CN106788286B - 一种饱和功率放大器基于基极的功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，包括两个运算放大器和三个晶体管。控制电压、调节电压分别通过电阻一、电阻二连接运算放大器一的正输入端，运算放大器一的负输入端与输出端相连，并连接运算放大器二的正输入端。运算放大器二的负输入端通过电阻四接地，还通过电阻五连接晶体管三的集电极；运算放大器二的输出端输出中间电压作为晶体管一和晶体管二的基极偏置电压。晶体管一发射极连接晶体管三的集电极；晶体管二的发射极输出提供给功率晶体管的基极偏置电流；晶体管三的基极通过电阻六连接集电极，还通过电容一连接射频信号输入端；晶体管三的发射极接地。本申请可以改善饱和功率放大器在小输出功率下的开关谱。

Description

一种饱和功率放大器基于基极的功率控制电路

技术领域

本申请涉及一种饱和功率放大器，特别是涉及其中的功率控制电路。

背景技术

一般的功率放大器工作在线性区，增益基本保持恒定，输出功率与输入功率成正比，这种功率放大器通常被称为线性功率放大器。

有一种功率放大器工作在饱和状态，输出功率主要由功率晶体管的集电极偏置电压或基极偏置电流来决定，这种功率放大器通常被称为饱和功率放大器。饱和功率放大器包含有功率控制电路，用来根据控制信号调节提供给功率晶体管的偏置电压或偏置电流。例如，GSM功率放大器就属于饱和功率放大器。

GSM功率放大器的输出功率由控制电压Vramp进行调节。2015年6月出版的《IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques》第63卷第6期有一篇文章《Electrothermal Effects on Performance of GaAs HBT Power Amplifier DuringPower Versus Time(PVT)Variation at GSM/DCS Bands》，以下简称文献A。该文献A中的图5公开了一种CMOS控制器功能模块，也就是一种GSM功率放大器的功率控制电路，用来根据控制电压Vramp输出提供给功率晶体管的集电极电压Vcc。

请参阅图1，这是上述文献的图5所公开的一种现有的功率控制电路的简化示意图。该功率控制电路的输入输出满足Vcc＝Gain×(Vramp-Voff)，其中放大器的增益Gain为常数，比较电压Voff也为常数，因此输出电压Vcc与输入的控制电压Vramp之间呈线性关系。如果将功率晶体管的输出功率称为Pout，则有通过选取传统功率控制电路中的各元件参数，可以使比较电压Voff取值很小，此时可以忽略比较电压Voff，则有

如果将分贝毫瓦(dBm，decibel relative to one milliwatt)所表示的输出功率称为Pout_dBm，则有通过选取传统功率控制电路中的各元件参数，可以使比较电压Voff取值很小，此时可以忽略比较电压Voff，则有由于增益Gain与负载电阻Rload均为常数，a也为常数，因此分贝毫瓦所表示的输出功率Pout_dBm与控制电压Vramp之间大致成对数关系。

分贝毫瓦表示的输出功率Pout_dBm与控制电压Vramp之间大致为对数关系可以用图2来表示。当输出功率Pout很小时，调节控制电压Vramp会使得输出功率Pout出现很大的变化，这会导致开关响应在频域上过大。

授权公告号为CN202906841U、授权公告日为2013年4月24日的中国实用新型专利《一种射频功率放大器中提高功率控制精度的电路》中，公开了一种功率控制电路。其中的功率放大器包含大功率功放和小功率功放，大功率功放采用基极偏置电压来控制输出功率，小功率功放采用集电极偏置电压来控制输出功率，从而提高功率控制精度和效率。然而该方案由于存在两种功率控制模式的切换，造成输出功率不连续，给使用带来不确定性。

申请公布号为CN105305990A、申请公布日为2016年2月3日的中国发明专利申请《一种功率放大器的功率控制电路》中，公开了一种功率控制电路。所述功率控制电路包括电流控制环路和电压控制环路，并在功率放大器的不同工作阶段由不同环路决定输出功率，从而取得面积、成本以及稳定时间方面的优势。然而该方案中电流控制的精度和一致性比较难提高，功率环路的切换也容易造成输出功率不连续。

如果将GSM功率放大器的功率控制电路改为根据控制电压Vramp输出提供给功率晶体管的基极电流Ib，能有效地提高功率放大器的效率，但是面临着片上电阻工艺偏差大带来的一致性问题，同时在开关切换时也存在频谱问题。

申请公布号为CN105897201A、申请公布日为2016年8月24日的中国发明专利申请《一种GSM射频功率放大器》中，公开了一种GSM射频功率放大器。其中的功率控制电路主要是将集电极偏置电压控制方式改为基极偏置电流控制方式，从而减小面积和降低成本。然而该方案中参考电流的精确度有待提高，给量产带来一定风险。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种饱和功率放大器的功率控制电路，为功率晶体管提供基极偏置电流，可以改善在小输出功率下的开关特性。

为解决上述技术问题，本申请提供的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路包括两个运算放大器和三个晶体管；控制电压通过电阻一连接运算放大器一的正输入端，调节电压通过电阻二连接运算放大器一的正输入端，运算放大器一的正输入端还通过电阻三接地；运算放大器一的负输入端与输出端相连，并连接运算放大器二的正输入端；运算放大器二的负输入端通过电阻四接地，还通过电阻五连接晶体管三的集电极；运算放大器二的输出端输出中间电压作为晶体管一和晶体管二的基极偏置电压；晶体管一的集电极连接电源电压，发射极连接晶体管三的集电极；晶体管二的集电极连接电源电压，发射极输出提供给功率晶体管的基极偏置电流；晶体管三的基极通过电阻六连接集电极，还通过电容一连接射频信号输入端；晶体管三的集电极电压作为反馈电压；晶体管三的发射极接地。

可选地，新增电阻八并联在晶体管三的集电极与发射极之间。

本申请取得的技术效果是为由基极偏置电流和/或基极偏置电压控制输出功率的功率放大电路提供了一种基于基极的功率控制电路。所述基于基极的功率控制电路根据控制电压输出提供给功率晶体管的基极偏置电流，并且可以使整个饱和功率放大器的输出功率与控制电压之间大致成指数关系，使整个饱和功率放大器以分贝毫瓦所表示的输出功率与控制电压之间大致成线性关系，从而使得小输出功率下控制电压的微小调节仅产生较小的输出功率变化，改善了开关谱。

附图说明

图1是一种现有的GSM功率放大器的功率控制电路的简化示意图。

图2是图1所示的功率控制电路用于功率放大器时，功率放大器的输出功率与控制电压之间的关系示意图。

图3是本申请提供的饱和功率放大器的基于基极的功率控制电路的实施例一的电路示意图。

图4是本申请提供的饱和功率放大器的基于基极的功率控制电路的实施例二的电路示意图。

图中附图标记说明：Vbat为电源电压；Vramp为控制电压；Vos为调节电压；RFin为射频信号输入端；RFout为射频信号输出端；Vcon为中间电压；Vb为反馈电压；Ir为中间电流；Ib为功率晶体管的基极偏置电流；Icc为功率晶体管的集电极电流；OP为运算放大器；Q为晶体管；R为电阻；C为电容；L为电感。

具体实施方式

请参阅图3，这是本申请提供的饱和功率放大器的基于基极的功率控制电路的实施例一。为便于描述，图3中还表示出了功率放大电路。所述基于基极的功率控制电路具有两个输入信号——控制电压Vramp和调节电压Vos，还具有一个输出信号——提供给功率放大电路中的功率晶体管QP的基极偏置电流Ib。需要特别指出的是，图3所示的功率放大电路仅为示例，本申请提供的基于基极的功率控制电路可以适用于任何由基极偏置电流和/或基极偏置电压控制输出功率的功率放大电路。

所述基于基极的功率控制电路的实施例一包括两个运算放大器、三个晶体管、若干电阻和电容。控制电压Vramp通过电阻一R1连接运算放大器一OP1的正输入端，调节电压Vos通过电阻二R2连接运算放大器一OP1的正输入端，运算放大器一OP1的正输入端还通过电阻三R3接地。电阻一R1与电阻三R3构成了一条电阻分压电路，通过选择合适的电阻值可以改变控制电压Vramp分压后进入运算放大器一OP1的正输入端的电压值。电阻二R2与电阻三R3构成了另一条电阻分压电路，通过选择合适的电阻值可以改变调节电压Vos分压后进入运算放大器一OP1的正输入端的电压值。运算放大器一OP1的负输入端与输出端相连，并连接运算放大器二OP2的正输入端。运算放大器二OP2的负输入端通过电阻四R4接地，还通过电阻五R5连接晶体管三Q3的集电极。电阻四R4与电阻五R5构成了又一条电阻分压电路，通过选择合适的电阻值可以改变反馈电压Vb分压后进入运算放大器二OP2的负输入端的电压值。运算放大器二OP2的输出端输出中间电压Vcon，该中间电压Vcon作为晶体管一Q1和晶体管二Q2的基极偏置电压。晶体管一Q1和晶体管二Q2例如为双极晶体管(BJT)、金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET，简称MOS管)等，双极晶体管的基极、集电极、发射极分别相当于MOS管的栅极、漏极、源极。晶体管一Q1的集电极连接电源电压Vbat，发射极连接晶体管三Q3的集电极。晶体管二Q2的集电极连接电源电压Vbat，发射极输出提供给功率晶体管QP的基极偏置电流Ib。晶体管三Q3例如为异质结双极晶体管(HBT)。晶体管三Q3的基极通过电阻六R6连接集电极，电阻六R6是镇流电阻用来保护晶体管三Q3。这种基极与集电极通过电阻相连的方式使晶体管三Q3相当于一个二极管，晶体管三Q3的集电极、发射极分别相当于二极管的阳极、阴极。晶体管三Q3的基极还通过电容一C1连接射频信号输入端RFin。晶体管三Q3的集电极电压作为反馈电压Vb。晶体管三Q3的发射极接地。

图3所示的所述功率放大电路包括一个功率晶体管QP，例如为双极型晶体管、MOS管等。功率晶体管QP的基极通过电阻七R7接收基于基极的功率控制电路的输出电流Ib，电阻七R7是镇流电阻用来保护功率晶体管QP。功率晶体管QP的基极还通过电容二C2连接射频信号输入端RFin，电容二C2是隔直电容。功率晶体管QP的集电极作为射频信号输出端RFout，功率晶体管QP的集电极还连接电感一L1，电感一L1是负载电感。功率晶体管QP的发射极接地。

图3所示的基于基极的功率控制电路的实施例一的工作原理为：运算放大器一OP1和运算放大器二OP2先将控制电压Vramp进行逻辑处理后得到中间电压Vcon，中间电压Vcon控制着晶体管一Q1和晶体管二Q2。晶体管一Q1为晶体管三Q3提供集电极电压Vb即反馈电压Vb，两个运算放大器OP1、OP2与两个晶体管Q1、Q2就是用来将控制电压Vramp产生中间电流并且得到反馈电压Vb，以符合晶体管三Q3的集电极电压的工作区间。 其中调节电压Vos为固定电压值用来调节反馈电压Vb，因此反馈电压Vb与控制电压Vramp之间大致成线性关系。当晶体管三Q3处于放大区时，集电极电流Ir可以用近似艾伯斯-莫尔模型(the Ebers-Moll model)来描述， 其中α_f为共基极电流增益，I_ES为基极-发射极结上的反向饱和电流，V_BE为基极-发射极电压，V_T为热电压。其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子的电量。由于晶体管三Q3的基极-发射极电压V_BE就是反馈电压Vb，集电极电流Ir也称中间电流Ir，因此中间电流Ir与反馈电压Vb之间大致成指数关系。当中间电流Ir与反馈电压Vb之间大致成指数关系，同时反馈电压Vb与控制电压Vramp之间大致成线性关系时，中间电流Ir与控制电压Vramp之间大致成指数关系。由于晶体管一Q1与晶体管二Q2具有相同的基极电压即中间电压Vcon，又具有相似的发射极负载——晶体管一Q1的发射极负载是晶体管三Q3以及电阻六R6以及电容一C1，晶体管二Q2的发射极负载是功率晶体管QP以及电阻七R7以及电容二C2，因此晶体管一Q1和晶体管二Q2构成了电流镜，将晶体管三Q3的集电极电流即中间电流Ir镜像到晶体管二Q2的发射极电流，晶体管二Q2的发射极电流就是输出给功率晶体管QP的基极偏置电流Ib，Ib＝Ir。

图3所示的基于基极的功率控制电路的实施例一中，晶体管三Q3不仅实现输出电流与输入电压的指数关系，还能实现温度补偿。反馈电压Vb与控制电压Vramp之间成线性关系，不随温度变化而变化。随着温度升高，中间电流Ir也会随之升高，镜像电流Ib也会随之升高。但是功率晶体管QP的集电极电流Icc＝β×Ib，参数β与温度负相关。通过选择晶体管三Q3的合适参数，可以使得晶体管三Q3输入输出之间的温度正相关与功率晶体管的输入输出之间的温度负相关相互抵消，从而使得整个饱和功率放大器对温度不敏感(输入输出关系不受温度的影响而产生变化)。

本申请提供的基于基极的功率控制电路的输出电流Ib与输入的控制电压Vramp之间大致呈指数关系。整个饱和功率放大器的输出功率Pout＝Ib²×Rload。由于负载电阻Rload为常数，输出功率Pout与控制电压Vramp之间也大致成指数关系。因此本申请在输出功率Pout很小时，减小了调节控制电压Vramp所对应的输出功率Pout的变化量，从而改善了开关特性在频域上的响应。分贝毫瓦所表示的输出功率Pout_dBm＝10log₁₀Pout，分贝毫瓦所表示的输出功率Pout_dBm与控制电压Vramp之间大致成线性关系。

请参阅图4，这是本申请提供的饱和功率放大器的基于基极的功率控制电路的实施例二。实施例二与实施例一的区别仅在于：新增了电阻八R8并联在晶体管三Q3的集电极与发射极之间。新增的电阻八R8与晶体管三Q3并联，在输入的控制电压Vramp较小时提供一个和Vramp成线性关系的电流，此时晶体管二Q2输出的镜像电流Ib是晶体管三Q3的集电极电流与流过电阻八R8的电流之和。当输入的控制电压Vramp增大后，晶体管三Q3的漏电流起主导作用，电阻八R8上的电流可以忽略。

现有的GSM功率放大器，其输出功率Pout由控制电压Vramp来调节。如果调节程度太慢，则输出功率的上升会无法达到PVT(power versus time，功率对时间)的要求。如果调节程度太快，则输出功率的变化太快会导致闭环功率控制以及开关特性在频域上的响应问题。现有的GSM功率放大器的功率控制电路，其输出的提供给功率晶体管的集电极电压Vcc与控制电压Vramp之间大致成线性关系，最终导致GSM功率放大器的输出功率Pout与控制电压Vramp之间大致成平方关系，这使得在输出功率Pout很小时控制电压Vramp的微小调节也会产生较大的输出功率变化，容易造成开关谱问题。本申请提供的功率控制电路不仅适用于GSM功率放大器，也适用于其他饱和功率放大器。当用于GSM功率放大器时，本申请提供的功率控制电路所输出的电流Ib与控制电压Vramp之间大致成指数关系，最终导致GSM功率放大器的输出功率Pout与控制电压Vramp之间大致成指数关系，这使得在输出功率Pout很小时控制电压Vramp的微小调节仅产生较小的输出功率变化，从而克服了开关谱问题。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，包括两个运算放大器和三个晶体管；控制电压通过电阻一连接运算放大器一的正输入端，调节电压通过电阻二连接运算放大器一的正输入端，运算放大器一的正输入端还通过电阻三接地；运算放大器一的负输入端与输出端相连，并连接运算放大器二的正输入端；运算放大器二的负输入端通过电阻四接地，还通过电阻五连接晶体管三的集电极；运算放大器二的输出端输出中间电压作为晶体管一和晶体管二的基极偏置电压；晶体管一的集电极连接电源电压，发射极连接晶体管三的集电极；晶体管二的集电极连接电源电压，发射极输出提供给功率晶体管的基极偏置电流；晶体管三的基极通过电阻六连接集电极，还通过电容一连接射频信号输入端；晶体管三的集电极电压作为反馈电压；晶体管三的发射极接地。

2.根据权利要求1所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，新增电阻八并联在晶体管三的集电极与发射极之间。

3.根据权利要求1或2所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，电阻一与电阻三构成了一条电阻分压电路，用来对控制电压分压后提供给运算放大器一的正输入端；

电阻二与电阻三构成了另一条电阻分压电路，用来对调节电压分压后提供给运算放大器一的正输入端；

电阻四与电阻五构成了又一条电阻分压电路，用来对反馈电压分压后提供给运算放大器二的负输入端。

4.根据权利要求1或2所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，晶体管三的基极与集电极通过电阻六相连，这种连接方式使晶体管三相当于一个二极管，晶体管三的集电极、发射极分别相当于二极管的阳极、阴极。

5.根据权利要求1或2所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，功率晶体管的基极通过电阻七接收基于基极的功率控制电路的输出电流，还通过电容二连接射频信号输入端；功率晶体管的集电极作为射频信号输出端，还连接电感一；功率晶体管的发射极接地。

6.根据权利要求1或2所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，晶体管一、晶体管二和功率晶体管为双极晶体管或MOS管，双极晶体管的基极、集电极、发射极分别相当于MOS管的栅极、漏极、源极；

晶体管三为异质结双极晶体管。

7.根据权利要求1或2所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，运算放大器一、运算放大器二、晶体管一、晶体管二用来根据控制电压产生中间电流并且得到反馈电压，以符合晶体管三的集电极电压的工作区间；反馈电压与控制电压之间大致成线性关系。

8.根据权利要求7所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，基极与集电极通过电阻六相连使晶体管三相当于一个二极管，晶体管三的集电极、发射极分别相当于二极管的阳极、阴极；晶体管三的基极-发射极电压就是反馈电压；当晶体管三处于放大区时，集电极电流即中间电流与基极-发射极电压即反馈电压之间大致成指数关系；

当中间电流与反馈电压之间大致成指数关系，同时反馈电压与控制电压之间大致成线性关系时，中间电流与控制电压之间大致成指数关系。

9.根据权利要求8所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，晶体管一与晶体管二具有相同的基极电压以及相似的发射极负载，因此晶体管一和晶体管二构成了电流镜，将晶体管三的集电极电流即中间电流镜像到晶体管二的发射极电流，晶体管二的发射极电流就是输出给功率晶体管的基极偏置电流；因此输出给功率级晶体管的基极偏置电流与控制电压之间大致成指数关系；

饱和功率放大器的输出功率与控制电压之间也大致成指数关系；

分贝毫瓦所表示的饱和功率放大器的输出功率与控制电压之间大致成线性关系。

10.根据权利要求8所述的饱和功率放大器基于基极的功率控制电路，其特征是，晶体管三的集电极电流与基极-发射极电压之间与温度正相关，功率晶体管的集电极电流与基极偏置电流之间与温度负相关，使晶体管三的温度正相关与功率晶体管的温度负相关相互抵消，从而使得整个饱和功率放大器对温度不敏感。