專利名稱：用于功率放大器的自增壓電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于晶體管放大器電路領域，更具體而言，涉及帶自偏置增壓電路用于在低功率電平時提高最大功率輸出和降低功耗的功率放大器電路。
這種通用類型的放大器經常用于高頻RF放大器，及音頻放大器和其它應用。為了獲得線性輸入-輸出關系和高工作效率，這種放大器典型地工作在大約180°(B類)或稍大一點(AB類)的導通角以避免交越失真。
典型地，這種類型的放大器需要一個DC偏置電路來建立放大器電路中的靜態偏置電流以確保工作在B類或AB類模式。在現有技術中，偏置典型地由固定的電流源來提供，如美國專利No.5,844,443中所示，也可以由外部電源提供，該外部電源可以被設置到一個期望的恒定值以保證期望模式下工作所需的靜態電流，如美國專利No.5,548,248中所示。
但是，在上述類型放大器中，從電源流出的平均電流依賴于輸入信號電平。當輸出功率增大時，功率晶體管發射極和基極的平均電流也都增大。該增大的平均電流引起偏置電路和鎮流電阻(用于避免利用交叉設計的晶體管中的預熱和熱耗散)中增大的壓降。這又會減小導通角(即，放大器導通的360°之外的度數)，而且強制放大器進入深度B類甚至C類工作，從而降低了最大功率輸出。為了避免該功率降低，該放大器必須有更大的靜態偏壓。在現有技術的電路中這不可避免地導致低功率輸出電平時更高的功耗，從而導致工作特性中不期望的折衷。
本領域一種新近的改進公開于共同未決的序列號為No.09/536,946的美國專利申請中，該申請的題目為“用于功率放大器的動態偏置增壓電路”，由本發明的兩個發明者，Sowlati和Luo，在2000年3月28日提交。該申請公開了上面所討論問題的一種解決方案，它要求提供帶動態偏置增壓電路的功率放大器電路，以便當輸出功率通過利用一個檢測放大器輸入電壓并產生作為該信號振幅函數的動態偏置增壓的電路而增大時，能夠動態增大功率晶體管的偏壓。這種解決方案的缺點是使用了過多的有源和無源元件，這樣就沒有將簡單性、緊湊性和制造的經濟性達最大限度。
因此，期望有一種功率放大器電路，它具有在低功率電平時最優的最大輸出功率和降低的功耗的優點。此外，對這種電路，還期望在設計上能非常簡單緊湊，而且制造可以節約成本。
因而本發明的一個目的是提供一種功率放大器電路，它在低功率電平時提供提高的最大輸出功率和更少的功耗。本發明還有一個目的是提供一種功率放大器電路，它不僅在設計上非常簡單緊湊，而且制造也非常節約成本。
根據本發明，這些目的都是通過一種新的功率放大器電路來實現的，該新電路用于放大輸入信號并有至少約180°的導通角，該放大器電路包括一個放大晶體管和一個用于偏置該放大晶體管以獲得期望導通角的DC偏置電路。該DC偏置電路包括一個自偏置增壓電路，用于當提供給功率放大器的輸入信號增大時，由該DC偏置電路先減小然后增大提供給放大晶體管控制端子的DC偏置電壓。
在本發明的一種優選實施例中，該放大器電路是B類或AB類放大器電路。
在本發明的另一種優選實施例中，該自偏置增壓電路包括從該自偏置增壓電路的一個輸出端子耦合到公共端子的電容，以及在該輸出端子和放大晶體管控制端子之間耦合的電阻。
在本發明的又一種優選實施例中，該自偏置增壓電路還包括一個與該電容串聯耦合的開關，用于使該功率放大器電路能夠工作在兩種輸出功率模式中的任一種。
一種根據本發明的功率放大器電路尤其在各種特征的優勢組合方面提出了顯著的改進，包括在低功率電平時提高的最大輸出功率和降低的功耗，可以在非常簡單、緊湊和節約的配置下獲得。
本發明的這些和其它方面將通過參考下面描述的實施例變得明顯，并加以說明。
通過參考下面的描述，及聯系相應附圖，可以更加完整地理解本發明，其中
圖1示出了根據本發明第一實施例的功率放大器電路的簡化示意圖；及圖2示出了根據本發明第二實施例的功率放大器電路的簡化示意圖。
在附圖中，相同的標號一般用于標明相同的元件。
高頻功率放大器電路1的簡化示意圖在附圖1中示出。該放大器電路包括放大晶體管10和通過電阻11耦合到放大晶體管10基極的偏置電路2。偏置電路2包括雙極型晶體管12和13，在Vcc和公共端子(GND)之間串聯耦合，晶體管耦合到偏置電壓源，該偏置電壓源以簡化的形式示為分別通過電阻16和17耦合到晶體管12和13的基極的偏置電壓源14和15。該基本電路配置由用于將輸入信號Vin耦合到放大晶體管10基極的輸入耦合電容18而變得完整，晶體管10連接在共發射極配置中并通過電感19耦合在Vcc和GND之間。功率放大器電路1的輸出來自晶體管10的集電極，而且在附圖中標明為Vout。
關于到目前為止所述的電路，應當理解盡管為了說明的目的有源元件被示為雙極型晶體管，但在本發明范圍內，場效應晶體管或雙極型和場效應晶體管的組合也可以作為選擇來使用。還應當理解功率放大器電路1和偏置電路2在形式和細節上可以不同于附圖所示簡化的、說明性的描述。此外，應當理解偏置電源可以被配置和調節以允許放大器電路工作在B類或AB類模式。
根據本發明，為了以非常簡單、緊湊和經濟的方式獲得自偏置增壓特征，電容20從偏置電路2的輸出端子21耦合到公共端子(在這里是GND)。在一種具有說明性但非限制的實例中，在適于無線電話通信頻率的電路中，電容20可以有大約2.2pF的值，而電阻11可以有大約15歐姆的值。此外，在一種實際的實現中，通過元件14、15、16和17提供給晶體管12和13的偏置電壓可以由其它已經存在于引入了本發明功率放大器的裝置其它部分的偏置電路來提供，這樣進一步簡化了電路并減小了成本和尺寸。
與更復雜和高成本的現有技術偏置控制電路相比，本發明通過使用電容20和其它電路元件，以下面將進一步詳細解釋的方式，在電路性能上提供了非常簡單和自動化的改進，其中電容在放大器電路中充當自偏置增壓器。
本發明一種更優選的實施例在圖2的簡化示意圖中示出。圖2所示電路引入了圖1的所有元件，相同的標號標明相同的元件，因而這些元件在此不再贅述。圖2電路與圖1電路的區別在于它還包括與電容20串聯耦合的開關22，因此這兩個串聯的元件連在端子21和GND之間。以這種方式，只多加了一個額外的元件，功率放大器電路就可以工作在兩種不同輸出功率模式中的任一種，即高功率模式(其中電容接地)和低功率模式(其中開關22打開，使電容20與電路斷開)。例如，當該電路用于無線通信應用時，這個雙功率模式實施例可以用來切換功率電平以便能夠工作在模擬和數字模式，其中模擬和數字模式典型地使用不同的功率電平。盡管電路元件22在圖2中示為簡單開關，應當理解這個元件在實際實現時可以使用機械開關或半導體設備，如晶體管或PIN二極管。
在上述電路中，電容20在放大器電路中充當自偏置增壓器。當與合適的輸入和輸出匹配網絡一起使用時，這個特征將在低功率電平時提供提高的最大輸出功率和更低的功耗。
為了更好地理解本發明的工作，考慮在開關22開啟時圖2電路的工作，此時電容20實際上是斷開的。在這種模式下，通過電阻11的平均壓降將隨著RF輸入電平(Vin)的增大而增大。這將依次引起晶體管10基極-發射極電壓的降低，從而使該晶體管達到飽和。當開關22關閉時，電容20連入電路，晶體管10基極-發射極電壓先減小，而隨后隨著提供給功率放大器電路的輸入信號的增大而增大，從而幫助晶體管10保持在期望的工作區域中，并且允許期望工作模式下提高的最大輸出功率。
應當強調盡管本發明中的改進對于實現是非常簡單、緊湊和節約的，但它是基于對特定工作條件的認可，而該工作條件不是明顯或顯然的。更具體而言，本發明是基于對在低輸入功率電平時電容20通過晶體管12的放電速率等于或大于其通過晶體管10和13的充電速率的認可。相反，在高功率電平時，電容20的放電速率變得比其充電速率慢。因此，當提供給功率放大器電路的輸入信號增大時，提供給晶體管10基極的DC偏置電壓將先減小然后增大，從而以非常簡單和經濟的方式提供期望的自偏置增壓效果。計算機模擬顯示提供這單個元件(電客20)能夠提高可用的最大輸出功率高達約40％。
盡管本發明已經參考其一些優選的實施例進行了具體的展示和描述，對于本領域的技術人員，應當理解在不背離本發明主旨和范圍的前提下，可以在形式和細節上進行許多的變化，其中一些在上面已經給出了建議。這樣，例如，可以使用不同類型的晶體管，而且為滿足具體的設計需求可以對電路配置進行改造。
權利要求
1.一種功率放大器電路(1)，用于放大輸入信號(Vin)且有至少約180°的導通角，所述功率放大器電路(1)包括放大晶體管(10)和用于偏置所述放大晶體管(10)以獲得所述導通角的DC偏置電路(2)，所述DC偏置電路(2)包括自偏置增壓電路，用于當提供給所述功率放大器電路(1)的輸入信號(Vin)增大時，由DC偏置電路(2)先減小然后增大提供給放大晶體管(10)控制端子的DC偏置電壓。
2.權利要求1中的功率放大器電路(1)，其中所述放大器電路(1)是B類放大器電路。
3.權利要求1中的功率放大器電路(1)，其中所述放大器電路(1)是AB類放大器電路。
4.權利要求1中的功率放大器電路(1)，其中所述自偏置增壓電路包括從該自偏置增壓電路輸出端子(21)耦合到公共端子(GND)的電容(20)，及在所述輸出端子(21)和所述放大晶體管控制端子之間耦合的電阻(11)。
5.權利要求4中所述的功率放大器電路(1)，還包括與所述電容(20)串聯耦合的開關(22)，用于使所述功率放大器電路(1)能夠工作在兩種輸出功率模式中的任一種。
全文摘要
一種功率放大器電路(1)，包括放大晶體管(10)和用于偏置該放大晶體管以獲得至少約180°導通角的DC偏置電路。該DC偏置電路(2)包括一個自偏置增壓電路，用于當提供給功率放大器的輸入信號增大時，由該DC偏置電路(2)先減小然后增大提供給放大晶體管(10)控制端子的DC偏置電壓。該自偏置增壓電路在設計上非常簡單緊湊，并且允許功率放大器電路(1)以改進的功率輸出特性工作在B類或AB類。
文檔編號H03F3/21GK1561572SQ01804568
公開日2005年1月5日 申請日期2001年11月27日 優先權日2000年12月6日
發明者S·羅, T·索拉蒂, C·約伊, K·布爾格 申請人:皇家菲利浦電子有限公司