CN101888215A - 具有可调预失真功能的射频功率放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，包括射极跟随器结构的晶体管，所述晶体管的基极与放大器电路的输入端连接，所述晶体管的射极通过输出匹配网络与放大器电路的输出端连接，从所述晶体管的基极到集电极之间连接有RC并联负反馈网络，所述晶体管的集电极连接有外部可调偏置电压，从所述集电极到到外部可调偏置电压之间还连接有第一RL串联负反馈网络，从所述晶体管的射极到地之间连接有第二RL串联负反馈网络。其使预失真电路具有更好的精确度，可以补偿功率放大器后级电路产生的增益压缩和正相位偏差，提高其线性度。

Description

具有可调预失真功能的射频功率放大器电路

技术领域

本发明涉及一种具有可调预失真功能的射频功率放大器电路。

背景技术

功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，功放线性度的好坏直接影响整个通信系统的性能。当功率放大器输入功率较大时，其有源器件参数(晶体管跨导g_m和基极-集电极之间的结电容C_μ等)将会随输入功率变化，导致功率放大器进入非线性工作状态，产生增益压缩(AM/AM)和相位偏移(AM/PM)这两类非线性失真。

目前，电路设计中常用的线性化技术主要包括：前馈、反馈、预失真、数字信号处理预失真和后向失真，其中预失真技术是最为常用最为简单的线性化技术。采用预失真技术的电路可在功率放大器输入级产生幅度和相位的预失真，从而对功率放大器后级产生的非线性失真进行补偿。目前，有两种常用的预失真电路结构：功率吸收器和反馈网络。这两种结构都在固定的偏置条件下，才会发挥其预失真功能。环境温度的改变，工艺的偏差以及晶体管的老化都会导致电路的工作点发生变化，使这种预失真电路的补偿失效，从而产生不可预估的非线性失真。

发明内容

本发明目的是：提供一种可调预失真功能的射频功率放大器电路，其使预失真电路具有更好的精确度，可以补偿功率放大器后级电路产生的增益压缩和正相位偏差，提高其线性度。

本发明的技术方案是：一种具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，包括射极跟随器结构的晶体管，所述晶体管的基极与放大器电路的输入端连接，所述晶体管的射极通过输出匹配网络与放大器电路的输出端连接，从所述晶体管的基极到集电极之间连接有RC并联负反馈网络，所述晶体管的集电极连接有外部可调偏置电压，从所述集电极到到外部可调偏置电压之间还连接有第一RL串联负反馈网络，从所述晶体管的射极到地之间连接有第二RL串联负反馈网络。

其中，所述RC并联负反馈网络起到减小电路的输入阻抗、功率增益与正相位偏移的作用。所述第一RL串联负反馈网络起调制RC并联负反馈网络反馈强度的作用。所述第二RL串联负反馈网络起增大电路的输入阻抗、功率增益与负相位偏移的作用。通过调整上述三个负反馈网络，即可控制放大器电路功率增益的大小及增益和相位的预失真强度。通过外部可调偏置电压可以在外部对放大器电路的偏置电压进行微调，从而补偿环境温度改变、工艺偏差以及晶体管老化等产生的不可预估的非线性失真。

进一步的，在上述放大器电路中，所述并联负反馈网络包括从晶体管的基极到集电极之间串联的第一电容和第一电阻。

进一步的，在上述放大器电路中，所述第一串联负反馈网络包括从晶体管的集电极到外部可调偏置电压之间串联的第一电感和第二电阻。

进一步的，在上述放大器电路中，所述第二串联负反馈网络包括从晶体管的发射极到地之间串联的第二电感和第三电阻。

本发明的优点是：

1.本发明在射极跟随器结构的晶体管的基极到集电极之间连接RC并联负反馈网络，减小了预失真电路的正相位偏移。

2.本发明在射极跟随器结构的晶体管的集电极到外部可调偏置电压之间连接第一RL串联负反馈网络，通过调整第一RL串联负反馈网络中的元件值可以调制RC并联负反馈网络的反馈强度。

3.本发明在射极跟随器结构的晶体管的发射极到地之间连接有第二RL串联负反馈网络，增大预失真电路的输入阻抗、功率增益与负相位偏移。

4.本发明放大器电路的输入端可直接匹配至50欧姆，无需额外的匹配网络，适用于宽带电路的设计。

5.本发明在外部连接有可调偏置电压，通过调整此偏置电压，可以补偿环境温度改变、工艺偏差以及晶体管老化等产生的不可预估的非线性失真。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1a为普通功率放大器的功率增益随输入功率变化的曲线图；

图1b为普通功率放大器的相位偏移随输入功率变化的曲线图；

图2为本发明具体实施例的电路原理图；

图3为本发明电路原理图的小信号模型等效电路图。

图4a为本发明功率放大器功率增益随输入功率变化的仿真曲线图；

图4b为本发明功率放大器相位偏移随输入功率变化的仿真曲线图。

其中：1RC并联负反馈网络；2第一RL串联负反馈网络；3第二RL串联负反馈网络；4输出匹配网络；IN输入端；OUT输出端；Vref外部可调偏置电压；C1第一电容；C2第二电容；C3第三电容；L1第一电感；L2第二电感；R1第一电阻；R2第二电阻；R3第三电阻；Q1晶体管。

具体实施方式

实施例：

如图1a和图1b所示，现有技术中普通功率放大器随着输入功率的增大，将工作在非线性状态，产生增益压缩与正相位偏移。输入功率越大，功放产生的非线性越严重，导致增益压缩量越大，正相位偏移量越大。

如图2和图3所示，一种具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，包括射极跟随器结构的晶体管Q1，即所述晶体管Q1为共集电极晶体管，所述晶体管Q1的基极与放大器电路的输入端IN连接，所述晶体管Q1的射极通过输出匹配网络4与放大器电路的输出端OUT连接，从所述晶体管Q1的基极到集电极之间连接有RC并联负反馈网络1，从所述晶体管Q1的集电极到地之间连接有第一RL串联负反馈网络2，从所述晶体管Q1的射极到地之间连接有第二RL串联负反馈网络3。

从所述第一RL串联负反馈网络2到地之间还设有外部可调偏置电压Vref。

所述RC并联负反馈网络1包括从晶体管Q1的基极到集电极之间串联的第一电容C1和第一电阻R1。

所述第一RL串联负反馈网络2包括从晶体管Q1的集电极到外部可调偏置电压Vref之间串联的第一电感L1和第二电阻R2。

所述第二RL串联负反馈网络3包括从晶体管Q1的发射极到地之间串联的第二电感L2和第三电阻R3。

通过调整RC并联负反馈网络1、第一RL串联负反馈网络2与第二RL串联负反馈网络3中的元件值，使共集电极晶体管Q1的输入阻抗的实部为50欧姆，与第三电容C3串联后，从信号输入端向共集电极晶体管Q1看去呈现一个50欧姆纯电阻，达到直接匹配至50欧姆的目的。使电路静态偏置于饱和区，随着输入功率的增大，偏置点向放大区移动，共集电极晶体管Q1中的跨导g_m随着输入功率的增加而增加，预失真电路的功率增益也将随之增大，产生功率扩张。当输入功率进一步增加时，共集电极晶体管Q1的动态工作范围将进入深度饱和区与截止区，导致其跨导g_m平均值减少，因此电路的功率增益将会下降。外部连接有可调偏置电压Vref，通过调整此偏置电压Vref，可以补偿环境温度改变、工艺偏差以及晶体管老化等产生的不可预估的非线性失真。在外部可调偏置电压Vref与第一RL串联负反馈网络2的连接端到地之间连接有第二电容C2，把交流信号短路到地，消除交流信号对外部直流偏置电压Vref的干扰。

如图3所示，本发明电路原理图的小信号模型等效电路图，其中，g_m、C_π、C_μ、R_π、R_μ分别为晶体管的跨导、发射结电容、集电结电容、发射结电阻、集电结电阻，Z_in是从信号输入的源端看进去的阻抗。

该电路的输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{Z_{\mathrm{be}}-Z_E^{\′}+g_m{Z}_{\mathrm{be}}{Z}_E^{\′}}{1-A_i}---\left(1\right)$

其中

$A_i=-\frac{g_m{Z}_{\mathrm{be}}(Z_E^{\′}+Z_C)}{Z_{\mathrm{bc}}+Z_C}=-\frac{g_m{Z}_{\mathrm{be}}(Z_E^{\′}/Z_C+1)}{Z_{\mathrm{bc}}/Z_C+1}---\left(2\right)$

Z_E＝jwL_E+R_E

Z′_E＝Z_E||R_L

Z_C＝jwL_C+R_C

$Z_{\mathrm{bc}}=(\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_f}+R_f)\left|\right|\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_{\mathrm{\μ}}}\left|\right|R_{\mathrm{\μ}}$

$Z_{\mathrm{be}}=R_{\mathrm{\π}}\left|\right|\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_{\mathrm{\π}}}$

可得该预失真电路的功率增益为：

$G_p=\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}\≈\frac{Z_{\mathrm{in}}}{Z_{\mathrm{in}}+R_S}\frac{Z_{\mathrm{in}}}{R_L}\≈\frac{1}{2}\frac{Z_{\mathrm{in}}}{R_L}---\left(3\right)$

由式(3)可知，该预失真电路的功率增益与其输入阻抗成正比。分析上几式可知，RC并联负反馈网络1减小了该电路的输入阻抗与功率增益，第二RL串联负反馈网络3则增大了该电路的输入阻抗与功率增益，第一RL串联负反馈网络2调制了RC并联负反馈网络1的反馈强度，因此通过调整上述三个负反馈网络1、2、3即可控制该电路功率增益的大小及增益和相位的预失真强度。

如图4a和图4b所示为本发明电路原理图的功率增益与相位偏移的仿真曲线图，预失真放大电路功率增益随着输入功率的增大而扩展，在-2.2dBm输入功率点扩展了约3dB；其负相位偏移也随着输入功率的增大而增加，在-13dBm输入功率点增加了约3°。同时，可通过调整此预失真电路的外部偏置电压Vref的大小，可以改变其增益扩展与相位偏移的程度，实现其对后级电路非线性补偿强度的可控。

本发明采用串、并联负反馈网络调制电路的功率增益和相位偏移，通过调整预失真电路的外部偏置电压，实现其功率增益扩展和相位偏移的可调。将该预失真放大电路作为功率放大器的输入级，可以有效地补偿后级电路的增益压缩与相位失真，显著提高了功放的线性度，并实现了线性度的外部可控。

Claims (4)

1.一种具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，包括射极跟随器结构的晶体管(Q1)，所述晶体管(Q1)的基极与放大器电路的输入端(IN)连接，所述晶体管(Q1)的射极通过输出匹配网络(4)与放大器电路的输出端(OUT)连接，其特征在于：从所述晶体管(Q1)的基极到集电极之间连接有RC并联负反馈网络(1)，所述晶体管(Q1)的集电极连接有外部可调偏置电压(Vref)，从所述集电极到到外部可调偏置电压(Vref)之间还连接有第一RL串联负反馈网络(2)，从所述晶体管(Q1)的射极到地之间连接有第RL串联负反馈网络(3)。

2.根据权利要求1所述的具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，其特征在于：所述RC并联负反馈网络(1)包括从晶体管(Q1)的基极到集电极之间串联的第一电容(C1)和第一电阻(R1)。

3.根据权利要求1所述的具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，其特征在于：所述第一RL串联负反馈网络(2)包括从晶体管(Q1)的集电极到外部可调偏置电压(Vref)之间串联的第一电感(L1)和第二电阻(R2)。

4.根据权利要求1所述的具有可调预失真功能的射频功率放大器电路，其特征在于：所述第RL串联负反馈网络(3)包括从晶体管(Q1)的发射极到地之间串联的第二电感(L2)和第三电阻(R3)。

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