CN113346846B - 基于硅基bjt工艺的射频差分放大器及其增益温度稳定性的提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器及其增益温度稳定性的提升方法，其包括相互连接的差分放大电路和偏置网络，偏置网络为差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得具有正温度系数的尾电流与温度同步变化，从而能抵消温度变化对电压增益的影响，提高电压增益的温度稳定性；同时，电压增益几乎不依赖于外界的供电电压，电压增益在供电电压变化时保持稳定，该设计适合低电压环境，对应功耗低；此外，基于BJT工艺进行设计，对输入差分信号的选择带宽较大，满足5V及以下射频系统中低功耗宽带应用需求，特别适用于对数放大器的核心电路部分，对提高对数放大器的对数精度具有比较好的作用。

Description

基于硅基BJT工艺的射频差分放大器及其增益温度稳定性的 提升方法

技术领域

本发明涉及单片模拟集成电路技术领域，特别涉及一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器及其增益温度稳定性的提升方法。

背景技术

射频差分放大器是无线收发系统中的关键元器件，广泛应用于无线通信、广播电视、点对点通信等领域，其功能是将微弱的射频信号进行放大。射频差分放大器主要应用于接收机和发射机的中间级，实现对信号链路的增益调整，也是对数放大器的基本单元电路。传统基于硅基BJT工艺的差分放大器存在高低温下增益波动大，以及增益随电源电压波动大的问题，还存在体积大、成本高等问题。

但是，现代无线收发系统对放大器均需要低压、小体积、宽带、高稳定度等，这样可以降低系统总体的功耗并获得大的系统动态范围。特别是在对数放大器应用中，差分放大器的增益温度稳定性直接影响对数放大器的对数精度核心指标。

因此，目前亟需一种提高基于硅基BJT工艺的射频差分放大器的增益温度稳定性的技术方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于硅基BJT工艺实现的射频差分放大器，用于解决上述技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，一方面，本发明提供一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，包括：

差分放大电路，其输入端接差分输入信号，其输出端输出差分输出信号，对所述差分输入信号进行放大；

偏置网络，其使能端接外部控制信号，其输出端接所述差分放大电路，为所述差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对所述差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得所述尾电流也具有正温度系数。

可选地，所述差分放大电路包括差分放大单元和射极跟随单元，所述差分放大单元的输入端接所述差分输入信号，所述射极跟随单元的输入端接所述差分放大单元的输出端，所述射极跟随单元的输出端输出所述差分输出信号。

可选地，所述差分放大单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管及第三NPN型三极管，所述第一电阻的一端接供电电压，所述第一电阻的另一端接所述第一NPN型三极管的集电极，所述第一NPN型三极管的基极经串接的所述第一电容后接所述差分输入信号的正输入端，所述第一NPN型三极管的发射极接所述第二NPN型三极管的集电极，所述第二NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第二NPN型三极管的发射极经串接的所述第二电阻后接地，所述第三电阻的一端接所述供电电压，所述第三电阻的另一端接所述第三NPN型三极管的集电极，所述第三NPN型三极管的基极经串接的所述第二电容后接所述差分输入信号的负输入端，所述第三NPN型三极管的发射极接所述第二NPN型三极管的集电极，所述第四电阻的一端接所述供电电压，所述第四电阻的另一端经串接的所述第五电阻后接地，所述第四电阻的另一端还接所述第一NPN型三极管的基极，所述第六电阻的一端接所述供电电压，所述第六电阻的另一端经串接的所述第七电阻后接地，所述第六电阻的另一端还接所述第三NPN型三极管的基极。

可选地，所述第一电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相等，所述第一NPN型三极管的参数规格与所述第三NPN型三极管的参数规格相同，所述第四电阻与所述第五电阻的阻值之比等于所述第六电阻与所述第七电阻的阻值之比。

可选地，所述射极跟随单元包括第八电阻、第九电阻、第四NPN型三极管、第五NPN型三极管、第六NPN型三极管及第七NPN型三极管，所述第四NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第四NPN型三极管的基极接所述第三NPN型三极管的集电极，所述第四NPN型三极管的发射极接所述第五NPN型三极管的集电极，所述第五NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第五NPN型三极管的发射极经串接的所述第八电阻后接地，所述第六NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第六NPN型三极管的基极接所述第一NPN型三极管的集电极，所述第六NPN型三极管的发射极接所述第七NPN型三极管的集电极，所述第七NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第七NPN型三极管的发射极经串接的所述第九电阻后接地；其中，所述第四NPN型三极管的发射极作为所述差分输出信号的正输出端，所述第六NPN型三极管的发射极作为所述差分输出信号的负输出端。

可选地，所述偏置网络包括偏置电压开关单元、偏置电压辅助单元和偏置电压产生单元，所述偏置电压开关单元接所述外部控制信号，所述偏置电压辅助单元分别接所述偏置电压开关单元和所述偏置电压产生单元，所述偏置电压产生单元产生并输出所述偏置电压，通过所述外部控制信号对所述偏置电压产生单元的输出进行开关控制。

可选地，所述偏置电压开关单元包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第八NPN型三极管及第九NPN型三极管，所述第十电阻的一端接所述外部控制信号，所述第十电阻的另一端经串接的所述第十一电阻后接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第八NPN型三极管的基极接所述第十电阻和所述第十一电阻的公共端，所述第八NPN型三极管的发射极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的基极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的发射极接地，所述第十二电阻的一端接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十二电阻的另一端接地。

可选地，所述偏置电压辅助单元包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十NPN型三极管、第十一NPN型三极管、第一PNP型三极管、第二PNP型三极管及第三PNP型三极管，所述第十三电阻的一端接所述供电电压，所述第十三电阻的另一端接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的基极接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的发射极经串接的所述第十四电阻后接地，所述第十五电阻的一端接所述供电电压，所述第十五电阻的另一端接所述第一PNP型三极管的发射极，所述第一PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第一PNP型三极管的集电极经串接的所述第十六电阻后接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第二PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第二PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第三PNP型三极管的发射极接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第三PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第十一NPN型三极管的发射极经串接的所述第十七电阻后接地。

可选地，所述偏置电压产生单元包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第三电容、第四电容、第十二NPN型三极管、第十三NPN型三极管、第十四NPN型三极管、第四PNP型三极管及第五PNP型三极管，所述第十八电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第十八电阻的另一端接所述第四PNP型三极管的发射极，所述第四PNP型三极管的集电极接所述第十二NPN型三极管的集电极，所述第四PNP型三极管的集电极还接所述第三PNP型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的基极接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的发射极经依次串接的所述第十九电阻和所述第二十电阻后接所述第十三NPN型三极管的发射极，所述第二十一电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第二十一电阻的另一端接所述第五PNP型三极管的发射极，所述第五PNP型三极管的基极接所述第四PNP型三极管的基极，所述第五PNP型三极管的集电极接所述第十三NPN型三极管的集电极，所述第五PNP型三极管的集电极还接所述第五PNP型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的基极接所述第十二NPN型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十二电阻后接地，所述第十四NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第十四NPN型三极管的基极接所述第二PNP型三极管的集电极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十三电阻后接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十四电阻后对外输出所述偏置电压，所述第三电容的一端接所述第十四NPN型三极管的发射极，所述第三电容的另一端接地，所述第二十五电阻与所述第三电容并联，所述第四电容的一端接所述第二十四电阻远离所述第十四NPN型三极管的一端，所述第四电容的另一端接地。

可选地，所述第十八电阻的阻值与所述第二十一电阻的阻值相等，所述第四PNP型三极管的参数规格与所述第五PNP型三极管的参数规格相同，所述第十三NPN型三极管的参数规格与所述第二NPN型三极管的参数规格相同，所述第十二NPN型三极管的发射结面积与所述第十三NPN型三极管的发射结面积之比为N/1，N为大于等于1的整数。

为实现上述目的及其他相关目的，另一方面，本发明还提供一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器增益温度稳定性的提升方法，所述射频差分放大器包括差分放大电路和偏置网络，通过所述偏置网络为所述差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对所述差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得所述尾电流也具有正温度系数。

如上所述，本发明的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器至少具有以下有益效果：

通过偏置网络为差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得尾电流也具有正温度系数，同时，当电路结构确定后射频差分放大器的电压增益正比于尾电流和绝对温度之比，因此，当温度变化时具有正温度系数的尾电流同步变化，从而能有效抵消温度变化对电压增益的影响，提高电压增益的温度稳定性。

附图说明

图1显示为基于硅基BJT工艺的射频差分放大器的基本电路图；

图2显示为本发明中基于硅基BJT工艺的射频差分放大器的结构框图；

图3显示为本发明一实施例中基于硅基BJT工艺的射频差分放大器的电路图；

图4显示为本发明一实施例中在供电电压为5V、温度范围为-55～125℃条件下的小信号增益变化图；

图5显示为本发明一实施例中在温度为常温、供电电压为3～5.5V条件下的小信号增益变化图；

图6显示为本发明一实施例中在供电电压为5V、温度范围为-55～125℃条件下偏置电压的变化图；

图7显示为本发明一实施例中在温度为常温、供电电压为3～5.5V条件下偏置电压的变化图；

图8显示为本发明一实施例中在供电电压为5V、输出小信号增益为3dB的带宽图。

具体实施方式

发明人研究发现：如图1所示，NPN型三极管N01～N03、电阻R01～R03构成差分放大结构，对差分输入信号V_IN进行放大并输出，得到差分输出信号V_OUT，电阻R01的阻值与电阻R02的阻值相等，记为R_C，三极管N01的参数规格与三极管N02的参数规格相同，流过电阻R01的电流I_R01与流过电阻R02的电流I_R02相等，记为I_C，流过电阻R03的电流即尾电流I_R03等于电流I_R01与电流I_R02之和，则整个差分放大结构的电压增益

其中，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷，在电路结构确定之后，/>

为固定值，电压增益

而/>

偏置电压V_bias为固定值，三极管N03的发射结导通压降V_be3具有负温度系数，一般地，温度每上升1摄氏度V_be3将下降2～2.5mV，I_R03随温度的变化可忽略不计，温度变化时电压增益A_V随之变化。

基于此，本发明提出一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器技术方案：通过偏置网络为差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得尾电流也具有正温度系数，进而使得温度变化时具有正温度系数的尾电流同步变化，以抵消温度变化对电压增益的影响，提高电压增益的温度稳定性。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“一端”、“另一端”、“第一”及“第二”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一方面，如图2所示，本发明提供一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其包括：

差分放大电路1，其输入端接差分输入信号V_IN，其输出端输出差分输出信号V_OUT，对差分输入信号V_IN进行放大；

偏置网络2，其使能端接外部控制信号ENBL，其输出端接差分放大电路1，为差分放大电路1提供具有正温度系数的偏置电压V_bias，对差分放大电路1的尾电流进行温度补偿，使得尾电流也具有正温度系数。

详细地，如图3所示，差分放大电路1包括差分放大单元和射极跟随单元，差分放大单元的输入端接差分输入信号V_IN，射极跟随单元的输入端接差分放大单元的输出端，射极跟随单元的输出端输出差分输出信号V_OUT。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，差分放大单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2、第一NPN型三极管N1、第二NPN型三极管N2及第三NPN型三极管N3，第一电阻R1的一端接供电电压Vcc，第一电阻R1的另一端接第一NPN型三极管N1的集电极，第一NPN型三极管N1的基极经串接的第一电容C1后接差分输入信号V_IN的正输入端IN+，第一NPN型三极管N1的发射极接第二NPN型三极管N2的集电极，第二NPN型三极管N2的基极接偏置电压V_bias，第二NPN型三极管N2的发射极经串接的第二电阻R2后接地，第三电阻R3的一端接供电电压Vcc，第三电阻R3的另一端接第三NPN型三极管N3的集电极，第三NPN型三极管N3的基极经串接的第二电容C2后接差分输入信号V_IN的负输入端IN-，第三NPN型三极管N3的发射极接第二NPN型三极管N2的集电极，第四电阻R4的一端接供电电压Vcc，第四电阻R4的另一端经串接的第五电阻R5后接地，第四电阻R4的另一端还接第一NPN型三极管N1的基极，第六电阻R6的一端接所述供电电压Vcc，第六电阻R6的另一端经串接的第七电阻R7后接地，第六电阻R6的另一端还接第三NPN型三极管N3的基极。

其中，第一电阻R1的阻值与第三电阻R3的阻值相等，第一NPN型三极管N1的参数规格与第三NPN型三极管N3的参数规格相同，第四电阻R4与第五电阻R5的阻值之比等于第六电阻R6与第七电阻R7的阻值之比。

详细地，如图3所示，第一NPN型三极管N1与第三NPN型三极管N3组成差分对结构，对差分输入信号V_IN进行负的放大处理，流过二者的电流相等，等于流过第二电阻R2上的电流的一半。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，射极跟随单元包括第八电阻R8、第九电阻R9、第四NPN型三极管N4、第五NPN型三极管N5、第六NPN型三极管N6及第七NPN型三极管N7，第四NPN型三极管N4的集电极接供电电压Vcc，第四NPN型三极管N4的基极接第三NPN型三极管N3的集电极，第四NPN型三极管N4的发射极接第五NPN型三极管N5的集电极，第五NPN型三极管N5的基极接偏置电压V_bias，第五NPN型三极管N5的发射极经串接的第八电阻R8后接地，第六NPN型三极管N6的集电极接供电电压Vcc，第六NPN型三极管N6的基极接第一NPN型三极管N1的集电极，第六NPN型三极管N6的发射极接第七NPN型三极管N7的集电极，第七NPN型三极管N7的基极接偏置电压V_bias，第七NPN型三极管N7的发射极经串接的第九电阻R9后接地；其中，第四NPN型三极管N4的发射极作为差分输出信号V_OUT的正输出端OUT+，第六NPN型三极管N6的发射极作为差分输出信号V_OUT的负输出端OUT-。

详细地，如图3所示，第四NPN型三极管N4与第六NPN型三极管N6作为射极跟随器，构成射极跟随单元，作用于差分放大单元的输出端，以增强差分放大单元的带负载能力，在其输出端得到差分输出信号V_OUT。

详细地，如图3所示，偏置网络包括偏置电压开关单元、偏置电压辅助单元和偏置电压产生单元，偏置电压开关单元接外部控制信号ENBL，偏置电压辅助单元分别接偏置电压开关单元和偏置电压产生单元，偏置电压产生单元产生并输出偏置电压V_bias，通过外部控制信号ENBL对偏置电压产生单元的输出进行开关控制。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，偏置电压开关单元包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第八NPN型三极管N8及第九NPN型三极管N9，第十电阻R10的一端接外部控制信号ENBL，第十电阻R10的另一端经串接的第十一电阻R11后接第八NPN型三极管N8的集电极，第八NPN型三极管N8的基极接第十电阻R10和第十一电阻R11的公共端，第八NPN型三极管N8的发射极接第九NPN型三极管N9的集电极，第九NPN型三极管N9的基极接第九NPN型三极管N9的集电极，第九NPN型三极管N9的发射极接地，第十二电阻R12的一端接第八NPN型三极管N8的集电极，第十二电阻R12的另一端接地。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，偏置电压辅助单元包括第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十NPN型三极管N10、第十一NPN型三极管N11、第一PNP型三极管P1、第二PNP型三极管P2及第三PNP型三极管P3，第十三电阻R13的一端接供电电压Vcc，第十三电阻R13的另一端接第十NPN型三极管N10的集电极，第十NPN型三极管N10的基极接第八NPN型三极管N8的集电极，第十NPN型三极管N10的发射极经串接的第十四电阻R14后接地，第十五电阻R15的一端接供电电压Vcc，第十五电阻R15的另一端接第一PNP型三极管P1的发射极，第一PNP型三极管P1的基极接第十NPN型三极管N10的集电极，第一PNP型三极管P1的集电极经串接的第十六电阻R16后接第二PNP型三极管P2的发射极，第二PNP型三极管P2的基极接第十NPN型三极管N10的集电极，第二PNP型三极管P2的集电极接第十一NPN型三极管N11的集电极，第三PNP型三极管P3的发射极接第二PNP型三极管P2的发射极，第三PNP型三极管P3的集电极接第十一NPN型三极管N11的集电极，第十一NPN型三极管N11的发射极经串接的第十七电阻R17后接地。

更详细地，如图3所示，在本发明的一可选实施例中，偏置电压产生单元包括第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第三电容C3、第四电容C4、第十二NPN型三极管N12、第十三NPN型三极管N13、第十四NPN型三极管N14、第四PNP型三极管P4及第五PNP型三极管P5，第十八电阻R18的一端接第一PNP型三极管P1的集电极，第十八电阻R18的另一端接第四PNP型三极管P4的发射极，第四PNP型三极管P4的集电极接第十二NPN型三极管N12的集电极，第四PNP型三极管P4的集电极还接第三PNP型三极管P3的基极，第十二NPN型三极管N12的基极接第十一NPN型三极管N11的基极，第十二NPN型三极管N12的发射极经依次串接的第十九电阻R19和第二十电阻R20后接第十三NPN型三极管N13的发射极，第二十一电阻R21的一端接第一PNP型三极管P1的集电极，第二十一电阻R21的另一端接第五PNP型三极管P5的发射极，第五PNP型三极管P5的基极接第四PNP型三极管P4的基极，第五PNP型三极管P5的集电极接第十三NPN型三极管N13的集电极，第五PNP型三极管P5的集电极还接第五PNP型三极管P5的基极，第十三NPN型三极管N13的基极接第十二NPN型三极管N12的基极，第十三NPN型三极管N13的发射极经串接的第二十二电阻R22后接地，第十四NPN型三极管N14的集电极接供电电压Vcc，第十四NPN型三极管N14的基极接第二PNP型三极管P2的集电极，第十四NPN型三极管N14的发射极经串接的第二十三电阻R23后接第十一NPN型三极管N11的基极，第十四NPN型三极管N14的发射极经串接的第二十四电阻R24后对外输出偏置电压Vbias，第三电容C3的一端接第十四NPN型三极管N14的发射极，第三电容C3的另一端接地，第二十五电阻R25与第三电容C3并联，第四电容C4的一端接第二十四电阻R24远离第十四NPN型三极管N14的一端，第四电容C4的另一端接地。

其中，第十八电阻R18的阻值与第二十一电阻R21的阻值相等，第四PNP型三极管P4的参数规格与第五PNP型三极管P5的参数规格相同，第十三NPN型三极管N13的参数规格与第二NPN型三极管N2的参数规格相同，第十二NPN型三极管N12的发射结面积与第十三NPN型三极管N13的发射结面积之比为N/1，N为大于等于1的整数。

如图3所示，通过外部控制信号ENBL对差分放大器进行使能控制：外部控制信号ENBL为高电平时，偏置网络开启并输出偏置电压V_bias，差分放大单元开始工作，对差分输入信号V_IN进行放大输出；外部控制信号ENBL为低电平时，偏置网络关断，差分放大单元也不工作。

更详细地，如图3所示，在偏置电压产生单元中，第四PNP型三极管P4与第五PNP型三极管P5构成电流镜，而二者的参数规格相同，所以，流过第四PNP型三极管P4的电流与流过第五PNP型三极管的电流大小相等，也即，流过第十二NPN型三极管N12的电流I_a与流过第十三NPN型三极管N13的电流I_b大小相等；忽略第二NPN型三极管N2、第十一NPN型三极管N11、第十二NPN型三极管N12及第十三NPN型三极管N13的基极电流的影响，偏置电压V_bias约等于第十二NPN型三极管N12的基极电压，存在如下关系式：

V_bias≈V_be13+(I_a+I_b)×R₂₂＝V_be13+2I_bR₂₂；

V_be12+I_a×(R₁₉+R₂₀)＝V_be13；

而根据三极管的电流电压公式有：

其中，R₁₉为第十九电阻R19的电阻值，R₂₀为第二十电阻R20的电阻值，R₂₂为第二十二电阻R22的电阻值，V_be12为第十二NPN型三极管N12发射结的导通压降，V_be13为第十三NPN型三极管N13发射结的导通压降，I_S12为第十二NPN型三极管N12的反向饱和电流，I_S13为第十三NPN型三极管N13的反向饱和电流。

根据三极管的原理，反向饱和电流与其发射结面积成正比，而第十二NPN型三极管N12的发射结面积与第十三NPN型三极管N13的发射结面积之比为N/1，有：

I_S12＝N×I_S13

联立上述关系式求解，得到：

其中，第十三NPN型三极管N13的发射结导通压降Vbe₁₃具有负温度系数，一般地，温度每上升1摄氏度V_be13将下降2～2.5mV，其负温度影响因子较小，而

呈正温度系数且其影响因子较大，因此，偏置电压V_bias整体呈正温度系数。

与此对应的，在差分放大单元中，第二NPN型三极管N2的发射极电流，也即流过第二电阻R2的尾电流

其中，V_be2为第二NPN型三极管N2发射结的导通压降，第十三NPN型三极管N13的参数规格与第二NPN型三极管N2的参数规格相同，V_be13＝V_be2。

流过第二电阻R2的尾电流

而差分放大单元的电压增益

由此可见，经过具有正温度系数的偏置电压V_bias的补偿作用后，差分放大电路的尾电流I_R2也具有正温度系数，进而使得温度T变化时具有正温度系数的尾电流I_R2同步变化，抵消了温度T的变化对电压增益A_V的影响，最终得到的电压增益A_V与温度T无关，提高了电压增益A_V的温度稳定性。

同时，电压增益A_V只和第一电阻R1的电阻值R₁、第二电阻R2的电阻值R₂、第十九电阻R19的电阻值R₁₉、第二十电阻R20的电阻值R₂₀、第二十二电阻R22的电阻值R₂₂以及第十二NPN型三极管N12的发射结面积与第十三NPN型三极管N13的发射结面积之比N的取值有关系，与供电电压Vcc无关，电压增益A_V在供电电压Vcc变化时保持稳定。

此外，整个射频差分放大器的结构基于三极管(BJT)工艺进行设计，选择合适的工艺参数，其对输入差分信号的选择带宽较大。

在本发明的一可选实施例中，实验证明：供电电压Vcc为3～5.5V，对应的电源电流在3mA以内，并且具有电源使能功能，当关闭时电流小于1μA；如图4所示，当供电电压Vcc为5V、温度T为常温(27℃)时，对应的小信号增益为12dB，当温度T在-55～125℃范围内变化时，小信号增益的变化在0.03dB以内；如图5所示，当温度T为常温、供电电压Vcc在3～5.5V的范围内变化时，对应的小信号增益的变化小于0.03dB；如图6所示，当供电电压Vcc为5V、温度T为常温时，对应的偏置电压V_bias为1.216V，当温度T在-55～125℃范围内变化时，偏置电压V_bias与温度T近似呈正比例关系，即偏置电压V_bias具有正温度系数；如图7所示，当温度T为常温、供电电压Vcc在3～5.5V的范围内变化时，对应的偏置电压V_bias的变化值在0.002V之内，即偏置电压V_bias几乎不受供电电压Vcc的影响；如图8所示，当供电电压Vcc为5V、温度T为常温时，小信号增益为3dB的信号带宽可达1.5GHz。

另一方面，本发明还提供一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器增益温度稳定性的提升方法，所述射频差分放大器包括差分放大电路和偏置网络，通过偏置网络为差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得尾电流也具有正温度系数，进而使得温度变化时具有正温度系数的尾电流同步变化，以抵消温度变化对电压增益的影响，即最终得到的电压增益几乎与温度无关，这能有效提高电压增益的温度稳定性。

综上所述，在本发明所提供的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器技术方案中，通过偏置网络为差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得具有正温度系数的尾电流与温度同步变化，从而能有效抵消温度变化对电压增益的影响，提高电压增益的温度稳定性；同时，基于电路结构的设计原理，电压增益几乎不依赖于外界的供电电压，电压增益在供电电压变化时保持稳定，该设计适合低电压环境，对应功耗低；此外，基于BJT工艺进行设计，对输入差分信号的选择带宽较大，满足5V及以下射频系统中低功耗宽带应用需求，特别适用于对数放大器的核心电路部分，对提高对数放大器的对数精度具有比较好的作用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，包括：

差分放大电路，其输入端接差分输入信号，其输出端输出差分输出信号，对所述差分输入信号进行放大；

偏置网络，其使能端接外部控制信号，其输出端接所述差分放大电路，为所述差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对所述差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得所述尾电流也具有正温度系数；

所述偏置网络包括偏置电压开关单元、偏置电压辅助单元和偏置电压产生单元，所述偏置电压开关单元接所述外部控制信号，所述偏置电压辅助单元分别接所述偏置电压开关单元和所述偏置电压产生单元，所述偏置电压产生单元产生并输出所述偏置电压，通过所述外部控制信号对所述偏置电压产生单元的输出进行开关控制；

所述偏置电压开关单元包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第八NPN型三极管及第九NPN型三极管，所述第十电阻的一端接所述外部控制信号，所述第十电阻的另一端经串接的所述第十一电阻后接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第八NPN型三极管的基极接所述第十电阻和所述第十一电阻的公共端，所述第八NPN型三极管的发射极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的基极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的发射极接地，所述第十二电阻的一端接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十二电阻的另一端接地；

所述偏置电压辅助单元包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十NPN型三极管、第十一NPN型三极管、第一PNP型三极管、第二PNP型三极管及第三PNP型三极管，所述第十三电阻的一端接供电电压，所述第十三电阻的另一端接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的基极接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的发射极经串接的所述第十四电阻后接地，所述第十五电阻的一端接所述供电电压，所述第十五电阻的另一端接所述第一PNP型三极管的发射极，所述第一PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第一PNP型三极管的集电极经串接的所述第十六电阻后接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第二PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第二PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第三PNP型三极管的发射极接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第三PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第十一NPN型三极管的发射极经串接的所述第十七电阻后接地；

所述偏置电压产生单元包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第三电容、第四电容、第十二NPN型三极管、第十三NPN型三极管、第十四NPN型三极管、第四PNP型三极管及第五PNP型三极管，所述第十八电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第十八电阻的另一端接所述第四PNP型三极管的发射极，所述第四PNP型三极管的集电极接所述第十二NPN型三极管的集电极，所述第四PNP型三极管的集电极还接所述第三PNP型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的基极接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的发射极经依次串接的所述第十九电阻和所述第二十电阻后接所述第十三NPN型三极管的发射极，所述第二十一电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第二十一电阻的另一端接所述第五PNP型三极管的发射极，所述第五PNP型三极管的基极接所述第四PNP型三极管的基极，所述第五PNP型三极管的集电极接所述第十三NPN型三极管的集电极，所述第五PNP型三极管的集电极还接所述第五PNP型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的基极接所述第十二NPN型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十二电阻后接地，所述第十四NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第十四NPN型三极管的基极接所述第二PNP型三极管的集电极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十三电阻后接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十四电阻后对外输出所述偏置电压，所述第三电容的一端接所述第十四NPN型三极管的发射极，所述第三电容的另一端接地，所述第二十五电阻与所述第三电容并联，所述第四电容的一端接所述第二十四电阻远离所述第十四NPN型三极管的一端，所述第四电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，所述差分放大电路包括差分放大单元和射极跟随单元，所述差分放大单元的输入端接所述差分输入信号，所述射极跟随单元的输入端接所述差分放大单元的输出端，所述射极跟随单元的输出端输出所述差分输出信号。

3.根据权利要求2所述的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，所述差分放大单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管及第三NPN型三极管，所述第一电阻的一端接所述供电电压，所述第一电阻的另一端接所述第一NPN型三极管的集电极，所述第一NPN型三极管的基极经串接的所述第一电容后接所述差分输入信号的正输入端，所述第一NPN型三极管的发射极接所述第二NPN型三极管的集电极，所述第二NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第二NPN型三极管的发射极经串接的所述第二电阻后接地，所述第三电阻的一端接所述供电电压，所述第三电阻的另一端接所述第三NPN型三极管的集电极，所述第三NPN型三极管的基极经串接的所述第二电容后接所述差分输入信号的负输入端，所述第三NPN型三极管的发射极接所述第二NPN型三极管的集电极，所述第四电阻的一端接所述供电电压，所述第四电阻的另一端经串接的所述第五电阻后接地，所述第四电阻的另一端还接所述第一NPN型三极管的基极，所述第六电阻的一端接所述供电电压，所述第六电阻的另一端经串接的所述第七电阻后接地，所述第六电阻的另一端还接所述第三NPN型三极管的基极。

4.根据权利要求3所述的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，所述第一电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相等，所述第一NPN型三极管的参数规格与所述第三NPN型三极管的参数规格相同，所述第四电阻与所述第五电阻的阻值之比等于所述第六电阻与所述第七电阻的阻值之比。

5.根据权利要求4所述的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，所述射极跟随单元包括第八电阻、第九电阻、第四NPN型三极管、第五NPN型三极管、第六NPN型三极管及第七NPN型三极管，所述第四NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第四NPN型三极管的基极接所述第三NPN型三极管的集电极，所述第四NPN型三极管的发射极接所述第五NPN型三极管的集电极，所述第五NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第五NPN型三极管的发射极经串接的所述第八电阻后接地，所述第六NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第六NPN型三极管的基极接所述第一NPN型三极管的集电极，所述第六NPN型三极管的发射极接所述第七NPN型三极管的集电极，所述第七NPN型三极管的基极接所述偏置电压，所述第七NPN型三极管的发射极经串接的所述第九电阻后接地；其中，所述第四NPN型三极管的发射极作为所述差分输出信号的正输出端，所述第六NPN型三极管的发射极作为所述差分输出信号的负输出端。

6.根据权利要求5所述的基于硅基BJT工艺的射频差分放大器，其特征在于，所述第十八电阻的阻值与所述第二十一电阻的阻值相等，所述第四PNP型三极管的参数规格与所述第五PNP型三极管的参数规格相同，所述第十三NPN型三极管的参数规格与所述第二NPN型三极管的参数规格相同，所述第十二NPN型三极管的发射结面积与所述第十三NPN型三极管的发射结面积之比为N/1，N为大于等于1的整数。

7.一种基于硅基BJT工艺的射频差分放大器增益温度稳定性的提升方法，所述射频差分放大器包括差分放大电路和偏置网络，其特征在于，通过所述偏置网络为所述差分放大电路提供具有正温度系数的偏置电压，对所述差分放大电路的尾电流进行温度补偿，使得所述尾电流也具有正温度系数；

其中，所述偏置网络包括偏置电压开关单元、偏置电压辅助单元和偏置电压产生单元，所述偏置电压开关单元接外部控制信号，所述偏置电压辅助单元分别接所述偏置电压开关单元和所述偏置电压产生单元，所述偏置电压产生单元产生并输出所述偏置电压，通过所述外部控制信号对所述偏置电压产生单元的输出进行开关控制；

所述偏置电压开关单元包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第八NPN型三极管及第九NPN型三极管，所述第十电阻的一端接所述外部控制信号，所述第十电阻的另一端经串接的所述第十一电阻后接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第八NPN型三极管的基极接所述第十电阻和所述第十一电阻的公共端，所述第八NPN型三极管的发射极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的基极接所述第九NPN型三极管的集电极，所述第九NPN型三极管的发射极接地，所述第十二电阻的一端接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十二电阻的另一端接地；

所述偏置电压辅助单元包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十NPN型三极管、第十一NPN型三极管、第一PNP型三极管、第二PNP型三极管及第三PNP型三极管，所述第十三电阻的一端接供电电压，所述第十三电阻的另一端接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的基极接所述第八NPN型三极管的集电极，所述第十NPN型三极管的发射极经串接的所述第十四电阻后接地，所述第十五电阻的一端接所述供电电压，所述第十五电阻的另一端接所述第一PNP型三极管的发射极，所述第一PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第一PNP型三极管的集电极经串接的所述第十六电阻后接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第二PNP型三极管的基极接所述第十NPN型三极管的集电极，所述第二PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第三PNP型三极管的发射极接所述第二PNP型三极管的发射极，所述第三PNP型三极管的集电极接所述第十一NPN型三极管的集电极，所述第十一NPN型三极管的发射极经串接的所述第十七电阻后接地；

所述偏置电压产生单元包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第三电容、第四电容、第十二NPN型三极管、第十三NPN型三极管、第十四NPN型三极管、第四PNP型三极管及第五PNP型三极管，所述第十八电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第十八电阻的另一端接所述第四PNP型三极管的发射极，所述第四PNP型三极管的集电极接所述第十二NPN型三极管的集电极，所述第四PNP型三极管的集电极还接所述第三PNP型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的基极接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十二NPN型三极管的发射极经依次串接的所述第十九电阻和所述第二十电阻后接所述第十三NPN型三极管的发射极，所述第二十一电阻的一端接所述第一PNP型三极管的集电极，所述第二十一电阻的另一端接所述第五PNP型三极管的发射极，所述第五PNP型三极管的基极接所述第四PNP型三极管的基极，所述第五PNP型三极管的集电极接所述第十三NPN型三极管的集电极，所述第五PNP型三极管的集电极还接所述第五PNP型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的基极接所述第十二NPN型三极管的基极，所述第十三NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十二电阻后接地，所述第十四NPN型三极管的集电极接所述供电电压，所述第十四NPN型三极管的基极接所述第二PNP型三极管的集电极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十三电阻后接所述第十一NPN型三极管的基极，所述第十四NPN型三极管的发射极经串接的所述第二十四电阻后对外输出所述偏置电压，所述第三电容的一端接所述第十四NPN型三极管的发射极，所述第三电容的另一端接地，所述第二十五电阻与所述第三电容并联，所述第四电容的一端接所述第二十四电阻远离所述第十四NPN型三极管的一端，所述第四电容的另一端接地。

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