CN113655840B - 温度系数可调节的放大器电路及电压产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波射频集成电路领域，公开了一种温度系数可调节的放大器电路及电压的产生方法，该电路包括：温度系数可调节电压产生电路、射频负反馈网络、放大器、输入匹配网络和输出匹配网络；温度系数可调节电压产生电路包括基准电压产生电路、温度系数可调节电压产生电路和运算放大电路，基准电压产生电路和温度系数可调节电压产生电路分别连接运算放大电路上，运算放大电路连接在射频反馈网络上，射频反馈网络分别连接在放大器的输入端和输出端。采用本方案设计的放大器芯片能够方便地在芯片制造实测后对温度系数进行适应性调整，从而将放大器芯片的温度波动最小化。

Description

温度系数可调节的放大器电路及电压产生方法

技术领域

本发明涉及微波射频集成电路领域，尤其涉及一种温度系数可调节的放大器电路及电压产生方法。

背景技术

对于砷化镓微波单片放大器，由于PHEMT的跨导和电流随温度升高而降低，从而导致放大器的放大倍数随温度升高而逐渐下降。对于单级微波单片放大器，如果不对PHEMT温度特性进行补偿，从-55℃到125℃的温度波动通常在±1dB左右。对于增益更高的两级或多级放大器，或者多个单片级联使用组成放大链路，其增益随温度的波动会更大，从而影响系统的性能。

目前采用较为广泛的措施是在放大器前面或后面增加温度补偿芯片，从而减小链路的温度波动。但是该方法有两个不足，第一是如果放大器工作频率特别高，到达毫米波频段，很难找到对应频率的温度补偿芯片；第二是温度补偿芯片的温度特性很难跟放大器的温度特性一致，从而造成补偿后的温度特性仍不理想的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了避免额外使用温度补偿芯片进行温度补偿，同时在频率特别高的时候仍能够对放大器进行温度补偿，本发明提出一种温度系数可调节的放大器电路及电压产生方法，采用本方案设计的放大器能够方便地在放大器制造实测后对温度系数进行适应性调整，从而将放大器的温度波动最小化。

本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种温度系数可调节的放大器电路，包括：温度系数可调节电压产生电路、射频负反馈网络和放大器；所述射频负反馈网络连接在放大器的输入端和输出端；

所述温度系数可调节电压产生电路包括基准电压产生电路、正温系数可调节电压产生电路和运算放大电路，所述基准电压产生电路的输入端和正温系数可调节电压产生电路的输入端连接在一起后再连接在电源上，所述基准电压产生电路的输出端连接在所述运算放大电路的第一输入端，所述温度系数可调电压产生电路的输出端连接在所述运算放大电路的第二输入端，所述运算放大电路的输出端连接在所述射频负反馈网络上。

进一步的，所述基准电压产生电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10；所述电阻R7、电阻R8和电阻R9并联构成分压网络，所述电阻R10一端连接在电源上，另一端连接在所述电阻R7、电阻R8和电阻R9构成的分压网络上，所述电阻R7、电阻R8和电阻R9在分别串联一个开关后接地，所述电阻R7、电阻R8和电阻R9构成的分压网络连接在所述运算放大电路的第一输入端上。5V电源电压通过基准电压产生电路可产生一个电平大小可调节且不随温度变化的基准电压V1，并将该基准电压V1输入至运算放大电路的第一输入端。

进一步的，所述正温系数可调节电压产生电路包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端连接在电源上，另一端连接在所述电阻R2和所述运算放大电路的第二输入端上，所述电阻R2接地。5V电源电压通过正温系数可调节电压产生电路可产生一个正温系数可调的电压V2，并将该正温系数可调的电压V2输入到运算放大电路的第二输入端。

进一步的，所述运算放大电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R11和运算放大器OP1，所述电阻R3作为第二输入端连接在所述正温系数可调节电压产生电路上，所述电阻R3、R4和电阻R5上分别串联有一个开关，所述电阻R3、电阻R4和电阻R5并联后连接在所述运算放大器OP1的反相输入端，所述电阻R6作为第一输入端，所述电阻R6一端连接在所述基准电压产生电路上，另一端连接在所述运算放大器OP1的反相输入端，所述电阻R11跨接在所述运算放大器OP1的反相输入端和输出端，所述运算放大器OP1的同相输入端接地，所述运算放大器OP1的输出端连接在所述射频负反馈网络上。输入的基准电压V1和正温系数可调的电压V2在该运算放大电路中进行加权反向求和，得到电压V0，并将该电压V0输入到射频负反馈网络。

进一步的，所述射频负反馈网络包括多个PHEMT、电容和传输线，所述多个PHEMT、电容和传输线依次串联，所述传输线连接在所述放大器的输出端，所述多个PHEMT中的单个PHEMT采用漏极、源极首尾依次串联的方式进行连接，所述多个PHEMT中边缘上的单个PHEMT的漏极连接在所述放大器的输入端，所述多个PHEMT的栅极连接在所述运算放大电路的输出端。

其中，所述射频负反馈网络通过增加或减少PHEMT的个数来增大或减小所述射频负反馈网络的等效电阻。

进一步的，所述放大器的输入端连接有输入匹配网络。

进一步的，所述放大器的输出端连接有输出匹配网络。

另一方面，本发明提供一种温度系数可调节的电压产生方法，包括：

将电源电压通过基准电压产生电路产生一个电平大小可调节且不随温度变化的基准电压V1；

将电源电压通过正温系数可调节电压产生电路产生一个正温度系数可调节的电压V2；

将电压V1和电压V2输入运算放大器加权后进行反向求和，生成温度系数可调节的电压VO。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：应用该设计技术，本发明采用GaAs0.25um工艺，针对1GHz～2.4GHz，典型增益为18dB的单片放大器进行设计，将放大器在-55℃～125℃的增益波动从±1dB改善到了±0.19dB。通过控制字对温度系数可调节电压产生电路中的开关电阻进行配置，可以实现3种基准电压和3种温度系数，共9种组合，可以对工艺偏差及不同应用中对温度系数的不同要求进行温度系数重构。

附图说明

图1是本发明实施例1中所述温度系数可调节的放大器电路的原理框图；

图2是本发明实施例1中所述温度系数可调节的放大器电路中温度系数可调节电压产生电路的原理框图；

图3是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路中射频负反馈电路；

图4是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路的基准电压V1的曲线；

图5是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路的正温电压V2的曲线；

图6是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路按照最小增益波动所最终采用的V0的曲线；

图7是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路能够重构出的射频等效反馈电阻值曲线中的其中3种(本实施例总共可重构出9种)；

图8是同样架构下未采用本发明实施例中所述温度补偿技术的放大器在全温状态下的增益曲线；

图9是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路在全温状态下的增益曲线；

图10是本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路在全温状态下的输入驻波曲线；

图11本发明实施例1中所述温度系数可调节的电压产生电路在全温状态下的输出驻波曲线；

附图标记：1为基准电压产生电路，2为正温系数可调节电压产生电路，3为运算放大电路，4为射频负反馈网络，5为放大器输入匹配网络，6为放大器主体部分，7为输出匹配网络。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本实施例提供一种温度系数可调节的放大器电路，如图1所示，该电路包括一个温度系数可调节的电压产生电路，射频负反馈网络，放大器主体部分，输入匹配网络和输出匹配网络。

具体的，如图2所示，温度系数可调节的电压产生电路由个运算放大器OP1，9个正温系数较高的温敏电阻R2-R11，1个正温系数较低的温敏电阻R1组成。

在温度系数可调节电压产生电路中，首先需要产生一个电平大小可调节，且不随温度变化的基准电压。所以，在温度系数可调节电压产生电路中设置有一个基准电压产生电路，基准电压产生电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10组成，电阻R7、电阻R8和电阻R9并联构成分压网络，电阻R10一端连接在5V电源电压上，另一端连接在所述电阻R7、电阻R8和电阻R9构成的分压网络上，电阻R7、电阻R8和电阻R9上分别串联有一个开关，并且串联开关后接地，电阻R7连接在运算放大电路的电阻R6上。

5V电源电压通过R10与R7-R9组成的分压网络，产生一个基准电压V1，由于R10与R7-R9的温度系数相同，V1不随温度变化，通过开关对R7-R9进行选择，从而调节分压比例，可以对V1的电平大小进行调节。

其次，在温度系数可调节电压产生电路中，需要产生一个正温系数可调的电压，所以在温度系数可调节电压产生电路中，设计了一个正温系数可调节电压产生电路，该正温系数可调节电压产生电路由电阻R1和电阻R2组成，其中，电阻R1一端连接在5V电源电压上，另一端连接在电阻R2和运算放大电路的电阻R3上，电阻R2接地。

电阻R1与电阻R2构成一个分压网络产生电压V2，5V电源电压先通过R1，再通过R2到地，由于R1的温度系数小于R2，因此V2为正温度系数电压。

最后，需通过V1和V2产生一个基准电平可调，且温度系数可调的电压V0。所以在温度系数可调节电压产生电路中，设计了一个运算放大电路，该运算放大电路由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R11和运算放大器OP1组成，其中，电阻R3连接在正温系数可调节电压产生电路的电阻R1上，电阻R3、R4和电阻R5上分别串联有一个开关，然后电阻R3、电阻R4和电阻R5再并联在一起连接在运算放大器OP1的反相输入端，电阻R6一端与基准电压产生电路的电阻R7连接，另一端连接在运算放大器OP1的反相输入端，电阻R11跨接在运算放大器OP1的反相输入端和输出端，运算放大器OP1的同相输入端接地，运算放大器OP1的输出端连接在射频负反馈网络上。

通过运算放大器OP1对V1和V2加权后进行反向求和，产生电压V0。通过改变V2的权值可实现温度系数的调节。输出端电压V0可以表示为：

V0＝-(V1+k·V2)，其中k＝R11/R5，R11/R6，R11/R7，R6＝R11。

以上基准电平V1的调档位数及电压V2的可选权值个数可根据实际需要进行增减。相应的，开关管数量和使用的电阻数量也会更多或更少。

如图3所示，射频负反馈网络由多个PHEMT(也称为赝调制掺杂异质结场效应晶体管)、电容和传输线串联组成。多个PHMET通过漏极、源级首尾依次串联的方式进行连接，并且多个PHEMT的栅极连接在一起后与运输放大器OP1的输出端连接，由运算放大电路输出电压V0提供PHMET的栅极电压。通过增加或减少PHMET数量来增大或减小其等效电阻。串联的PHEMT中，位于左侧边缘的单个PHEMT的漏极连接在放大器的输入端，传输线连接在放大器的输出端。当PHMET的栅极、源极电压差固定时，其等效电阻是一个正温度系数电阻。而当栅极电压由上述温度系数可调节电压产生电路提供时，等效电阻的正温系数得到进一步加强。由于射频反馈网络中由PHMET形成的等效电阻随温度上升而变大，因此反馈强度随温度上升而减小，从而提高放大器增益以补偿由于温度升高，放大级PHMET减小的增益。

在放大器的输入端连接输入匹配网络，放大器的输出端连接输出匹配网络，过选择温度系数可调节电压产生电路中的电阻比例可以对反馈网络中等效电阻的正温系数进行调节。从而找到一个合适的补偿值对放大器随温度的增益波动进行补偿。

本实施例还提供一种温度系数可调节的电压产生方法，包括：

将电源电压通过基准电压产生电路产生一个电平大小可调节且不随温度变化的基准电压V1；

将电源电压通过正温系数可调节电压产生电路产生一个正温度系数可调节的电压V2；

将电压V1和电压V2输入运算放大器加权后进行反向求和，生成温度系数可调的电压VO。

下面提供一个具体的实施实例。

图1所示为工作于1GHz～2.4GHz的温度系数可调节放大器芯片原理框图，由基准电压产生电路1，正温系数可调节电压产生电路2，电压运算电路3，射频反馈网络4，输入匹配网络5，放大器主体部分6，输出匹配网络7组成。

如图2所示，通过控制信号B1-B3选择R9-R7与R10产生分压，产生不随温度变化的基准电压V1，本实施实例中取V1分别为0.66V，0.71V，0.76V，如图4所示。R1与R2产生正温度系数电压V2，本实施实例中取V2在25℃时等于1V，如图5所示。

通过运算放大器对V1和V2反向求和，并取R6＝R11，则

V0＝-(V1+k·V2)，其中k＝R11/R5，R11/R6，R11/R7

本实施实例中取k＝0.05，0.125，0.25，从而得到中心电压和温度斜率可调的电压V0。

本实施实例中的射频反馈网络如图3所示，通过5个PHMET源级、漏级首尾串联构成等效电阻，栅极电压由温度系数可调节产生电路提供。图7给出3组不同基准电压V1及正温电压V2配置下，射频反馈网络的等效电阻温度特性曲线。根据实际的射频放大器温度波动情况，本实施实例中选择V1＝0.71V，k＝0.05，通过运算放大器进行V1和V2的加权求和，所得到的V0如图6所示。

图8为采用Foundry提供的电阻作为射频负反馈得到的全温范围内增益曲线，相比于采用Foundry提供的固定电阻做反馈，采用引入本发明所述的温度补偿方法的放大器1GHz～2.4GHz频带范围内的温度波动由±1dB改善为±0.19dB，如图9所示。图10、图11为本实施实例所述放大器在全温状态下的输入驻波和输出驻波曲线。对于其他应用，可以通过调节V1和k值进行该放大器温度系数的调节，从而增加使用的灵活性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，包括：温度系数可调节电压产生电路、射频负反馈网络和放大器；所述射频负反馈网络连接在放大器的输入端和输出端；

所述温度系数可调节电压产生电路包括基准电压产生电路、正温系数可调节电压产生电路和运算放大电路，所述基准电压产生电路的输入端和正温系数可调节电压产生电路的输入端连接在一起后再连接在电源上，所述基准电压产生电路的输出端连接在所述运算放大电路的第一输入端，所述温度系数可调电压产生电路的输出端连接在所述运算放大电路的第二输入端，所述运算放大电路的输出端连接在所述射频负反馈网络上；

所述基准电压产生电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10；所述电阻R7、电阻R8和电阻R9并联构成分压网络，所述电阻R10一端连接在电源上，另一端连接在所述电阻R7、电阻R8和电阻R9构成的分压网络上，所述电阻R7、电阻R8和电阻R9再分别串联一个开关后接地，所述电阻R7、电阻R8和电阻R9构成的分压网络连接在所述运算放大电路的第一输入端上；

所述正温系数可调节电压产生电路包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端连接在电源上，另一端连接在所述电阻R2和所述运算放大电路的第二输入端上，所述电阻R2接地；

所述电阻R10与R7、R8和R9的温度系数相同，所述电阻R1的温度系数小于电阻R2的温度系数。

2.根据权利要求1所述的一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，所述运算放大电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R11和运算放大器OP1，所述电阻R3作为第二输入端连接在所述正温系数可调节电压产生电路上，所述电阻R3、R4和电阻R5上分别串联有一个开关，所述电阻R3、电阻R4和电阻R5并联后连接在所述运算放大器OP1的反相输入端，所述电阻R6作为第一输入端，所述电阻R6一端连接在所述基准电压产生电路上，另一端连接在所述运算放大器OP1的反相输入端，所述电阻R11跨接在所述运算放大器OP1的反相输入端和输出端，所述运算放大器OP1的同相输入端接地，所述运算放大器OP1的输出端连接在所述射频负反馈网络上。

3.根据权利要求1所述的一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，所述射频负反馈网络包括多个PHEMT、电容和传输线，所述多个PHEMT、电容和传输线依次串联，所述传输线连接在所述放大器的输出端，所述多个PHEMT中的单个PHEMT采用漏极、源极首尾依次串联的方式进行连接，所述多个PHEMT中边缘上的单个PHEMT的漏极连接在所述放大器的输入端，所述多个PHEMT的栅极连接在所述运算放大电路的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，所述射频负反馈网络通过增加或减少PHEMT的个数来增大或减小所述射频负反馈网络的等效电阻。

5.根据权利要求1所述的一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，所述放大器的输入端连接有输入匹配网络。

6.根据权利要求1所述的一种温度系数可调节的放大器电路，其特征在于，所述放大器的输出端连接有输出匹配网络。

7.一种温度系数可调节的电压产生方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1-6任一所述的温度系数可调节的电压产生实现，包括：

将电源电压通过基准电压产生电路产生一个电平大小可调节且不随温度变化的基准电压V1；

将电源电压通过正温系数可调节电压产生电路产生一个正温度系数可调节的电压V2；

将电压V1和电压V2输入运算放大器加权后进行反向求和，生成温度系数可调节的电压VO。