CN112631358A - 一种ldmos功放管的栅极稳压电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LDMOS功放管的栅极稳压电路，包括：电源滤波电路、降压电路和线性稳压电路；电源滤波电路用于滤除供电电压的纹波及其余单元的信号串扰，电源滤波电路的输出端经分压功率电阻与降压电路的输入端连接；降压电路包含电压调整器和多个整流滤波电容；线性稳压电路包含使能开关电路和低压差线性稳压器，使能开关电路用于控制低压差线性稳压器的开启与关闭；低压差线性稳压器的使能引脚与开关电路连接，低压差线性稳压器的输出引脚通过电位器连接至LDMOS功放管的栅极。本发明能够显著改善LDMOS功放管的射频放大指标，同时实现射频放大电路整体的稳定以及良好的线性度。

Description

一种LDMOS功放管的栅极稳压电路

技术领域

本发明属于短波通信技术领域，尤其涉及一种LDMOS功放管的栅极稳压电路。

背景技术

在短波通信系统中，功率放大器模块是必不可少的部分，短波电台的工作原理中，声音及各类数据信息经由一系列处理后转化为小信号送至功率放大器单元，由功放单元实现小信号的固定增益放大，放大至额定功率后的射频信号通过滤波器滤除谐波以及天馈系统阻抗匹配发射，从而实现短波电台的信息发送。上一代射频放大电路采用双极性晶体管作为核心射频放大器件，由于双极性晶体管本身固有特性，放大后信号的各项指标普遍处于较差水平，并且很难通过调整匹配电路等方式进行有效改善。故而目前普遍选用硅射频横向扩散金属-氧化物-半导体(LDMOS)功率晶体管替代双极性晶体管作为射频放大电路的核心器件。

LDMOS功放管属于射频放大电路的核心器件，它的固有特性使得它能帮助射频放大电路取得更高的效率、更稳定的增益以及更好的线性度。但是其栅极直流偏置电平不稳定会导致功放管导通角变化，进一步产生干扰功率以及输出电流谐波的恶化。LDMOS管作为宽带放大器件，其放大频率范围由HF至500Mhz甚至可达到2Ghz。栅极作为小信号输入端，任何小信号例如偏置供电中的电源纹波都极易经由功放管放大，严重影响射频信号纯度以及谐波、互调等各项指标要求，更甚者将导致功放管的内部保护或者烧毁。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种LDMOS功放管的栅极稳压电路，该电路能够显著改善LDMOS功放管的射频放大指标，同时实现射频放大电路整体的稳定以及良好的线性度，为射频信号后续的滤波器匹配以及调谐发射奠定良好的基础，继而改善短波电台的通信质量及电台的可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种LDMOS功放管的栅极稳压电路，包括：电源滤波电路、降压电路和线性稳压电路，其中，所述电源滤波电路用于滤除供电电压的纹波及其余单元的信号串扰，所述电源滤波电路的输出端经分压功率电阻与所述降压电路的输入端连接；

所述降压电路包含电压调整器和多个整流滤波电容，每个整流滤波电容的电容值不同；所述电压调整器的输入端与所述分压功率电阻的一端连接，所述电压调整器的输出端与所述线性稳压电路的输入端连接，所述电压调整器还具有接地端；一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输入端与地之间，另一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输出端与地之间；

所述线性稳压电路包含使能开关电路和低压差线性稳压器，所述使能开关电路用于控制所述低压差线性稳压器的开启与关闭；所述低压差线性稳压器的使能引脚与开关电路连接，低压差线性稳压器的输出引脚通过电位器连接至LDMOS功放管的栅极，低压差线性稳压器的接地引脚接地。

进一步地，所述电源滤波电路包含电感L1、电容C1、电容C2，所述电感L1一端接输入电压，一端与所述分压功率电阻的一端连接；所述电容C1和电容C2分别设置于电感L1的电压输入端与地之间。

进一步地，还包括二极管，所述二极管设置于所述降压电路的输出端与线性稳压电路的输入端之间。

进一步地，所述使能开关电路包含限流电阻R2和三极管V1，所述限流电阻R2一端与所述降压电路的输出端连接，另一端与三极管V1的集电极连接；所述三极管V1的基极接使能信号，其射极接地，其集电极与所述低压差线性稳压器的使能引脚连接。

进一步地，所述电位器的两个固定端分别与所述低压差线性稳压器的输出引脚三极管和地连接，所述电位器的自由端与LDMOS功放管的栅极连接。

进一步地，所述电源滤波电路的输入电压为28V，所述降压电路的输出电压为12V，所述线性稳压电路的输出电压为5V。

更进一步地，所述电位器的电压调整范围为2-4V。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过设计多级降压、稳压电路实现了仅一路28V直流电压对功放管的栅极、漏极供电，同时保证了降压25V压差后的电路温度控制、电源纹波滤除以及栅极偏置的稳定性；该电路能够显著改善LDMOS功放管的射频放大指标，同时实现射频放大电路整体的稳定以及良好的线性度，为射频信号后续的滤波器匹配以及调谐发射奠定良好的基础，继而改善短波电台的通信质量及电台的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的一种LDMOS功放管的栅极稳压电路的原理框图；

图2为本发明的一种LDMOS功放管的栅极稳压电路的电路图；

图3为传统DC/DC电压转换芯片的功放输出底噪频谱图；

图4为采用传统DC/DC电压转换芯片时输入激励信号后的功放管输出频谱图；

图5为使用本发明的稳压电路的功放输出底噪频谱图；

图6为使用本发明的稳压电路的时输入激励信号后的功放管输出频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1和图2，本发明的提供的一种LDMOS功放管的栅极稳压电路，包括：电源滤波电路、降压电路和线性稳压电路，其中，所述电源滤波电路用于滤除供电电压的纹波及其余单元的信号串扰，所述电源滤波电路的输出端经分压功率电阻与所述降压电路的输入端连接；

所述降压电路包含电压调整器和多个整流滤波电容，每个整流滤波电容的电容值不同；所述电压调整器的输入端与所述分压功率电阻的一端连接，所述电压调整器的输出端与所述线性稳压电路的输入端连接，所述电压调整器还具有接地端；一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输入端与地之间，另一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输出端与地之间；

所述线性稳压电路包含使能开关电路和低压差线性稳压器，所述使能开关电路用于控制所述低压差线性稳压器的开启与关闭；所述低压差线性稳压器的使能引脚与开关电路连接，低压差线性稳压器的输出引脚通过电位器连接至LDMOS功放管的栅极，低压差线性稳压器的接地引脚接地。

以上实施例中，本发明通过28V滤波电路、分压功率电阻和降压电路，将28V输入电压降至12V；每个滤波电容采用不同容值，分布在分压功率电阻和降压电路的输入端和输出端，如图2中的电容C3、C4、C5，保证滤除28V供电电压的纹波以及其他单元带来的信号串扰；所述电源滤波电路包含电感L1、电容C1、电容C2，所述电感L1一端接输入电压，一端与所述分压功率电阻的一端连接；所述电容C1和电容C2分别设置于电感L1的电压输入端与地之间。

分压功率电阻用于进一步降压，通过计算负载电流以及稳压电路的输入要求后选择合适的阻值，同时将热量经由功率电阻背部焊盘热传导至印制板，保证稳压电路的输入稳定。

降压电路包含三端固定正输出的电压调整器、多个整流滤波电容以及保护二极管，二极管设置于所述降压电路的输出端与线性稳压电路的输入端之间，二极管用于防止在电压输出端并联较大感性原件时产生的电流脉冲损坏器件，整流滤波电容保证50Hz的纹波滤除。

本发明实施例的电压调整器为集成芯片，采用锦州辽晶电子科技有限公司生产的型号为CW7805BDT(BD2T)的三段固定输出集成稳压器。

具体地，使能开关电路包含限流电阻R2和三极管V1，限流电阻R2一端与降压电路的输出端连接，另一端与三极管V1的集电极连接；三极管V1的基极接使能信号，其射极接地，其集电极与低压差线性稳压器的使能引脚连接。

本发明实施例采用北京伽略电子股份有限公司生产的型号为GED1121-5的低压差电压调整器。低压差电压调整器(Low Dropout Regulaor，以下简称LDO)，属于线性电源，其内部由四部分组成：分压取样电路、基准电压、误差放大电路和晶体管调整电路。其中晶体管调整电路为LDO芯片的核心，将取样电路采集到的电压进行放大，用放大后的信号(电流)控制晶体管的导通电压，形成一个负反馈调节电路。因为其内部晶体管工作在线性区(即放大区)，使其具有非常低的压降、线路和负载调节以及快速瞬间响应能力。对于LDO来说，输入电压与输出电压的压差一般较小，才可保证电压转换效率以及能量损耗可控。

此外，本发明还包括电位器，其两个固定端分别与所述低压差线性稳压器的输出引脚三极管和地连接，电位器的自由端与LDMOS功放管的栅极连接，用于对电压进行进一步的微调，其调整范围在2-4V之间。

本发明电路的设计思路：考虑到射频放大器件LDOMOS管作为宽带放大器件，其放大频率范围很广。栅极作为小信号输入端，任何小信号例如偏置供电中的电源纹波都极易经由功放管放大，严重影响射频信号纯度以及谐波、互调等各项指标要求，更甚者将导致功放管的内部保护或者烧毁。故引入电源抑制比(PSRR)的概念，这个指标反映了LDO抑制由输入电压造成的输出电压波动能力，其数学公式为：

PSRR(dB)＝20log10[Vripple_in/Vripple_out]

式中，Vripple_in为输入电压纹波，Vripple_out为输出电压纹波，由公式可知PSRR越大，表明LDO对于纹波抑制效果越好，作为宽带频率范围上放大的偏置稳压供电器件，其必定是首要的考量指标。

由于射频放大器件LDMOS管对偏置电压的严苛要求，故将低压差电压调整器作为栅极偏置电压供电的首选器件，同时考虑到LDO一系列的使用特性，为了保证LDO节点温度不至于过高而损坏，需在输入电压前端设置降压电路在保证LDO电源抑制比的同时保证LDO不会因过热影响工作指标。

本发明中，功放管栅极电路的供电由28V提供，由于LDO的芯片损耗公式：

PL＝ΔU·I

可知，LDO的芯片损耗为压差ΔU与负载电流I的乘积，通过对LDO热阻、耗散温度以及结温的考量，计算并测试出当LDO输入电压为12V左右时，LDO芯片中MOS管工作在最佳状态，保证了功放管栅极电路的稳定。

效果验证

采用传统的DC/DC开关电源直接进行电压转换后分压提供栅极偏置和采用本发明稳压电路提供栅极偏置进行效果对比。

试验对比中，搭建除栅极供电外其余电路相同的LDMOS功放管射频放大电路，在功放管输出端接功率计及30dB衰减器，将衰减后的信号输入频谱分析仪，频谱分析仪使用显示输出信号的频谱图像，横坐标为频率，纵坐标为信号幅度，观察两种栅极偏置下的输出信号底噪及周边杂散频率幅度，结果如图3-图6所示。图3为功放管栅极未加激励信号时的输出频谱图，图4为功放管栅极加入激励信号后的输出频谱图。图4和图5分别为采用本发明稳压电路为功放管提供栅极偏置电压对应的未加激励信号时的输出频谱图和加入激励信号后的输出频谱图，对比图3和图5可以看出，未加激励信号时，传统DC/DC电源芯片作为偏置时，功放输出底噪中存在明显500KHz杂散及其多次谐波，当使用本发明中的栅极稳压电路时，输出信号频谱改善明显。对比图4和图6可以看出，当由栅极输入固定激励时，传统DC/DC电源芯片作为偏置时，功放输出杂散明显。总之，当使用本发明LDO栅极稳压电路时，功放管输出底噪平稳无杂散，在输入激励后射频放大信号中，杂散指标明显较传统方式下降，相较于DC/DC开关电源偏置带来500Khz杂散及其谐波，指标优化≥10dB。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，包括：电源滤波电路、降压电路和线性稳压电路，其中，所述电源滤波电路用于滤除供电电压的纹波及其余单元的信号串扰，所述电源滤波电路的输出端经分压功率电阻与所述降压电路的输入端连接；

所述降压电路包含电压调整器和多个整流滤波电容，每个整流滤波电容的电容值不同；所述电压调整器的输入端与所述分压功率电阻的一端连接，所述电压调整器的输出端与所述线性稳压电路的输入端连接，所述电压调整器还具有接地端；一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输入端与地之间，另一部分整流滤波电容设置于电压调整器的输出端与地之间；

所述线性稳压电路包含使能开关电路和低压差线性稳压器，所述使能开关电路用于控制所述低压差线性稳压器的开启与关闭；所述低压差线性稳压器的使能引脚与开关电路连接，低压差线性稳压器的输出引脚通过电位器连接至LDMOS功放管的栅极，低压差线性稳压器的接地引脚接地。

2.根据权利要求1所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，所述电源滤波电路包含电感L1、电容C1、电容C2，所述电感L1一端接输入电压，一端与所述分压功率电阻的一端连接；所述电容C1和电容C2分别设置于电感L1的电压输入端与地之间。

3.根据权利要求1所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，还包括二极管，所述二极管设置于所述降压电路的输出端与线性稳压电路的输入端之间。

4.根据权利要求1所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，所述使能开关电路包含限流电阻R2和三极管V1，所述限流电阻R2一端与所述降压电路的输出端连接，另一端与三极管V1的集电极连接；所述三极管V1的基极接使能信号，其射极接地，其集电极与所述低压差线性稳压器的使能引脚连接。

5.根据权利要求1所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，所述电位器的两个固定端分别与所述低压差线性稳压器的输出引脚三极管和地连接，所述电位器的自由端与LDMOS功放管的栅极连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，所述电源滤波电路的输入电压为28V，所述降压电路的输出电压为12V，所述线性稳压电路的输出电压为5V。

7.根据权利要求6所述的LDMOS功放管的栅极稳压电路，其特征在于，所述电位器的电压调整范围为2-4V。

Images