提高放大器線性度的失真抵消偏置電路及提高線性度方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，所述失真抵消偏置電路包括失真電流提取電路、失真電流縮放電路和失真電流移除電路。其特征在于失真電流提取電路從三極管基極提取集電極與基極間反偏二極管產(chǎn)生的失真電流，然后將提取到的失真電流送入失真電流縮放電路進行初步縮放處理，失真電流移除電路將經(jīng)過縮放的失真電流送回待抵消的三極管中完成失真抵消工作。該技術(shù)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙、整個失真抵消電路均在三極管的偏置電路中完成，不影響三極管本身的信號處理，可廣泛用于各種放大器的設(shè)計中，并可與其它提高放大器線性度的技術(shù)同時使用，極大的提高了放大器的性能。
【專利說明】提高放大器線性度的失真抵消偏置電路及提高線性度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種偏置電路，特別涉及一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路及提高線性度的方法，屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]高性能放大器作為子電路單元廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。收發(fā)信機中，用于驅(qū)動接收鏈路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)以及發(fā)射鏈路內(nèi)功率放大器(PA)的放大器亦稱驅(qū)動放大器，此類放大器輸出信號幅度較大，信號容易失真。為了不影響系統(tǒng)性能，對驅(qū)動放大器的線性度指標有著較高的要求。用于提供功率放大器線性度的技術(shù)主要包括反饋、前饋、預(yù)失真技術(shù)和自適應(yīng)偏置等技術(shù)。這些技術(shù)大多需要片外器件或環(huán)路來完成，不適用于全集成的放大器。用于全集成普通放大器(如運算放大器)的線性度提高技術(shù)主要包括反饋、局部反饋、輸入夸導(dǎo)失真抵消技術(shù)，這些技術(shù)確實能夠在一定程度上提高放大器線性度。現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)(如無線線基站)對通信系統(tǒng)的線性度提出了越來越高的要求，現(xiàn)有的提高放大器線性度的技術(shù)已難以滿足系統(tǒng)要求。因此，迫切的需要一種新的方案解決上述技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，該偏置電路利用三極管的基極偏置電路提取三極管集電極電壓引起的失真電流，然后將提取到的失真電流按一定的比例反向饋送回三極管中，從而實現(xiàn)失真抵消。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下，一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，所述失真抵消偏置電路由失真抵消偏置電路和三極管構(gòu)成，所述失真抵消偏置電路一端連接三極管的基極，另一端連接在三極管的發(fā)射極，所述失真抵消偏置電路用于提取及移除三極管集電極電壓變化引起的失真。
[0005]作為本發(fā)明的一種改進，所述失真抵消偏置電路包括失真電流提取電路、失真電流縮放電路和失真電流移除電路三個子單元，失真電流提取電路從三極管基極提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流tg ;失真電流縮放電路對提取到的失真電流按比例m(-10<m<10)進行縮放后送入失真電流移除電路；失真電流移除電路將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管的發(fā)射極送入三極管，從而在三極管的集電極獲得近乎無失真的電流。需要指出的是失真分量移除電路本身亦可以對失真電流進行縮放操作。所述失真抵消偏置電路連接在三極管的基極與發(fā)射極，與集電極信號無直接聯(lián)系。失真電流提取電路在三極管的基極偏置電路中實現(xiàn)，而失真電流移除電路接入低阻抗的三極管發(fā)射極。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進，所述失真電流I流入NPN晶體管的發(fā)射極，然后從NPN晶體管的集電極進入比例縮放電路102，102設(shè)置為m:l電流鏡，電路102將經(jīng)過縮放后的失真電流送入失真電流移除電路103 ;失真電流移除電路103將接收到的失真電流麵i再次縮放々倍后，將大小為Iai的失真電流送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；通過小信號分析推導(dǎo)出三極管200集電極小信號電流為%Ι = (1+Ι?)|-|.? = 0+Ι|-^?)?,當(dāng)In =1+|!時，|g = _,該式表明三極管200集電極中已
無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提高。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進，失真電流%流入PNP晶體管的發(fā)射極，然后從PNP晶體的集電極直接進入失真移除電路103中，由于失真移除電路103本身亦具有電流縮放能力，因此本案例中的比例縮放電路102可以移除。失真電流移除電路103將接收到的失真電流 縮放A倍后，送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；通過小信號分析推導(dǎo)出三極管200集電極小信號電流為I3=鎢=(I+H-1Ji,當(dāng)|=重+α?xí)r，I3=_,該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提高。
[0008]作為本發(fā)明的一種改進，失真電流提取電路102與待抵消的三極管200均為失真
抵消電路103的一部分。其具體的失真抵消過程如下:失真電流I從NPN晶體管Τ2的發(fā)射極流入，從Τ2的集電極流出進入m:1電流鏡；m:1電流鏡將失真電流I縮放m倍后送入晶體管TI的集電極；晶體管T1、T2、T3以及電阻Rl、R2構(gòu)成比例為々的電流鏡，該電流鏡將TI集電極電路縮放々倍后鏡像到晶體管T3的集電極；得出三極管200 (T3)集電極的小信號電'2--=0+噸-戲=(1+a- mk%,當(dāng)Ii = |+α?xí)r,I3=II,該式表明三極管2οο集電極中已無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提高。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進，該方案充分利用了差分信號的互補特性，進一步簡化了失真抵消偏置電路的實現(xiàn)形式，其失真抵消過程如下:失真提取電路101通過晶體管Τ2、Τ5的發(fā)射極分別接收來自晶體管Τ3、Τ4的差分失真電流I與一I,然后將差分失真電流通過Τ2、Τ5的集電極 送入比例縮放電路102中；比例縮放電路102 —方面將來自Τ2集電極的失真電流I轉(zhuǎn)送入晶體管Τ6的集電極，另一方面將來自Τ5集電極的失真電流一|送入晶體管TI的集電極；晶體管T1、T2、T3與電阻Rl、R2構(gòu)成電流鏡，該電流鏡將TI集電極接收到的源自于T4的失真電流按比例k鏡像到T3的集電極；晶體管T4、T5、T6與電阻R3、R4構(gòu)
成另一組電流鏡，該電流鏡將T6集電極接收到的源自于T3的失真電流I按比例k鏡像到T4的集電極;得出晶體管T3的集電極電流晶體管T4的集電極電流:--=雌I霉《1+1|=-fl+? i)i。當(dāng)|:=1+^時’晶體管T3、T4集電極電流=% = i，該式表明該電路中即使T3、T4的集電極已無失真電流分量。T3、T4的線性度得到了極大的提聞。
[0010]采用上述電路提高放大器線性度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟，I)失真電流提取電路101從三極管200基極提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流% ;2)失真電流縮放電路102對101提取到的失真電流按比例mm(-10〈m〈10)進行縮放后送入失真電流移除電路；3)失真電流移除電路103將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管200的發(fā)射極送入三極管200，從而在三極管200的集電極獲得近乎無失真的電流。
[0011]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)的優(yōu)點如下:1)本發(fā)明的技術(shù)方案中所述的失真抵消偏置電路包括失真電流提取，失真電流縮放和失真移除三個子單元，所述失真抵消技術(shù)工作原理簡單清晰；2)所述失真抵消偏置電路的工作過程為直接提取三極管中不希望的失真電流|，再將提取到失真電流^按比例縮放，最后將縮放后的失真電流疊加到三極管的集電極電流中；失真電流提取、縮放與移除動作均在三極管的基極偏置電路中完成，不影響三極管本身的信號處理工作；3)所述失真抵消偏置技術(shù)直接提高了三極管本身的線性度，而三極管是眾多放大器電路的基本單元，因此所述失真抵消技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種放大器的設(shè)計中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述失真抵消偏置電路；
圖2 Ca)為實施例1電路原理圖；
圖2 (b)為實施例2電路原理圖；
圖3為實施例3電路原理圖；
圖4為實施例4電路原理圖；
圖5—圖7為NPN型晶體管電路原理圖；
圖8 Ca)為現(xiàn)有技術(shù)折疊共集共基全差分放大器電路原理圖；
圖8 (b)為本發(fā)明方案替換后的電路原理圖。 【具體實施方式】
[0013]為了加深對本發(fā)明的理解和認識，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述和介紹。
[0014]參見圖1，一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，所述失真抵消偏置電路由失真抵消偏置電路100和三極管200構(gòu)成，所述失真抵消偏置電路100 —端連接三極管的基極，另一端連接在三極管的發(fā)射極，所述失真抵消偏置電路100用于提取及移除由于三極管集電極交流電壓引起的失真，所述失真抵消偏置電路100由失真電流提取電路101、失真電流縮放電路102和失真電流移除電路103構(gòu)成，失真電流提取電路101從三極管200
基極提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流I;失真電流縮放電路102對101提取到的失真電流按比例m(-10〈m〈10)進行縮放后送入失真電流移除電路；失真電流移除電路103將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管200的發(fā)射極送入三極管200，從而在三極管200的集電極獲得近乎無失真的電流。集電極存在大信號的三極管的主要失真源，如圖1，D1為集電極與基極反偏二極管、D2為集電極至襯底的寄生二極管；由于二極管為強非線性器件，
三極管T3集電極的大電壓信號Vout在Dl、D2上產(chǎn)生嚴重的非線性電流4和I;由于]!和I相位相近大小不同，可以假定則在T3集電極由Vout引起的的小信號輸出電流為^ = (1+11?本發(fā)明所述的失真抵消偏置技術(shù)即用于抵消或移除三極管集電極電流中的非線性電流分量需要指出的是失真分量移除電路103本身亦可以對失真電流
進行縮放操作。所述失真抵消偏置電路連接在三極管的基極與發(fā)射極，與集電極信號無直接聯(lián)系。失真電流提取電路101在三極管的基極偏置電路中實現(xiàn)，而失真電流移除電路103接入低阻抗的三極管發(fā)射極。因此，所述的失真抵消偏置技術(shù)不會降低三極管的增益與頻率響應(yīng)。
[0015]實施例1:參見圖2 (a)，作為本發(fā)明的一種改進，所述失真電流I流入NPN晶體管T2的發(fā)射極，然后從NPN晶體管T2的集電極進入比例縮放電路102，102設(shè)置為m:1電流鏡，電路102將經(jīng)過縮放后的失真電流誦?送入失真電流移除電路103 ;失真電流移除電路103將接收到的失真電流國I再次縮放々倍后，將大小為的失真電流送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；對小信號分析推導(dǎo)得出三極管200集電極小信號電流為當(dāng)I1=I+!(時，|s=l,該式表明三極管2oo集電極中已無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提高。
[0016]實施例2:參見圖2 (b)，作為本發(fā)明的一種改進，失真電流\流入PNP晶體管的發(fā)射極T2，然后從PNP晶體管T2的集電極直接進入失真移除電路103中，由于失真移除電路103本身亦具有電流縮放能力，因此本案例中的比例縮放電路102可以移除。失真電流移除電路103將接收到的失真電流3|縮放々倍后，送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；通過小信號分析推導(dǎo)得出三極管200集電極小信號電流為
當(dāng)|=1+^時,1=_,該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提高。
[0017]實施例3:參見圖3，作為本發(fā)明的一種改進，本實施例中，失真電流提取電路102與待抵消的三極管200均為失真抵消電路103的一部分。其具體的失真抵消過程如下:失真電流I從NPN晶體管T2的發(fā)射極流入，從T2的集電極流出進入m:1電流鏡；m:1電流鏡將失真電流&縮放m倍后送入晶體管Tl的集電極；晶體管T1、T2、T3以及電阻Rl、R2構(gòu)成比例為々的電流鏡，該電流鏡將Tl集電極電路縮放々倍后鏡像到晶體管Τ3的集電極；得出三極管200 (Τ3)集電極 的小信號電流?3 = ^+Ι?)--麗Ι| = (1+α-繼量沐,當(dāng)in =|+<1時，I3= I,該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。三極管200的線性度得到了極大的提聞。
[0018]實施例4:參見圖4，作為本發(fā)明的一種改進，該方案充分利用了差分信號的互補特性，進一步簡化了失真抵消偏置電路的實現(xiàn)形式，其失真抵消過程如下:失真提取電路101通過晶體管T2、T5的發(fā)射極分別接收來自晶體管Τ3、Τ4的差分失真電流|與一然后將差分失真電流通過Τ2、Τ5的集電極送入比例縮放電路102中；比例縮放電路102 —方面將來自Τ2集電極的失真電流I轉(zhuǎn)送入晶體管Τ6的集電極，另一方面將來自Τ5集電極的失真電流送入晶體管Tl的集電極；晶體管Tl、T2、T3與電阻Rl、R2構(gòu)成電流鏡，該電流鏡將Tl集電極接收到的源自于T4的失真電流一I按比例k鏡像至Ij T3的集電極；晶體管T4、T5、T6與電阻R3、R4構(gòu)成另一組電流鏡，該電流鏡將T6集電極接收到的源自于T3的失真電流|按比例々鏡像到T4的集電極；得出晶體管T3的集電極電流條3 = \+崎+(-蛘)=(!+?-啦，晶體管T4的集電極電流當(dāng)時’晶體管T3、Τ4集電極電流I3 = ^4 = 1,該式表明該電路中即使T3、T4的集電極已無失真電流分量。Τ3、Τ4的線性度得到了極大的提高。
[0019]圖2、3、4所述失真抵消偏置電路均為用于NPN晶體管的實現(xiàn)電路，由于NPN晶體管與PNP晶體管的互補性，經(jīng)過簡單修改即可產(chǎn)生對應(yīng)的用于PNP型晶體管的失真抵消偏置電路，分別見圖5、圖6和圖7。用于PNP晶體管的失真抵消偏置電路技術(shù)原理與NPN型晶體管完全相同，此處不再重復(fù)分析。所述失真抵消技術(shù)應(yīng)用廣泛，可用于大多數(shù)包含電流鏡負載或共基晶體管的放大器中。下面給出一種所述失真抵消偏置技術(shù)在傳統(tǒng)放大器中的應(yīng)用實例。
[0020]圖8(a)為傳統(tǒng)折疊共集共基全差分放大器的電路示意圖，該放大器分別由共集放大器300、共基放大器400、電流源負載500、輸出緩沖600和共模反饋700組成。經(jīng)過簡單觀察可在，該電路節(jié)點A與節(jié)點B為大信號點，同時Α、Β點分別為三極管Τ3、Τ4與Τ6、Τ7的集電極。八、8兩點的大信號會導(dǎo)致了3、了4、了6、了7產(chǎn)生嚴重的失真。進一步觀察可知，可采用所述失真抵消偏置技術(shù)對Τ3、Τ4、Τ6、Τ7進行線性度提升。圖2至圖7所述失真抵消偏置電路均可用于圖8(a)所述電路中，但是出于對電路最小改動的原則，此處選擇圖4與圖7所述的NPN與PNP型差分失真抵消偏置電路。圖8 (a) 400用圖7所示電路替換，500用圖4電路替換，采用所述失真抵消偏置技術(shù)后的放大器如圖8(b)，圖8(b)電路中節(jié)點A與節(jié)點B處大信號引起的失真已得到抵消，可在放大器輸出端獲得極其優(yōu)秀的線性度性能。
[0021]采用上述電路提高放大器線性度的方法，所述方法包括以下步驟，I)失真電流提
取電路101從三極管 200基極提取提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流I ;2)失真電流縮放電路102對101提取到的失真電流按比例m(-10〈m〈10)進行縮放后送入失真電流移除電路；3)失真電流移除電路103將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管200的發(fā)射極送入三極管200，從而在三極管200的集電極獲得近乎無失真的電流。
[0022]上面描述了所述失真抵消偏置技術(shù)幾種電路實現(xiàn)形式，這并不表示所述失真抵消偏置技術(shù)僅存在以上幾種實現(xiàn)形式，事實上進過簡單變化即可產(chǎn)生眾多的具體實現(xiàn)電路。圖1所述失真抵消偏置技術(shù)包括但不僅限于圖2至圖7所示的基本構(gòu)成形式。所述失真抵消技術(shù)直接提高了三極管本身的線性度，而三極管是眾多放大器電路的基本單元，因此所述失真抵消技術(shù)可用于大部分傳統(tǒng)放大器的設(shè)計中。圖8圖8(b)僅為所述失真抵消技術(shù)在傳統(tǒng)折疊共集共基放大器中的應(yīng)用。另外，由于所述失真抵消技術(shù)僅在三極管的偏置電路中完成，所述失真抵消偏置技術(shù)可與其它用于提高放大器線性度的技術(shù)一起用于高級放大器，如運算放大器的設(shè)計中。所述失真抵消電路具有基礎(chǔ)性，既可用于新型放大器設(shè)計，亦可對大部分傳統(tǒng)放大器進行技術(shù)改造。所述失真抵消偏置技術(shù)可與其它大部分用于提高放大器線性度的技術(shù)同時使用，從而設(shè)計出各種用途不同的具有極高線性度的放大器。
[0023]需要說明的是上述實施例，并非用來限定本發(fā)明的保護范圍，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上所作出的等同變換或替代均落入本發(fā)明權(quán)利要求所保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，所述失真抵消偏置電路由失真抵消偏置電路100和三極管200構(gòu)成，所述失真抵消偏置電路100 —端連接三極管的基極，另一端連接在三極管的發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，所述失真抵消偏置電路100包括失真電流提取電路101、失真電流縮放電路102和失真電流移除電路103三個子單元，失真電流提取電路101從三極管200基極提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流I;失真電流縮放電路102對101提取到的失真電流按比例m(-10<m<10)進行縮放后送入失真電流移除電路；失真電流移除電路103將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管200的發(fā)射極送入三極管200，從而在三極管200的集電極獲得近乎無失真的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，所述失真電流%流入NPN晶體管的發(fā)射極，然后從NPN晶體管的集電極進入比例縮放電路102，102設(shè)置為m:1電流鏡，電路102將經(jīng)過縮放后的失真電流》&送入失真電流移除電路103 ；失真電流移除電路103將接收到的失真電流再次縮放々倍后，將大小為的失真電流送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；通過小信號分析推導(dǎo)出三極管200集電極小信號電流為當(dāng)—^+^時^^’該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，失真電流I流入PNP晶體管的發(fā)射極，然后從PNP晶體的集電極直接進入失真移除電路103中，失真電流移 除電路103將接收到的失真電流I縮放々倍后，送入三極管200的發(fā)射極，完成失真電流的抵消工作；通過小信號分析推導(dǎo)出三極管200集電極小信號電流為% = (1+ιι)|-Ι|=(1+ιι-Ι)|,當(dāng)]|=|+|!時,?=!!,該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，失真電流I從NPN晶體管T2的發(fā)射極流入，從T2的集電極流出進入m:1電流鏡；m:1電流鏡將失真電流I縮放m倍后送入晶體管TI的集電極；晶體管T1、T2、T3以及電阻Rl、R2構(gòu)成比例為k的電流鏡，該電流鏡將Tl集電極電路縮放々倍后鏡像到晶體管T3的集電極；得出三極管2οο(τ3)集電極的小信號電流||=(1+α)|-.Λ?=^+---繼 1)1,當(dāng)時,I3=I,該式表明三極管200集電極中已無任何失真電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高放大器線性度的失真抵消偏置電路，其特征在于，失真提取電路101通過晶體管T2、T5的發(fā)射極分別接收來自晶體管T3、T4的差分失真電流i與》|，然后將差分失真電流通過T2、Τ5的集電極送入比例縮放電路102中；比例縮放電路102—方面將來自Τ2集電極的失真電流I轉(zhuǎn)送入晶體管Τ6的集電極，另一方面將來自Τ5集電極的失真電流送入晶體管Tl的集電極；晶體管Tl、Τ2、Τ3與電阻Rl、R2構(gòu)成電流鏡，該電流鏡將Tl集電極接收到的源自于T4的失真電流_|按比例k鏡像到T3的集電極；晶體管T4、T5、T6與電阻R3、R4構(gòu)成另一組電流鏡，該電流鏡將T6集電極接收到的源自于T3的失真電流％按比例k鏡像到T4的集電極；得出晶體管T3的集電極電流晶體管 T4 的集電極電流;
7.采用權(quán)利要求1-6所述電路提高放大器線性度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟，I)失真電流提取電路101從三極管200基極提取集電極與基極間二極管D2引起的失真電流^ ;2)失真電流縮放電路102對101提取到的失真電流按比例m(-10〈m〈10)進行縮放后送入失真電流移除電路；3)失真電流移除電路103將經(jīng)過縮放的失真電流通過三極管200的發(fā)射極送入三極管200，從而在三極管200的集電極獲得近乎無失真的電流。
【文檔編號】H03F1/32GK104038160SQ201410269406
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】姜亞偉, 鄒閩中, 鄧青, 吳烜 申請人:南京美辰微電子有限公司