功率放大器的制造方法
【專利摘要】公開了一種功率放大器，包括：在電源端和地之間串聯連接的第一電阻、扼流電感和第一晶體管；連接在功率放大器的輸入端與第一晶體管的柵極之間的輸入耦合電路；以及連接在功率放大器的輸出端與扼流電感和第一晶體管的第一中間節點之間的輸出耦合電路，其特征在于，所述功率放大器還包括與第一晶體管的柵極相連接的偏置電路，使得第一晶體管的工作點跟隨電源電壓的變化。該功率放大器可以降低第一晶體管的耐壓要求，并且使得第一晶體管在第一中間節點的輸出信號的直流分量大致等于電源電壓的一半，以確保功率放大器的輸出功率，并且可以改善可靠性和線性度。
【專利說明】功率放大器【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電子電路，具體地涉及功率放大器。
【背景技術】
[0002]功率放大器通常用作音頻放大器和射頻放大器，用于產生功率輸出以驅動負載。在射頻應用領域，功率放大器是必要的模塊，在發射信號之前對信號進行放大，然后可以將放大的信號耦合至天線。
[0003]按功率放大器的工作模式分類，功率放大器可分為A類、B類、AB類、C類、D類、E類等。功率放大器的種類不同，其輸出的電壓波形也不同。功率放大器的輸出波形的幅值可能達到電源電壓的2~4倍，從而要求功率放大器中的功率晶體管的耐壓也應該是電源電壓的2-4倍。
[0004]對于一些消費類電子產品，在使用電池時，電源電壓可能在寬范圍內變化。在滿電的時候，電源電壓可以達到7V或更高。然而，在電池快用完的時候，電源電壓會下降到2V左右。為了適應寬范圍的電源電壓變化，需要按照最大電源電壓設計功率晶體管的耐壓參數。然而，在普通工藝上同時要求工作頻率高和耐壓高是一件困難的事。采用更先進的工藝則會增加成本，而且不利于集成。
[0005]另一方面，由于負載在使用過程中通常是固定的。如果電源電壓變化范圍大，還會使得功率放大器的負載偏離最佳負載值。結果可能減小輸出功率，并且使得功率輸出的線性度變差。
[0006]因此，期望降低功率放大器中的功率晶體管的耐壓要求以及改善功率輸出的線性度。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于提供一種可以擴展電源電壓范圍的功率放大器。
[0008]根據本實用新型，提供一種功率放大器，包括:在電源端和地之間串聯連接的第一電阻、扼流電感和第一晶體管；連接在功率放大器的輸入端與第一晶體管的柵極之間的輸入耦合電路；以及連接在功率放大器的輸出端與扼流電感和第一晶體管的第一中間節點之間的輸出耦合電路，其特征在于，所述功率放大器還包括與第一晶體管的柵極相連接的偏置電路，使得第一晶體管的工作點跟隨電源電壓的變化。
[0009]優選地，在所述功率放大器中，所述偏置電路包括:串聯連接在供電端和地之間的第二電阻和第二晶體管，在第二電阻和第二晶體管之間的第二中間節點產生檢測電壓；連接至第二晶體管的柵極的第三電阻；連接至第一晶體管的柵極的第四電阻；以及運算放大器，其同相端接收檢測電壓，其反相端接收參考電壓，其輸出端經由第三電阻連接至第二晶體管的柵極，以及經由第四電阻連接至第一晶體管的柵極。優選地，在所述功率放大器中，所述參考電壓為電源電壓的一半。優選地，在所述功率放大器中，第一晶體管與第二晶體管的導電類型相同。優選地，在所述功率放大器中，第一電阻的電阻值與第一晶體管的寬長比的乘積，等于第二電阻的電阻值與第二晶體管的寬長比的乘積.[0010]優選地，在所述功率放大器中，所述偏置電路包括:串聯連接在供電端和地之間的第二電阻和第二晶體管；以及連接至第一晶體管的柵極和第二晶體管的柵極之間的第三電阻，其中，第二晶體管的柵極還連接至第二電阻和第二晶體管的中間節點，并且第一晶體管和第二晶體管形成電流鏡，電流鏡調整第一晶體管的工作點，使得第一電阻上的電壓降始終大致等于電源電壓的一半。優選地，在所述功率放大器中，第一晶體管與第二晶體管的導電類型相同。優選地，在所述功率放大器中，第一電阻的電阻值與第一晶體管的寬長比的乘積，等于第二電阻的電阻值與第二晶體管的寬長比的乘積的1/2。
[0011]優選地，在所述功率放大器中，所述輸入耦合電路包括隔直電容。
[0012]優選地，在所述功率放大器中，所述輸出耦合電路包括隔直電容和負載匹配電阻中的至少一種。
[0013]優選地，在所述功率放大器中，所述輸出耦合電路包括匹配濾波電路。
[0014]在本實用新型的功率放大器中，由于上述偏置電路的作用，在扼流電感和第一晶體管的中間節點產生放大的信號的直流分量與電源電壓相關，并且始終大致等于電源電壓的一半。第一晶體管的耐壓要求降低。該功率放大器的工作點可以跟隨電源電壓的變化，從而可以確保功率放大器的輸出功率，并且改善可靠性和線性度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其他目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中:
[0016]圖1為根據現有技術的功率放大器的示意性電路圖；
[0017]圖2為根據現有技術的功率放大器的示意性波形圖；
[0018]圖3為根據本實用新型的實施例的功率放大器的示意性框圖；
[0019]圖4為根據本實用新型的實施例的功率放大器的第一實例；以及
[0020]圖5為根據本實用新型的實施例的功率放大器的第二實例。
【具體實施方式】
[0021]以下將參照附圖更詳細地描述本實用新型的各種實施例。在各個附圖中，相同的元件采用相同或類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。
[0022]圖1為根據現有技術的功率放大器的示意性電路圖。該功率放大器包括串聯連接的第一晶體管Ml和扼流電感L1、與第一晶體管Ml的柵極電連接的輸入耦合電路、以及連接在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點上的輸出耦合電路。
[0023]輸入耦合電路例如包括連接在功率放大器的輸入端和第一晶體管Ml的柵極之間的第一電容Cl。第一晶體管Ml的柵極還與偏置電阻RO相連接。偏置電壓Vb經由偏置電阻RO施加在第一晶體管Ml的柵極上，用于設置第一晶體管Ml的工作點。輸出耦合電路可以包括連接在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點與輸出端之間的第二電容C2、匹配濾波電路IO1、以及連接在輸出端和地之間的負載匹配電阻RL。第一電容CI和第二電容C2均起到隔斷直流的作用。[0024]圖2為根據現有技術的功率放大器的示意性波形圖。在工作時，功率放大器的輸入端接收交流輸入信號Vin。在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點產生放大的信號VA。在第一晶體管Ml為N型MOSFET的情形下，該中間節點即第一晶體管Ml的漏極。根據第一晶體管Ml的偏置狀態，第一晶體管Ml的輸出信號VA包括直流分量VCCA。經過第二電容C2去除直流分量VCCA，在功率放大器的輸出端產生與交流輸入信號Vin相對應的交流輸出信號VOUT。
[0025]在工作時，當該功率放大器處于靜態的時候，Vin等于O。由于扼流電感LI的內阻很小，信號VA基本上為幅值為VCCA的直流信號，并且VCCA基本上等于電源電壓VCC。而當Vin大于O時，信號VA是包括直流分量VCCA的交流信號。根據偏置電壓Vb的不同，第一晶體管Ml處于不同的工作點。第一晶體管Ml的漏極的最高電壓會到達VCC的2?4倍。這就要求第一晶體管Ml的漏極的耐壓是電源電壓的2?4倍。。
[0026]在圖1所示的現有技術的功率放大器的基礎上，已經提出的解決第一晶體管Ml的耐壓問題的一種方案是扼流電感LI和電源之間串接一個電阻。由于該串接電阻的分壓，第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量將小于電源電壓VCC，從而降低了第一晶體管Ml的耐壓要求。然而，串接電阻上的電壓降與第一晶體管Ml中流過的直流電流的大小相關。當電源電壓VCC下降的時候，第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量會明顯低于VCC/2。結果，第一晶體管Ml在靜態的時候就有可能進入線性區，從而使得功率放大器不能正常工作。
[0027]圖3為根據本實用新型的實施例的功率放大器的示意性框圖。與圖1所示的根據現有技術的功率放大器類似，本實用新型的功率放大器包括扼流電感LI和第一晶體管Ml、與第一晶體管Ml的柵極電連接的輸入耦合電路、以及連接在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點上的輸出耦合電路。該功率放大器還包括如上所述的在扼流電感LI和電源之間串聯連接的第一電阻R1，以減小第一晶體管Ml的耐壓要求。
[0028]輸入耦合電路例如包括連接在功率放大器的輸入端和第一晶體管Ml的柵極之間的第一電容Cl。輸出耦合電路可以包括連接在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點與輸出端之間的第二電容C2、匹配濾波電路101、以及連接在輸出端和地之間的負載匹配電阻RL。第一電容Cl和第二電容C2均起到隔斷直流的作用。
[0029]與圖1所示的根據現有技術的功率放大器的不同之處在于，本實用新型的功率放大器包括偏置電路102，以替代偏置電阻R0。偏置電路102串聯連接在供電端和第一晶體管Ml的柵極之間。在工作時，偏置電路102檢測電源電壓VCC，并且產生偏置電壓Vb施加在第一晶體管Ml的柵極上，用于設置第一晶體管Ml的工作點，使得第一電阻Rl上的電壓降始終大致等于電源電壓VCC的一半。也即，第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量始終約等于VCC/2。
[0030]圖4為根據本實用新型的實施例的功率放大器的第一實例。
[0031]如圖4所示，偏置電路102包括串聯連接在供電端和地之間的第二電阻R2和第二晶體管M2。在第二電阻R2和第二晶體管M2的中間節點產生檢測電壓VA2。將檢測電壓VA2提供至運算放大器Ul的同相端，以及將參考電壓VREF = VCC/2提供至運算放大器Ul的反相端。運算放大器Ul的輸出端經由第三電阻R3連接至第二晶體管M2的柵極，經由第四電阻R4連接至第一晶體管Ml的柵極，分別向第二晶體管M2和第一晶體管Ml提供柵極偏置電壓，以設置其工作點。
[0032]第一晶體管Ml和第二晶體管M2是相同導電類型的晶體管。在一個實例中，第一晶體管Ml和第二晶體管M2均為N型M0SFET。選擇第一電阻Rl和第二電阻R2的電阻值，使得第一電阻Rl的電阻值與第一晶體管Ml的寬長比的乘積，等于第二電阻R2的電阻值與第二晶體管M2的寬長比的乘積。
[0033]在工作時，偏置電路根據電源電壓VCC調整第一晶體管Ml和第二晶體管M2的工作點。第一晶體管Ml的柵源電壓與第二晶體管M2的柵源電壓相同。在第二晶體管M2的工作范圍內，通過運算放大器UI提供的反饋環路，可以控制第二晶體管M2中的靜態電流，從而相應地控制第一晶體管Ml的靜態電流。無論電源電壓VCC如何變化，運算放大器Ul均以反饋方式調整第一晶體管Ml和第二晶體管M2，使得第一電阻Rl和第二電阻R2上的電壓降始終大致等于電源電壓VCC的一半。第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量始終約等于VCC/2。
[0034]圖5為根據本實用新型的實施例的功率放大器的第二實例。
[0035]如圖5所示，偏置電路102包括串聯連接在供電端和地之間的第二電阻R2和第二晶體管M2。第二晶體管M2的柵極經由第三電阻R3連接至第一晶體管Ml的柵極，并且第二晶體管M2的柵極還連接至第二電阻R2和第二晶體管M2的中間節點。
[0036]第一晶體管Ml和第二晶體管M2是相同導電類型的晶體管。在一個實例中，第一晶體管Ml和第二晶體管M2均為N型M0SFET。選擇第一電阻Rl和第二電阻R2的電阻值，使得第一電阻Rl的電阻值與第一晶體管Ml的寬長比的乘積，等于第二電阻R2的電阻值與第二晶體管M2的寬長比的乘積的1/2。
[0037]在工作時，第二晶體管Ml的柵極經由第二電阻R2連接至電源電壓VCC，從而始終處于飽和狀態。第一晶體管Ml的柵源電壓與第二晶體管M2的柵源電壓相同，從而形成電流鏡。第一晶體管Ml和第二晶體管M2上流過的靜態電流之比11/12，等于兩個晶體管的寬長比之比K，即11/12 = K。由于第二晶體管M2上的源漏電壓等于柵源電壓，因此，第二電阻R2兩端的電壓近似為電源電壓VCC (其中，忽略了第二晶體管M2上的柵極電壓)。第二晶體管M2上流過的靜態電流近似為12 = VCC/R2。相應地，第一晶體管Ml上流過的靜態電流近似為Il = K*I2 = K*VCC/R2。從而，在第一電阻Rl上的電壓降VRl = I1*R1 =K*VCORl/R2。
[0038]由于第一電阻Rl的電阻值與第一晶體管Ml的寬長比的乘積，等于第二電阻R2的電阻值與第二晶體管M2的寬長比的乘積的1/2，因此，第一電阻Rl上的電壓降VRl =VCC/2。無論電源電壓VCC如何變化，電源鏡均調整第一晶體管M2的工作點，使得第一電阻Rl上的電壓降始終大致等于電源電壓VCC的一半。第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量始終約等于VCC/2。
[0039]由于上述偏置電路的作用，在本實用新型的功率放大器中，在第一晶體管Ml和扼流電感LI的中間節點產生第一晶體管Ml的輸出信號VA的直流分量與電源電壓相關，并且始終大致等于電源電壓VCC的一半。當功率放大器在正常的電源電壓下工作時，第一晶體管Ml承受的電壓會減小為原來的一半。隨著電源電壓VCC降低至小于初始電源電壓的一半時，第一晶體管Ml的工作點仍然可以跟隨電源電壓VCC的變化，從而可以確保功率放大器的輸出功率，并且改善可靠性和線性度。[0040]在上述的實施例中，描述了各個晶體管的導電類型。然而，在替代的實例中，第一和第二晶體管中的每一個可以是相反的導電類型，相應地，在圖4和5的電路中需要互換其源極和漏極的位置。
[0041]依照本實用新型的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該實用新型僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本實用新型的原理和實際應用，從而使所屬【技術領域】技術人員能很好地利用本實用新型以及在本實用新型基礎上的修改使用。本實用新型的保護范圍應當以本實用新型權利要求所界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種功率放大器,其特征在于,包括: 在電源端和地之間依次串聯連接的第一電阻、扼流電感和第一晶體管； 連接在功率放大器的輸入端與第一晶體管的柵極之間的輸入耦合電路；以及連接在功率放大器的輸出端與扼流電感和第一晶體管的第一中間節點之間的輸出耦合電路， 其特征在于，所述功率放大器還包括與第一晶體管的柵極相連接的偏置電路，使得第一晶體管的工作點跟隨電源電壓的變化。
2.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，第一晶體管的工作點設置為使得在第一中間節點的輸出信號的直流分量大致等于電源電壓的一半。
3.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述偏置電路包括: 串聯連接在供電端和地之間的第二電阻和第二晶體管，在第二電阻和第二晶體管之間的第二中間節點產生檢測電壓； 連接至第二晶體管的柵極的第三電阻； 連接至第一晶體管的柵極的第四電阻；以及 運算放大器，其同相端接收檢測電壓，其反相端接收參考電壓，其輸出端經由第三電阻連接至第二晶體管的 柵極，以及經由第四電阻連接至第一晶體管的柵極， 其中，運算放大器以反饋方式調整第一晶體管和第二晶體管的工作點，使得第一電阻和第二電阻上的電壓降始終大致等于電源電壓的一半。
4.根據權利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述參考電壓為電源電壓的一半。
5.根據權利要求3所述的功率放大器，其特征在于，第一晶體管與第二晶體管的導電類型相同。
6.根據權利要求3所述的功率放大器，其特征在于，第一電阻的電阻值與第一晶體管的寬長比的乘積，等于第二電阻的電阻值與第二晶體管的寬長比的乘積。
7.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述偏置電路包括: 串聯連接在供電端和地之間的第二電阻和第二晶體管；以及 連接至第一晶體管的柵極和第二晶體管的柵極之間的第三電阻， 其中，第二晶體管的柵極還連接至第二電阻和第二晶體管的中間節點，并且第一晶體管和第二晶體管形成電流鏡， 電流鏡調整第一晶體管的工作點，使得第一電阻上的電壓降始終大致等于電源電壓的一半。
8.根據權利要求7所述的功率放大器，其特征在于，第一晶體管與第二晶體管的導電類型相同。
9.根據權利要求7所述的功率放大器，其特征在于，第一電阻的電阻值與第一晶體管的寬長比的乘積，等于第二電阻的電阻值與第二晶體管的寬長比的乘積的1/2。
10.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述輸入耦合電路包括隔直電容。
11.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述輸出耦合電路包括隔直電容和負載匹配電阻中的至少一種。
12.根據權利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述輸出耦合電路包括匹配濾波電路。
【文檔編號】H03F3/20GK203800890SQ201420229870
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】鄭烷, 胡鐵剛 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司