CN110784182A - 一种双极结型晶体管的偏置电路 - Google Patents

一种双极结型晶体管的偏置电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双极结型晶体管的偏置电路，其具有温度补偿功能，当温度升高时，第五BJT管Q5的电流增益增大，通过设置第一参考电压端来拉低第五BJT管Q5的基极电压，从而降低第五BJT管Q5的电流增益。另外，第三BJT管Q3和第二电阻R2的支路对第一电阻R1的电流进行分流，可通过调节第一参考电压端的电压随温度变化的斜率，来实现最优的温度补偿效果。第四电阻R4可增加偏置电路的输出阻抗，降低对射频信号的影响。本发明中，双极结型晶体管的偏置电路的电路结构简单、面积小、成本低、性能优良，温度补偿范围宽，能够很好地为硅基电路实现温度补偿。

Description

一种双极结型晶体管的偏置电路
技术领域
本发明涉及双极结型晶体管的偏置电路。更具体地，涉及一种带温度补偿的双极结型晶体管的偏置电路。
背景技术
双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)又称为双载子晶体管，它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，分为PNP和NPN两种组合结构。BJT具有放大作用，主要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的，为了保证这一传输过程，需要满足：(1)内部条件，要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；(2)外部条件，发射结要正向偏置(加正向电压)、集电结要反偏置。BJT种类很多，按照频率分有高频管，低频管；按照功率分有小、中、大功率管；按照半导体材料分有硅管和锗管等。BJT构成的放大电路形式有：共发射极、共基极和共集电极放大电路。
BJT集成电路由于其出色的高频性能，广泛应用在射频领域，尤其在雷达、无线通信、GPS等领域的收发系统中均有涉及。实际中，在某些领域，对电路的可靠性有很高的要求，而硅基电路的温度稳定度普遍比较差，即电路的增益随温度的变化明显，使得当温度变化时电路的性能发生显著变化，因此需要温度补偿电路。常见的温度补偿电路通过温度传感器感知温度大小，再通过控制端根据温度大小调整放大器的增益等，电路结构复杂，需要较大的额外功耗。
因此，需要提供一种带温度补偿、结构简单、温度检测范围宽、能够实现高集成度和高精度的且能够直接通过控制偏置电路来增强电路的温度性能的双极结型晶体管的偏置电路。
发明内容
为解决上述问题至少之一，本发明的目的在于提供一种带温度补偿的双极结型晶体管的偏置电路，实现电路结构简单、温度检测范围宽、能够实现高集成度和高精度的且能够直接通过控制偏置电路来增强电路的温度性能。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种双极结型晶体管(BJT)的偏置电路，其中偏置电路包括第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4，其中
第一BJT管Q1的基极与集电极连接，发射极接地；
第二BJT管Q2的基极与集电极电连接后通过第一电阻R1连接至电源电压VDD，发射极连接至第一BJT管Q1的集电极；
第三BJT管Q3的基极与集电极连接后连接至电源电压VDD，发射极与第二电阻R2的第一端连接；
第四BJT管Q4的基极与第二电阻R2的第二端连接，集电极通过第三电阻R3连接至电源电压VDD；
第五BJT管Q5的基极通过第四电阻R4连接至第四BJT管Q4的发射极并作为射频输入端，集电极作为射频输出端，发射极接地；及
第二BJT管Q2的基极与第四BJT管Q4的基极连接并作为第一参考电压端。
本发明中，第三BJT管Q3和第二电阻R2的支路对第一电阻R1的电流进行分流，可通过调节第一参考电压端的电压随温度变化的斜率，来实现最优的温度补偿效果。
进一步地，第四电阻R4可增加偏置电路的输出阻抗，降低对射频信号的影响。
可选地，当温度升高时，第五BJT管Q5的电流增益增大。
可选地，第一参考电压端的电压为第一BJT管Q1的基极和发射极之间的电压与第二BJT管Q2的基极和发射极之间的电压之和。
进一步可选地，当温度升高时，第一参考电压端的电压减小。
进一步可选地，当第一参考电压端的电压减小时，第五BJT管Q5的基极电压减小。
进一步可选地，当第五BJT管Q5的基极电压减小时，第五BJT管Q5的电流增益减小。
可选地，第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4和第五BJT管Q5处于放大状态时的特性函数为：
Figure BDA0002288816470000021
其中，IC为对应BJT管的集电极电流，αF为对应BJT管的正向电流放大系数，IES为对应BJT管的集电极短路(VBC＝0)时发射极的反向饱和电流，IS为对应BJT管的饱和电流，VBE为对应BJT管的基极和发射极之间的电压，VCE为对应BJT管的集电极和发射极之间的电压，VT为对应BJT管的温度电压当量，VA为对应BJT管的厄尔利电压。
进一步可选地，若对应的BJT管的基极电压保持不变，当温度每升高1℃时，基极和发射极之间的电压减小2～2.5mV。
可选地，当温度升高时，对应的BJT管内载流子的扩散系数增大，基区内载流子的复合减少，对应的BJT管电路增益β计算公式如下：
Figure BDA0002288816470000031
可选地，当温度升高时，各对应BJT管的基极和发射极之间的电压减小，静态功耗增加，各BJT管的电流增益增加。
本发明的有益效果如下：
本发明中公开的双极结型晶体管的偏置电路，带有温度补偿功能，当温度升高时，第五BJT管Q5的电流增益增大，通过设置第一参考电压端来拉低第五BJT管Q5的基极电压，从而降低第五BJT管Q5的电流增益。另外，第三BJT管Q3和第二电阻R2的支路对第一电阻R1的电流进行分流，可通过调节第一参考电压端的电压随温度变化的斜率，来实现最优的温度补偿效果。进一步地，第四电阻R4可增加偏置电路的输出阻抗，降低对射频信号的影响。本发明中，双极结型晶体管的偏置电路的电路结构简单、面积小、成本低、性能优良，温度补偿范围宽，能够很好地为硅基电路实现温度补偿。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例中双极结型晶体管的偏置电路的电路结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
对于双极结型晶体管(BJT管)，处于放大状态时其特性函数为：
Figure BDA0002288816470000041
其中，
IC为对应BJT管的集电极电流；
αF为对应BJT管的正向电流放大系数；
IES为对应BJT管的集电极短路(VBC＝0)时发射极的反向饱和电流；
IS为对应BJT管的饱和电流；
VBE为对应BJT管的基极和发射极之间的电压；
VCE为对应BJT管的集电极和发射极之间的电压；
VT为对应BJT管的温度电压当量；
VA为对应BJT管的厄尔利电压。
具体地，当温度升高时，晶体管的温度特性曲线向左移动，若基极电压保持不变，温度每升高1℃，发射结压降VBE约减小2～2.5mV，即：
Figure BDA0002288816470000042
也就是说，当发射结电压VBE保持不变时，温度升高，基极电流加大，集电极电流也加大。
对于BJT管的电路增益当温度升高时，晶体管内载流子的扩散系数增大，基区内载流子的复合减少，致使β增大，工程上可按下式估算β的变化：
Figure BDA0002288816470000051
综上所述，温度增加时，BJT管的VBE减小，静态功耗增加，同时BJT管的电流增益变大。
基于以上分析，如图1所示，本发明提供一种BJT管的偏置电路，该偏置电路包括第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4。
其连接关系如下：
第一BJT管Q1的基极与集电极连接，发射极接地；第二BJT管Q2的基极与集电极电连接后通过第一电阻R1连接至电源电压VDD，发射极连接至第一BJT管Q1的集电极；第三BJT管Q3的基极与集电极连接后连接至电源电压VDD，发射极与第二电阻R2的第一端连接；第四BJT管Q4的基极与第二电阻R2的第二端连接，集电极通过第三电阻R3连接至电源电压VDD；第五BJT管Q5的基极通过第四电阻R4连接至第四BJT管Q4的发射极并作为射频输入端RFin，集电极作为射频输出端RFout，发射极接地；及第二BJT管Q2的基极与第四BJT管Q4的基极连接并作为第一参考电压端M。
其工作原理为：
温度升高时，作为射频放大管的第五BJT管Q5的电流增益变大。由于第一参考电压端M点的电压为BJT管Q1的VBE与BJT管Q2的VBE之和，所以当温度升高时，M点的电压下降。这样，M点电压下降使得放大管Q5的基极电压下降，从而减小放大管Q5的电流增益。
另外，第三BJT管Q3和第二电阻R2的支路对第一电阻R1的电流进行分流，可通过调节第一参考电压端的电压随温度变化的斜率，来实现最优的温度补偿效果。
进一步地，第四电阻R4可增加偏置电路的输出阻抗，降低对射频信号的影响。
本发明中，双极结型晶体管的偏置电路的电路结构简单、面积小、成本低、性能优良，温度补偿范围宽，能够很好地为硅基电路实现温度补偿。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种双极结型晶体管(BJT)的偏置电路，其特征在于，所述偏置电路包括第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4，其中
所述第一BJT管Q1的基极与集电极连接，发射极接地；
所述第二BJT管Q2的基极与集电极电连接后通过所述第一电阻R1连接至电源电压VDD，发射极连接至所述第一BJT管Q1的集电极；
所述第三BJT管Q3的基极与集电极连接后连接至所述电源电压VDD，发射极与所述第二电阻R2的第一端连接；
所述第四BJT管Q4的基极与所述第二电阻R2的第二端连接，集电极通过所述第三电阻R3连接至所述电源电压VDD；
所述第五BJT管Q5的基极通过所述第四电阻R4连接至所述第四BJT管Q4的发射极并作为射频输入端，集电极作为射频输出端，发射极接地；及
所述第二BJT管Q2的基极与所述第四BJT管Q4的基极连接并作为第一参考电压端。
2.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，当温度升高时，所述第五BJT管Q5的电流增益增大。
3.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，所述第一参考电压端的电压为所述第一BJT管Q1的基极和发射极之间的电压与所述第二BJT管Q2的基极和发射极之间的电压之和。
4.根据权利要求3所述的偏置电路，其特征在于，当温度升高时，所述第一参考电压端的电压减小。
5.根据权利要求4所述的偏置电路，其特征在于，当所述第一参考电压端的电压减小时，所述第五BJT管Q5的基极电压减小。
6.根据权利要求5所述的偏置电路，其特征在于，当所述第五BJT管Q5的基极电压减小时，所述第五BJT管Q5的电流增益减小。
7.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，所述第一BJT管Q1、所述第二BJT管Q2、所述第三BJT管Q3、所述第四BJT管Q4和所述第五BJT管Q5处于放大状态时的特性函数为：
其中，IC为对应BJT管的集电极电流，αF为对应BJT管的正向电流放大系数，IES为对应BJT管的集电极短路时发射极的反向饱和电流，IS为对应BJT管的饱和电流，VBE为对应BJT管的基极和发射极之间的电压，VCE为对应BJT管的集电极和发射极之间的电压，VT为对应BJT管的温度电压当量，VA为对应BJT管的厄尔利电压。
8.根据权利要求7所述的偏置电路，其特征在于，若对应的BJT管的基极电压保持不变，当温度每升高1℃时，基极和发射极之间的电压减小2～2.5mV。
9.根据权利要求7所述的偏置电路，其特征在于，当温度升高时，对应的BJT管内载流子的扩散系数增大，基区内载流子的复合减少，对应的BJT管电路增益β计算公式如下：
Figure FDA0002288816460000022
10.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于，当温度升高时，各对应BJT管的基极和发射极之间的电压减小，静态功耗增加，各BJT管的电流增益增加。
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