CN110311632A - 一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，包括偏置电路和放大电路；放大电路包括匹配电路、隔直电容C1、射频功率管QRF、电感L1；匹配电路连接于射频输入端与隔直电容C1之间，隔直电容C1的另一端与射频功率管QRF的基极连接；电感L1连接于射频功率管QRF的集电极与Vcc端之间，射频输出端分别与射频功率管QRF和电感L1连接；偏置电路包括温度补偿模块、线性化电容C2、晶体管Q3；线性化电容C2一端接地，另一端分别与温度补偿模块和晶体管Q3连接；晶体管Q3的一端与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接。本发明优于传统偏置电路对参考电压波动的敏感性且具有高温漂抑制能力。
Description
技术领域
本发明涉及射频集成电路的技术领域，尤其涉及到一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路。
背景技术
功率放大器(Power Amplifier，PA)是射频前端模组中非常重要的组成单元，其性能关系着移动终端的续航时间和通讯质量；作为发射机中的最后一级电路，为兼顾效率与线性度指标，其通常工作在AB类状态，导通角的减小可换来效率的提高，但同时各阶谐波输出分量也在不断增强，所以当逐渐加大输入射频信号的功率电平时，功率放大器的非线性效应将愈发严重，会产生增益压缩与相位偏移等失真现象，进而影响放大信号的准确性。
目前在4G智能终端市场中，GaAs基HBT(Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极晶体管)器件占据着主要地位，因其具有功率密度大、单电源供电等优势；但是，GaAs衬底的导热性较差，HBT功放工作时所产生的热量不易于散失而引起器件的结温度升高，此即为自热效应。进一步地，倘若热量没有通过合适的方法进行疏导或抑制，其反过来会促使功放集电极输出电流的增加，如此便会形成恶性的热正反馈(Thermal Runaway)，并引发电流坍塌、削弱晶体管发射结注入效率和电流增益等一系列问题。因此，自热效应成为限制GaAs HBT功率应用和可靠性的最大阻碍，在功率放大器的设计过程中需要充分考虑，并且还应融入适当的线性化措施以保证通信系统的性能。
对此，传统方案采用的是有源自适应偏置技术，如图1所示。功率管QRF的偏置由Q1和Q2组成的电流镜提供，通过调节限流电阻R1即可获得所需设计值；把基极和集电极接在一起作二极管用的Q1和Q3构成基准电压电路，由于三极管Q1、Q2、Q3和QRF均采用相同的器件，所以当温度变化时，上述管子的基-射PN结压降VBE将产生相同的变化趋势，由此即起到温度补偿的作用；考虑到实际不理想情况，现有方案还引入镇流电阻R2以最大化抑制温漂。此外，到地电容C1与Q2构成线性化电路，在工作频率下，其整体阻抗减小，相当于引入一条射频通路，且由于Q2的基极电位被两二极管钳位至固定值，泄漏的射频信号使得Q2的VBE下降，因而补偿了QRF的电压偏置点，达成改善功放整体线性度的目标。
但其对参考电压Vref的变化非常敏感：由于三极管Q2处于放大状态，Vref的小幅波动所引起Q2基极电流的细微变化，将会被几十倍的放大显现出来，也即改变了功率管QRF的静态工作点，这一变量再经过QRF的放大，最终导致输出信号的不确定性。
另一方面，增大镇流电阻R2来对晶体管自热效应进行有效补偿，提高热稳定性的同时，也增强了功率放大器于大信号输入时的非线性。因为随着输入功率电平的提高，QRF所感应出的基极电流也在不断增加，这样就会在R2两端产生更多的压降，由此即拉低了QRF的基极偏置电压，如图2所示，会造成其跨导的下降偏移，最终导致增益压缩等非线性失真。因此，R2阻值的选取需要根据指标要求在热稳定性与线性度间折中，无法做到两者兼得。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能优于传统偏置电路对参考电压波动的敏感性且具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，使射频功率放大器在复杂的应用环境中能稳定、线性地工作。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其包括偏置电路和放大电路；
其中，所述放大电路包括匹配电路、隔直电容C1、射频功率管QRF、电感L1；匹配电路连接于射频输入端与隔直电容C1之间，隔直电容C1的另一端与射频功率管QRF的基极连接；而电感L1连接于射频功率管QRF的集电极与Vcc端之间，射频输出端分别与射频功率管QRF和电感L1连接；
所述偏置电路包括温度补偿模块、线性化电容C2、以二极管方式连接的晶体管Q3；线性化电容C2一端接地，另一端分别与温度补偿模块和晶体管Q3连接；晶体管Q3的一端与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接。
进一步地，所述温度补偿模块包括三极管Q1、三极管Q2以及电阻R1、R3、R4；
其中，所述三极管Q2的集电极与电阻R4的一端连接，其基极分别与电阻R1和R3的一端连接，其发射极和R1的另一端均接地；
而所述电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与Vref端连接；
所述三极管Q1与电阻R1并联；
所述线性化电容C2的一端接于三极管Q2的集电极到电阻R4的通路上。
进一步地，所述电阻R1与三极管Q2基极连接的一端，与三极管Q1的集电极连接；电阻R1的另一端与三极管Q1的发射极连接；所述三极管Q1的集电极和基极短接，形成二极管结构。
进一步地，所述温度补偿模块还包括有电阻R2，该电阻R2接于三极管Q2的发射极到地的通路上。
进一步地，所述三极管Q1和三极管Q2为同种类型的器件，两者的各项参数均等。
进一步地，所述晶体管Q3的基极与线性化电容C2连接，其发射极与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接，其集电极与其基极短接。
进一步地，所述匹配电路为L型匹配结构，由电容C2和电感L2组成；其中，所述电容C2和隔直电容C1串联，所述电感L2与隔直电容C1并联。
与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
1.电阻R1与R3构成分压网络，可调整三极管Q2的偏置电位。
2.在电阻R1的两端接入以二极管方式连接的三级管Q1，用于抑制参考电压Vref变动所带来的影响，起到稳压和温度补偿的作用。
3.鉴于射频功率管QRF所需的基极偏置电流在几毫安左右，本方案将晶体管Q3也接成二极管形式，利用其自身的稳压特性，配合以二极管方式连接的三极管Q1从而使输出电压高度稳定，对Vref具有很好的不敏感性，最终使得射频功率管QRF的集电极输出电流保持在低波动范围内。
4.在三极管Q2的发射极到地的通路上，增添电阻R2，起到很好的负反馈稳定作用。
5.电阻R4的一端与Vref端连接，另一端与三极管Q2的集电极连接，线性化电容C2的一端接于三极管Q2的集电极到电阻R4的通路上。通过电阻R4能设置任意的输出电压。
6.线性化电容C2联合以二极管方式连接的晶体管Q3构成低阻射频通路，起到自适应偏置作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的偏置电路图；
图2为传统的偏置电路中在镇流电阻R2增大的情况下射频功率管QRF的基极偏置电压随输出功率的变化图；
图3为本发明一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路图；
图4为本发明与传统偏置电路就射频功率管QRF的集电极输出电流随参考电压变化的对比图；
图5为本发明一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路对温度补偿的效果图；
图6为传统的偏置电路对温度补偿的效果图；
图7为本发明与传统偏置电路对参考电压波动的不敏感性的对比图；
图8为匹配电路连接于射频输入端与隔直电容C1之间的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
如图3所示(以HBT为例，对于BJT等其他类似工艺的晶体管，下述分析说明也是相同的)，本实施例所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，包括偏置电路和放大电路。
其中，放大电路包括匹配电路、隔直电容C1、射频功率管QRF(其可以是并联了多个单指/多指单元晶体管的结构，指＝发射极)、电感L1；
匹配电路连接于射频输入端与隔直电容C1之间，如图8所示，匹配电路为L型匹配结构，由电容C2和电感L2组成；电容C2和隔直电容C1串联，电感L2与隔直电容C1并联；隔直电容C1的另一端与射频功率管QRF的基极连接；而电感L1连接于射频功率管QRF的集电极与Vcc端之间，射频输出端分别与射频功率管QRF和电感L1连接。
偏置电路包括温度补偿模块、线性化电容C2、以二极管方式连接的晶体管Q3；线性化电容C2一端接地，另一端分别与温度补偿模块和晶体管Q3的基极连接；而晶体管Q3的发射极与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接，其集电极与其基极短接。
具体地，温度补偿模块包括三极管Q1、三极管Q2以及电阻R1、R2、R3、R4。
三极管Q2的集电极与电阻R4的一端连接，其基极分别与电阻R1和R3的一端连接，其发射极和R1的另一端均接地；电阻R2接于三极管Q2的发射极到地的通路上。
电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与Vref端连接。
三极管Q1与电阻R1并联，具体为：电阻R1与三极管Q2基极连接的一端，与三极管Q1的集电极连接；电阻R1的另一端与三极管Q1的发射极连接；三极管Q1的集电极和基极短接，形成二极管结构。
线性化电容C2的一端接于三极管Q2的集电极到电阻R4的通路上，接点为A。
上述中，三极管Q1和三极管Q2为同种类型的器件，两者的各项参数均等。
本实施例具体的原理如下：
三极管Q2的基极偏置由电阻R1和R3组成的电阻分压网络进行供给，当环境温度或参考电压Vref发生波动时，三极管Q2的输出特性将产生较大变化；为此，本实施例在结合电阻式无源自偏置网络所具有的结构简单、紧凑的基础上，于电阻R1两端再附加上三极管Q1，Q1将自身的基极和集电极短接，这可等效构成一个二极管，当然，Q1也能直接用实际二极管进行替换；当Q1导通时，其存在一个固有的、相对恒定的导通压降，这就能在一定程度上抑制参考电压变动所带来的影响；另外，鉴于射频功率管QRF所需的基极偏置电流在几毫安左右，本实施例将晶体管Q3也接成二极管形式，利用其自身的稳压特性，配合Q1从而使A点输出电压高度稳定，对Vref具有很好的不敏感性，最终使得射频功率管QRF的集电极输出电流保持在低波动范围内，效果如图4虚线所示。
同时，三极管Q1与Q2采用同种类型的管子，器件的各项参数均等，并确保集中布板，使得两者管芯的温度尽量一致，以最大化抑制温漂。此外，本实施例在三极管Q2的发射极到地的通路上，增加一个用于反馈的电阻R2，当Q2的VBE因外界因素发生波动而引起集电极输出电流变化时，电阻R2两端的压降会随之对应增减，由此能逆波动方向改变三极管Q2的VBE，使其趋于初始值；电阻R2值选取的越大，反馈量也就越多，也即，电阻R2与Q1协同给Q2基极提供了任意精度的对温度变化不敏感的基极偏置电压，可使得Q2的输出电流弱正相关于温度的变动，同时该微小的电流变量通过电阻R4以压降的形式放大显现出来，由此A点输出电压便可跟随Q3和射频功率管QRF因温度变化而引起导通电压的改变，进而能在宽温度范围内稳定住射频功率管QRF的集电极输出电流，如图5所示，作为对比，传统的偏置电路对温度补偿的效果如图6所示。
可以看出，在-20℃-85℃的区间内，本实施例所述的电路结构具有非常高的温漂抑制能力，功率管输出电流的峰值偏差不到2mA，相比而言，传统方法在增添镇流电阻的情形下，输出电流的波动高达43mA，显然，本实施例取得了长足进步，能很好地应用于HBT功放的设计中。需要注意的是，要达成上述高温漂抑制的效果，反馈电阻R2的值一般取得相对较大，否则，单靠Q1的基-射结压降的变化进行温度补偿是完全不够的；但是当R2的值大到足以使A点输出电压能准确跟随Q3与QRF的结压降因温度而发生的变动，那么当参考电压Vref波动时，会因为R2的反馈量过大而使得Q2输出电流的增减幅度变缓，这样也就造成电流变量在R4上的电压反映不能跟随Vref的波动，也即在最优的温漂抑制效果下，本实施例的偏置电路对参考电压波动的不敏感性会相对变差，但这依旧优于传统方案，如图7所示。
最后，通过合理设置线性化电容C2的取值，可以控制从射频链路上引入到偏置电路的信号大小；虽然随着输入信号的不断增大，射频功率管QRF的基极偏置电压将逐步减小，进而也就拉低了A点电位，但由于Q3与C2构成了一条低阻的射频通路，适当增大C2的电容值，使得Q3的VBE相对A点电位下降的更多，这样也能增大偏置电流Ibias，从而相对稳定住射频功率管QRF的基极电压偏置点，有利于线性功率的输出。
综上，本实施例能实现最优的对参考电压或者环境温度波动的不敏感性，当满足其中一种最优情况时，另一种性能虽然相对会变差，但较传统方案而言，依然有所改善，并同样能实现随输入信号大小而自适应调整偏置电流的能力。此外，本实施例的实现复杂度适中，较传统法仅增加两个电阻，而这额外的电阻也即提供了更多的设计自由度，能在热稳定性与抗参考电压波动能力间进行任意权重的折中，并且，无论哪种折中考虑，所设计出的本实施例偏置电路对于上述两项指标，均优于传统方案。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，包括偏置电路和放大电路；
其中，所述放大电路包括匹配电路、隔直电容C1、射频功率管QRF、电感L1；匹配电路连接于射频输入端与隔直电容C1之间，隔直电容C1的另一端与射频功率管QRF的基极连接；而电感L1连接于射频功率管QRF的集电极与Vcc端之间，射频输出端分别与射频功率管QRF和电感L1连接；
所述偏置电路包括温度补偿模块、线性化电容C2、以二极管方式连接的晶体管Q3；线性化电容C2一端接地，另一端分别与温度补偿模块和晶体管Q3连接；晶体管Q3的一端与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述温度补偿模块包括三极管Q1、三极管Q2以及电阻R1、R3、R4；
其中，所述三极管Q2的集电极与电阻R4的一端连接，其基极分别与电阻R1和R3的一端连接，其发射极和R1的另一端均接地；
而所述电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与Vref端连接；
所述三极管Q1与电阻R1并联；
所述线性化电容C2的一端接于三极管Q2的集电极到电阻R4的通路上。
3.根据权利要求2所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述电阻R1与三极管Q2基极连接的一端，与三极管Q1的集电极连接；电阻R1的另一端与三极管Q1的发射极连接；所述三极管Q1的集电极和基极短接，形成二极管结构。
4.根据权利要求2所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述温度补偿模块还包括有电阻R2，该电阻R2接于三极管Q2的发射极到地的通路上。
5.根据权利要求3所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述三极管Q1和三极管Q2为同种类型的器件，两者的各项参数均等。
6.根据权利要求1所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述晶体管Q3的基极与线性化电容C2连接，其发射极与隔直电容C1和射频功率管QRF之间的电路连接，其集电极与其基极短接。
7.根据权利要求1所述的一种具有高温漂抑制能力的自适应偏置电路，其特征在于，所述匹配电路为L型匹配结构，由电容C2和电感L2组成；其中，所述电容C2和隔直电容C1串联，所述电感L2与隔直电容C1并联。
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