CN111665898B - 一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路 - Google Patents

一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，涉及新一代信息技术。针对现有技术中温度补偿手段对体积、功率等负面影响的问题提出本方案。利用二极管和第一电阻获得温度感应电阻，同时串接若干HBT管以代替传统电阻，在每一HBT管均引出一路偏置电压，实现多阶正温度系数电压输出。进一步将此电压通过电流镜和正温系数第二电阻转化，为功放芯片提供温漂抑制的偏置电流。有效应对了移动设备对高集成度、高功率输出、高稳定性、低成本的需求。使得其在实现上能以很低的复杂度与较高的可靠性满足移动设备功放芯片在体积、功耗、长期可持续工作等方面的苛刻要求，具有良好的推广价值。

Description

一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路
技术领域
本发明涉及射频芯片技术，尤其涉及一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路。
背景技术
5G时代的逐步到来对可移动终端设备的射频前端诸多芯片带来了更为严峻的挑战，尤其是功放芯片，作为通信系统中最重要的射频模块之一，位于发射机的末端，其性能直接影响信号的传输距离和传输质量。然而无论使用何种工艺设计功放芯片，其输出性能均受到外部温度以及自热效应严重的影响。在外部，生存条件极端的寒冷地区，温度最低可达-20℃，在内部，受大输出功率、高功率密度和高工作频段影响，放大单元之间热耦合严重，工作温度最高可达130℃。如此巨大的工作温度区间，导致功放芯片工作点漂移严重，并且随着温度变化，输出功率、输出效率以及线性度等性能也会随之下降，严重影响了功放芯片的稳定性。因此急需能够有效抑制温度漂移对电路影响的方法，获得能够在-20℃-130℃的温度范围内稳定输出的功放芯片。目前，国内外已从材料工艺、电路结构、封装工艺、芯片应用等方面提出较多提高热稳定的方法。
目前，5G功放芯片主要采用具有良好电子迁移率和沟道电子密度的GaAs HBT工艺，以提高功率密度，降低芯片面积。但与此同时也加剧了芯片内部的自热效应，导致温度漂移严重。因此，从电路结构方面进行优化尤其是对具有温漂抑制功能的偏置电路进行优化，是解决GaAs HBT工艺功放芯片热稳定性的有效手段之一。为了抑制温度变化引起的功放增益变化以及线性度下降等问题，可使用片外稳压结构或是片上温度传感结构，但是此类方法在增大了功耗的同时也增加了面积成本，因此更为有效的办法是利用片上抑制温漂偏置电路，提供尽量不受温度影响的偏置电压或是偏置电流。目前，已提出了多种片上电路结构，有利用稳压二极管自动补偿温度漂移的电路，此电路简单且功耗低，利于片上集成，但精度较低，带负载能力低，输出端电压被稳压二极管钳制，不适用于较大面积的功率管；有利用二极管代替BJT管的高阶温度补偿带隙基准电路，有通过类似于差分电压结构实现温度探测和补偿放大的偏置电路，这两种电路提高了精度的同时降低了温度系数，但同样都面临了集成度越来越高的移动通信设备的挑战，面积和功耗的消耗限制了此类电路的普适性；还有将指数电流转换器与PTAT电流相结合的电路，实现了温度补偿的dB线性增益控制，也降低了面积，但输出电压层次单一，不能提供多层温度系数的电压补偿，防止偏置电压过大导致的击穿。通过分析上述解决方案，现亟需一种易于集成的、面积和功耗小型化的、能够提供多阶温度系数补偿的片上温度补偿偏置电路。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述的一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，在同一芯片内集成有温度补偿单元、多阶式正温度系数电压单元以及准电流镜偏置单元；所述的温度补偿单元包括二极管和第一电阻，所述的二极管正极连接电源电压，负极一路经过第一电阻接地，另一路作为输出端连接至所述多阶式正温度系数电压单元；所述的多阶式正温度系数电压单元包括GaAs HBT工艺制作的若干HBT管，各HBT管均为各自的基极和集电极短接，且依次串联在温度补偿单元输出端与地之间；每一所述HBT管的集电极分别引出一路作为多阶式的电压输出端；所述的准电流镜偏置单元包括正温系数第二电阻和电流镜；所述的正温系数第二电阻一端作为所述准电流镜偏置单元的电压输入，另一端连接所述电流镜的输入侧；所述电流镜输出侧用于输出偏置电流；所述准电流镜偏置单元的电压输入连接所述多阶式的电压输出端之一。
所述的电流镜还包括电容，所述的电容并接在所述第一输入侧HBT管和第一输出侧HBT管各自的发射极之间。目的在于避免所应用的外部电路信号泄漏。
所述的电流镜还可以提供另一种实现方式，包括第二输入侧HBT管、第三输入侧HBT管、第二输出侧HBT管和第三输出侧HBT管；所述的第二输入侧HBT管集电极和基极短接后连接所述正温系数第二电阻，发射极连接第三输入侧HBT管的发射极；所述的第三输入侧HBT管发射极与基极短接，集电极接地；所述的第二输出侧HBT管和第三输出侧HBT管的基极均连接所述第二输入侧HBT管基极，集电极均外接基准电压，发射极共点后用于对外输出所述的偏置电流。目的在于提供另一种电流镜的实现方式。
所述的电流镜还包括电容，所述的电容接在所述第二输出侧HBT管发射极与地之间。目的在于避免所应用的外部电路信号泄漏。
本发明所述的一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，其优点在于，结构简单，便于片上集成，功耗小。有效应对了集成度越来越高的移动通信设备所带来的挑战。并且针对GaAs工艺三极管类型单一的不足，本电路仍然可以获得准确的电流偏置。使得其在实现上能以很低的复杂度与较高的可靠性满足移动设备功放芯片在体积、功耗、长期可持续工作等方面的苛刻要求，具有良好的推广价值。所述的电流镜包括第一输入侧HBT管和第一输出侧HBT管；所述第一输入侧HBT管的基极和集电极短接后连接所述正温系数第二电阻，发射极接地；所述第一输出侧HBT管的基极连接所述第一输入侧HBT管的基极，集电极外接基准电压、发射极用于对外输出所述的偏置电流。目的在于提供一种零温度系数偏置电流的实现方式。
附图说明
图1是本发明所述功放芯片偏置电路的结构示意图。
图2是本发明所述准电流镜偏置单元另一实施例的结构示意图。
图3是本发明所述功放芯片偏置电路应用于外部电路的结构示意图。
图4是本发明所述多阶式正温度系数电压单元输出的其中三阶电压随温度变化的仿真效果图。
图5是本发明所述准电流镜偏置单元中电流随温度变化的仿真效果图。
附图标记：
Vc-电源电压、D1-二极管、R1-第一电阻。
M1-第一HBT管、M2-第二HBT管、M3-第三HBT管、Mi-第i HBT管；V1-第一输出电压、V2-第二输出电压、V3-第三输出电压、Vi-第i输出电压。
R2-正温系数第二电阻；MA0-第一输入侧HBT管、MB0-第一输出侧HBT管、MA1-第二输入侧HBT管、MA2-第三输入侧HBT管、MB1-第二输出侧HBT管、MB2-第三输出侧HBT管；C1-电容、VREF-基准电压、Ibias-偏置电流。
R3-镇流电阻；RFin-射频输入信号、RFout-射频输出信号。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，包括集成在同一芯片上的温度补偿单元、多阶式正温度系数电压单元以及准电流镜偏置单元。
所述的温度补偿单元由串接的二极管D1和第一电阻R1组成。二极管D1的正极连接电源电压Vc；负极作为温度补偿单元的输出端，且经过所述第一电阻R1后接地。
所述的多阶式正温度系数电压单元包括由GaAs HBT工艺制成的若干HBT管，具体为：第一HBT管M1基极和集电极短接后连接二极管D1的负极，并作为第一阶电压输出，即第一输出电压V1。第二HBT管M2基极和集电极短接后连接第一HBT管M1的发射极，并作为第二阶电压输出，即第二输出电压V2。第三HBT管M3基极和集电极短接后连接第二HBT管M2的发射极，并作为第三阶电压输出，即第三输出电压V3。多阶式正温度系数电压单元中每一HBT管的集电极和基极均各自短接并作为对应阶数的电压输出，后一阶的HBT管集电极会连接前一阶HBT管的发射极；直至最后一阶的第i HBT管Mi发射极接地。最后一阶的输出即第i输出电压Vi。
所述的准电流镜偏置单元包括电流镜和前置在所述电流镜输入侧的正温系数第二电阻R2。其中电流镜本发明至少提供两种实施方式：
实施例一，电流镜包括电容C1、第一输入侧HBT管MA0和第一输出侧HBT管MB0。所述的第一输入侧HBT管MA0作为输入侧，第一输出侧HBT管MB0作为输出侧。第一输入侧HBT管MA0基极和集电极短接后连接所述正温系数第二电阻R2，发射极接地。第一输出侧HBT管MB0的基极连接第一输入侧HBT管MA0的基极，集电极外接基准电压VREF，发射极用于对外输出偏置电流Ibias。所述的电容C1接在第一输出侧HBT管MB0发射极和地之间。
实施例二，如图2所示，电流镜包括电容C1、第二输入侧HBT管MA1、第三输入侧HBT管MA2、第二输出侧HBT管MB1和第三输出侧HBT管MB2。第二输入侧HBT管MA1和第三输入侧HBT管MA2组成输入侧，第二输出侧HBT管MB1和第三输出侧HBT管MB2组成输出侧。第二输入侧HBT管MA1基极和集电极短接后连接所述的正温系数第二电阻R2，发射极连接第三输入侧HBT管MA2的发射极。第三输入侧HBT管MA2基极和发射极短接，集电极接地。第二输出侧HBT管MB1和第三输出侧HBT管MB2并联，基极共点后连接第二输入侧HBT管MA1基极，集电极共点后外接基准电压VREF，发射极共点后对外输出偏置电流Ibias。所述的电容C1接在第三输出侧HBT管MB2发射极和地之间。根据需要，通过增加所述的第三输入侧HBT管MA2，可以做到在调整电流大小的同时不影响电流的温度系数。此处的第三输入侧HBT管MA2等效于一个没有温度系数的电阻器件，将偏置电流输出时的电压拉高。本发明还可以通过调整输出侧HBT管MB1和MB2的尺寸，获得不同的偏置电流。
本领域技术人员在电路设计的时候，所述的准电流镜偏置单元可以设置一路以上，根据需要分别通过各自的正温系数第二电阻R2接入多阶电压输出端中的一个或者多个输出端，从而得到不同的偏置电流。具体地，例如需要为二堆叠式的功放芯片提供两路不同的偏置电流，可同时利用多阶正温度系数单元中满足要求的两阶输出电压，如V1和V3，连接两个不同的准电流镜偏置单元提供两路不同大小的电流，其余输出电压Vi悬空。本发明无法穷举所有可能的连接方式，但本领域技术人员基于公知常识和惯用技术手段，可以在无需给出创造性劳动下，即可对各种连接方式作出所需变换。
本发明所述功放芯片偏置电路的具体应用可以如图3所示，功放管作为应用电路的核心器件，其偏置电流由准电流镜偏置单元提供。
利用二极管D1的面积和第一电阻R1的阻值调整第一HBT管M1至第i HBT管Mi的压降，从而获得多阶不同正温度系数的偏置电压。并利用不同温度系数的正温系数第二电阻R2和电流镜，为结构单一的基于GaAs工艺的功放电路提供接近零温度系数的偏置电流。有效降低面积和功耗，提高热稳定性。
本发明的工作具体原理如下：
二极管的电流Id为：
Figure GDA0002849982850000061
其中，q为电子电荷、k为波尔茨曼常数、T为工作温度且单位为开尔文、n为复合因子、Vd为结压降、IS为反向饱和电流，其大小为：
Figure GDA0002849982850000071
其中，S是结面积，A是常量，φB是肖特基势垒电压。
多阶式正温度系数电压单元中的HBT管基极与集电极各自短接后构成一个串联支路，总数为N时，每一个HBT管等效为一个阻值为
Figure GDA0002849982850000072
的等效电阻，其等效阻值可由对应尺寸调节。在各HBT管的集电极产生N个正温度系数不同的电压
Figure GDA0002849982850000073
与等效电阻Reqi成正比。结合二极管电流公式，对第一HBT管M1的集电极电压进行分析可知V1大小为：V1＝IdR1＝Vc-Vd。其中Vd是二极管的压降。当温度从T1上升到Tn时，V1的温度变化ΔV1为
Figure GDA0002849982850000074
由此可知，HBT管的集电极电压与结面积S和电阻R1有关，且电压随温度升高而升高，具有正温度系数。同样的，根据电阻分压的关系，也可以算出其他HBT管的集电极电压，其大小为：
Figure GDA0002849982850000075
其中，RS为串联支路所有等效电阻之和。
在准电流镜偏置电流中，正温系数第二电阻R2的阻抗随温度上升而增加。根据电流镜的公式，利用输入侧与输出侧HBT管的尺寸比1：m，可以产生所需比例的输出电流，偏置于外部应用电路的输入端。忽略输入侧上的压降，则最终输出电流的大小为：
Figure GDA0002849982850000076
本发明采用片上抑制温漂的偏置电路，基于二极管D1的尺寸和第一电阻R1的阻值变化，将二极管负极处电流接入等效为电阻的HBT管串联支路。通过微调获得正温度系数的电压，并通过正温系数第二电阻R2，在电流镜输出侧获得几乎零温度系数的电流。此电路结构简单，便于片上集成，功耗小，有效应对了集成度越来越高的移动通信设备所带来的挑战。
用二极管连接式的HBT管代替传统电阻，降低面积与功率损耗的同时，也通过多个HBT管的集电极获得N阶不同正温度系数的偏置电压。此电路可运用在多种偏置方案中，可利用此电路偏置如MOS或HMET等电压控制型功放电路，从而降低增益的漂移，该些功放管的栅极电压随温度上升而降低。也可利用多层的温度补偿优化堆叠式功放电路，从而避免其中某个功放管的输入电压过高而击穿的可能。
准电流镜偏置电路利用正温系数第二电阻R2将电压转化为电流，可偏置于电流控制型三极管的输入端，例如BJT和HBT管，从而获得精准的输出端电流控制。并且针对GaAs工艺三极管类型单一的不足，本发明仍然可以获得准确的电流偏置。
本发明有效应对了移动设备对高集成度、高功率输出、高稳定性、低成本的需求，使得其在实现上能以很低的复杂度与较高的可靠性满足移动设备功放芯片在体积、功耗、长期可持续工作等方面的苛刻要求，具有良好的推广价值。
仿真测试
将多阶式正温度系数电压单元中的HBT管总数设置为N＝3，并且令Vref＝Vc＝5V、R1＝2KΩ、R2＝2.2KΩ、R3＝250Ω、采用正温度系数的第一输出电压V1连接准电流镜偏置单元、电流镜输入侧与输出侧尺寸比为1:2、C1＝7pF、仿真测试温度控制在-20℃～120℃，得到如图4所示的电压-温度曲线以及得到如图5所示的电流-温度曲线。其中图4纵坐标为三阶正温度系数电压，V1至V3电压大小随温度变化依次减弱，分别为0.8V/℃、0.5V/℃、0.11V/℃。在图5中可以得知，偏置电流温度系数仅仅为0.014ppm/℃，在实际技术应用中可保证稳定的功率输出，达到产品应用需求的温漂抑制效果。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，在同一芯片内集成有温度补偿单元、多阶式正温度系数电压单元以及准电流镜偏置单元；
其特征在于，
所述的温度补偿单元包括二极管(D1)和第一电阻(R1)，所述的二极管(D1)正极连接电源电压(Vc)，负极一路经过第一电阻(R1)接地，另一路作为输出端连接至所述多阶式正温度系数电压单元；
所述的多阶式正温度系数电压单元包括GaAs HBT工艺制作的若干HBT管，各HBT管均为各自的基极和集电极短接，且依次串联在温度补偿单元输出端与地之间；每一所述HBT管的集电极分别引出一路作为多阶式的电压输出端；
所述的准电流镜偏置单元包括正温系数第二电阻(R2)和电流镜；所述的正温系数第二电阻(R2)一端作为所述准电流镜偏置单元的电压输入，另一端连接所述电流镜的输入侧；所述电流镜输出侧用于输出偏置电流(Ibias)；
所述准电流镜偏置单元的电压输入连接所述多阶式的电压输出端之一。
2.根据权利要求1所述基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，其特征在于，所述的电流镜包括第一输入侧HBT管(MA0)和第一输出侧HBT管(MB0)；所述第一输入侧HBT管(MA0)的基极和集电极短接后连接所述正温系数第二电阻(R2)，发射极接地；所述第一输出侧HBT管(MB0)的基极连接所述第一输入侧HBT管(MA0)的基极，集电极外接基准电压(VREF)、发射极用于对外输出所述的偏置电流(Ibias)。
3.根据权利要求2所述基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，其特征在于，所述的电流镜还包括电容(C1)，所述的电容(C1)并接在所述第一输入侧HBT管(MA0)和第一输出侧HBT管(MB0)各自的发射极之间。
4.根据权利要求1所述基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，其特征在于，所述的电流镜包括第二输入侧HBT管(MA1)、第三输入侧HBT管(MA2)、第二输出侧HBT管(MB1)和第三输出侧HBT管(MB2)；
所述的第二输入侧HBT管(MA1)集电极和基极短接后连接所述正温系数第二电阻(R2)，发射极连接第三输入侧HBT管(MA2)的发射极；
所述的第三输入侧HBT管(MA2)发射极与基极短接，集电极接地；
所述的第二输出侧HBT管(MB1)和第三输出侧HBT管(MB2)的基极均连接所述第二输入侧HBT管(MA1)基极，集电极均外接基准电压(VREF)，发射极共点后用于对外输出所述的偏置电流(Ibias)。
5.根据权利要求4所述基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路，其特征在于，所述的电流镜还包括电容(C1)，所述的电容(C1)接在所述第二输出侧HBT管(MB1)发射极与地之间。
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