一种功率放大器偏置电路及功率放大电路的制作方法

1.本实用新型涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种功率放大器偏置电路及功率放大电路。


背景技术：

2.在各类无线通信射频中，射频功率放大器是必不可少的关键部件，该部件主要用于将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大，以满足无线通信所需的射频信号的功率要求。功率放大器的存在形式主要可以分为集成形式和分立形式；集成形式，一般为小功率应用，跟基带或者射频其它电路集成设计在同一片晶元上，分立器件形式，一般为输出功率较大的应用场景，功放管为独立器件；集成形式的功放偏置，在芯片里面同时会有对应的偏置电路为功放工作时提供特定的偏置电压；集成电路里的偏置电路形式根据需求也是各种各样，比较有共性的基本都是利用ic器件的对称性、以及有源器件的温度特性等，从而实现电路的偏压输出以及对温度的补偿等目的；分立形式的功放偏置，跟集成形式功放的偏置电压产生原理差别较大，有简单的电阻分压形式、有源器件温度补偿方式、闭环负反馈方式、温度检测 查表 可调电阻输出方式、温度检测 查表 dac输出方式、漏极电流检测 adc转换 dac输出等形式等；相关电路形式多样，目的都是为了实现给功放管提供稳定的直流偏置电压以及一定的温度稳定性。
3.现有类似技术方案，其在硬件上需要adc cpu dac这种模式，同时还需要软件算法参与才可实现；模拟器件的转换精度以及软件的稳定性都对该偏置电路的最终性能产生影响；从偏置电压产生到收敛稳定，软件运行的耗时跟算法以及cpu处理速度等有关，这可能导致功放打开时间不满足应用需求。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述部分技术缺陷，提供一种功率放大器偏置电路。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种功率放大器偏置电路，包括：用于为功率放大器提供漏极电流的供电电路；连接所述供电电路和所述功率放大器输出端、用于检测所述漏极电流的电流检测电路；以及连接所述电流检测电路的积分电路，连接所述积分电路和所述功率放大器输入端的电压保持电路，连接所述电压保持电路的放电电路。
6.优选地，所述电流检测电路包括采样电路和放大电路；
7.所述采样电路的第一端连接所述功率放大器输出端和所述放大电路的第一输入端，所述采样电路的第二端连接所述供电电路和所述放大电路的第二输入端，所述放大电路的输出端连接所述积分电路。
8.优选地，所述放大电路可选用专用电流检测集成芯片也可使用运算放大器搭建成仪用放大器形式。
9.优选地，所述积分电路包括：第一运算放大器、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容；
10.所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第一电阻的第一端、所述第二电阻的第一端、所述第三电阻的第一端、第一电容的第一端和第二电容的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述电流检测电路，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端分别接地，所述第三电阻的第二端和所述第二电容的第二端分别连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述第一运算放大器的输出端和所述电压保持电路，所述第一运算放大器的同向输入端用于输入一参考电压。
11.优选地，所述第三电阻的阻值大于所述第一电阻和所述第二电阻的阻值；所述第一电容的容值小于所述第二电容的容值。
12.优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值可选择相同。
13.优选地，所述电压保持电路包括：第二运算放大器、第四电阻、第二二极管和储能电容；
14.所述第二运算放大器的同向输入端分别连接所述储能电容的第一端、所述第二二极管的阴极和所述放电电路，所述储能电容的第二端接地，所述第二二极管的阳极连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述积分电路，所述第二运算放大器的反向输入端分别连接所述第二运算放大器的输出端和所述功率放大器输入端。
15.优选地，所述电压保持电路还包括第三运算放大器、第三二极管、第四二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻；
16.所述第三运算放大器的同向输入端分别连接所述第三二极管的阴极、所述第四二极管的阳极和所述储能电容的第一端，所述第三二极管的阳极连接所述第五电阻的第一端、所述第六电阻的第一端和所述第二二极管的阴极，所述第五电阻的第二端接地，
17.所述第三运算放大器的反向输入端分别连接所述第六电阻的第二端、所述第二运算放大器的同向输入端、所述第八电阻的第一端和所述第九电阻的第一端，
18.所述第三运算放大器的输出端分别连接所述第八电阻的第二端和所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接所述第四二极管的阴极和所述放电电路，所述第九电阻的第二端接地。
19.优选地，所述第六电阻大于所述第八电阻的阻值，所述第五电阻的阻值大于所述第九电阻的阻值，其中，所述第八电阻与所述第九电阻的阻值比为k1，所述第六电阻和所述第五电阻的阻值比k2，0.8k2＜k1<1.2k2。
20.优选地，所述放电电路包括mos管，所述mos管的栅极连接一控制电压，所述mos管的漏极连接所述电压保持电路，所述mos管的源极接地。
21.另，本实用新型的一种功率放大电路，包括功率放大器，偏置电路，所述偏置电路为如上面任意一项所述的功率放大器偏置电路。
22.实施本实用新型的功率放大器偏置电路和功率放大电路，具有以下有益效果：能够仅通过硬件电路实现对功率放大器的静态偏置，相对现有相关的技术方案控制更简单、稳定性更高、功耗更小、成本更低。
附图说明
23.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
24.图1是本实用新型功率放大器偏置电路一实施例的的电路原理图；
25.图2是本实用新型功率放大器偏置电路另一实施例的的电路原理图；
26.图3是图2对应的积分电路输出电压曲线示意图；
27.图4是本实用新型功率放大器偏置电路另一实施例的的电路原理图；
28.图5是图4的电路图中电压保持电路内容部分电压曲线示意图。
具体实施方式
29.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
30.如图1，在本实用新型的一种功率放大器偏置电路第一实施例中，包括：用于为功率放大器11提供漏极电流的供电电路；连接供电电路和功率放大器11输出端、用于检测漏极电流的电流检测电路20；以及连接电流检测电路20的积分电路30，连接积分电路30和功率放大器11输入端的电压保持电路40，连接电压保持电路40的放电电路50。其中功率放大器11的输入端连接用来防止直流信号反灌至上级电路的输入隔离电路12，功率放大器11的输出端连接用来防止这里直流信号进入下级电路的输出隔离电路13。该功率放大器偏置电路中，供电电路用来为功率放大器11提供漏极电压v1，电流检测电路20连接供电电路和功率放大器11输出端，其用来检测供电电路对功率放大器11进行供电的漏极电流。其中电流检测电路20在功率放大器11输出端与输出隔离电路13之间，以防止直流供电进入后级电路。积分电路30连接电流检测电路20，其能够根据电流检测电路20输出的检测电压与参考输入电压v2的压差状态，按不同的斜率进行积分输出，并在电流检测电路20输出的检测电压满足一定条件时停止积分输出。积分电路30的参考电压输入为v2，电压保持电路40连接积分电路30。在功率放大器11的漏极刚上电输入v1时，电压保持电路40的输出为0v，功率放大器11的输入端电压即栅压也为零，这样功率放大器11的漏极电流为零，连接功率放大器11的输出端即漏极的电流检测电路20的输出电压也为零，该电压小于积分电路30的参数输入端输入的参考电压v2，积分电路30工作在积分状态，积分电压上升斜率与积分电路30的输入端电压差成正比例关系，积分电路30的输出不断上升的过程中，由于积分电路30输出与电压保持电路40连接，积分输出电压会同时经电压保持电路40进行充电，电压保持电路40的输出电压不断上升，电压保持电路40的输出电压与功率放大器11的栅极连接，作为功率放大器11的偏置电压vbias，当vbias电压升高至为功率放大器11的阈值电压vth时，功率放大器11的漏极有漏极电流流过，同时流过的漏极电流经过电流检测电路20检测得到对应的输出电压，该输出电压由零不断上升，使得该电压与参考电压v2之间的压差逐渐减小，逐渐减小的压差同步使得积分电路30的输出积分电压斜率逐渐趋于平缓，当漏极电流增大到使电流检测电路20的输出电压略高于参考电压v2特定倍数时，积分电路30输出积分电压停止升高并迅速拉低为零，同时使得与之连接的电压保持电路40的电压停止升高。此时偏置电路由闭环状态切换为开环状态，即功率放大器11的偏置电压vbias只由电压保持电路40提供，此时vbias就是为达到预期漏极电流所对应的偏置电压。当需要关断功率放大器11的漏极电流时，控制积分电路的外部参考电压v2降为零，同时控制放电电路50导通，此时放电
电路50就会给电压保持电路40提供放电路径，电压保持电路40不再进行电压保持，其输出电压降低，偏置电压vbias同步降低，当vbias降低到低于功率放大器11的阈值电压vth时，其对应的漏极电流降为零，实现功率放大器11漏极电流关断的目的。
31.如图2所示，在一实施例中，电流检测电路20包括采样电路21和放大电路22；采样电路21的第一端连接功率放大器11输出端和放大电路22的第一输入端，采样电路21的第二端连接供电电路和放大电路22的第二输入端，放大电路22的输出端连接积分电路30。具体的，供电电压v1提供漏极电压时，其提供的漏极电流流过采样电路21并在两端形成电压差，该电压差经过放大电路22进行放大后得到最终的与漏极电流对应的检测电压，其中采样电路21可以采用采样电阻，放大电路22可以通过运算放大器搭建而成，其也可以选用专用电流检测芯片进行信号检测并放大输出。
32.在一实施例中，积分电路30包括：第一运算放大器34、第一二极管37、第一电阻31、第二电阻32、第三电阻36、第一电容33和第二电容35；第一运算放大器34的反向输入端连接第一电阻31的第一端、第二电阻32的第一端、第三电阻36的第一端、第一电容33的第一端和第二电容35的第一端，第一电阻31的第二端连接电流检测电路20，第二电阻32的第二端和第二电容35的第二端分别接地，第三电阻36的第二端和第二电容35的第二端分别连接第一二极管37的阴极，第一二极管37的阳极连接第一运算放大器34的输出端和电压保持电路40，第一运算放大器34的同向输入端用于输入一参考电压。具体的，参考电压v2接入到第一运算放大器34的同向输入端in ，在电流检测电路20的输出为零时，第一运算放大器34的反向输入端in
‑
电压也为零，第一运算放大器34的输入压差(同向输入端in 的电压vin 与反向输入端in
‑
的电压vin
‑
)为v2，其大于零，根据第一运算放大器34的虚短特性，第一运算放大器34的输出会通过第一二极管37、第二电容35、第一电阻31和第二电阻32组成积分通道，实现一定斜率的积分电压输出，从而维持vin 和vin
‑
电压相等。
33.可选的，第三电阻36的阻值远大于第一电阻31和第二电阻32的阻值；第一电容33的容值远小于第二电容35的容值。其中第三电阻36为大电阻，其阻值远远大于第一电阻31和第二电阻32的阻值，例如可以设置第三电阻36的阻值为第一电阻31和第二电阻32的阻值的50倍以上，并设置第一电容33的容值远远小于第二电容35的容值，例如可以设置第二电容35的容值为第一电容33的容值的50倍以上，第三电阻36和第一电容33对第一运算放大器34的积分输出影响可以忽略。
34.可选的，第一电阻31和第二电阻32的阻值相同。具体的，在功率放大器11无漏极电流时，电流检测电路20的输出电压为零，此时第一电阻31和第二电阻32等效为并联关系，第一电阻31和第二电阻32的阻值相同时，其等效的并联电路的阻值为各自阻值的一半，此时第一运算放大器34的以最大斜率进行积分输出。当vbias超过功率放大器11的阈值电压vth时，漏极电流会升高，漏极电流的升高会使电流检测电路20的输出电压不断升高，与之相连的第一电阻31的一端电压开始不断升高，由于另一端为vin
‑
＝v2不变，那么会使得第一电阻31两端的压差不断减小，流过第一电阻31的电流也同步减小，由于流过第二电阻32的电流恒定为v2除以第二电阻32的阻值，而流过这两个电阻的总电流等于运算放大器34对第二电容35充电电流，因此第二电容35的充电速度也开始减小，第一运算放大器34的输出电压斜率开始变缓；当电流检测电路20的输出电压升高至电压v2并超越v2时，流过第一电阻31的电流方向发生切换，此时流过第二电阻32的电流由第二电容35和第一电阻31同时提供。
由于流过第二电阻32的电流恒定为v2除以第二电阻32阻值，而流过第一电阻31的电流由于电流检测电路20的输出电压增加，其越来越大，因此流过第二电容35的电流越来越小，第一运算放大器34的输出电压斜率越来越缓并趋于0；当电流检测电路20的输出电压为2倍v2时，由于第一电阻31和第二电阻32阻值相等，第二电容35的电流降为0，第一运算放大器34停止输出；此时电压保持电路40保持当前电压，此时对应的vbias就是所期望的偏置电压，对应的漏极电流也是所预期的漏极电流。实际上，由于电路的各部分的相位延时或惯性，会导致电流检测电路20的输出电压会略高于2倍的参考电压v2，此时会出现第一运算放大器34的输入端vin
‑
略高于vin ，由于第一二极管37的单向特性，第一运算放大器34的输出迅速由积分状态时的输出电压跳变为0，此时的电路由闭环状态切换成开环状态；如图3所示的积分电路30输出电压曲线图，曲线主要可分四个阶段，初期很陡的跳变为第一二极管37导通前的电压，第二阶段固定斜率的上升期为vbias未到达功率放大器11的阈值电压vth前的积分输出电压，第三阶段为超越vth值至预期偏置电压前的斜率趋缓阶段，第四阶段为偏置电压略超过预期偏置电压时积分电路30呈现出比较器特性的电压跳变；vbias的电压就由电压保持电路40的电压来维持；同时第三电阻36会将第二电容35积分的电荷慢慢放光，准备下一次积分。外部参考电压v2的值可由公式v2＝r1*i1*a/2获取，其中i1为预期的漏极电流，a为电流检测电路20中放大电路22的增益，r1为检电流检测电路20中采样电路21的阻值。
35.在一实施例中，电压保持电路40包括：第二运算放大器43、第四电阻41、第二二极管42和储能电容44；第二运算放大器43的同向输入端分别连接储能电容44的第一端、第二二极管42的阴极和放电电路50，储能电容44的第二端接地，第二二极管42的阳极连接第四电阻41的第一端，第四电阻41的第二端连接积分电路30，第二运算放大器43的反向输入端分别连接第二运算放大器43的输出端和功率放大器11输入端。具体的，积分电路30的输出可以通过第四电阻41和第二二极管42后通过第二运算放大器43为功率放大器11提供偏置电压，同时积分电路30的输出还可以通过第四电阻41和第二二极管42后给储能电容44充电，储能电容44充电实现电压保持的功能。其中第二运算放大器43被配置为跟随状态作为输出缓冲与功率放大器11的栅极连接，输出的电压作为偏置电压vbias。储能电容44可以采用漏电小以及温度稳定性都较好的陶瓷电容，第二运算放大器43可以选择低输入电流的型号。
36.如图4所示，在一实施例中，为了减小高温下第二二极管42反向漏电以及放电电路50漏电造成的储能电容44上的电荷维持时间有限的问题，为使电压稳定时间更理想，电压保持电路40还包括第三运算放大器456、第三二极管453、第四二极管454、第五电阻452、第六电阻451、第七电阻455、第八电阻457和第九电阻458；第三运算放大器456的同向输入端分别连接第三二极管453的阴极、第四二极管454的阳极和储能电容44的第一端，第三二极管453的阳极连接第五电阻452的第一端、第六电阻451的第一端和第二二极管42的阴极，第五电阻452的第二端接地，第三运算放大器456的反向输入端分别连接第六电阻451的第二端、第二运算放大器43的同向输入端、第八电阻457的第一端和第九电阻458的第一端，第三运算放大器456的输出端分别连接第八电阻457的第二端和第七电阻455的第一端，第七电阻455的第二端连接第四二极管454的阴极和放电电路50，第九电阻458的第二端接地。其具体连接关系如上文描述，其工作原理为，第一运算放大器34的输出经过第四电阻41和第二
二极管42后出现三个分流路径，其中一条通过第三二极管453对储能电容44充电使其电压同步升高，第二条通过第六电阻451流向第三运算放大器456的反向端、第八电阻457和第九电阻458，由于第三运算放大器456的虚短特性，其会通过调节输出电压并通过第八电阻457作用到输入反向端，使其与输入同向端即储能电容44上的电压保持一致；第三条是通过第五电阻452流向地，在使用场景中，取第五电阻452为大电阻，使得该电流通道可以忽略；由于第三运算放大器456的输入反向端与输入同向端电压相同，因此第二运算放大器43的同向输入端电压与储能电容44的电压一致，并且该电压会被缓冲输出到功率放大器11的栅极即偏置电压vbias，当vbias小于功率放大器11的阈值电压vth时，积分电路30以最大的斜率输出积分电压，由第四电阻41、第二二极管42、第三二极管453构成的通道也以最快的速度对储能电容44充电，同步的vbias也以最快的速度升高并接近vth电压，当vbias达到并跨越vth值时，功率放大器11开始导通，漏极电流逐渐增大，电流检测电路20的输出电压由0开始升高，积分电路30输出电压上升斜率开始变平缓，此时由第四电阻41、第二二极管42、第三二极管453构成的通道对储能电容44的充电也同样减慢平缓，在越接近目标漏极电流时，对储能电容44的充电接近为0，当储能电容44上的电压略微超越预期电压时，即vbias电压略微越过预期电压、漏极电流略微超过目标电流、电流检测电路20输出电压略微超过2倍的v2时，积分电路30输出呈现出比较器特性，第一运算放大器34输出迅速跳变为0,由于第二二极管42的单向性，电压保持电路40此时与积分电路30呈现断开状态，电路处于开环状态，vbias的电压仅由电压保持电路40中存储电容44上的电压维持。积分电路30输出停止对电压保持电路40充电瞬间，电压保持电路40内部会出现一个状态切换，切换过程如下：第一运算放大器34输出电压变为零后，第五电阻452电阻和第六电阻451的公共端电压变为对vbias的分压(此时vbias的电压与储能电容44上的电压一致)，这样使得第三二极管453会处于反偏状态，反偏电压大小可由第五电阻452和第六电阻451的比值来定；同时由于vbias电压与第八电阻457和第九电阻458的公共端电压一致，因此第三运算放大器456的输出电压高于vbias，该输出电压通过第七电阻455加载到第四二极管454上，也使第四二极管454处于反偏状态；选择第八电阻457和第九电阻458的阻值比例与第六电阻451和第五电阻452的阻值比例一致，那么二极管453两端与二极管454两端上的反偏电压几乎一致，并且第三二极管453与第四二极管454选择共封装的器件，那么两个二极管的器件参数几乎一致，温度特性也几乎一致，流过第三二极管453上的反向漏电流可以全部由流过第四二极管454上的反向漏电流补偿掉，这样就不会消耗存储电容上的电荷。还可以选择第八电阻457和第九电阻458的阻值比例与第六电阻451和第五电阻452的阻值比例相接近，例如第八电阻457和第九电阻458的阻值比为第六电阻451和第五电阻452的阻值比的80％到120％之间。此外，第八电阻457的阻值远小于第六电阻451，第九电阻458的阻值远小于第五电阻452的阻值；例如第六电阻451大于40倍的第八电阻457的阻值，第五电阻452的阻值大于40倍的第九电阻458的阻值，其中，第六电阻451阻值选择千欧量级，第五电阻452是第六电阻451的几十倍的量级，第八电阻457阻值选择几十欧量级。
37.如图5所示，该实施例中状态切换前与切换后第三二极管453p(p/n结)端(对应曲线c)、第四二极管454n(p/n结)端(对应曲线a)以及储能电容44上电压(对应曲线b)曲线图，由图可以看出，稳定后第四二极管454的反偏电压(第四二极管454与储能电容44之间的压差)与第三二极管453的反偏电压(储能电容44与第三二极管453之间的压差)压差几乎一
致，可以很好的对第三二极管453进行漏电流补偿；同时该电路可以使得放电电路50与储能电容44不直接连接，但仍具有对储能电容44进行放电的功能，这样就减少了两个主要的漏电通道，存储电容的电荷泄漏通道只剩下自身漏电流以及第三运算放大器456的输入电流；而这两种漏电流可以通过参数选型控制的很小，这样存储电容上的电压会非常稳定；一般可以做到高温下几秒钟下降1mv的水平，常温或低温下维持时间更久；这个稳定度对于绝大多数通讯应用领域已经足够满足要求。
38.在一实施例中，放电电路50包括mos管51，mos管51的栅极连接一控制电压，mos管51的漏极连接电压保持电路40，mos管51的源极接地。具体的，当要关断功率放大器11时，只需要将外部参考电压v2降为0，并同时提供控制电压v3打开mos管，储能电容44上的电荷会通过mos管以及第四二极管454提供的通路泄放，储能电容44的电压同步下降，同时后端的vbias电压也一起下降，当低于功率放大器11的阈值电压vth时，就实现了关断功率放大器11的目的。其中mos管采用nmos管。
39.另，本实用新型的功率放大电路包括功率放大器11，偏置电路，偏置电路为上面任意一项的功率放大器偏置电路。即通过上面的功率放大器偏置电路对功率放大器11提供偏置电压，实现功率放大电路的各种工作。
40.可以理解的，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。