CN112994629B - 一种功率放大器的偏置电路、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种功率放大器的偏置电路、装置及设备，该电路包括：第一部分电路、第二部分电路和电源；电源与第一部分电路电源端相连；第一部分电路两端与第二部分电路两端并联，并联后一端与功率放大器的第一晶体管的栅极相连；第一部分电路、第二部分电路分别对第一晶体管栅极提供第一偏置电压和第二偏置电压，叠加后提供稳定偏置电压；偏置电路阻抗位于预设阻抗范围。如此，利用第一部分电路为功率放大器提供第一偏置电压，第二部分电路为功率放大器提供第二偏置电压，第二偏置电压能够对第一偏置电压进行调整，为功率放大器提供稳定偏置电压，且偏置电路阻抗位于预设阻抗范围，保证功率放大器线性度性能，及降低功率放大器记忆效应。

Description

一种功率放大器的偏置电路、装置及设备
技术领域
本申请涉及电子技术，尤其涉及一种功率放大器的偏置电路、装置及设备。
背景技术
射频放大器的偏置电路用于为功率管提供稳定的直流偏置，对于MOS晶体管放大器，主要是为MOS晶体管的栅极提供直流偏置电压。
图1为现有的功率放大器的偏置电路的组成结构示意图。如图1所示，偏置电路包括：M管和电流源IBIAS；具体连接方式：M管的漏极与电流源IBIAS相连，M管的源极接地，M管的漏极与栅极短接；M管的栅极与功率放大器之M0管的栅极相连，用于为M0管的栅极提供偏置电压；M0管是包括在信号放大电路中，用于对输入信号的放大；信号放大电路还包括：电容C1、电容C2、电压源VCC和电感L；具体连接方式：M0管的栅极与电容C1的一端相连，电容C1的另一端作为射频信号输入端；M0管的漏极通过电感L与电压源VCC相连，还与电容C2的一端相连，电容C2的另一端作为射频信号输出端，M0管的源极与接地端相连。基于上述偏置电路，由于M管为二极管连接，二极管为非线性元器件，故非线性效应导致M管的栅源电压随输入射频信号的功率增大而降低，即提供给M0管的偏置电压降低，进而导致M0管的线性度变差。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供一种功率放大器的偏置电路、装置及设备。
本申请的技术方案是这样实现的：
第一方面，提供了一种功率放大器的偏置电路，所述偏置电路包括：第一部分电路、第二部分电路和电源；
所述电源与所述第一部分电路的电源端相连，用于为所述第一部分电路供电；
所述第一部分电路的两端与所述第二部分电路的两端并联，并联后的一端与信号放大电路中功率放大器的第一晶体管的栅极相连；所述第一部分电路用于对所述第一晶体管的栅极提供第一偏置电压；所述第二部分电路用于对所述第一晶体管的栅极提供第二偏置电压；所述第一偏置电压和所述第二偏置电压叠加后为所述第一晶体管的栅极提供稳定的偏置电压；
所述偏置电路的阻抗位于预设阻抗范围。
上述方案中，所述第一部分电路包括：第二晶体管、第三晶体管、第一电阻和第一电容；其中，所述第二晶体管的漏极与所述电源相连，所述第二晶体管的漏极与栅极相连；所述第二晶体管的源极与所述第二部分电路的一端相连；所述第二晶体管的栅极通过所述第一电阻与所述第三晶体管的栅极相连，还通过所述第一电容与接地端相连；所述第三晶体管的漏极与所述电源相连，所述第三晶体管的源极与所述第二部分电路的另一端相连，还与所述第一晶体管的栅极相连。
上述方案中，所述第一部分电路还包括：第二电阻；其中，所述第二电阻为可变电阻；所述第一电容通过所述第二电阻与接地端相连。
上述方案中，所述电源包括：电流源、第一电压源和第二电压源；所述第一电压源与所述第三晶体管的漏极相连；所述第二电压源通过所述电流源与所述第二晶体管的漏极相连。
上述方案中，所述偏置电路还包括：第三电阻；所述第三晶体管的源极通过所述第三电阻与所述第一晶体管的栅极相连。
上述方案中，所述第二部分电路包括：第四晶体管、第五晶体管、第四电阻和第二电容；所述第四晶体管的漏极与所述第一部分的一端相连，所述第四晶体管的源极接地；所述第四晶体管的栅极与所述第五晶体管的栅极相连，还通过所述第二电容与接地端相连；所述第五晶体管的漏极通过所述第四电阻与所述第五晶体管的栅极相连，还与所述第一部分的另一端相连；所述第五晶体管的源极接地。
上述方案中，所述第四电阻为固定电阻及所述第二电容为固定电容；或者，所述第四电阻为可变电阻及所述第二电容为可变电容。
上述方案中，所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管和所述第五晶体管为相同结构的晶体管。
上述方案中，所述信号放大电路还包括：第三电容、第四电容、电感和第三电压源；所述第一晶体管的栅极与所述第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端作为信号输入端；所述第一晶体管的漏极通过所述电感与所述第三电压源相连，还与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端作为信号输出端；所述第一晶体管的源极接地。
第二方面，提供了一种功率放大装置，所述功率放大装置包括功率放大器和上述任意一项功率放大器的偏置电路。
第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括功率放大装置。
本申请公开一种功率放大器的偏置电路，该电路包括：第一部分电路、第二部分电路和电源；电源与第一部分电路的电源端相连，用于为第一部分电路供电；第一部分电路的两端与第二部分电路的两端并联，并联后的一端与信号放大电路中功率放大器的第一晶体管的栅极相连；第一部分电路用于对第一晶体管的栅极提供第一偏置电压；第二部分电路用于对第一晶体管的栅极提供第二偏置电压；第一偏置电压和第二偏置电压叠加后为第一晶体管的栅极提供稳定的偏置电压；偏置电路的阻抗位于预设阻抗范围。如此，利用第一部分电路为功率放大器提供第一偏置电压，第二部分电路为功率放大器提供第二偏置电压，第二偏置电压能够对第一偏置电压进行调整，为功率放大器提供稳定偏置电压，且偏置电路阻抗位于预设阻抗范围，保证功率放大器线性度性能，及降低功率放大器记忆效应。
附图说明
图1为现有的功率放大器的偏置电路的组成结构示意图；
图2为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第一组成结构示意图；
图3为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第二组成结构示意图；
图4为本申请实施例中射频功率与偏置电压的关系变化示意图；
图5为本申请实施例中偏置电路的阻抗与现有偏置电路的阻抗比较结果示意图；
图6为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第三组成结构示意图；
图7为本申请实施例中可变电阻的结构示意图；
图8为本申请实施例中可变电容的结构示意图；
图9为本申请实施例中射频功率分别于增益幅度及偏置电压的关系变化示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
本申请实施例提供了一种功率放大器的偏置电路，图2为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第一组成结构示意图，如图2所示，该偏置电路11包括：第一部分电路110、第二部分电路111和电源112；
电源112与第一部分电路110的电源端相连，用于为第一部分电路110供电；
第一部分电路110的两端与第二部分电路111的两端并联，并联后的一端与信号放大电路12中功率放大器120的第一晶体管的栅极相连；第一部分电路110用于对第一晶体管的栅极提供第一偏置电压；第二部分电路111用于对第一晶体管的栅极提供第二偏置电压；第一偏置电压和第二偏置电压叠加后为第一晶体管的栅极提供稳定的偏置电压；
且偏置电路11的阻抗位于预设阻抗范围。
需要说明的是，第一部分电路110用于对功率放大器120提供第一偏置电压，第二部分电路111用于对功率放大器120提供第二偏置电压。当输入功率放大器120的射频信号的功率增大时，会导致第一偏置电压升高，第二偏置电压降低，或者，第一偏置电压降低，第二偏置电压升高，通过第二偏置电压对第一偏置电压进行调节，使得为功率放大器120提供稳定的偏置电压，进而保证功率放大器120的线性度性能。
需要说明的是，预设阻抗范围指的是不会导致功率放大器的线性度变差的范围。这里，预设阻抗范围可以为小于图1中偏置电路的阻抗Z1，即Z1＝1/gm，其中，gm为M管的跨导。当偏置电路的阻抗较低时，可保证功率放大器线性度性能。
需要说明的是，第一部分电路110和第二部分电路111中还包括其他匹配元器件，例如，电阻、电容、晶体管的一种或者多种组合。通过一种或者多种元器件组合的第一部分电路110和第二部分电路111，将第一部分电路110的第一偏置电压和第二部分电路111的第二偏置电压叠加后为功率放大器提供稳定的偏置电压，且偏置电路11的阻抗位于预设阻抗范围，保证了功率放大器120的线性度，进而对输入的射频信号进行有效放大。
另外，图2的信号放大电路12中包括功率放大器120，用于对信号输入端输入的射频信号进行放大，从信号输出端输出放大后的射频信号。
如此，利用第一部分电路为功率放大器提供第一偏置电压，第二部分电路为功率放大器提供第二偏置电压，第二偏置电压能够对第一偏置电压进行调整，为功率放大器提供稳定偏置电压，且偏置电路阻抗位于预设阻抗范围，保证功率放大器线性度性能，及降低功率放大器记忆效应。
针对图2功率放大器的偏置电路的第一组成结构示意图，本申请提供了一种具体的电路结构图，图3为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第二组成结构示意图。
如图3所示，功率放大器的偏置电路11包括第一部分电路110、第二部分电路111和电源112。
电源112包括：电流源IBIAS、第一电压源VCC1和第二电压源VCC2。这里，通过VCC2对IBIAS供电。
第一部分电路110包括：第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电阻R1和第一电容C1；
具体连接方式为：M2管的漏极通过IBIAS与VCC2相连，M2管的漏极与栅极相连；M2管的源极与第二部分电路111的一端(即M4管的漏极)相连；M2管的栅极通过R1与M3管的栅极相连，还通过C1与接地端相连；M3管的漏极与VCC1相连，M3管的源极与第二部分电路111的另一端(即M5管的漏极)相连，还与M1管的栅极相连。
需要说明的是，M2管和M3管组成电流镜结构。位于M2管和M3管之间的R1和C1组成低通网络电路，用于隔离射频信号避免耦合到偏置电流电路中，即避免影响到M2管，进而保证M2管的栅极电压不变。由于M2管的栅极电压等于M3管的栅极电压，故M3管的栅极电压保持不变。
需要说明的是，第一部分电路中M2管的栅极和漏极相连，即M2管为非线性元器件，故第一部分电路为非线性电路。由于第一部分电路中M3管的非线性且M3管的栅源电压上存在射频信号，当输入的射频信号功率较大时，导致M3管的栅源电压降低。
这里，M3管的栅源电压等于M3管的栅极电压减去源极电压。M3管的栅源电压降低，M3管的栅极电压保持不变，故M3管的源极电压升高，即第一部分电路使得V2节点的电压升高。
第二部分电路111包括：第四晶体管M4、第五晶体管M5、第四电阻R4和第二电容C2；
具体连接方式为：M4管的漏极与第一部分电路110的一端(即M2管的源极)相连，M4管的源极接地；M4管的栅极与M5管的栅极相连，还通过C2与接地端相连；M5管的漏极通过R4与M5管的栅极相连，还与第一部分电路110的另一端(即M3管的源极)相连；M5管的源极接地。
需要说明的是，M4管和M5管组成电流镜结构。R4和C2组成低通网络电路，用于降低M5管的栅极电压。具体的，M5管的漏极通过R4与栅极相连，即M5管为二极管连接且为非线性元器件，故非线性效应导致M5管的栅源电压随输入射频信号的功率增大而降低。由于M5管的栅极电压等于漏极电压，且源极电压等于零，故M5管的栅极电压(即V1节点电压)降低，即第二部分电路使得V2节点的电压降低。
这里，由于第一部分电路使得V2节点的电压升高，第二部分电路使得V2节点的电压降低，若设计成两个部分电路的电压升降影响幅度相等，则叠加后V2节点可呈现稳定的直流偏置电压。
基于上述阐述，图4为本申请实施例中射频功率与偏置电压的关系变化示意图，如图4所示，随着射频功率的增大，M3管单独作用时，V2节点的偏置电压升高；M5管单独作用时，V2节点的偏置电压降低；M3管和M5管共同作用时，V2节点呈现稳定的直流偏置电压。
另外，M2管、M3管、M4管和M5管构成一个闭合环路实现了较低的输出阻抗，V2节点的阻抗(即偏置电路的阻抗)为：Z2＝1/(gm3+gm5)(1+A)，其中，gm3为M3管的跨导，gm5为M5管的跨导，A为环路增益典型值约为100。
图5为本申请实施例中偏置电路的阻抗与现有偏置电路的阻抗比较结果示意图，如图5所示，本申请中偏置电路的阻抗低于现有(即图1)偏置电路的阻抗。
偏置电路还包括：第三电阻R3；
这里，M3管的源极通过R3与M1管的栅极相连，M5管的漏极通过R3与M1管的栅极相连。
需要说明的是，增加R3是用于调整M1管的栅极节点的阻抗频率特性，使得M1管具有最佳线性度。这里，R3通常取值为十几欧姆。
信号放大电路12还包括：第三电容C3、第四电容C4、电感L和第三电压源VCC3；
具体连接方式为：M1管的栅极与C3的一端相连，C3的另一端作为信号输入端；M1管的漏极通过L与VCC2相连，还与C4的一端相连，C4的另一端作为信号输出端；M1管的源极接地。
这里，需要说明的是，上述提及的M2管、M3管、M4管和M5管为相同结构的晶体管。另外，M1管与M2管、M3管、M4管和M5管可以是同一结构的晶体管，也可以不是同一结构的晶体管。
针对图2功率放大器的偏置电路的第一组成结构示意图，本申请还提供了一种具体的电路结构图，图6为本申请实施例中功率放大器的偏置电路的第三组成结构示意图。
如图6所示，功率放大器的偏置电路11包括第一部分电路110、第二部分电路111和电源112。
电源112包括：电流源IBIAS、第一电压源VCC1和第二电压源VCC2。这里，通过VCC2对IBIAS供电。
第一部分电路110包括：第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电阻R1、第一电容C1和第二电阻R2；其中，R2为可变电阻。
具体连接方式为：M2管的漏极通过IBIAS与VCC2相连，M2管的漏极与栅极相连；M2管的源极与第二部分电路111的一端(即M4管的漏极)相连；M2管的栅极通过R1与M3管的栅极相连，还通过C1与R2串联后与接地端相连；M3管的漏极与VCC1相连，M3管的源极与第二部分电路111的另一端(即M5管的漏极)相连，还与M1管的栅极相连。
图7为本申请实施例中可变电阻的结构示意图，如图7所示，该可变电阻中包括n个电阻r和n个开关S。具体连接方式为：r1与S1串联后，并联在r2与S2串联后的两端，依次类推，再并联在rn与Sn串联后的两端。
需要说明的是，在C1上串联可变电阻R2，可以控制M3管上V2节点电压升高的效果强弱，例如，增大R2，V2节点的偏置电压升高的效果将减弱。
第二部分电路111包括：第四晶体管M4、第五晶体管M5、第四电阻R4和第二电容C2；其中，R4为可变电阻，C2为可变电容。
具体连接方式为：M4管的漏极与第一部分电路110的一端(即M2管的源极)相连，M4管的源极接地；M4管的栅极与M5管的栅极相连，还通过C2与接地端相连；M5管的漏极通过R4与M5管的栅极相连，还与第一部分电路110的另一端(即M3管的源极)相连；M5管的源极接地。
图8为本申请实施例中可变电容的结构示意图，如图8所示，该可变电容中包括n个电容c和n个开关S。具体连接方式为：c1与S1串联后，并联在c2与S2串联后的两端，依次类推，再并联在cn与Sn串联后的两端。
需要说明的是，R4为可变电阻，C2为可变电容，通过改变R4大小和C2大小，控制M5管上V2节点电压降低的效果强弱，例如，增大R4，增大C2，V2节点的偏置电压降低的效果将减弱。
基于上述实施例，通过调整R2、R4和C2的大小，可以实现随着射频信号功率增大，偏置电压可控的升高或降低。这样，在功率放大器中通过选择合适的偏置电压特性可以实现较优化的线性特性。
偏置电路还包括：第三电阻R3；
这里，M3管的源极通过R3与M1管的栅极相连，M5管的漏极通过R3与M1管的栅极相连。
需要说明的是，增加R3是用于调整M1管的栅极节点的阻抗频率特性，使得M1管具有最佳线性度。这里，R3通常取值为十几欧姆。
信号放大电路12还包括：第三电容C3、第四电容C4、电感L和第三电压源VCC3；
具体连接方式为：M1管的栅极与C3的一端相连，C3的另一端作为信号输入端；M1管的漏极通过L与VCC2相连，还与C4的一端相连，C4的另一端作为信号输出端；M1管的源极接地。
图9为本申请实施例中射频功率分别于增益幅度及偏置电压的关系变化示意图，如图9所示，横坐标为射频功率，上面曲线表示射频功率与功率放大器的增益幅度(即AMAM)之间的关系，从AMAM曲线上可以得到1dB功率压缩点P1dB，P1dB作为功率放大器线性度的衡量指标。其中，虚线(即常规偏置)指的是偏置电路中设置固定的电阻和电容(即图3电路中R4和C2)，实线(即较优偏置)指的是偏置电路中设置可变电阻和电容(即图6电路中R2、R4和C2)。下面部分表示射频功率与偏置电压之间的关系。其中，虚线指的是偏置电路中设置固定的电阻和电容(即常规偏置)，实线指的是偏置电路中设置可变电阻和电容(即较优偏置)。
从图9可以看出，常规偏置下，随着射频功率增大，偏置电压不变，AMAM减小。较优偏置下，通过对偏置电路中可变电阻和电容的调节，随着射频功率增大，偏置电压增大，AMAM也随之升高，进而增大功率放大器的线性度。
另外，设置可变电阻、电容主要是增加对偏置电路线性功率的调试的灵活性，可以在功率放大器制作完成后通过数字控制的方式选取线性度较好的电阻和电容值。例如，功率放大器可以工作在不同频率，各个频率下线性度最优的电阻和电容值不相同，如通过使用可变电阻和电容，在不同频率下设置不同的电阻和电容值，使得功率放大器具有最优的线性度性能。
本申请实施例还公开一种功率放大装置，该功率放大装置包括：功率放大器和上述实施例中任意一项功率放大器的偏置电路。
本申请实施例还公开一种电子设备，该电子设备包括：本申请上述实施例中功率放大装置。
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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述偏置电路包括：第一部分电路、第二部分电路和电源；
所述电源与所述第一部分电路的电源端相连，用于为所述第一部分电路供电；
所述第一部分电路的两端与所述第二部分电路的两端并联，并联后的一端与信号放大电路中功率放大器的第一晶体管的栅极相连；所述第一部分电路用于对所述第一晶体管的栅极提供第一偏置电压；所述第二部分电路用于对所述第一晶体管的栅极提供第二偏置电压；所述第一偏置电压和所述第二偏置电压叠加后为所述第一晶体管的栅极提供稳定的偏置电压；
所述偏置电路的阻抗位于预设阻抗范围；
所述第一部分电路包括：第二晶体管、第三晶体管、第一电阻、第一电容和第二电阻；所述第二电阻为可变电阻，与所述第一电容串联，所述第二晶体管和所述第三晶体管组成电流镜结构，且所述第一电阻和所述第一电容组成低通网络电路；其中，所述低通网络电路位于所述第二晶体管和所述第三晶体管之间，用于隔离射频信号以保证所述第二晶体管的栅极电压不变；
所述第二部分电路包括：第四晶体管、第五晶体管、第四电阻和第二电容，所述第四晶体管和所述第五晶体管组成电流镜结构，所述第四晶体管与所述第一部分电路的一端相连，所述第五晶体管与所述第一部分电路的另一端相连，并且所述第五晶体管与所述第一晶体管的栅极相连接；所述第四电阻为可变电阻，所述第二电容为可变电容，且所述第四电阻和所述第二电容组成低通网络电路，所述第四电阻的一端与所述第一晶体管的栅极相连接，另一端通过所述第二电容接地，所述第二电容与所述第五晶体管相连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第二晶体管的漏极与所述电源相连，所述第二晶体管的漏极与栅极相连；所述第二晶体管的源极与所述第二部分电路的一端相连；所述第二晶体管的栅极通过所述第一电阻与所述第三晶体管的栅极相连，还通过所述第一电容与接地端相连；
所述第三晶体管的漏极与所述电源相连，所述第三晶体管的源极与所述第二部分电路的另一端相连，还与所述第一晶体管的栅极相连。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第一电容通过所述第二电阻与接地端相连。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述电源包括：电流源、第一电压源和第二电压源；
所述第一电压源与所述第三晶体管的漏极相连；
所述第二电压源通过所述电流源与所述第二晶体管的漏极相连。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述偏置电路还包括：第三电阻；
所述第三晶体管的源极通过所述第三电阻与所述第一晶体管的栅极相连。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第四晶体管的漏极与所述第一部分电路的一端相连，所述第四晶体管的源极接地；所述第四晶体管的栅极与所述第五晶体管的栅极相连，还通过所述第二电容与接地端相连；
所述第五晶体管的漏极通过所述第四电阻与所述第五晶体管的栅极相连，还与所述第一部分电路的另一端相连；所述第五晶体管的源极接地。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述信号放大电路还包括：第三电容、第四电容、电感和第三电压源；
所述第一晶体管的栅极与所述第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端作为信号输入端；所述第一晶体管的漏极通过所述电感与所述第三电压源相连，还与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端作为信号输出端；所述第一晶体管的源极接地。
8.一种功率放大装置，其特征在于，所述功率放大装置包括：功率放大器和权利要求1至7中任意一项所述的功率放大器的偏置电路。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
权利要求8中所述的功率放大装置。
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