CN115498967A - 放大器偏置电路及射频功率放大器 - Google Patents

放大器偏置电路及射频功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种放大器偏置电路及射频功率放大器，放大器偏置电路包括采样模块、控制模块和节点，采样模块包括采样MOS管和偏置电压输入端；控制模块包括电源输入端和连接电源输入端的第一MOS管和第二MOS管，第一MOS管的栅极连接采样MOS管的漏极，源极连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极连接采样MOS管的栅极；节点设置于第二MOS管与采样MOS管之间，节点连接放大器电路的输入端口；当采样MOS管的漏极电流发生变化时，给第一MOS管一反馈，使第一MOS管导通，通过第二MOS管将其变化反馈至采样MOS管，对采样MOS管的电流进行控制。本发明能够同时兼顾解决静态偏置电流稳定性和差异性问题。

Description

放大器偏置电路及射频功率放大器
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，尤其是指一种放大器偏置电路及射频功率放大器。
背景技术
射频功率放大器广泛应用于无线通信领域，射频功率放大器将加载于载波信号上的传输信息的调制信号通过功率放大，形成具有一定带宽的射频信号。例如，基站通信和手机通信。射频放大器的线性度直接影响无线通信的信号完整性和误码率。传统的射频功率放大器使用偏置电路在有源管芯中建立静态偏置电流，使放大器的输入和输出保持线性关系。但是工艺误差、温度变化均会使静态偏置电流出现波动，静态偏置电流的变化会使射频功率放大器的线性恶化。
反馈技术将放大器的静态偏置电流引入至偏置电路，因此静态电流参与偏置电压的产生，偏置电压再驱动放大器有源管芯产生静态偏置电流，形成反馈闭环，且已被证明具有一定的静态偏置电流稳定特性。目前主要方式是基于运算放大器电路的负反馈实现，这种方式是将静态偏置电流转换成电压，然后通过运算放大器比较该电压和参考电压，并输出对应的控制电压，从而控制偏置电路的输出电压，实现稳定静态偏置电流的特性。该方法虽然可以稳定单个放大器产品静态偏置电流，但其受有源工艺和温度影响较大，多个产品间很容易产生较大的静态偏置电流差异。
因此，迫切需要提出一种同时兼顾解决静态偏置电流稳定性和差异性问题的放大器偏置电路。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的无法同时兼顾静态偏置电流稳定性和差异性的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种放大器偏置电路，其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，所述放大器偏置电路包括：
采样模块，其包括偏置电压输入端以及连接所述偏置电压输入端的采样MOS管；
控制模块，其包括电源输入端以及共同连接所述电源输入端的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极连接所述采样MOS管的漏极，源极连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极连接所述采样MOS管的栅极；
节点，其设置于所述第二MOS管与所述采样MOS管之间，所述节点连接所述放大器电路的输入端口；
当所述采样MOS管的漏极电流发生变化时，给所述第一MOS管一反馈，使得所述第一MOS管导通，通过所述第二MOS管将其变化反馈至所述采样MOS管，以对所述采样MOS管的电流进行控制。
在本发明的一个实施例中，所述采样MOS管和所述放大MOS管除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管的栅宽小于所述放大MOS管的栅宽。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的栅极分别通过所述第二电阻和电容接地，所述第二MOS管的源极通过第三电阻接地。
在本发明的一个实施例中，所述采样模块包括第四电阻和第五电阻，所述第二MOS管的源极通过所述第四电阻连接采样MOS管的栅极，所述采样MOS管的漏极通过第五电阻连接所述偏置电压输入端。
在本发明的一个实施例中，当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。
此外，本发明还提供一种放大器偏置电路，其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，所述放大器偏置电路包括：
采样模块，其包括偏置电压输入端以及连接所述偏置电压输入端的采样MOS管；
控制模块，其包括电源输入端以及共同连接所述电源输入端的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极连接所述采样MOS管的漏极，源极连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极连接所述采样MOS管的栅极；
节点，其设置于所述第二MOS管与所述采样MOS管之间，所述节点连接所述放大器电路的输入端口；
以及双栅管第二栅电压端口，其分别连接采样MOS管的第二栅极和放大MOS管的第二栅极；
当所述采样MOS管的漏极电流发生变化时，给所述第一MOS管一反馈，使得所述第一MOS管导通，通过所述第二MOS管将其变化反馈至所述采样MOS管，以对所述采样MOS管的电流进行控制，通过增加双栅管第二栅电压端口隔离双栅管第一栅极和其漏极。
在本发明的一个实施例中，所述采样MOS管和所述放大MOS管除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管的栅宽小于所述放大MOS管的栅宽。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的栅极分别通过所述第二电阻和电容接地，所述第二MOS管的源极通过第三电阻接地；所述采样模块包括第四电阻和第五电阻，所述第二MOS管的源极通过所述第四电阻连接采样MOS管的栅极，所述采样MOS管的漏极通过第五电阻连接所述偏置电压输入端。
在本发明的一个实施例中，当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。
还有，本发明还提供一种射频功率放大器，包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，还包括如上述所述的放大器偏置电路，所述放大器偏置电路的节点连接所述放大器电路的输入端口；所述放大器电路还包括输出端口、电源端口和交流隔直电路，所述输出端口连接所述放大MOS管的漏极，所述放大MOS管的漏极通过所述交流隔直电路连接所述电源端口。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1.本发明所述的一种放大器偏置电路及射频功率放大器，其仅采用第一MOS管、第二MOS管和采样MOS管实现了应用反馈技术、采样技术的放大器偏置电路，通过第一MOS管和第二MOS管将采样MOS管的漏极电流变化实时反馈至采样MOS管的栅极，以对采样MOS管的电流进行控制，实现了远优于传统放大器及偏置电路的静态电流稳定性，简化了现有的放大器偏置电路结构，节省了电路面积，降低了设计难度，能够同时兼顾解决静态偏置电流稳定性和差异性问题；
2.本发明所述的一种放大器偏置电路及射频功率放大器，其利用集成电路制造时小面积内的工艺偏差方向一致的特点，将工艺误差对第一MOS管、第二MOS管的影响用于补偿工艺误差对采样MOS管和放大MOS管的影响，降低了静态电流随工艺偏差的波动，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异；
3. 本发明所述的一种放大器偏置电路及射频功率放大器，其利用集成电路制造时小面积内的温度一致的特点，将温度对第一MOS管、第二MOS管的影响用于补偿温度对采样MOS管、放大MOS管的影响，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一所提出的一种放大器偏置电路的电路原理图。
图2是本发明实施例二所提出的一种放大器偏置电路的电路原理图。
图3是本发明的静态电流随工艺误差和温度变化的分布图。
图4是现有放大器及偏置电路的静态电流随工艺误差和温度变化的分布图。
其中，附图标记说明如下：1、第一MOS管；2、第一电阻；3、第二电阻；4、电容；5、第二MOS管；6、第三电阻；7、第四电阻；8、第六电阻；9、第五电阻；10、采样MOS管；11、电源输入端；12、偏置电压输入端；13、放大器电路；14、交流隔直电路；15、放大MOS管；16、电源端口；17、输入端口；18、输出端口；21、双栅管第二栅电压端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1所示，本发明一实施例提供了第一种结构的放大器偏置电路，其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路13，所述放大器电路13包括放大MOS管15、输入端口17、输出端口18、电源端口16和交流隔直电路14；所述放大器偏置电路包括采样模块、控制模块和节点，所述放大器偏置电路的节点连接所述放大器电路13的输入端口17。
其中，上述所述放大器电路13的输入端口17连接所述放大MOS管15的栅极，所述输出端口18连接所述放大MOS管15的漏极，所述放大MOS管15的漏极通过所述交流隔直电路14连接所述电源端口16，所述放大MOS管15的源极接地。
其中，上述所述放大器偏置电路的采样模块包括采样MOS管10和偏置电压输入端12，所述采样MOS管10的漏极连接所述偏置电压输入端12；控制模块包括第一MOS管1、第二MOS管5和电源输入端11，所述第一MOS管1和第二MOS管5的漏极共同连接电源输入端11，所述第一MOS管1的栅极连接所述采样MOS管10的漏极，其源极连接所述第二MOS管5的栅极，所述第二MOS管5的源极连接所述采样MOS管10的栅极；节点设置于所述第二MOS管5与所述采样MOS管10之间上，所述节点连接所述射频功率放大器的输入端口17。
具体地，所述控制模块还包括第一电阻2、第二电阻3、第三电阻6和电容4，所述第一MOS管1的源极通过第一电阻2连接所述第二MOS管5的栅极，所述第二MOS管5的栅极分别通过所述第二电阻3和电容4接地，所述第二MOS管5的源极通过第三电阻6接地。
所述采样模块还包括第四电阻7、第五电阻9和第六电阻8，所述第二MOS管5的源极通过所述第四电阻7连接采样MOS管10的栅极，所述采样MOS管10的漏极通过第五电阻9连接所述偏置电压输入端12，所述第六电阻8设置在所述节点与所述放大器电路13的输入端口17。
作为优选的，上述所述采样MOS管10和所述放大MOS管15除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管10的栅宽小于所述放大MOS管15的栅宽，且所述采样MOS管10、放大MOS管15的静态电流比与采样MOS管10、放大MOS管15的栅宽比相同。
当所述采样MOS管10的漏极电流发生变化时，给所述第一MOS管1一反馈，使得所述第一MOS管1导通，通过所述第二MOS管5将其变化反馈至所述采样MOS管10，以对所述采样MOS管10的电流进行控制，即本发明通过第一MOS管1和第二MOS管5将采样MOS管10的漏极电流变化反馈至采样MOS管10的栅极，以对采样MOS管10的电流进行控制，实现了远优于传统放大器及偏置电路的静态电流稳定性。
作为优选地，当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。本发明利用集成电路制造时小面积内的工艺偏差方向一致的特点，将工艺误差对第一MOS管1、第二MOS管5的影响用于补偿工艺误差对采样MOS管10和放大MOS管15的影响，降低了静态电流随工艺偏差的波动，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异；同样的利用了集成电路制造时小面积内的温度一致的特点，将温度对第一MOS管1、第二MOS管5的影响用于补偿温度对采样MOS管10、放大MOS管15的影响，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异。
本发明所述的一种放大器偏置电路及射频功率放大器，其仅采用3个MOS管、6个电阻和1个电容实现了应用反馈技术、采样技术的放大器偏置电路，简化了现有的放大器偏置电路结构，节省了电路面积，降低了设计难度，能够同时兼顾解决静态偏置电流稳定性和差异性问题，易于推广使用。
实施例二
相应于实施例一中所述的放大器偏置电路的第一种结构，本发明实施例二提供了放大器偏置电路的第二种结构，请参照图2所示，该结构包括其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路13，所述放大器电路13包括放大MOS管15、输入端口17、输出端口18、电源端口16和交流隔直电路14；所述放大器偏置电路包括采样模块、控制模块和节点，所述放大器偏置电路的节点连接所述放大器电路13的输入端口17。
其中，上述所述放大器电路13的输入端口17连接所述放大MOS管15的栅极，所述输出端口18连接所述放大MOS管15的漏极，所述放大MOS管15的漏极通过所述交流隔直电路14连接所述电源端口16，所述放大MOS管15的源极接地。
其中，上述所述放大器偏置电路的采样模块包括采样MOS管10和偏置电压输入端12，所述采样MOS管10的漏极连接所述偏置电压输入端12；控制模块包括第一MOS管1、第二MOS管5和电源输入端11，所述第一MOS管1和第二MOS管5的漏极共同连接电源输入端11，所述第一MOS管1的栅极连接所述采样MOS管10的漏极，其源极连接所述第二MOS管5的栅极，所述第二MOS管5的源极连接所述采样MOS管10的栅极；节点设置于所述第二MOS管5与所述采样MOS管10之间的通路上，所述节点连接所述放大器电路13的输入端口17。
具体地，所述控制模块还包括第一电阻2、第二电阻3、第三电阻6和电容4，所述第一MOS管1的源极通过第一电阻2连接所述第二MOS管5的栅极，所述第二MOS管5的栅极分别通过所述第二电阻3和电容4接地，所述第二MOS管5的源极通过第三电阻6接地。
所述采样模块还包括第四电阻7、第五电阻9和第六电阻8，所述第二MOS管5的源极通过所述第四电阻7连接采样MOS管10的栅极，所述采样MOS管10的漏极通过第五电阻9连接所述偏置电压输入端12，所述第六电阻8设置在所述节点与所述射频功率放大器的输入端口17。
作为优选的，上述所述采样MOS管10和所述放大MOS管15除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管10的栅宽小于所述放大MOS管15的栅宽，且所述采样MOS管10、放大MOS管15的静态电流比与采样MOS管10、放大MOS管15的栅宽比相同。
当所述采样MOS管10的漏极电流发生变化时，给所述第一MOS管1一反馈，使得所述第一MOS管1导通，通过所述第二MOS管5将其变化反馈至所述采样MOS管10，以对所述采样MOS管10的电流进行控制，即本发明通过第一MOS管1和第二MOS管5将采样MOS管10的漏极电流变化反馈至采样MOS管10的栅极，以对采样MOS管10的电流进行控制，实现了远优于传统放大器及偏置电路的静态电流稳定性。
作为优选地，当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。本发明利用集成电路制造时小面积内的工艺偏差方向一致的特点，将工艺误差对第一MOS管1、第二MOS管5的影响用于补偿工艺误差对采样MOS管10和放大MOS管15的影响，降低了静态电流随工艺偏差的波动，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异；同样的利用了集成电路制造时小面积内的温度一致的特点，将温度对第一MOS管1、第二MOS管5的影响用于补偿温度对采样MOS管10、放大MOS管15的影响，极大地降低了多个放大器产品间的静态偏置电流的差异。
本实施例所述的放大器偏置电路还包括双栅管第二栅电压端口21，所述双栅管第二栅电压端口21分别连接采样MOS管10的第二栅极和放大MOS管15的第二栅极，本实施例通过增加双栅管第二栅电压端口21可以隔离双栅管第一栅极和其漏极，以降低双栅管第一栅极和其漏极的寄生电容，从而提高电路的可适用频率。
本发明能在保证结构简明的前提下极大的减小静态电流随工艺和温度的偏差。下面以图2所示的结构为例来详细的阐述一下本发明的有益效果。
请参照图2所示，设置电源输入端VCB和偏置电压输入端Vbias 的电压为3V，设置双栅管第二栅电压端口VG2的电压为1.5V，设置电源端口VDD的电压为5V，那么流过放大MOS管15的电流为静态电流ICQ，如ICQ=43mA。设置第一电阻2为500Ω，第二电阻3为10kΩ，第三电阻6和第四电阻7均为400Ω，第五电阻9为50Ω，第六电阻8为1000Ω；电容4为2pF，电感14为10nH；设置第一MOS管1、第二MOS管5、采样MOS管10、放大MOS管15为稳懋25μm的E-modeMOS管；第一MOS管1、第二MOS管5的栅宽为50μm；采样MOS管10的栅宽为166μm，放大MOS管15的栅宽为4000μm。将第三电阻6、第四电阻7和第五电阻9的工艺误差设置为标准差1.5%的高斯分布，第一电阻2和第二电阻3的工艺误差设置为标准差10%的高斯分布；设置第一MOS管1、第二MOS管5、采样MOS管10、放大MOS管15的阈值电压为标准差10mV的高斯分布；温度设置为-40至125℃的均匀分布。
参照图3，本发明电路的静态电流随上述工艺、温度误差的变化为±4.25mA，误差百分比（erro）小于±10%。参照图4，现有放大器及偏置电路的器件参数与本发明的上述参数一致的情况下，其静态电流随工艺误差和温度变化的变化为±5.5mA，误差百分比（erro）大于±12%，其中，误差百分比的计算公式为Eqn erro=(abs(M1-M2)/(M1+M2))*100，平均值的计算公式为Eqn I_mean=1000*(M1+M2)/2，式中，abs表示绝对值，M1表示最大电流值，M2表示最小电流值。
由此可见，本发明提出的电路结构较现有放大器及偏置电路更加简明，同时静态电流随工艺和温度偏差的波动小于现有放大器及偏置电路。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种放大器偏置电路，其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，其特征在于：所述放大器偏置电路包括：
采样模块，其包括偏置电压输入端以及连接所述偏置电压输入端的采样MOS管；
控制模块，其包括电源输入端以及共同连接所述电源输入端的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极连接所述采样MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极连接所述采样MOS管的栅极；
节点，其设置于所述第二MOS管与所述采样MOS管之间，所述节点连接所述放大器电路的输入端口；
当所述采样MOS管的漏极电流发生变化时，反馈至所述第一MOS管，使得所述第一MOS管导通，通过所述第二MOS管将其变化反馈至所述采样MOS管，以对所述采样MOS管的电流进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：所述采样MOS管和所述放大MOS管除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管的栅宽小于所述放大MOS管的栅宽。
3.根据权利要求1所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：所述控制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的栅极分别通过所述第二电阻和电容接地，所述第二MOS管的源极通过第三电阻接地。
4.根据权利要求1或3所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：所述采样模块包括第四电阻和第五电阻，所述第二MOS管的源极通过所述第四电阻连接采样MOS管的栅极，所述采样MOS管的漏极通过第五电阻连接所述偏置电压输入端。
5.根据权利要求1所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。
6.一种放大器偏置电路，其被配置为射频功率放大器提供偏置电流，所述射频功率放大器包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，其特征在于：所述放大器偏置电路包括：
采样模块，其包括偏置电压输入端以及连接所述偏置电压输入端的采样MOS管；
控制模块，其包括电源输入端以及共同连接所述电源输入端的第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极连接所述采样MOS管的漏极，源极连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极连接所述采样MOS管的栅极；
节点，其设置于所述第二MOS管与所述采样MOS管之间，所述节点连接所述放大器电路的输入端口；
双栅管第二栅电压端口，其分别连接采样MOS管的第二栅极和放大MOS管的第二栅极；
当所述采样MOS管的漏极电流发生变化时，给所述第一MOS管一反馈，使得所述第一MOS管导通，通过所述第二MOS管将其变化反馈至所述采样MOS管，以对所述采样MOS管的电流进行控制，通过双栅管第二栅电压端口隔离双栅管第一栅极和其漏极。
7.根据权利要求6所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：所述采样MOS管和所述放大MOS管除了栅宽不同外其余参数均相同，所述采样MOS管的栅宽小于所述放大MOS管的栅宽。
8.根据权利要求6所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：所述控制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，所述第一MOS管的源极通过第一电阻连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的栅极分别通过所述第二电阻和电容接地，所述第二MOS管的源极通过第三电阻接地；所述采样模块包括第四电阻和第五电阻，所述第二MOS管的源极通过所述第四电阻连接采样MOS管的栅极，所述采样MOS管的漏极通过第五电阻连接所述偏置电压输入端。
9.根据权利要求6所述的一种放大器偏置电路，其特征在于：当所述射频功率放大器的数量不止一个时，至少两个射频功率放大器并联至所述节点上。
10.一种射频功率放大器，包括放大器电路，所述放大器电路包括输入端口以及连接所述输入端口的放大MOS管，其特征在于：还包括如权利要求1-5任一项所述的放大器偏置电路或如权利要求6-9任一项所述的放大器偏置电路，所述放大器偏置电路的节点连接所述放大器电路的输入端口；所述放大器电路还包括输出端口、电源端口和交流隔直电路，所述输出端口连接所述放大MOS管的漏极，所述放大MOS管的漏极通过所述交流隔直电路连接所述电源端口。
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