CN101826844A - 一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法 - Google Patents

一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开了一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法，涉及电子技术领域，为能够获得较高的带宽和稳定的增益功率放大器性能而发明。所述功率放大器包括：包括依次相连的运算放大级、至少一个缓冲级和输出级；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；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；所述至少一个缓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；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。本发明的实施例可用于提供高带宽和稳定增益性能的功率放大设备。

Description

一种功率放大器和基于功率放大器的信号放大方法
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***，例如码分多址、宽带码分多址等***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、至少一个缓冲级和输出级；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；
所述至少一个缓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，用于补偿所述缓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。
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缓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或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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***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做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；
至少一个缓冲级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，用于补偿缓冲级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***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 OxidSemiconductor)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***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，能有效减少缓冲级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，采样功率放大器的输出端，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；
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，所采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***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缓的频率响应特性；
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，采样至少一个缓冲级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缓冲器02的Miller电容造成的相位损失进行补偿，提高***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01，一个缓冲级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的输出端与缓冲级02的输入端相耦合。
缓冲级02采用现有的集成缓冲器，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。缓冲级02的输出端与输出级03的输入端相耦合；需要指出的是，缓冲级02还可以选择现有的其他集成缓冲器，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-channelMetal Oxide Semiconductor，N沟道MOS)031，PMOS(P-channel MetalOxide 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，PMOS032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的输入端与缓冲级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，采样输出级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***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缓的频率响应特性；
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的输出端即缓冲级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，采样缓冲级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缓冲器02的Miller电容造成的相位损失进行补偿，提高***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，由于对缓冲级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***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：
S11，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缓冲级输入端的第三反馈信号相叠加，形成总反馈信号；
S12，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、缓冲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***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缓的频率响应特性；
所述第三反馈信号由相位超前反馈单元将所述缓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，所采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***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 (8)

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、至少一个缓冲级和输出级；
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；
所述至少一个缓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，用于补偿所述缓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缓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缓冲级输入端信号反馈至所述运算放大级输入端。
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