CN113271069A - 一种射频功率放大器温度补偿偏置电路和射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频功率放大器温度补偿偏置电路，包括：限流电阻、镇流电阻、温补电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、线性化电容、隔直电容、射频功率管和电感，构成的温度补偿模块和线性化补偿模块能够避免镇流电阻对温度补偿效果和线性化作用的影响，且无需控制晶体管处于相同的工作状态，能够达到更佳的温度补偿效果和线性化作用，解决了现有的射频功率放大器温度补偿偏置电路对晶体管和射频功率管的工作状态要求高，且镇流电阻对温度补偿和线性度影响较大，镇流电阻的取值难以平衡该电路的温度补偿和线性化作用的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其涉及一种射频功率放大器温度补偿偏置电路和射频功率放大器。
背景技术
射频功率放大器的主要作用是把已经调制的基带信号放大到一定的功率值，将放大后的信号传送到天线向外发射。线性度是射频功率放大器的一个重要指标，用于描述射频放大器能否在一定范围内做到把基带信号无失真放大的能力。随着现代无线通信技术的发展，在调制信号时所采用的调制方案愈发复杂，使用的调制模式越来越密，调制阶数越来越高，信道带宽也越来越宽，因此，对于放大器而言，对线性度指标的要求也变得越来越高。
在射频无线通信单片微波集成电路(MMIC)中，异质双极晶体管(HeterojunctionBipolar Transistor，HBT)由于砷化镓的热导率很低，而且还会随着温度的升高而不断减小，而功率放大器在工作时会产生大量的热，芯片温度会快速上升，这两者相互作用将会致使晶体管所需的导通电压下降，并且在恒正压的情况下感应出更多的直流量，导致功率放大器中的射频功率管的静态工作点发生偏移且进一步的又会使功率放大器产生额外的热量，由此形成恶性的热正反馈。这一现象对于多指发射极晶体管而言，尤为严重，会削弱晶体管发射结注入效率和电流增益，甚至可能引起电流坍塌导致晶体管的工作状态发生变化，使偏置电压或电流会偏离设计值，造成射频功率放大器的线性度下降，从而影响输出功率。
为了防止形成恶性温补正反馈以及在温度变化下发生的偏置电压或电流发生偏离，导致功率放大器的特性发生较大改变，最终影响输出信号，因此，需要设计具有温度补偿作用的偏置电路。现有的射频功率放大器的温度补偿偏置电路如图1所示，图1中，射频功率管QRF的偏置电流由晶体管Q1和Q2组成的电流镜提供，通过调节限流电阻R2即可获得功率放大器所需的偏置电流值。Q2和Q3把基极和集电极连接在一起作二极管用的目的是在提供基准电压的同时，能协同镇流电阻R1起到温度补偿作用。图1电路的温度补偿原理是，在设计功率放大器以及具体版图时，使用Q1、Q2和Q3，以及QRF均工作在相同的状态，并具有一致的温度环境，这4个器件的各项参数完全匹配，当芯片温度升高时，射频功率管QRF的基极电流会上升，因为有相同的工作状态和一致的温度环境，晶体管Q2和Q3的导通电流也会上升，流经电阻R2的电流上升，从而导致Q1基极的点位下降，导致流经镇流电阻R1的电流下降，也就是偏置电路提供给射频功率管QRF的电流下降，以此来补偿温度升高带来的QRF的基极电流上升。这种射频功率放大器温度补偿偏置电路，若想要达到较好的温度R1补偿效果，在设计功率放大器和集体版图时，必须保证Q1、Q2和Q3，以及QRF均工作在相同的状态，并具有一致的温度环境，各项参数完全匹配，在实际操作中难以实现，只能是尽量使该有源自适应偏置电路紧凑并且使Q3靠近射频功率管QRF，这样一来，该电路会由于Q1、Q2和Q3，以及QRF不能很好感知温度变化而限制了温度补偿效果；并且镇流电阻R1对温度补偿和线性度影响较大，镇流电阻R1的取值难以平衡该电路的温度补偿和线性化作用。
发明内容
本发明实施例提供了一种射频功率放大器温度补偿偏置电路和射频功率放大器，用以解决现有的射频功率放大器温度补偿偏置电路对晶体管和射频功率管的工作状态要求高，且镇流电阻对温度补偿和线性度影响较大，镇流电阻的取值难以平衡该电路的温度补偿和线性化作用的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种射频功率放大器温度补偿偏置电路和射频功率放大器，包括：限流电阻(R2)、镇流电阻(R1)、温补电阻(R3)、第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、线性化电容(C1)、隔直电容(C_Block)、射频功率管(QRF)和电感(L_Chock)；
限流电阻(R2)一端接参考电压(VRef)，另一端接第二晶体管(Q2)的集电极连接，第二晶体管(Q2)的集电极与基极连接，第二晶体管(Q2)的发射极与温补电阻(R3)的一端连接，温补电阻(R3)的另一端接地；
第三晶体管(Q3)的集电极与第二晶体管(Q2)的基极连接，第三晶体管(Q3)的基极与第二晶体管(Q2)的发射极连接，第三晶体管(Q3)的发射极与温补电阻(R3)共地；
线性化电容(C1)一端连接第二晶体管(Q2)的基极，另一端与第三晶体管(Q3)的发射极共地；
第一晶体管(Q1)的集电极接电池电压(VBat)，第一晶体管(Q1)的基极接第二晶体管(Q2)的基极，第一晶体管(Q1)的发射极接镇流电阻(R1)的一端，镇流电阻(R1)的另一端接射频功率管(QRF)的基极，接射频功率管(QRF)的集电极接电感(L_Chock)的一端，电感(L_Chock)的另一端接供电电压(VCC)，接射频功率管(QRF)的发射极接地；
隔直电容(C_Block)一端接射频功率管(QRF)的基极，另一端接射频信号输入端(RF IN)。
可选地，电感(L_Chock)为射频扼流大电感。
可选地，温补电阻(R3)的阻值为6～7kΩ。
本发明第二方面提供了一种射频功率放大器，包括第一方面任一种所述的射频功率放大器温度补偿偏置电路。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明中提供了一种射频功率放大器温度补偿偏置电路，包括：限流电阻(R2)、镇流电阻(R1)、温补电阻(R3)、第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、线性化电容(C1)、隔直电容(C_Block)、射频功率管(QRF)和电感(L_Chock)，限流电阻(R2)一端接参考电压(VRef)，另一端接第二晶体管(Q2)的集电极连接，第二晶体管(Q2)的集电极与基极连接，第二晶体管(Q2)的发射极与温补电阻(R3)的一端连接，温补电阻(R3)的另一端接地；第三晶体管(Q3)的集电极与第二晶体管(Q2)的基极连接，第三晶体管(Q3)的基极与第二晶体管(Q2)的发射极连接，第三晶体管(Q3)的发射极与温补电阻(R3)共地；线性化电容(C1)一端连接第二晶体管(Q2)的基极，另一端与第三晶体管(Q3)的发射极共地；第一晶体管(Q1)的集电极接电池电压(VBat)，第一晶体管(Q1)的基极接第二晶体管(Q2)的基极，第一晶体管(Q1)的发射极接镇流电阻(R1)的一端，镇流电阻(R1)的另一端接射频功率管(QRF)的基极，接射频功率管(QRF)的集电极接电感(L_Chock)的一端，电感(L_Chock)的另一端接供电电压(VCC)，接射频功率管(QRF)的发射极接地；隔直电容(C_Block)一端接射频功率管(QRF)的基极，另一端接射频信号输入端(RF IN)。
本发明提供的射频功率放大器温度补偿偏置电路，电感(L_Chock)用以阻隔射频信号泄露到供电电压(VCC)，并提供直流通路；隔直电容(C_Block)用于耦合输入到射频信号到射频功率管(QRF)，避免前级放大偏置点与后级放大偏置点之间的相互干扰；线性化电容(C1)用于短路泄露的射频信号到地，保证第一晶体管(Q1)基极点电位的稳定；射频功率管(QRF)用于放大输入的射频信号；第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)组成电流镜，用于提供射频功率管(QRF)的电流偏置点；第三晶体管(Q3)为提供温度负反馈的晶体管，感受射频功率管(QRF)温度变化，并提供温度负反馈，镇流电阻(R1)用于保证射频功率管(QRF)的热稳定性以及线性化，防止电流增益崩塌，对温度补偿效果几乎无影响，限流电阻(R2)用于控制进入第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)基极的电流，温补电阻(R3)用于保证第二晶体管(Q2)发射极绝大部分的电流流经第三晶体管(Q3)以使得加强温度负反馈的效果。因此，本发明提供的射频功率放大器温度补偿偏置电路避免了镇流电阻对温度补偿效果和线性化作用的影响，且无需控制晶体管处于相同的工作状态，能够达到更佳的温度补偿效果和线性化作用，解决了现有的射频功率放大器温度补偿偏置电路对晶体管和射频功率管的工作状态要求高，且镇流电阻对温度补偿和线性度影响较大，镇流电阻的取值难以平衡该电路的温度补偿和线性化作用的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的射频功率放大器的温度补偿偏置电路图；
图2为现有技术的射频功率放大器的温度补偿偏置电路的温度补偿效果受镇流电阻影响变化图；
图3为现有技术的射频功率放大器的温度补偿偏置电路的线性化补偿效果受镇流电阻影响变化图；
图4为本发明实施例提供的一种射频功率放大器温度补偿偏置电路图；
图5为本发明实施例提供的一种射频功率放大器温度补偿偏置电路在合理选择各项参数下的温度补偿效果图；
图6为本发明实施例提供的一种射频功率放大器温度偏置电路的温度补偿效果受镇流电阻影响变化图；
图7为本发明实施例提供的一种射频功率放大器温度偏置电路的线性化补偿效果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
实施例1
为了便于理解，请参阅图1至图5，本发明提供的一种射频功率放大器温度补偿偏置电路的一个实施例，包括：限流电阻(R2)、镇流电阻(R1)、温补电阻(R3)、第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、线性化电容(C1)、隔直电容(C_Block)、射频功率管(QRF)和电感(L_Chock)；
限流电阻(R2)一端接参考电压(VRef)，另一端接第二晶体管(Q2)的集电极连接，第二晶体管(Q2)的集电极与基极连接，第二晶体管(Q2)的发射极与温补电阻(R3)的一端连接，温补电阻(R3)的另一端接地；
第三晶体管(Q3)的集电极与第二晶体管(Q2)的基极连接，第三晶体管(Q3)的基极与第二晶体管(Q2)的发射极连接，第三晶体管(Q3)的发射极与温补电阻(R3)共地；
线性化电容(C1)一端连接第二晶体管(Q2)的基极，另一端与第三晶体管(Q3)的发射极共地；
第一晶体管(Q1)的集电极接电池电压(VBat)，第一晶体管(Q1)的基极接第二晶体管(Q2)的基极，第一晶体管(Q1)的发射极接镇流电阻(R1)的一端，镇流电阻(R1)的另一端接射频功率管(QRF)的基极，接射频功率管(QRF)的集电极接电感(L_Chock)的一端，电感(L_Chock)的另一端接供电电压(VCC)，接射频功率管(QRF)的发射极接地；
隔直电容(C_Block)一端接射频功率管(QRF)的基极，另一端接射频信号输入端(RF IN)。
在现有技术(图1)中，为了增强该有源自适应偏置电路的温度补偿效果，利用电阻分压的原理，以负反馈形式动态调整射频功率管的偏置电压，该电路加入一个镇流电阻，该镇流电阻对温度补偿效果影响较大，如图2所示，当图1中的R1减小时，温度补偿效果显著变差，但是当该镇流电阻选取的值较大时，会引发另一个问题，过大的镇流电阻会加强功率放大器在大信号工作时的非线性，使该有源自适应偏置电路的线性化效果变差，如图3所示。
本发明实施例中，电感(L_Chock)选择射频扼流大电感。温度补偿模块主要由第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、限流电阻(R2)和温补电阻(R3)组成，其温度补偿原理为：当功率放大器温度升高时，流经第二晶体管(Q2)的导通电流会增大，第二晶体管(Q2)的发射极电流也会增大，温补电阻(R3)是一个大电阻，优选6～7kΩ的大电阻，第二晶体管(Q2)的发射极电流的绝大部分会流向第三晶体管(Q3)的基极，所以第三晶体管(Q3)基极电流会增大，第三晶体管(Q3)处于放大状态，第三晶体管(Q3)基极电流的增大会导致第三晶体管(Q3)集电极电流的增大；第一晶体管(Q1)基极与第三晶体管(Q3)集电极并联，由于集电极电流的增大，分走了更多的电流，于是流向第一晶体管(Q1)基极的电流减少，第一晶体管(Q1)处于放大状态，第一晶体管(Q1)的基极电流的减小导致第一晶体管(Q1)发射极电流的减少，以此补偿了温度上升带来的射频功率管(QRF)电流的增大。温度补偿的效果如图5所示，在常见的温度变化范围-20至120摄氏度内，射频功率管(QRF)集电极电流的波动在71～89mA之间，最大变化量为19mA。由于该温度补偿模块的主要补偿作用依靠于第三晶体管(Q3)的负反馈，当镇流电阻(R1)变化时，射频功率管(QRF)集电极电流最大变化量几乎不会变化，如图6所示。
线性化补偿模块由第一晶体管(Q1)、线性化电容(C1)和镇流电阻(R1)组成，其补偿原理是：当功率放大器工作在大信号状态时，输入的射频信号会泄漏到第一晶体管(Q1)基极，由于线性化电容(C1)泄漏的射频信号被断路到地，第一晶体管(Q1)的基极电压只有直流成分，所以第一晶体管(Q1)具有固定的基极电压，第一晶体管(Q1)基极和发射极间的结具有整流特性，所以泄漏到第一晶体管(Q1)的射频信号会导致第一晶体管(Q1)基-射结电压下降，从而补偿了射频功率管(QRF)基-射结电压下降，稳定了射频功率管(QRF)的静态偏置点，而镇流电阻(R1)可以调节功率放大器在大射频功率输入下的射频功率管(QRF)的基极电流，能调整射频信号下的偏置直流成分，调节功率放大器在大信号工作状态下的非线性，效果如图3所示，合理选择镇流电阻(R1)的取值，镇流电阻(R1)的取值一般取100-300欧姆，可保证在大信号下射频功率管(QRF)基-射结电压仍有稳定值，效果如图7所示。
电感(L_Chock)用以阻隔射频信号泄露到供电电压(VCC)，并提供直流通路；隔直电容(C_Block)用于耦合输入到射频信号到射频功率管(QRF)，避免前级放大偏置点与后级放大偏置点之间的相互干扰；线性化电容(C1)用于短路泄露的射频信号到地，保证第一晶体管(Q1)基极点电位的稳定；射频功率管(QRF)用于放大输入的射频信号；第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)组成电流镜，用于提供射频功率管(QRF)的电流偏置点；第三晶体管(Q3)为提供温度负反馈的晶体管，感受射频功率管(QRF)温度变化，并提供温度负反馈，镇流电阻(R1)用于保证射频功率管(QRF)的热稳定性以及线性化，防止电流增益崩塌，对温度补偿效果几乎无影响，限流电阻(R2)用于控制进入第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)基极的电流，温补电阻(R3)用于保证第二晶体管(Q2)发射极绝大部分的电流流经第三晶体管(Q3)以使得加强温度负反馈的效果。因此，本发明提供的射频功率放大器温度补偿偏置电路避免了镇流电阻对温度补偿效果和线性化作用的影响，且无需控制晶体管处于相同的工作状态，能够达到更佳的温度补偿效果和线性化作用，解决了现有的射频功率放大器温度补偿偏置电路对晶体管和射频功率管的工作状态要求高，且镇流电阻对温度补偿和线性度影响较大，镇流电阻的取值难以平衡该电路的温度补偿和线性化作用的技术问题。
实施例2
本发明中还提供了一种射频功率放大器的实施例，包括实施例1中的射频功率放大器温度补偿偏置电路。
本发明实施例中的射频功率放大器，使用实施例1中的射频功率放大器温度补偿偏置电路，可达到与实施例1相同的技术效果，在此不再赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种射频功率放大器温度补偿偏置电路，其特征在于，包括：限流电阻(R2)、镇流电阻(R1)、温补电阻(R3)、第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、线性化电容(C1)、隔直电容(C_Block)、射频功率管(QRF)和电感(L_Chock)；
限流电阻(R2)一端接参考电压(VRef)，另一端接第二晶体管(Q2)的集电极连接，第二晶体管(Q2)的集电极与基极连接，第二晶体管(Q2)的发射极与温补电阻(R3)的一端连接，温补电阻(R3)的另一端接地；
第三晶体管(Q3)的集电极与第二晶体管(Q2)的基极连接，第三晶体管(Q3)的基极与第二晶体管(Q2)的发射极连接，第三晶体管(Q3)的发射极与温补电阻(R3)共地；
线性化电容(C1)一端连接第二晶体管(Q2)的基极，另一端与第三晶体管(Q3)的发射极共地；
第一晶体管(Q1)的集电极接电池电压(VBat)，第一晶体管(Q1)的基极接第二晶体管(Q2)的基极，第一晶体管(Q1)的发射极接镇流电阻(R1)的一端，镇流电阻(R1)的另一端接射频功率管(QRF)的基极，接射频功率管(QRF)的集电极接电感(L_Chock)的一端，电感(L_Chock)的另一端接供电电压(VCC)，接射频功率管(QRF)的发射极接地；
隔直电容(C_Block)一端接射频功率管(QRF)的基极，另一端接射频信号输入端(RFIN)。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大器温度补偿偏置电路，其特征在于，电感(L_Chock)为射频扼流大电感。
3.根据权利要求1所述的射频功率放大器温度补偿偏置电路，其特征在于，温补电阻(R3)的阻值为6～7kΩ。
4.一种射频功率放大器，其特征在于，包括权利要求1-3中任一种射频功率放大器温度补偿偏置电路。
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