶体管T2的基极， 从而加大T2的射极输出电流，防止偏置电流随输入功率增大而降低， 可将增益压縮点推后，从而获得更佳的线性度。 一般合适的选择电容 值，可以将压缩点推后0.5dB左右。该信号耦合电容C2 —端同时连接 于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的基极，另一端通过输入电容Ci连接于晶体管Tl的基极。
以上所述为本发明的优选实施方案而巳，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种异质结双极晶体管HBT功率放大器偏置电路，包括功率放大电路和线性化偏置电路(101)，该功率放大电路包括一个或一组信号放大晶体管T1、用于给晶体管T1直流馈电的电感L，以及一个输入电容Ci和输出电容Co；该线性化偏置电路(101)包括第二晶体管T2、两个起温度补偿作用的第一二极管D1和第二二极管D2，以及一个第一电阻R1和第一电容C1；其特征在于，该电路还包括一功率控制电路(102)，包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路(101)的第二晶体管T2的基极，使整个功率控制电路(102)对所述线性化偏置电路(101)构成旁路的作用；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。
2、 根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在 于，所述功率放大电路中晶体管Tl的集电极通过电感L接于电源Va:， 并通过输出电容Co与输出端相连；所述晶体管Tl的基极连接于所述 线性化偏置电路(101)的第二晶体管T2的发射极，并通过输入电容 Ci与输入端相连；所述晶体管T1的发射极接地。
3、 根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在 于，所述线性化偏置电路(101)中第二晶体管T2的集电极连接于电 源Vbias，并通过第一电阻Rl与基极相连接；该第二晶体管T2的基 极连接于所述功率控制电路(102)中第三晶体管T3的集电极，并分 别第一电容Cl接地，通过第一二极管Dl和第二二极管D2接地。
4、 根据权利要求1或3所述的HBT功率放大器偏置电路，其特 征在于，所述第一二极管D1和第二二极管D2同向串联连接，且第一 二极管Dl的正极同时连接于第一电阻Rl和第二晶体管T2的基极，第二二极管D2的负极接地。
5、根据权利要求1所述的HBT功率放大器偏置电路，其特征在 于，该电路进一步包括一信号耦合电容C2，该信号耦合电容C2—端 同时连接于第三晶体管T3的集电极和第二晶体管T2的基极，另一端 与信号输入端相连。
全文摘要
本发明公开了一种HBT功率放大器偏置电路，包括功率放大电路、线性化偏置电路和一功率控制电路，功率控制电路包括构成镜像电流结构的第四晶体管T4和第五晶体管T5、用于控制电流的第三晶体管T3，以及第二电阻R2；该第三晶体管T3的集电极连接于所述线性化偏置电路的第二晶体管T2的基极；该第三晶体管T3的发射极连接于第四晶体管T4的基极、第五晶体管T5的基极和第五晶体管T5的集电极；该第三晶体管T3的基极通过第二电阻R2连接于电流源Vref，并同时连接于第四晶体管T4的集电极；该第四晶体管T4和第五晶体管T5的发射极分别接地。本发明能够稳定地随输出功率状态的变化，而改变偏置电流的大小。
文档编号H03F1/32GK101521486SQ20081010095
公开日2009年9月2日 申请日期2008年2月27日 优先权日2008年2月27日
发明者张海英, 毕晓君 申请人:中国科学院微电子研究所