CN103338010A

CN103338010A - 一种改善功率放大器自加热效应的电路

Info

Publication number: CN103338010A
Application number: CN2013102045820A
Authority: CN
Inventors: 高怀; 孙晓红; 田婷; 陈涛
Original assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明提供一种改善功率放大器自加热效应的电路，包括：功率单元和偏置模块；所述功率单元包括至少三个异质结双极晶体管HBT；功率单元中的HBT集电极均连接在一起作为该电路的信号输出端；功率单元中的HBT基极均通过对应的基极镇流电阻连接在一起并连接输入信号；基极镇流电阻的阻值由外向内对称依次增大；每个HBT的基极均通过对应的所述基极镇流电阻连接偏置模块；所述功率单元中的HBT的发射极均连接在一起并接地；所述偏置模块，用于为所述功率单元中的HBT提供相同的偏置电压。输入信号功率较小时，仅镇流电阻小的HBT导通；输入信号功率增大时，其它HBT逐渐导通；在不影响功率输出的前提下从根本上解决热效应的问题。

Description

一种改善功率放大器自加热效应的电路

技术领域

本发明涉及集成功率放大器技术领域，特别涉及一种改善功率放大器自加热效应的电路。

背景技术

射频功率放大器是移动基站中发射机最关键的部分，其性能的优劣直接影响通信系统的线性度和功耗。因此，提高射频功率放大器的工作频带、线性度以及效率对于提高整个移动基站的性能具有重要意义。

异质结双极晶体管(HBT，Heterojunction Bipolar Transistor)被广泛应用于射频功率放大器，其显著特点在于能够提供大电流增益，同时具有良好的频率特性。但是，它作为功率器件使用时，高功率特性受到器件本身内部自加热效应的限制，使得HBT实际的性能远低于它的电学性能。自加热效应退化了器件的工作特性，例如电流增益、功率增益和特征频率等，这样将会引起器件和电路特性漂移，甚至导致热烧毁。

目前，为了改善热效应，通常从器件的版图规划和结构设计入手，通过加强散热来改善性能。例如，改变指间距、指长等手段以获取平均指条的低温，或者通过改变热沉（heat sink）的位置进一步降低结温。但是，这种方法对于电路设计者而言不是一个擅长的技术，并且热效应是一个稳态效应，从散热角度去规划版图仅考虑了静态的热的累积效应，实际上版图的改变会进一步影响射频性能，从而使得与预期的射频信号输出相背离。

现有技术中，另外一种解决热效应的方法是利用温度补偿对偏置电路工作点的补偿，例如，采用并联温控电阻、并联镜像电流源等方法达到整个偏置电路在大的温度变化范围内可以基本保持偏置点不变。这种方法是外在添加电路器件，造成结构复杂，并且不是从功率放大器本身上解决其自加热效应的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善功率放大器自加热效应的电路，能够从本质上解决功率放大器自加热效应的问题。

本发明实施例提供一种改善功率放大器自加热效应的电路，包括：功率单元和偏置模块；

所述功率单元包括至少三个异质结双极晶体管HBT；

所述功率单元中的HBT集电极均连接在一起作为该电路的信号输出端；

所述功率单元中的HBT基极均通过对应的基极镇流电阻连接在一起并连接输入信号；所述基极镇流电阻的阻值由外向内对称依次增大；每个所述HBT的基极均通过对应的所述基极镇流电阻连接偏置模块；

所述功率单元中的HBT的发射极均连接在一起并接地；

所述偏置模块，用于为所述功率单元中的HBT提供相同的偏置电压。

优选地，还包括输入匹配网络；

所述功率单元中的HBT的基极均通过对应的基极镇流电阻连接在一起并通过所述输入匹配网络连接输入信号。

优选地，还包括输出匹配网络；

所述功率单元中的HBT的集电极均连接在一起并连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端作为信号输出端。

优选地，还包括偏置电源；

所述功率单元中的HBT的集电极均连接在一起并连接所述偏置电源。

优选地，所述偏置模块为偏置电压源；

所述功率单元所有HBT对应的偏置电压均相同，偏置电流不同。

优选地，所述功率单元中所有的HBT均相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例提供的电路，在初始状态下，由于功率单元中的晶体管基极电压均相同，由于基极镇流电阻由外向内依次增大，因此基极电流由外向内逐渐减小，相应的集电极电流由外向内逐渐减小。当输入信号较小时，输入信号不足以使功率单元中的HBT全部打开。例如，仅可以使最外围HBT打开，内部的HBT关断，这样，全部输入信号由外围HBT放大。随着输入信号的功率的增大，已开启HBT的自热效应变化明显，增益下降，而由于自偏置效应的存在，功率单元内部的HBT的基极输入信号增加，中间的HBT被打开，部分输入信号通过中间HBT放大。此方案可以解决低功率输入时，仅部分晶体管工作，直流功耗低；高功率输入的时候逐渐打开其它晶体管让更多的晶体管参与功率的分配，每个HBT的平均功率相当于降低了，热效应同样变得不明显。因此，本发明提供的电路可以从根本上解决热效应的问题。

附图说明

图1是本发明提供的改善功率放大器自加热效应的电路实施例一示意图；

图2是本发明提供的改善功率放大器自加热效应的电路实施例二示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图1，该图为本发明提供的改善功率放大器自加热效应的电路实施例一示意图。

本实施例提供的改善功率放大器自加热效应的电路，包括：功率单元100和偏置模块200；

所述功率单元100包括至少三个异质结双极晶体管HBT；

需要说明的是，功率单元100中可以根据功率需求设置多个HBT并联。

所述功率单元100中的HBT的集电极均连接在一起作为该电路的信号输出端；

所述功率单元100中的HBT的基极均通过对应的基极镇流电阻连接在一起并连接输入信号；该电路中所述基极镇流电阻的阻值由外向内对称依次增大；每个HBT的基极均通过对应的基极镇流电阻连接偏置模块200；

所述功率单元100中的HBT的发射极均连接在一起至地；

所述偏置模块200，用于为所述功率单元100中的晶体管提供相同的偏置电压。

图1中，以功率单元100中包括三个HBT为例进行说明，三个HBT分为为Q1、Q2和Q3；

Q1、Q2、Q3的基极分别连接各自对应的基极镇流电阻Rb1、Rb2和Rb3后连接在一起并连接输入信号；

Q1、Q2、Q3的集电极连接在一起作为输出端；

Q1、Q2和Q3连接相同的偏置模块200。

本发明实施例提供的电路，在初始状态下，由于基极偏置电压相同而电流不同，因此，集电极的电流呈非均匀分布。当输入信号较小时，输入信号不足以功率单元中所有的HBT全部打开。例如，仅可以使镇流电阻小的外围的HBT打开，内部镇流电阻大的HBT关断，这样，全部输入信号由外围HBT放大。随着输入信号的功率的增大，HBT的自热效应变化明显，增益下降此时由于自偏置效应的存在内部的HBT的基极输入信号增加，中间的HBT被打开，部分输入信号通过中间的HBT放大。此方案可以解决低功率输入时，仅部分晶体管有效的参与信号放大，高功率输入的时候让更多的晶体管参与功率的分配，降低HBT的平均功率，热效应变得不明显。此外，将镇流电阻的安排为由外向内对称逐渐增大，从而方便功耗大的晶体管处于外围散热条件更好的环境中，从而避免了中间晶体管的热积累效应。因此，本发明提供的电路可以从根本上解决热效应的问题。

下面结合一个具体电路图来介绍本发明提供的电路的工作原理。其中，功率单元包括三个晶体管为例进行介绍。可以理解的是，晶体管的数目可以根据实际需要选择不同的个数。

参见图2，该图为本发明提供的改善功率放大器自加热效应的电路实施例二示意图。

本发明实施例提供的电路，还可以包括输入匹配网络300；

输入匹配网络300的作用是为了实现信号源输出阻抗与该功率放大器输入阻抗之间的匹配，使功率放大器获得最大的激励功率；

所述功率单元100中的Q1、Q2、Q3基极均通过对应的基极镇流电阻连接在一起并通过所述输入匹配网络300连接输入信号。

即，功率单元100中的所有Q1的基极均通过第一基极镇流电阻Rb1连接所述输入匹配网络300；Q2的基极通过第二基极镇流电阻Rb2连接所述输入匹配网络300；Q3的基极通过第三基极镇流电阻Rb3连接所述输入匹配网络300；

需要说明的是，Rb1、Rb2和Rb3的阻值由外向内对称依次增大，即，Rb1=Rb3<Rb2。

可以理解的是，本实施例提供的电路还可以包括输出匹配网络400；

与输入匹配网络300的作用类似，输出匹配网络300的作用是为了将实际的负载阻抗转换为该功率放大器所要求的最佳阻抗，保证功率放大器输出到负载的功率最大。

所述功率单元100中的晶体管Q1、Q2和Q3的集电极均连接在一起并连接输出匹配网络400的输入端，输出匹配网络400的输出端作为该电路的信号输出端。

本实施例提供的电路，还可以包括偏置电源VCC；

所述功率单元100中的晶体管Q1、Q2、Q3的集电极均连接在一起并连接所述偏置电源VCC。

需要说明的是，所述偏置模块200为偏置电压源；

所述功率单元100对应的偏置电压源均相同。

本实施例提供的所述偏置电压源由电压源和一个电阻来实现；如图2所示，所述偏置电压源200包括：电阻R1和偏置电压源Vbias；

需要说明的是，本实施例中所述功率单元中的晶体管均相同，此处的相同指的是HBT的尺寸相同，包括长、宽以及跨导。

下面结合图2，来说明图2的工作原理。

输入信号从输入端IN进入，经输入匹配网络300阻抗转换后可通过Q1、Q2、Q3管放大。

初始状态下，由于镇流电阻Rb1=Rb3<Rb2；假设Q1、Q2、Q3为具有相同特性的晶体管，则流经Rb1、Rb3的电流相同，高于流经Rb2的电流。

当输入信号较小时，自偏置效应很弱，输入信号不足以使得功率单元中的全部HBT均打开，Q1、Q3开启，Q2关断，全部信号由Q1、Q3进行放大，相对传统放大器而言，只有部分晶体管产生直流功耗。

随着输入信号的功率增加，Q1自热效应变化明显，增益下降，Q1进入非线性状态，此时，自偏置效应越来越显著，Q2的基极输入信号随着增加，Q2打开，部分输入信号流经Q2放大。于是，相对于传统的放大器而言，压缩的功率通过Q2管得到补偿。保证大功率输出时仍然能够输出近似正弦波的波形，动态开启过程使得晶体管有效利用，减小闲置功耗。

综上，本发明采用带不同基极镇流电阻的晶体管Q1、Q2、Q3构成的功率单元进行电路设计，使得在小功率条件下仅Q1、Q3进行工作，大功率条件下部分信号通过中间晶体管Q2进行放大，使得整个放大器无论在低功率输入还是高功率输入条件下，直流功耗降低，，改善了放大器的热效应。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，包括：功率单元和偏置模块；

所述功率单元包括至少三个异质结双极晶体管HBT；

所述功率单元中的HBT的发射极均连接在一起并接地；

2.根据权利要求1所述的改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，还包括输入匹配网络；

3.根据权利要求1所述的改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，还包括输出匹配网络；

4.根据权利要求1所述的改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，还包括偏置电源；

5.根据权利要求1所述的改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，所述偏置模块为偏置电压源；

6.根据权利要求1所述的改善功率放大器自加热效应的电路，其特征在于，所述功率单元中所有的HBT均相同。