CN104935269A - 一种射频放大器增益的温度补偿方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频放大器增益的温度补偿方法和系统，目的在于解决射频放大器因环境温度变化而引起的增益变化问题，属于集成电路技术领域。该方法首先得到使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线，将该曲线分成N个温度段，在每个温度段内用随温度线性变化的电流曲线拟合，利用滞迴比较的方法选择对应的随温度线性变化的电流曲线，并组合得到一条完整的拟合曲线，然后按照该拟合曲线设计射频放大器的偏置电路。依照该方法设计的温度补偿系统，可以根据环境温度的变化自动地补偿射频放大器的增益，从而维持射频放大器的增益稳定。

Description

一种射频放大器增益的温度补偿方法和系统
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种射频放大器增益的温度补偿方法和系统。
背景技术
在现代无线通信系统中，射频放大器是射频信号传输的关键部件，但环境温度的变化会导致射频放大器的增益随之变化。对于一个CMOS 90nm工艺下，典型的两级功率放大器来说，在-45℃～125℃的温度范围内，其增益的变化通常在4～5dB。为了补偿这种性能偏差，就需要采用温度补偿技术来补偿放大器的增益变化。
传统的温度补偿方法可分为两大类。一类是数字温度补偿方法，另一类是模拟温度补偿方法。数字温度补偿方法，又称为查表方法，一般是通过模拟温度传感器或者数字温度传感器检测晶体管的当前工作温度，然后通过ADC(模数转换器)将模拟电压转换为数字电压或者直接发送到CPU(微控制单元)，CPU则对照该工作温度在温度补偿数据表中查找对应的补偿数据，并将对应补偿数据通过DAC(数模转换器)转换成模拟电压信号作为偏置电压输入射频放大器。数字温度补偿方法的特点是精度高、抗干扰性强，但是需要DAC转换模块和控制单元，导致芯片面积大、成本高，不利于系统集成。模拟温度补偿方法主要是通过设计带温度补偿功能的偏置电路来实现，其特点是原理简单易实现，成本低，但是现有的模拟温度补偿方法的补偿精度不高，即当环境温度变化时，射频放大器的增益变化依旧明显。
本发明提供一种模拟温度补偿方法，能有效地提高补偿精度，使得射频放大器增益相对稳定。
发明内容
本发明的目的在于解决射频放大器因环境温度变化而引起的增益变化问题，为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种射频放大器增益的温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1、首先，在常温下，仿真射频放大器的增益值；
步骤2、然后，以步骤1中得到的增益值为参考增益，确定其它温度点下射频放大器的偏置电流值，使各个温度点下射频放大器的增益值均等于参考增益，得到使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线；
步骤3、接着，将步骤2中偏置电流温度曲线分成N个温度段，并在每个温度段内用随温度线性变化的电流曲线拟合偏置电流温度曲线，分别计算每个温度段内的拟合系数；
步骤4、利用滞迴比较的方法在N个温度段内分别选择对应的步骤3中随温度线性变化的电流曲线，组合成一条完整的拟合曲线；
步骤5、按照步骤4中得到的拟合曲线设计射频放大器的偏置电路，最终实现射频放大器增益的温度补偿。
本发明提供一种射频放大器增益的温度补偿系统，包括IPTAT产生电路101、ICTAT产生电路102、电流比例叠加电路103、滞迴比较器104、多路选择器105和射频放大器106，其中，
IPTAT产生电路101，与电流比例叠加电路103相连接，用于产生与绝对温度成正比的电流IPTAT；
ICTAT产生电路102，与电流比例叠加电路103相连接，用于产生与温度无关的电流ICTAT；
电流比例叠加电路103，用于将电流IPTAT和电流ICTAT分别按N个温度段内各自的拟合系数进行电流比例镜像，然后将每个温度段内对应的两路镜像电流叠加在一起，分别得到N路与绝对温度成正比但斜率不同的电流；
滞迴比较器104，分别与电流比例叠加电路103和多路选择器105相连接，用于将电流比例叠加电路103中得到的N路电流进行比较，并产生相应的控制信号；
多路选择器105，分别与电流比例叠加电路103、滞迴比较器104以及射频放大器106相连接，根据滞迴比较器104产生的控制信号对电流比例叠加电路103中得到的N路电流进行选择，作为最终的输出电流；
射频放大器106，与多路选择器105相连接，将多路选择器105的输出电流作为偏置电流，实现对射频信号的放大。
本发明中滞迴比较器104的作用是：防止由于随机噪声的干扰以及环境温度随机抖动时，偏置电流在各个温度段的交界点处来回跳变，确保系统的稳定性。
本发明的射频放大器增益的温度补偿方法和系统可以根据环境温度的变化自动地补偿射频放大器的增益，系统结构简单，无需温度传感器和数字控制系统，即可维持射频放大器的增益稳定，同时缩小系统面积，降低成本。
附图说明
图1是本发明所述的射频放大器增益的温度补偿方法流程图；
图2是本发明具体实施例中使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线；
图3是本发明具体实施例中偏置电流温度曲线以及每个温度段内与其拟合的随温度线性变化的电流曲线；
图4是本发明具体实施例中完整的偏置电流温度曲线的拟合曲线；
图5是本发明所述的射频放大器增益的温度补偿系统的结构图；
图6是本发明具体实施例中温度补偿后射频放大器的增益随温度变化的仿真结果。
具体实施方式
图1是本发明所述的射频放大器增益的温度补偿方法流程图，依据此流程取N＝2为例，其实施方式如下：
步骤1、首先，在常温下，仿真射频放大器的增益值。
步骤2、然后，以步骤1中得到的增益值为参考增益，确定其它温度点下射频放大器的偏置电流值，使各个温度点下射频放大器的增益值均等于参考增益，得到使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线。如图2所示，曲线IBIAS即为本实施例中使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线。
步骤3、接着，将步骤2中偏置电流温度曲线分成N＝2个温度段，并在每个温度段内用随温度线性变化的电流曲线(a·IPTAT+b·ICTAT)拟合偏置电流温度曲线，分别计算每个温度段内的拟合系数a和b。
在具体实施例中，根据图2中偏置电流温度模型曲线的特点将其分成N＝2段：-45℃～75℃和75℃～125℃；利用最小二乘法得出第一段-45℃～75℃的拟合系数为a1和b1，同样利用最小二乘法得出第二段75℃～125℃的拟合系数为a2和b2。图3中，曲线Ib1为第一段-45℃～75℃的随温度线性变化的电流曲线，曲线Ib2为第二段75℃～125℃的随温度线性变化的电流曲线。
步骤4、利用滞迴比较的方法在N＝2个温度段内分别选择对应的步骤3中随温度线性变化的电流曲线，组合成一条完整的拟合曲线。即将图3中曲线Ib1的-45℃～75℃段和曲线Ib2的75℃～125℃段合并成图4中的曲线Ib3，曲线Ib3即为完整的与曲线IBIAS的拟合曲线。
步骤5、按照步骤4中得到的拟合曲线Ib3设计射频放大器的偏置电路，最终实现射频放大器增益的温度补偿。
图5是本发明提供的射频放大器增益的温度补偿系统的结构图。该系统用于对射频放大器增益进行温度补偿，维持射频放大器在不同温度下的增益稳定性，包括：
IPTAT产生电路101，与电流比例叠加电路103相连接，用于产生与绝对温度成正比的电流IPTAT；
ICTAT产生电路102，与电流比例叠加电路103相连接，用于产生与温度无关的电流ICTAT；
电流比例叠加电路103，用于将电流IPTAT和电流ICTAT分别按N＝2个温度段内各自的拟合系数a和b进行电流比例镜像，然后将每个温度段内对应的两路镜像电流叠加在一起，分别得到N＝2路与绝对温度成正比但斜率不同的电流，在本实施例中，将电流IPTAT和电流ICTAT分别按a1和b1进行电流镜像，并叠加得到如曲线Ib1所示的第一路电流，将电流IPTAT和电流ICTAT分别按a2和b2进行电流镜像，并叠加得到如曲线Ib2所示的第二路电流；
滞迴比较器104，分别与电流比例叠加电路103和多路选择器105相连接，用于将电流比例叠加电路103中得到的N＝2路电流进行比较，并产生相应的控制信号，本实施例中，在-45℃～75℃温度段内，产生与曲线Ib1相应的控制信号，在75℃～125℃温度段内，产生与曲线Ib2相应的控制信号；
多路选择器105，分别与电流比例叠加电路103、滞迴比较器104以及射频放大器106相连接，根据滞迴比较器104产生的控制信号对电流比例叠加电路103中得到的N＝2路电流进行选择，作为最终的输出电流，本实施例中，在-45℃～75℃温度段内选择曲线Ib1，在75℃～125℃温度段内选择曲线Ib2，最终输出电流如图4中的曲线Ib3所示；
射频放大器106，与多路选择器105相连接，将多路选择器105的输出电流作为偏置电流，实现对射频信号的放大。
最终该系统的温度补偿的仿真结果如图6所示，S21为温度补偿后射频放大器的增益随温度变化曲线，根据图中结果可知，在-45～125℃温度范围内，射频放大器的增益变化不会超过1dB。
本发明中，N的取值理论上可以是大于等于2的任意自然数，实际取值可根据偏置电流温度曲线的特点和电路系统复杂度的要求决定，且N的取值越大，温度补偿的效果越好。
以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明保护的不仅限于具体实施的范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种射频放大器增益的温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1、首先，在常温下，仿真射频放大器的增益值；
步骤2、然后，以步骤1中得到的增益值为参考增益，确定其它温度点下射频放大器的偏置电流值，使各个温度点下射频放大器的增益值均等于参考增益，得到使射频放大器增益恒定的偏置电流温度曲线；
步骤3、接着，将步骤2中偏置电流温度曲线分成N个温度段，并在每个温度段内用随温度线性变化的电流曲线拟合偏置电流温度曲线，分别计算每个温度段内的拟合系数；
步骤4、利用滞迴比较的方法在N个温度段内分别选择对应的步骤3中随温度线性变化的电流曲线，组合成一条完整的拟合曲线；
步骤5、按照步骤4中得到的拟合曲线设计射频放大器的偏置电路，最终实现射频放大器增益的温度补偿。
2.一种射频放大器增益的温度补偿系统，其特征在于：包括IPTAT产生电路(101)、ICTAT产生电路(102)、电流比例叠加电路(103)、滞迴比较器(104)、多路选择器(105)和射频放大器(106)，其中，
IPTAT产生电路(101)，与电流比例叠加电路(103)相连接，用于产生与绝对温度成正比的电流IPTAT；
ICTAT产生电路(102)，与电流比例叠加电路(103)相连接，用于产生与温度无关的电流ICTAT；
电流比例叠加电路(103)，用于将电流IPTAT和电流ICTAT分别按N个温度段内各自的拟合系数进行电流比例镜像，然后将每个温度段内对应的两路镜像电流叠加在一起，分别得到N路与绝对温度成正比但斜率不同的电流；
滞迴比较器(104)，分别与电流比例叠加电路(103)和多路选择器(105)相连接，用于将电流比例叠加电路(103)中得到的N路电流进行比较，并产生相应的控制信号；
多路选择器(105)，分别与电流比例叠加电路(103)、滞迴比较器(104)以及射频放大器(106)相连接，根据滞迴比较器(104)产生的控制信号对电流比例叠加电路(103)中得到的N路电流进行选择，作为最终的输出电流；
射频放大器(106)，与多路选择器(105)相连接，将多路选择器(105)的输出电流作为偏置电流，实现对射频信号的放大。
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