提高放大器线性度的失真抵消偏置电路及提高线性度方法

技术领域

本发明涉及一种偏置电路，特别涉及一种提高放大器线性度的失真抵消偏置电路及提高线性度的方法，属于微电子技术领域。 

背景技术

高性能放大器作为子电路单元广泛应用于各种通信系统中。收发信机中，用于驱动接收链路中模数转换器（AD）以及发射链路内功率放大器(PA)的放大器亦称驱动放大器，此类放大器输出信号幅度较大，信号容易失真。为了不影响系统性能，对驱动放大器的线性度指标有着较高的要求。用于提供功率放大器线性度的技术主要包括反馈、前馈、预失真技术和自适应偏置等技术。这些技术大多需要片外器件或环路来完成，不适用于全集成的放大器。    用于全集成普通放大器(如运算放大器)的线性度提高技术主要包括反馈、局部反馈、输入夸导失真抵消技术，这些技术确实能够在一定程度上提高放大器线性度。现代无线通信系统（如无线线基站）对通信系统的线性度提出了越来越高的要求，现有的提高放大器线性度的技术已难以满足系统要求。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。 

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种提高放大器线性度的失真抵消偏置电路，该偏置电路利用三极管的基极偏置电路提取三极管集电极电压引起的失真电流，然后将提取到的失真电流按一定的比例反向馈送回三极管中，从而实现失真抵消。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种提高放大器线性度的失真抵消偏置电路，其特征在于，所述失真抵消偏置电路由失真抵消偏置电路和三极管构成，所述失真抵消偏置电路一端连接三极管的基极，另一端连接在三极管的发射极，所述失真抵消偏置电路用于提取及移除三极管集电极电压变化引起的失真。 

作为本发明的一种改进，所述失真抵消偏置电路包括失真电流提取电路、失真电流缩放电路和失真电流移除电路三个子单元，失真电流提取电路从三极管基极提取集电极与基极间二极管D2引起的失真电流 ；失真电流缩放电路对提取到的失真电流按比例m(-10<m<10)进行缩放后送入失真电流移除电路；失真电流移除电路将经过缩放的失真电流通过三极管的发射极送入三极管，从而在三极管的集电极获得近乎无失真的电流。需要指出的是失真分量移除电路本身亦可以对失真电流进行缩放操作。所述失真抵消偏置电路连接在三极管的基极与发射极，与集电极信号无直接联系。失真电流提取电路在三极管的基极偏置电路中实现，而失真电流移除电路接入低阻抗的三极管发射极。 

作为本发明的一种改进,所述失真电流流入NPN晶体管的发射极，然后从NPN晶体管的集电极进入比例缩放电路102，102设置为m:1电流镜，电路102将经过缩放后的失真电流送入失真电流移除电路103；失真电流移除电路103将接收到的失真电流再次缩放k倍后，将大小为的失真电流送入三极管200的发射极，完成失真电流的抵消工作；通过小信号分析推导出三极管200集电极小信号电流为，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

作为本发明的一种改进，失真电流流入PNP晶体管的发射极，然后从PNP晶体的集电极直接进入失真移除电路103中，由于失真移除电路103本身亦具有电流缩放能力，因此本案例中的比例缩放电路102可以移除。失真电流移除电路103将接收到的失真电流缩放k倍后，送入三极管200的发射极，完成失真电流的抵消工作；通过小信号分析推导出三极管200集电极小信号电流为，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

作为本发明的一种改进,失真电流提取电路102与待抵消的三极管200均为失真抵消电路103的一部分。其具体的失真抵消过程如下：失真电流从NPN晶体管T2的发射极流入，从T2的集电极流出进入m:1电流镜；m:1电流镜将失真电流缩放m倍后送入晶体管T1的集电极；晶体管T1、T2、T3以及电阻R1、R2构成比例为k的电流镜，该电流镜将T1集电极电路缩放k倍后镜像到晶体管T3的集电极；得出三极管200(T3)集电极的小信号电流，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

作为本发明的一种改进，该方案充分利用了差分信号的互补特性，进一步简化了失真抵消偏置电路的实现形式，其失真抵消过程如下：失真提取电路101通过晶体管T2、T5的发射极分别接收来自晶体管T3、T4的差分失真电流与，然后将差分失真电流通过T2、T5的集电极送入比例缩放电路102中；比例缩放电路102一方面将来自T2集电极的失真电流转送入晶体管T6的集电极，另一方面将来自T5集电极的失真电流送入晶体管T1的集电极；晶体管T1、T2、T3与电阻R1、R2构成电流镜，该电流镜将T1集电极接收到的源自于T4的失真电流按比例k镜像到T3的集电极；晶体管T4、T5、T6与电阻R3、R4构成另一组电流镜，该电流镜将T6集电极接收到的源自于T3的失真电流按比例k镜像到T4的集电极；得出晶体管T3的集电极电流，晶体管T4的集电极电流。当时，晶体管T3、T4集电极电流，该式表明该电路中即使T3、T4的集电极已无失真电流分量。T3、T4的线性度得到了极大的提高。 

采用上述电路提高放大器线性度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，1）失真电流提取电路101从三极管200基极提取集电极与基极间二极管D2引起的失真电流；2）失真电流缩放电路102对101提取到的失真电流按比例mm(-10<m<10)进行缩放后送入失真电流移除电路；3）失真电流移除电路103将经过缩放的失真电流通过三极管200的发射极送入三极管200，从而在三极管200的集电极获得近乎无失真的电流。 

相对于现有技术，本技术的优点如下：1）本发明的技术方案中所述的失真抵消偏置电路包括失真电流提取，失真电流缩放和失真移除三个子单元，所述失真抵消技术工作原理简单清晰； 2）所述失真抵消偏置电路的工作过程为直接提取三极管中不希望的失真电流，再将提取到失真电流按比例缩放，最后将缩放后的失真电流叠加到三极管的集电极电流中；失真电流提取、缩放与移除动作均在三极管的基极偏置电路中完成，不影响三极管本身的信号处理工作； 3)所述失真抵消偏置技术直接提高了三极管本身的线性度，而三极管是众多放大器电路的基本单元，因此所述失真抵消技术可广泛应用于各种放大器的设计中。 

附图说明

图1为本发明所述失真抵消偏置电路； 

图2（a）为实施例1电路原理图；

图2（b）为实施例2电路原理图；

图3为实施例3电路原理图；

图4为实施例4电路原理图；

图5—图7为NPN型晶体管电路原理图；

图8（a）为现有技术折叠共集共基全差分放大器电路原理图；

图8（b）为本发明方案替换后的电路原理图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述和介绍。 

参见图1，一种提高放大器线性度的失真抵消偏置电路，所述失真抵消偏置电路由失真抵消偏置电路100和三极管200构成，所述失真抵消偏置电路100一端连接三极管的基极，另一端连接在三极管的发射极，所述失真抵消偏置电路100用于提取及移除由于三极管集电极交流电压引起的失真，所述失真抵消偏置电路100由失真电流提取电路101、失真电流缩放电路102和失真电流移除电路103构成，失真电流提取电路101从三极管200基极提取集电极与基极间二极管D2引起的失真电流；失真电流缩放电路102对101提取到的失真电流按比例m(-10<m<10)进行缩放后送入失真电流移除电路；失真电流移除电路103将经过缩放的失真电流通过三极管200的发射极送入三极管200，从而在三极管200的集电极获得近乎无失真的电流。集电极存在大信号的三极管的主要失真源，如图1，D1为集电极与基极反偏二极管、D2为集电极至衬底的寄生二极管；由于二极管为强非线性器件，三极管T3集电极的大电压信号Vout在D1、D2上产生严重的非线性电流和；由于和相位相近大小不同，可以假定，则在T3集电极由Vout引起的的小信号输出电流为本发明所述的失真抵消偏置技术即用于抵消或移除三极管集电极电流中的非线性电流分量。需要指出的是失真分量移除电路103本身亦可以对失真电流进行缩放操作。所述失真抵消偏置电路连接在三极管的基极与发射极，与集电极信号无直接联系。失真电流提取电路101在三极管的基极偏置电路中实现，而失真电流移除电路103接入低阻抗的三极管发射极。因此，所述的失真抵消偏置技术不会降低三极管的增益与频率响应。 

实施例1：参见图2（a），作为本发明的一种改进,所述失真电流流入NPN晶体管T2的发射极，然后从NPN晶体管T2的集电极进入比例缩放电路102，102设置为m:1电流镜，电路102将经过缩放后的失真电流送入失真电流移除电路103；失真电流移除电路103将接收到的失真电流再次缩放k倍后，将大小为的失真电流送入三极管200的发射极，完成失真电流的抵消工作；对小信号分析推导得出三极管200集电极小信号电流为，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

实施例2：参见图2（b），作为本发明的一种改进，失真电流流入PNP晶体管的发射极T2，然后从PNP晶体管T2的集电极直接进入失真移除电路103中，由于失真移除电路103本身亦具有电流缩放能力，因此本案例中的比例缩放电路102可以移除。失真电流移除电路103将接收到的失真电流缩放k倍后，送入三极管200的发射极，完成失真电流的抵消工作；通过小信号分析推导得出三极管200集电极小信号电流为，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

实施例3：参见图3，作为本发明的一种改进,本实施例中，失真电流提取电路102与待抵消的三极管200均为失真抵消电路103的一部分。其具体的失真抵消过程如下：失真电流从NPN晶体管T2的发射极流入，从T2的集电极流出进入m:1电流镜；m:1电流镜将失真电流缩放m倍后送入晶体管T1的集电极；晶体管T1、T2、T3以及电阻R1、R2构成比例为k的电流镜，该电流镜将T1集电极电路缩放k倍后镜像到晶体管T3的集电极；得出三极管200(T3)集电极的小信号电流，当时，，该式表明三极管200集电极中已无任何失真电流。三极管200的线性度得到了极大的提高。 

实施例4：参见图4，作为本发明的一种改进，该方案充分利用了差分信号的互补特性，进一步简化了失真抵消偏置电路的实现形式，其失真抵消过程如下：失真提取电路101通过晶体管T2、T5的发射极分别接收来自晶体管T3、T4的差分失真电流与，然后将差分失真电流通过T2、T5的集电极送入比例缩放电路102中；比例缩放电路102一方面将来自T2集电极的失真电流转送入晶体管T6的集电极，另一方面将来自T5集电极的失真电流送入晶体管T1的集电极；晶体管T1、T2、T3与电阻R1、R2构成电流镜，该电流镜将T1集电极接收到的源自于T4的失真电流按比例k镜像到T3的集电极；晶体管T4、T5、T6与电阻R3、R4构成另一组电流镜，该电流镜将T6集电极接收到的源自于T3的失真电流按比例k镜像到T4的集电极；得出晶体管T3的集电极电流，晶体管T4的集电极电流。当时，晶体管T3、T4集电极电流，该式表明该电路中即使T3、T4的集电极已无失真电流分量。T3、T4的线性度得到了极大的提高。 

图2、3、4所述失真抵消偏置电路均为用于NPN晶体管的实现电路，由于NPN晶体管与PNP晶体管的互补性，经过简单修改即可产生对应的用于PNP型晶体管的失真抵消偏置电路，分别见图5、图6和图7。用于PNP晶体管的失真抵消偏置电路技术原理与NPN型晶体管完全相同，此处不再重复分析。所述失真抵消技术应用广泛，可用于大多数包含电流镜负载或共基晶体管的放大器中。下面给出一种所述失真抵消偏置技术在传统放大器中的应用实例。 

图8(a)为传统折叠共集共基全差分放大器的电路示意图，该放大器分别由共集放大器300、共基放大器400、电流源负载500、输出缓冲600和共模反馈700组成。经过简单观察可在，该电路节点A与节点B为大信号点，同时A、B点分别为三极管T3、T4与T6、T7的集电极。A、B两点的大信号会导致T3、T4、T6、T7产生严重的失真。进一步观察可知，可采用所述失真抵消偏置技术对T3、T4、T6、T7进行线性度提升。图2至图7所述失真抵消偏置电路均可用于图8(a)所述电路中，但是出于对电路最小改动的原则，此处选择图4与图7所述的NPN与PNP型差分失真抵消偏置电路。图8(a) 400用图7所示电路替换，500用图4电路替换，采用所述失真抵消偏置技术后的放大器如图8(b)，图8(b)电路中节点A与节点B处大信号引起的失真已得到抵消，可在放大器输出端获得极其优秀的线性度性能。 

采用上述电路提高放大器线性度的方法，所述方法包括以下步骤，1）失真电流提取电路101从三极管200基极提取提取集电极与基极间二极管D2引起的失真电流；2）失真电流缩放电路102对101提取到的失真电流按比例m(-10<m<10)进行缩放后送入失真电流移除电路；3）失真电流移除电路103将经过缩放的失真电流通过三极管200的发射极送入三极管200，从而在三极管200的集电极获得近乎无失真的电流。 

上面描述了所述失真抵消偏置技术几种电路实现形式，这并不表示所述失真抵消偏置技术仅存在以上几种实现形式，事实上进过简单变化即可产生众多的具体实现电路。图1所述失真抵消偏置技术包括但不仅限于图2至图7所示的基本构成形式。所述失真抵消技术直接提高了三极管本身的线性度，而三极管是众多放大器电路的基本单元，因此所述失真抵消技术可用于大部分传统放大器的设计中。图8图8(b)仅为所述失真抵消技术在传统折叠共集共基放大器中的应用。另外，由于所述失真抵消技术仅在三极管的偏置电路中完成，所述失真抵消偏置技术可与其它用于提高放大器线性度的技术一起用于高级放大器，如运算放大器的设计中。所述失真抵消电路具有基础性，既可用于新型放大器设计，亦可对大部分传统放大器进行技术改造。所述失真抵消偏置技术可与其它大部分用于提高放大器线性度的技术同时使用，从而设计出各种用途不同的具有极高线性度的放大器。 

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。