CN100555844C - 射频放大器电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于放大输入信号的射频放大器电路及其操作方法。所述放大器电路包括：具有功率晶体管的放大晶体管电路以及直流偏压电路，其中上述直流偏压电路具有复数个电流镜电路以及放电晶体管，其中上述放电晶体管以及上述功率晶体管是形成用以控制上述功率晶体管中静态电流的组合电流镜电路。本发明的偏压电路可作为串联电流镜、传统电流镜或是上述两者的组合，因此，本发明具有适用于特定设计需求的弹性。

Description

射频放大器电路及其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种适用于通信系统的射频放大器，特别是有关于一种适用于通信系统的射频放大器用以偏置增压(bias boosting)的方法与装置。

背景技术

射频放大器在通信系统中扮演着非常重要的角色。为了达到较好的功率附加效率(power-added efficiency，PAE)，线性射频放大器通常会偏向AB类操作(class AB operation)。偏向AB类模式的射频放大器通常会使用于高频放大率的情况下。一般而言，对于传统偏置AB类放大器而言，平均偏置供应电流(bias supply current)是随着射频输入功率而增加。平均电流持续的增加也会导致偏压电路(bias circuit)中电阻元件(resistive component)的压降增加。横跨于电阻元件的压降增加会依次降低横跨于放大晶体管的顺向偏置PN接面的平均压降，并且将放大器推向B类甚至是C类操作而导致放大晶体管的输出功率变为饱和且输出信号渐渐变为非线性。当射频放大器的输入功率增加时，这样的现象会更为明显。

当放大器操作于饱和或是接近饱和的状态时，为了改善高输出功率电平处的线性关系，在操作于饱和或接近饱和状态的期间，放大晶体管的偏压必须通过额外的电流而增压。现有技术是通过串联电流镜电路、经过修改的威尔森(Wilson)电流镜电路以及具有电容的堆栈二极管电路的一个而提供适用于射频放大晶体管的偏置增压。由于射频电路与偏压电路之间需要隔离电阻，因此串联电流镜电路以及经过修改的威尔森电流镜电路的偏置机制需要额外的电阻才能精确地控制放大晶体管中的静态电流(quiescent current)。由于堆栈二极管电路不会形成电流镜电路，因此要充分地控制具有电容的堆栈二极管电路的静态电流具有较高的难度。

因此，期望提出一种射频放大器来克服现行射频放大器的设计缺点。因此，需要一种用以操作具有自我偏置增压的放大晶体管的射频放大器的方法与装置。

发明内容

本发明的主要目的是揭露一种方法与装置，适用于具有自我偏置增压功率晶体管的射频放大器，射频放大器可以被设定为偏向AB类操作，例如应用于码分多址。在本发明较佳实施例中，射频放大器是根据复数个电流镜而控制射频放大器的功率晶体管中的静态电流。

因此，本发明是提供一种用以放大输入信号的射频放大器，包括具有功率晶体管的放大晶体管电路、具有复数个电流镜电路以及放电晶体管的直流偏压电路，其中放电晶体管与功率晶体管是形成用以控制功率晶体管的静态电流的组合电流镜。

根据本发明实施例，组合电流镜包括来自放大晶体管电路的第一电阻以及来自直流偏压电路的第二电阻。

根据本发明另一实施例，直流偏压电路包括用以提供偏压电流的电流源以及通过第一电阻耦接至功率晶体管的控制节点的输出节点。

根据本发明另一实施例，功率晶体管为共射极晶体管且控制节点是对应于功率晶体管的基极节点。

本发明另提供一种放大器电路，适用于放大一输入信号，该放大器电路包括：一放大晶体管电路，具有一功率晶体管；以及一直流偏压电路，具有复数个电流镜电路以及一放电晶体管，其中上述放电晶体管以及上述功率晶体管形成一组合电流镜。

另外，本发明还提供一种放大器电路，适用于放大一输入信号，该放大器电路包括：一放大晶体管电路，具有一功率晶体管；以及一直流偏压电路，具有至少一电流镜电路以及一放电晶体管，通过设定上述放电晶体管可自我偏置上述放大晶体管电路，其中上述放电晶体管以及上述功率晶体管形成一组合电流镜电路。

本发明的偏压电路可作为串联电流镜、传统电流镜或是上述两者的组合，因此，本发明具有适用于特定设计需求的弹性。

附图说明

图1是显示根据本发明实施例所述的具有自我偏置增压的功率放大器。

图2是显示根据本发明实施例所述的具有自我偏置增压的经过修改的威尔森电流镜的功率放大器。

主要组件符号说明：

10、20～功率放大器电路         12～放大晶体管电路

14～直流偏压电路               C0、C1、C2～电容

L0～电感                       R0、R1～电阻

Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5～晶体管

Ibias～电流源                  Input～输入节点

Output～输出节点               VCC～供应电压

GND～接地点

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

实施例：

本发明是提供一种适用于输出放大晶体管电路的自我偏置增压的方法与装置，其中上述输出放大晶体管电路具有经过修改的电流镜电路。一般来说，本发明的射频放大器装置包括放大晶体管电路以及直流偏压电路(dcbias circuit)。根据本发明一实施例，直流偏压电路包括用以对输出功率晶体管施加偏压的具有电流增益的双电流镜。

图1是显示根据本发明一较佳实施例所述的功率放大器电路10。本发明的射频放大器电路通常包括放大晶体管电路12以及直流偏压电路14。直流偏压电路14包括经过修正的电流镜，作为放大晶体管电路12的自我偏置增压电路。经过修正的电流镜是提供双电流镜，包括一传统电流镜以及一串联电流镜。功率晶体管Q0为一共射极(common-emitter)晶体管，其中射极耦接至作为共同端子的接地点GND。功率晶体管Q0的集极节点(collectornode)是提供一通过拉高电感L0电性连接至供应电压Vcc的输出节点Output。射频输入功率是通过交流耦合电容(AC coupling capacitor)C0供应至晶体管Q0的基极，并且提供一输入节点Input或是控制端节点至放大晶体管电路12。

直流偏压电路14包括串接于Vcc与共同端子GND之间的双极晶体管(bipolar transistor)Q2与Q3，以及耦接于晶体管Q2的基极节点与共同端子之间的放电双极晶体管Q1，其具有电阻R1，用以提供偏压电路14的偏压电路输出节点，上述电阻R1耦接于晶体管Q1的基极节点与晶体管Q2、Q3的共同点之间。偏压电容C1耦接于偏压电路输出节点与共同端子之间。功率晶体管Q0的基极节点通过电阻R0而耦接至偏压电路输出节点。晶体管Q5的集极节点以及基极节点耦接至放电晶体管Q1的集极节点，并且通过电容C2耦接至共同端子。晶体管Q4的集极节点以及基极节点耦接至晶体管Q3的基极节点，而晶体管Q4的射极节点与晶体管Q3的射极节点共同耦接。电流源Ibias耦接至晶体管Q5、Q1、Q2以及C2的共同点并且控制偏压级(bias stage)的输出驱动电流以及功率晶体管Q0的静态电流。

分析直流偏压电路14，晶体管Q1、Q2与功率晶体管Q0以及电阻R0、R1共同形成一组合(combined)电流镜电路。晶体管Q3、Q4以及Q5是用以修改电流镜电路。在传统电流镜电路中，晶体管Q2的射极电流为晶体管Q0与Q1的基极电流的总和，通常是非常的微小的。在本发明的经过修改的电流镜电路中，晶体管Q2的射极电流可以非常的大，其为用以提供适用于功率晶体管Q0的偏置增压的偏压。另一方面(Viewd alternatively)，晶体管Q2、Q3、Q4以及Q5也可以形成串联电流镜电路。放电晶体管Q1是在射频操作期间提供适用于基极-射极接面处的电荷的低阻抗释放路径。电容C1、C2为旁路电容(bypass capacitor)。然而，C1可以作为偏压电容而用来调整功率晶体管Q0的偏置增压。功率晶体管Q0的集极节点是通过拉高电感L0而电性连接至供应电压的输出节点。射频输入端是通过耦合电容C0而将信号提供至功率晶体管Q0的基极，耦合电容C0为驱动级(未图标)的部分匹配电路(matching circuit)。

当射频输入信号的频率增加时，晶体管Q2是作为开关而为导通或不导通。例如，当晶体管Q0的基极节点处所接收的射频信号为正振幅(positiveswing)时，由于射频信号的正振幅会引起晶体管Q2的基极-射极电压小于导通电压，因此晶体管Q2将会进入不导通状态。

相反的，当晶体管Q0的基极节点处所接收的射频信号为负振幅时，由于射频信号的负振幅会引起晶体管Q3的集极-射极电压在正常操作的情况下为较小，因此晶体管Q3将会具有较差的导电性或是不导通。在射频信号的正振幅期间，当晶体管Q2为不导通状态时，由于晶体管Q0的基极节点处的射频电位大于晶体管Q1的基极处以及晶体管Q3的集极处的射频电位，因此晶体管Q1与Q3将会使功率晶体管Q0放电。相反的，当晶体管Q2为导通状态时，晶体管Q2会对晶体管Q0、Q1以及Q3充电。当功率晶体管Q0的充电速率大于放电速率时，横跨于晶体管Q0的顺向偏置PN接面的平均电压会增加，因而达到功率晶体管Q0的自我偏置增压。

根据本发明一实施例，具有晶体管Q0、Q1以及Q2的电流镜电路会被设定，如此一来电流源Ibias即可控制功率晶体管Q0中的静态电流。因此，适当地调整晶体管射极区以及电阻会使功率晶体管Q0中的静态电流恰好正比于Ibias的值。本发明实施例是提供比例为48比1的Q0比Q1，比例为6比1的Q2与Q3比Q1，以及比例为1比1的Q4与Q5比Q1。

偏压电路14是提供放电晶体管Q1对功率晶体管Q0放电的主要优点。偏压电路14的设定即为如此，因此晶体管Q3的集极节点具有较晶体管Q1的基极以及电阻R1更高的阻抗。根据本发明实施例所述的功率放大器电路10可能不需要从偏压电容C1来调整偏置增压。

改变偏压电容C1的值通常可用以调整充放电速率而提供可达到最佳输出功率、增益、功率附加效率以及线性的期望偏置增压。使用离线(off-chip)表面接着元件(surface mount component)为常见用以实现C1的方法，其是可弹性地改变C1的值。然而，其它方法包括使用芯片电容(on-chip capacitor)也可提供与外部表面接着元件同样的效果。

为了达到较高的功率附加效率，线性功率放大器通常会偏向AB类操作，其中功率放大器具有大于180度的导电角(conduction angle)。对放大器来说，线性以及功率附加效率是两种相斥的必要条件(requirement)。线性与功率附加效率之间的取舍是适用于一组既定的放大器规格(a givent set ofspecification for the amplifier)。一般来说，在特定的线性条件下会选择较好的功率附加效率，例如在通常需要控制放大器的静态电流的码分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA)的应用中，相邻频道功率比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)的线性需求。

图2是显示根据本发明另一实施例所述的直流偏压电路14。在图1以及图2中，参考标号是用以使图式的定义更明显易懂。在图2中与上述图1所描述的功率放大器电路相同的部分电路将不再详细的描述。因此，图2是显示功率放大器电路20。

不同于图1的是，图1中由串联晶体管Q2与Q5所形成的电流镜电路在图2中是以经过修改的威尔森电流镜电路来取代。必须注意的是，Ibias是电性连接至晶体管Q2的集极与基极节点以及晶体管Q5的基极节点。晶体管Q5的集极节点耦接至Vcc。图2的实施例的操作与图1的实施例的操作相同，并且显示电流镜电路的对称性。根据本发明另一实施例，当两个开关设置于电流源Ibias以及Q1与Q5的集极(如图1)之间或是Q1与Q2的集极(如图2)之间时，图1与图2中偏压电路的另一项优点为电路可作为(work as)串联电流镜、传统电流镜或是上述两者的组合。因此，本发明的优点为具有适用于特定设计需求的弹性。一般IC工艺即可制造开关。

必须注意的是，虽然本发明实施例所示的电路中的主动元件是显示为双极晶体管，然而在不脱离本发明的精神和范围内，电路中的主动元件也可以场效晶体管(field effective transistor，FET)或是双极晶体管与场效晶体管的组合来取代。再者，在图1与图2中所示的功率放大器电路12与偏压电路14在形式上可有所不同。此外，可以设定或调整偏置增压电路使得功率放大器电路操作于B类或是AB类模式。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种放大器电路，适用于放大一输入信号，其特征在于，该放大器电路包括：

一放大晶体管电路，具有一功率晶体管；以及

一直流偏压电路，具有复数个电流镜电路以及一放电晶体管；

其中上述放电晶体管以及上述功率晶体管形成一组合电流镜，当上述输入信号为一第一电平时，是以一充电速率对上述功率晶体管以及上述组合电流镜充电，当上述输入信号为一第二电平时，是以一放电速率对上述功率晶体管以及上述组合电流镜放电，且上述充电速率大于上述放电速率。

2.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，上述组合电流镜包括来自上述放大晶体管电路的一第一电阻，以及来自上述直流偏压电路的一第二电阻。

3.如权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，上述直流偏压电路包括：

一电流源，通过设定该电流源来提供偏置电流；以及

一输出节点，通过上述第一电阻而耦接至上述功率晶体管的一控制节点。

4.如权利要求3所述的放大器电路，其特征在于，上述功率晶体管为一共射极晶体管且上述控制节点对应于上述功率晶体管的一基极节点。

5.如权利要求3所述的放大器电路，其特征在于，上述直流偏压电路包括：

一第一镜像晶体管对，具有一第一晶体管以及一第二晶体管；以及

一第二镜像晶体管对，具有一第三晶体管以及一第四晶体管，其中上述电流源耦接至上述第一晶体管的一集极节点与一基极节点。

6.如权利要求5所述的放大器电路，其特征在于：

上述第一晶体管的一射极节点耦接至上述第三晶体管的一集极节点与一基极节点；以及

上述第二晶体管的一射极节点耦接至上述第四晶体管的一集极节点以提供上述输出节点。

7.如权利要求6所述的放大器电路，其特征在于，该放大器电路还包括一偏压电容，耦接于上述输出节点与一共同接地点之间，通过设定上述偏压电容可调整上述功率晶体管的偏置增压。

8.如权利要求6所述的放大器电路，其特征在于：

上述放电晶体管的一集极节点耦接至上述第一镜像晶体管对的复数个基极节点；以及

上述放电晶体管的一射极节点耦接至一共同接地点。

9.如权利要求8所述的放大器电路，其特征在于，上述输出节点为上述第二晶体管与第四晶体管的一共同接面，上述第二晶体管被设定通过上述第一电阻以上述充电速率对上述功率晶体管充电，而上述第四晶体管以及上述放电晶体管被设定通过上述第一电阻以上述放电速率对上述功率晶体管放电。

10.如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，上述电流镜电路包括经过修正的一威尔森电流镜。

11.一种放大器电路，适用于放大一输入信号，其特征在于，该放大器电路包括：

一放大晶体管电路，具有一功率晶体管；以及

一直流偏压电路，具有至少一电流镜电路以及一放电晶体管，通过设定上述放电晶体管可自我偏置上述放大晶体管电路；

其中上述放电晶体管以及上述功率晶体管形成一组合电流镜电路；

其中，上述直流偏压电路包含一第一镜像晶体管对、一第二镜像晶体管对以及一电流源，上述第一镜像晶体管对具有一第一晶体管以及一第二晶体管，上述第二镜像晶体管对具有一第三晶体管以及一第四晶体管，上述电流源耦接至上述第二晶体管的一集极节点与一基极节点，上述第一晶体管的一射极节点耦接至上述第三晶体管的一集极节点与一基极节点，上述第二晶体管的一射极节点耦接至上述第四晶体管的一集极节点，上述放电晶体管的一集极节点耦接至上述第一镜像晶体管对的复数个基极节点，上述放电晶体管的一射极节点耦接至一共同接地点。

12.如权利要求11所述的放大器电路，其特征在于，上述电流镜电路包括经过修正的一威尔森电流镜。

13.如权利要求11所述的放大器电路，其特征在于，上述第二晶体管与上述第四晶体管的一共同接面包括一输出节点，上述第二晶体管被设定以一充电速率对上述功率晶体管充电，而上述第四晶体管与上述放电晶体管被设定以一放电速率对上述功率晶体管放电，其中上述放电速率小于上述充电速率。

14.一种放大器操作方法，适用于放大一输入功率，具有一放大晶体管电路，上述放大晶体管电路包括一功率晶体管以及具有复数个晶体管的一自我增压偏压电路，其中上述放大晶体管电路的上述功率晶体管以及上述自我增压偏压电路的一晶体管形成一组合电流镜电路，其特征在于，该方法包括：

当上述输入功率为一第一电平时，是以一充电速率对上述功率晶体管以及上述组合电流镜电路充电；以及

当上述输入功率为一第二电平时，是以一放电速率对上述功率晶体管以及上述组合电流镜电路放电，其中当上述输入功率增加时，上述充电速率大于上述放电速率。

15.如权利要求14所述的放大器操作方法，其特征在于，该方法还包括在上述自我增压偏压电路中形成经过修正的一威尔森电流镜电路。

16.如权利要求14所述的放大器操作方法，其特征在于，该方法还包括在上述自我增压偏压电路中对上述功率晶体管以及一放电晶体管放电。

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