CN110611488B - 温度补偿有源偏置电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了温度补偿有源偏置电路，包括开关晶体管、有源偏置晶体管、电压调节电阻R2和栅极限流电阻R5；开关晶体管的一端与电压调节电阻R2的一端连接，电压调节电阻R2的另一端与有源偏置晶体管、栅极限流电阻R5的一端连接；本发明提供可降低工艺敏感度的温度补偿有源偏置，以解决在复杂工作环境中低噪声放大器芯片性能稳定性，并提高低噪声放大器芯片成品率的温度补偿有源偏置电路。

Description

温度补偿有源偏置电路
技术领域
本发明涉及衰减器领域，更具体的说，它涉及温度补偿有源偏置电路。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，人们对多频多标准接收机的要求不断提高，对宽带低噪声放大器的研究也更加深入。
低噪声放大器工作环境复杂，温度跨度大，传统温度补偿电路分压偏置，可以改善温度波动带来的增益平坦度的恶化，但对工艺波动敏感，导致低噪声放大器芯片成品率低。传统有源偏置，可以降低低噪声放大器对工艺波动的敏感度，但环境适应性差，温度补偿能力较弱。
因此研究出一种电路面积小的、功耗低、集成温度补偿与降低阈值电压敏感度的有源偏置，具有重要的意义及实际应用价值。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供可降低工艺敏感度的温度补偿有源偏置，以解决在复杂工作环境中低噪声放大器芯片性能稳定性，并提高低噪声放大器芯片成品率的温度补偿有源偏置电路。
本发明的技术方案如下：
温度补偿有源偏置电路，包括开关晶体管、有源偏置晶体管、电压调节电阻R2和栅极限流电阻R5；开关晶体管的一端与电压调节电阻R2的一端连接，电压调节电阻R2的另一端与有源偏置晶体管、栅极限流电阻R5的一端连接；其中，晶体管开关包括晶体管FET1、外置电压Vc、外置电压Vdd和栅极限流电阻R1；晶体管FET1的栅极与栅极限流电阻R1的一端连接，栅极限流电阻R1的另一端与外置电压Vc连接，晶体管FET1的漏极与外置电压Vdd连接，晶体管FET1的源极与电压调节电阻R2的一端连接。
进一步的，有源偏置晶体管与栅极限流电阻R5并联。
进一步的，有源偏置晶体管包括晶体管FET2、温敏电阻R3和温敏电阻R4；晶体管FET2的栅极、漏极连接，晶体管FET2的栅极与温敏电阻R3的一端连接，温敏电阻R3的另一端接地，晶体管FET2的源极与温敏电阻R4的一端连接，温敏电阻R4的另一端接地。
进一步的，栅极限流电阻R5的另一端与放大器连接。
进一步的，外置电压Vc高电平为5伏，低电平为0伏，外置电压Vdd为5V。
本发明相比现有技术优点在于：本发明减低了工艺带来的阈值电压Vth波动对放大器增益的影响，并提高在不同温度工作环境下放大器性能的稳定性，同时减小尺寸，降低功耗。
附图说明
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明的电路板示意图；
图3为本发明的有源偏置输出电压随Vth变化仿真结果图；
图4为本发明的有源偏置下晶体管增益随Vth变化仿真结果图；
图5为本发明的有源偏置输出电压随温度变化仿真结果图；
图6为本发明的有源偏置下晶体管增益随温度变化仿真结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明而不能作为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样的定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图6所示，温度补偿有源偏置电路，包括开关晶体管、有源偏置晶体管、电压调节电阻R2和栅极限流电阻R5；开关晶体管的一端与电压调节电阻R2的一端连接，电压调节电阻R2的另一端与有源偏置晶体管、栅极限流电阻R5的一端连接，栅极限流电阻R5的另一端与放大器连接。其中，晶体管开关包括晶体管FET1、外置电压Vc、外置电压Vdd和栅极限流电阻R1；晶体管FET1的栅极与栅极限流电阻R1的一端连接，栅极限流电阻R1的另一端与外置电压Vc连接，通过调节供电外置电压Vc的电平来控制有源偏置晶体管的开关。晶体管FET1的漏极与外置电压Vdd连接，晶体管FET1的源极与电压调节电阻R2的一端连接。有源偏置晶体管与栅极限流电阻R5并联。整体开关晶体管占用面积小，功耗低，在开启时，驱动电压小，开关晶体管的源极电压与外置电压Vdd近似相等。晶体管FET1采用基于GaAs工艺的pHEMT管。
有源偏置晶体管包括晶体管FET2、温敏电阻R3和温敏电阻R4。晶体管FET2的栅极、漏极连接，栅极、漏极的电压相等，有源偏置晶体管将处于饱和区，将输入电压转变为输出电流再转变为输出电压，进而降低输出电压对工艺阈值电压Vth波动的影响。晶体管FET2的栅极与温敏电阻R3的一端连接，温敏电阻R3的另一端接地，晶体管FET2的源极与温敏电阻R4的一端连接，温敏电阻R4的另一端接地。温敏电阻R3和晶体管FET2的栅极，晶体管的漏极和栅极限流电阻R5是并联设置。
晶体管FET2采用基于T形栅工艺的赝配高电子迁移率场效应晶体管，温敏电阻R3和温敏电阻R4采用呈现正温度变化系数。温敏电阻R3和温敏电阻R4，在低温时阻值减小，进而降低输出电压，进而降低放大器晶体管低温时增益，高温时可以提高输出电压，进而升高高温下放大器晶体管增益。
有源偏置晶体管输出电压随阈值电压Vth变化的斜率，通过电压调节电阻R2与温敏电阻R3的阻值进行调节，R2×R3的值越大，有源偏置输出电压变化斜率与阈值电压Vth变化斜率越接近，放大器的工艺冗余度就越高。通过调节温敏电阻R3与温敏电阻R4的阻值，来控制有源偏置晶体管的输出电压随温度变化的斜率。温敏电阻R3既影响有源偏置晶体管对阈值电压Vth的敏感度，又可调节不同温度下的输出电压，因此合理的温敏电阻R3阻值可以良好的兼容有源偏置晶体管对阈值电压波动与温度变化的冗余度。
晶体管尺寸影响温度补偿有源偏置电路的整体功耗与面积，大尺寸的管芯功耗更大，对温度及阈值电压Vth的适应性越强，合理的管芯尺寸，可以平衡有源偏置性能与功耗，减小尺寸。
具体的方案与各元件参数如下：开关晶体管总栅宽50um，栅指数为2，栅长150nm。栅极限流电阻R1、栅极限流电阻R5的尺寸分别为5*200um和3*500um，阻值为7千欧姆和8千欧姆。电压调节电阻R2尺寸为3*210um，电阻为3.6千欧姆。有源偏置晶体管总栅宽为200um，栅指数为4。温敏电阻R3、温敏电阻R4的尺寸分别为10*90um和16*18um，阻值分别为1.5千欧姆和2百欧姆。外置电压Vc高电平为5伏，低电平为0伏，外置电压Vdd为5V。
按上述规格完成电路拓扑结构，根据电路原理图进行布局，有源偏置面积大小为：350um*400um,功耗为:5mW。由图3可知，温度补偿有源偏置电路的输出电压在阈值电压Vth从-0.1伏到0.1伏变化下，从0.37伏提升到0.59伏，与阈值电压Vth变化斜率基本一致，可跟随阈值电压Vth变化。因此温度补偿有源偏置电路下的有源偏置晶体管在阈值电压Vth从-0.1伏到0.1伏变化时，电流仅从9mA降低到6mA。由图4可知，温度补偿有源偏置电路有源偏置晶体管增益从16dB降低到14.7dB，仅降低1.3dB。由图5可知，温度补偿有源偏置电路输出电压在温度从-55℃到125℃变化下，从0.47伏变化到0.52伏。有源偏置晶体管在温度从-55℃到125℃变化下，电流从4mA提升到11mA，由图6可知，增益仅从15dB下降到14.5dB，仅降低0.5dB。
本方案采用GaAs工艺设计了一个温度补偿有源偏置，但有源偏置的实现不限于该工艺。可以利用不同工艺管芯及温度补偿电阻，利用本文所提结构实现调节Vth以及不同温度下增益的稳定度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (1)

1.温度补偿有源偏置电路，其特征在于，包括开关晶体管、有源偏置晶体管、电压调节电阻R2和栅极限流电阻R5；开关晶体管的一端与电压调节电阻R2的一端连接，电压调节电阻R2的另一端与有源偏置晶体管、栅极限流电阻R5的一端连接；其中，晶体管开关包括晶体管FET1、外置电压Vc、外置电压Vdd和栅极限流电阻R1；晶体管FET1的栅极与栅极限流电阻R1的一端连接，栅极限流电阻R1的另一端与外置电压Vc连接，晶体管FET1的漏极与外置电压Vdd连接，晶体管FET1的源极与电压调节电阻R2的一端连接；
有源偏置晶体管与栅极限流电阻R5并联；有源偏置晶体管包括晶体管FET2、温敏电阻R3和温敏电阻R4；晶体管FET2的栅极、漏极连接，晶体管FET2的栅极与温敏电阻R3的一端连接，温敏电阻R3的另一端接地，晶体管FET2的源极与温敏电阻R4的一端连接，温敏电阻R4的另一端接地；栅极限流电阻R5的另一端与放大器连接；外置电压Vc高电平为5伏，低电平为0伏，外置电压Vdd为5V。
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