CN203800890U - 功率放大器 - Google Patents

Abstract

公开了一种功率放大器，包括：在电源端和地之间串联连接的第一电阻、扼流电感和第一晶体管；连接在功率放大器的输入端与第一晶体管的栅极之间的输入耦合电路；以及连接在功率放大器的输出端与扼流电感和第一晶体管的第一中间节点之间的输出耦合电路，其特征在于，所述功率放大器还包括与第一晶体管的栅极相连接的偏置电路，使得第一晶体管的工作点跟随电源电压的变化。该功率放大器可以降低第一晶体管的耐压要求，并且使得第一晶体管在第一中间节点的输出信号的直流分量大致等于电源电压的一半，以确保功率放大器的输出功率，并且可以改善可靠性和线性度。

Description

功率放大器

技术领域

本实用新型涉及电子电路，具体地涉及功率放大器。

背景技术

功率放大器通常用作音频放大器和射频放大器，用于产生功率输出以驱动负载。在射频应用领域，功率放大器是必要的模块，在发射信号之前对信号进行放大，然后可以将放大的信号耦合至天线。

按功率放大器的工作模式分类，功率放大器可分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类等。功率放大器的种类不同，其输出的电压波形也不同。功率放大器的输出波形的幅值可能达到电源电压的2～4倍，从而要求功率放大器中的功率晶体管的耐压也应该是电源电压的2-4倍。

对于一些消费类电子产品，在使用电池时，电源电压可能在宽范围内变化。在满电的时候，电源电压可以达到7V或更高。然而，在电池快用完的时候，电源电压会下降到2V左右。为了适应宽范围的电源电压变化，需要按照最大电源电压设计功率晶体管的耐压参数。然而，在普通工艺上同时要求工作频率高和耐压高是一件困难的事。采用更先进的工艺则会增加成本，而且不利于集成。

另一方面，由于负载在使用过程中通常是固定的。如果电源电压变化范围大，还会使得功率放大器的负载偏离最佳负载值。结果可能减小输出功率，并且使得功率输出的线性度变差。

因此，期望降低功率放大器中的功率晶体管的耐压要求以及改善功率输出的线性度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以扩展电源电压范围的功率放大器。

根据本实用新型，提供一种功率放大器，包括：在电源端和地之间串联连接的第一电阻、扼流电感和第一晶体管；连接在功率放大器的输入端与第一晶体管的栅极之间的输入耦合电路；以及连接在功率放大器的输出端与扼流电感和第一晶体管的第一中间节点之间的输出耦合电路，其特征在于，所述功率放大器还包括与第一晶体管的栅极相连接的偏置电路，使得第一晶体管的工作点跟随电源电压的变化。

优选地，在所述功率放大器中，所述偏置电路包括：串联连接在供电端和地之间的第二电阻和第二晶体管，在第二电阻和第二晶体管之间的第二中间节点产生检测电压；连接至第二晶体管的栅极的第三电阻；连接至第一晶体管的栅极的第四电阻；以及运算放大器，其同相端接收检测电压，其反相端接收参考电压，其输出端经由第三电阻连接至第二晶体管的栅极，以及经由第四电阻连接至第一晶体管的栅极。优选地，在所述功率放大器中，所述参考电压为电源电压的一半。优选地，在所述功率放大器中，第一晶体管与第二晶体管的导电类型相同。优选地，在所述功率放大器中，第一电阻的电阻值与第一晶体管的宽长比的乘积，等于第二电阻的电阻值与第二晶体管的宽长比的乘积.

优选地，在所述功率放大器中，所述偏置电路包括：串联连接在供电端和地之间的第二电阻和第二晶体管；以及连接至第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极之间的第三电阻，其中，第二晶体管的栅极还连接至第二电阻和第二晶体管的中间节点，并且第一晶体管和第二晶体管形成电流镜，电流镜调整第一晶体管的工作点，使得第一电阻上的电压降始终大致等于电源电压的一半。优选地，在所述功率放大器中，第一晶体管与第二晶体管的导电类型相同。优选地，在所述功率放大器中，第一电阻的电阻值与第一晶体管的宽长比的乘积，等于第二电阻的电阻值与第二晶体管的宽长比的乘积的1/2。

优选地，在所述功率放大器中，所述输入耦合电路包括隔直电容。

优选地，在所述功率放大器中，所述输出耦合电路包括隔直电容和负载匹配电阻中的至少一种。

优选地，在所述功率放大器中，所述输出耦合电路包括匹配滤波电路。

在本实用新型的功率放大器中，由于上述偏置电路的作用，在扼流电感和第一晶体管的中间节点产生放大的信号的直流分量与电源电压相关，并且始终大致等于电源电压的一半。第一晶体管的耐压要求降低。该功率放大器的工作点可以跟随电源电压的变化，从而可以确保功率放大器的输出功率，并且改善可靠性和线性度。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为根据现有技术的功率放大器的示意性电路图；

图2为根据现有技术的功率放大器的示意性波形图；

图3为根据本实用新型的实施例的功率放大器的示意性框图；

图4为根据本实用新型的实施例的功率放大器的第一实例；以及

图5为根据本实用新型的实施例的功率放大器的第二实例。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1为根据现有技术的功率放大器的示意性电路图。该功率放大器包括串联连接的第一晶体管M1和扼流电感L1、与第一晶体管M1的栅极电连接的输入耦合电路、以及连接在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点上的输出耦合电路。

输入耦合电路例如包括连接在功率放大器的输入端和第一晶体管M1的栅极之间的第一电容C1。第一晶体管M1的栅极还与偏置电阻R0相连接。偏置电压Vb经由偏置电阻R0施加在第一晶体管M1的栅极上，用于设置第一晶体管M1的工作点。输出耦合电路可以包括连接在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点与输出端之间的第二电容C2、匹配滤波电路101、以及连接在输出端和地之间的负载匹配电阻RL。第一电容C1和第二电容C2均起到隔断直流的作用。

图2为根据现有技术的功率放大器的示意性波形图。在工作时，功率放大器的输入端接收交流输入信号Vin。在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点产生放大的信号VA。在第一晶体管M1为N型MOSFET的情形下，该中间节点即第一晶体管M1的漏极。根据第一晶体管M1的偏置状态，第一晶体管M1的输出信号VA包括直流分量VCCA。经过第二电容C2去除直流分量VCCA，在功率放大器的输出端产生与交流输入信号Vin相对应的交流输出信号VOUT。

在工作时，当该功率放大器处于静态的时候，Vin等于0。由于扼流电感L1的内阻很小，信号VA基本上为幅值为VCCA的直流信号，并且VCCA基本上等于电源电压VCC。而当Vin大于0时，信号VA是包括直流分量VCCA的交流信号。根据偏置电压Vb的不同，第一晶体管M1处于不同的工作点。第一晶体管M1的漏极的最高电压会到达VCC的2～4倍。这就要求第一晶体管M1的漏极的耐压是电源电压的2～4倍。。

在图1所示的现有技术的功率放大器的基础上，已经提出的解决第一晶体管M1的耐压问题的一种方案是扼流电感L1和电源之间串接一个电阻。由于该串接电阻的分压，第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量将小于电源电压VCC，从而降低了第一晶体管M1的耐压要求。然而，串接电阻上的电压降与第一晶体管M1中流过的直流电流的大小相关。当电源电压VCC下降的时候，第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量会明显低于VCC/2。结果，第一晶体管M1在静态的时候就有可能进入线性区，从而使得功率放大器不能正常工作。

图3为根据本实用新型的实施例的功率放大器的示意性框图。与图1所示的根据现有技术的功率放大器类似，本实用新型的功率放大器包括扼流电感L1和第一晶体管M1、与第一晶体管M1的栅极电连接的输入耦合电路、以及连接在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点上的输出耦合电路。该功率放大器还包括如上所述的在扼流电感L1和电源之间串联连接的第一电阻R1，以减小第一晶体管M1的耐压要求。

输入耦合电路例如包括连接在功率放大器的输入端和第一晶体管M1的栅极之间的第一电容C1。输出耦合电路可以包括连接在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点与输出端之间的第二电容C2、匹配滤波电路101、以及连接在输出端和地之间的负载匹配电阻RL。第一电容C1和第二电容C2均起到隔断直流的作用。

与图1所示的根据现有技术的功率放大器的不同之处在于，本实用新型的功率放大器包括偏置电路102，以替代偏置电阻R0。偏置电路102串联连接在供电端和第一晶体管M1的栅极之间。在工作时，偏置电路102检测电源电压VCC，并且产生偏置电压Vb施加在第一晶体管M1的栅极上，用于设置第一晶体管M1的工作点，使得第一电阻R1上的电压降始终大致等于电源电压VCC的一半。也即，第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量始终约等于VCC/2。

图4为根据本实用新型的实施例的功率放大器的第一实例。

如图4所示，偏置电路102包括串联连接在供电端和地之间的第二电阻R2和第二晶体管M2。在第二电阻R2和第二晶体管M2的中间节点产生检测电压VA2。将检测电压VA2提供至运算放大器U1的同相端，以及将参考电压VREF＝VCC/2提供至运算放大器U1的反相端。运算放大器U1的输出端经由第三电阻R3连接至第二晶体管M2的栅极，经由第四电阻R4连接至第一晶体管M1的栅极，分别向第二晶体管M2和第一晶体管M1提供栅极偏置电压，以设置其工作点。

第一晶体管M1和第二晶体管M2是相同导电类型的晶体管。在一个实例中，第一晶体管M1和第二晶体管M2均为N型MOSFET。选择第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值，使得第一电阻R1的电阻值与第一晶体管M1的宽长比的乘积，等于第二电阻R2的电阻值与第二晶体管M2的宽长比的乘积。

在工作时，偏置电路根据电源电压VCC调整第一晶体管M1和第二晶体管M2的工作点。第一晶体管M1的栅源电压与第二晶体管M2的栅源电压相同。在第二晶体管M2的工作范围内，通过运算放大器U1提供的反馈环路，可以控制第二晶体管M2中的静态电流，从而相应地控制第一晶体管M1的静态电流。无论电源电压VCC如何变化，运算放大器U1均以反馈方式调整第一晶体管M1和第二晶体管M2，使得第一电阻R1和第二电阻R2上的电压降始终大致等于电源电压VCC的一半。第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量始终约等于VCC/2。

图5为根据本实用新型的实施例的功率放大器的第二实例。

如图5所示，偏置电路102包括串联连接在供电端和地之间的第二电阻R2和第二晶体管M2。第二晶体管M2的栅极经由第三电阻R3连接至第一晶体管M1的栅极，并且第二晶体管M2的栅极还连接至第二电阻R2和第二晶体管M2的中间节点。

第一晶体管M1和第二晶体管M2是相同导电类型的晶体管。在一个实例中，第一晶体管M1和第二晶体管M2均为N型MOSFET。选择第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值，使得第一电阻R1的电阻值与第一晶体管M1的宽长比的乘积，等于第二电阻R2的电阻值与第二晶体管M2的宽长比的乘积的1/2。

在工作时，第二晶体管M1的栅极经由第二电阻R2连接至电源电压VCC，从而始终处于饱和状态。第一晶体管M1的栅源电压与第二晶体管M2的栅源电压相同，从而形成电流镜。第一晶体管M1和第二晶体管M2上流过的静态电流之比I1/I2，等于两个晶体管的宽长比之比K，即I1/I2＝K。由于第二晶体管M2上的源漏电压等于栅源电压，因此，第二电阻R2两端的电压近似为电源电压VCC(其中，忽略了第二晶体管M2上的栅极电压)。第二晶体管M2上流过的静态电流近似为I2＝VCC/R2。相应地，第一晶体管M1上流过的静态电流近似为I1＝K*I2＝K*VCC/R2。从而，在第一电阻R1上的电压降VR1＝I1*R1＝K*VCC*R1/R2。

由于第一电阻R1的电阻值与第一晶体管M1的宽长比的乘积，等于第二电阻R2的电阻值与第二晶体管M2的宽长比的乘积的1/2，因此，第一电阻R1上的电压降VR1＝VCC/2。无论电源电压VCC如何变化，电源镜均调整第一晶体管M2的工作点，使得第一电阻R1上的电压降始终大致等于电源电压VCC的一半。第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量始终约等于VCC/2。

由于上述偏置电路的作用，在本实用新型的功率放大器中，在第一晶体管M1和扼流电感L1的中间节点产生第一晶体管M1的输出信号VA的直流分量与电源电压相关，并且始终大致等于电源电压VCC的一半。当功率放大器在正常的电源电压下工作时，第一晶体管M1承受的电压会减小为原来的一半。随着电源电压VCC降低至小于初始电源电压的一半时，第一晶体管M1的工作点仍然可以跟随电源电压VCC的变化，从而可以确保功率放大器的输出功率，并且改善可靠性和线性度。

在上述的实施例中，描述了各个晶体管的导电类型。然而，在替代的实例中，第一和第二晶体管中的每一个可以是相反的导电类型，相应地，在图4和5的电路中需要互换其源极和漏极的位置。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：

在电源端和地之间依次串联连接的第一电阻、扼流电感和第一晶体管；

连接在功率放大器的输入端与第一晶体管的栅极之间的输入耦合电路；以及

连接在功率放大器的输出端与扼流电感和第一晶体管的第一中间节点之间的输出耦合电路，

其特征在于，所述功率放大器还包括与第一晶体管的栅极相连接的偏置电路，使得第一晶体管的工作点跟随电源电压的变化。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，第一晶体管的工作点设置为使得在第一中间节点的输出信号的直流分量大致等于电源电压的一半。

3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述偏置电路包括：

串联连接在供电端和地之间的第二电阻和第二晶体管，在第二电阻和第二晶体管之间的第二中间节点产生检测电压；

连接至第二晶体管的栅极的第三电阻；

连接至第一晶体管的栅极的第四电阻；以及

运算放大器，其同相端接收检测电压，其反相端接收参考电压，其输出端经由第三电阻连接至第二晶体管的栅极，以及经由第四电阻连接至第一晶体管的栅极，

其中，运算放大器以反馈方式调整第一晶体管和第二晶体管的工作点，使得第一电阻和第二电阻上的电压降始终大致等于电源电压的一半。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述参考电压为电源电压的一半。

5.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，第一晶体管与第二晶体管的导电类型相同。

6.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，第一电阻的电阻值与第一晶体管的宽长比的乘积，等于第二电阻的电阻值与第二晶体管的宽长比的乘积。

7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述偏置电路包括：

串联连接在供电端和地之间的第二电阻和第二晶体管；以及

连接至第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极之间的第三电阻，

其中，第二晶体管的栅极还连接至第二电阻和第二晶体管的中间节点，并且第一晶体管和第二晶体管形成电流镜，

电流镜调整第一晶体管的工作点，使得第一电阻上的电压降始终大致等于电源电压的一半。

8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，第一晶体管与第二晶体管的导电类型相同。

9.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，第一电阻的电阻值与第一晶体管的宽长比的乘积，等于第二电阻的电阻值与第二晶体管的宽长比的乘积的1/2。

10.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述输入耦合电路包括隔直电容。

11.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述输出耦合电路包括隔直电容和负载匹配电阻中的至少一种。

12.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述输出耦合电路包括匹配滤波电路。