CN115639873A - 用于射频放大器的电压基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于射频放大器的电压基准电路，所述电压基准电路通过线性化电路与射频放大器连接；其包括第一分压器与第二分压器，所述第一分压器由第一电阻构成且与所述线性化电路的偏置晶体管的基极连接；所述第二分压器与线性化电路的偏置晶体管的基极连接，所述第二分压器包括以二极管方式连接的第二晶体管、第三晶体管；其中，所述第二分压器还包括一调节单元，所述调节单元分别与所述第二晶体管、第三晶体管及线性化电路连接，所述调节单元可调节所述偏置电路输出电流的大小，用以补偿功率放大器因温度而变化的静态电流。本发明的用于射频放大器的电压基准电路可以随温度变化动态调节偏置电路输出至射频放大器的驱动电流，提升了偏置电路对放大器的温度补偿效果。

Description

用于射频放大器的电压基准电路

技术领域

本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种用于射频放大器的电压基准电路。

背景技术

随着无线通信技术的发展，信号调制技术愈发复杂，对发射机中的核心器件功率放大器的线性输出功率提出了更高的要求。

在常规的射频放大器系统中，随着输入功率的增加，功率管处于大信号工作状态下，由于非线性电容与PN结(二极管)整流效应存在，随着输入功率的增加，功率管的基射极之间的电压下降，引起调幅调相失真，线性度下降。同时，温度变化会也会导致功率管基极、集电极电流发生改变，电流增益也随温度上升而下降，而且温度升高时PN结开启电压下降，导致功率管静态工作点发生改变，恶化功率放大器输出性能。

针对上述问题，目前通常为射频放大器系统配置偏置电路，用于补偿由温度变化和输入功率增加引发的性能恶化问题，从而提升功率放大器线性输出功率。

如图1所示，为现有技术的偏置电路与射频放大器连接的结构示意图。整个偏置电路由线性化电路和电压基准电路组成。

其中线性化电路由晶体管HBT1和电容C1、电阻R1、电阻Rb共同组成。晶体管HBT1与射频放大器的晶体管HBT0特性相同，用于补偿由于输入功率增大，作为功率管的晶体管HBT0基-射极电压下降。电阻Rb与电容C1用于调节进入偏置电路的射频信号量。

如图1所示：在放大器工作时，随着输入信号RFin的增加，放大器的线性度随着晶体管HBT0的工作状态的变化逐渐降低，需要通过偏置电路提供额外的补偿电流来提升电路的线性度，由于晶体管HBT1和电容C1，射频信号通过电阻R1流入到偏置电路中，然后因为晶体管HBT1的基-射极二极管整流作用，整流之后的射频信号转化为直流信号流入晶体管HBT0中，为电路提供了补偿，使得电路的线性度提升。

电压基准电路由两个分压器组成，用于稳定控制晶体管HBT1的基极电压，从而调节晶体管HBT1射极驱动电流。另外，现在常用的电压基准电路(偏置电路)由图2所示。

如图2所示，电压基准电路由两个基射二极管HBT2、HBT3(晶体管管基-集极相连构成)与电阻R2组成。电阻R2为可变分压器，用于控制晶体管HBT1的基极电位，调节电阻R2的阻值，从而调节偏置电路输出的驱动电流。

在上述图2中，晶体管HBT1的射极电流用于驱动功率管HBT0，而晶体管HBT1工作状态由其基极电压Vbe1控制。偏置电路驱动电流公式为：

Ib＝I_e1＝I_b1+I_c1≈I_b1(1+β)

Ib1由电压基准电路确定。二极管与电阻R2构成电压基准电路，通过调节电压基准电路，控制晶体管HBT1基极电压电流，从而控制偏置电路输出电流。

电阻R2与两个二级管位于电压V2支路中，成串联结构互相分压。HBT1基极位于R2与两个二极管串联分压节点上，HBT1基极电压Vbe1与两个二极管分压电位相同。根据基尔霍夫电压电流定律可得：

V_be1＝2V_Diode＝V₂-R₂*I₂

I₂＝I₃+I₄

V_be1＝2V_Diode＝V₂-r₂*(I₃+I₄)

V2为外部输入电压为固定值，因为电流I3远大于电流I4。且电流I3由二极管管芯面积决定，所以电压Vbe1由电阻R2的电阻值与二极管的管芯面积(晶体管构成的基射二极管)确定。整个偏置电流调节R2值与管芯面积(晶体管构成的基射二极管)控制偏置输出电流。

由于芯片生产代工厂商工艺存在客观限制，晶体管管芯面积不能随心所欲进行修改，设计上存在较大的限制。在管芯面积确定情况下，仅依靠电阻R2控制输出电流，调节精准度大打折扣。同时，偏置电路温度补偿效果也会随着电阻R2阻值改变发生巨大变动。

另外：温度升高导致晶体管HBT0基极电流Ib0、晶体管HBT1射极电流Ie1升高(温度降低，效果相反)。电流Ib支路上抑制电流变化的负反馈器件为镇流电阻Rb，支路电流Ib升高，电阻Rb上压降升高，晶体管HBT0的Vce电压降低，支路电流Ib降低。且Rb的电阻值越大，负反馈抑制效果越好。但是，电阻Rb的电阻值也参与调节偏置电路驱动电流大小中，且呈负相关；另外在线性化电路中，电阻Rb起到调节耦合射频信号大小的作用，并不能使其无限增大。

电流I2支路上起到温度负反馈效果为电阻R2。具体地，晶体管HBT1基极电流Ib1(I4)随温度升高而升高，且二极管支路电流I3也随温度升高而升高，从而导致支路电流I2升高，电阻R2上电压升高，二极管基准电压下降，晶体管HBT1的偏置电压Vbe1下降，电流Ie2降低，支路电流Ib降低。且电阻R2值越高，负反馈抑制效果越好。由于电阻R2参与控制偏置电路输出电流，且阻值与电流大小呈负相关，二者折中又会导致温度补偿效果变差，尤其在输出大电流条件下补偿效果极差。

综上所述，该电压基准电路的温度补偿效果差，尤其是在功率管HBT0输出大电流条件下补偿效果十分恶劣。

因此，有必要提供一种改进的用于射频放大器的电压基准电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于射频放大器的电压基准电路，本发明的用于射频放大器的电压基准电路可以动态调节偏置电路输出至射频放大器的驱动电流，提升了偏置电路对放大器的温度补偿效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于射频放大器的电压基准电路，所述电压基准电路通过线性化电路与射频放大器连接，所述电压基准电路与线性化电路构成所述射频放大器的偏置电路，以为所述射频放大器提供偏置电流；其包括第一分压器与第二分压器，所述第一分压器由第一电阻构成且与所述线性化电路的偏置晶体管的基极连接，以调节控制所述偏置晶体管基射结电压；所述第二分压器与线性化电路的偏置晶体管的基极连接，以为所述偏置晶体管提供基射结的基准电压，所述第二分压器包括以二极管方式连接的第二晶体管、第三晶体管；其中，所述第二分压器还包括一调节单元，所述调节单元分别与所述第二晶体管、第三晶体管及线性化电路连接，所述调节单元可调节所述偏置电路输出电流的大小，用以补偿功率放大器因温度而变化的静态电流。

较佳地，所述调节单元包括第二电阻与第四晶体管，所述第四晶体管与第二晶体管、第三晶体管串联连接，所述第二电阻与以二极管方式连接的第二晶体管并联连接。

较佳地，所述第四晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极连接，其发射极与所述第三晶体管的集电极连接，第二电阻的一端与所述线性化电路连接，其另一端与所述第四晶体管的基极连接。

较佳地，所述第四晶体管被放置在邻近所述射频放大器的位置，以实时获取所述功射频放大器的温度变化情况。

较佳地，所述第二晶体管、第三晶体管被放置在邻近所述功率晶体管射频放大器的位置，以实时获取所述功率晶体管射频放大器的温度变化情况。

较佳地，所述第二电阻的阻值远小于以二极管方式连接的第二晶体管的等效阻值。

较佳地，所述第二电阻上流过的电流远大于以二极管方式连接的第二晶体管上流过的电流。

与现有技术相比，本发明的用于射频放大器的电压基准电路通过在所述第二分压器上增加的调节单元，可以在设计过程中通过调节调节单元的电阻值，来控制流过所述调节单元的电流的大小，进而控制所述偏置晶体管的基极电压，从而达到调节偏置电路输出电流的目的，实现对放大器的功率晶体管的静态电流的补偿，提升了偏置电路对射频放大器的温度补偿效果。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术的偏置电路与射频放大器连接的结构框图。

图2为现有技术的偏置电路与射频放大器连接的结构示意图。

图3为本发明的电压基准电路与射频放大器连接的结构框图。

图4为本发明的电压基准电路与射频放大器连接的结构示意图。

图5为本发明的方案的功率放大器的输出电流与现有技术方案的功率放大器的输出电流的仿真对比曲线图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种用于射频放大器的电压基准电路，本发明的用于射频放大器的电压基准电路可以动态调节偏置电路输出至射频放大器的驱动电流，提升了偏置电路对射频放大器的温度补偿效果。

请参考图3，图3为本发明的电压基准电路与射频放大器连接的结构框图。如图所示，本发明的电压基准电路通过线性化电路与射频放大器连接，所述电压基准电路与线性化电路构成所述射频放大器的偏置电路，以为所述射频放大器提供偏置电流Ib。所述线性化电路包括分压电阻Ra、镇流电阻Rb、偏置晶体管HBT1及电容C1，所述分压电阻Ra一端与外部电源V1连接，另一端与所述偏置晶体管HBT1的集电极连接，所述偏置晶体管HBT1的发射极与镇流电阻Rb的一端连接，所述镇流电阻Rb的另一端与所述射频放大器的功率晶体管HBT0的基极连接，并输入偏置电流Ib至所述功率晶体管HBT0，所述偏置晶体管HBT1的基极与所述电容C1的一端、电压基准电路连接，所述电容C1的另一端接地。

在所述线性化电路中，当射频放大器工作时，随着输入信号RFin的增加，功率晶体管HBT0的基极电位Vbe0下降，线性度随着功率晶体管HBT0的工作状态的变化逐渐降低，需要线性化电路补偿电压的降低。同时也需要随功率增加提升偏置电流，从而提升集电极电流；节点Vbe1左侧的电压基准电路阻抗远高于射频频率下电容C1的阻抗，节点Vbe1处的所有射频信号都流向电容C1，控制电容C1的值，可以控制流向所述电压基准电路的射频信号量。同时，镇流电阻Rb位于耦合射频信号支路上，镇流电阻Rb的电阻的大小也可以控制流向电压基准电路的射频信号量；由于偏置晶体管HBT1的基射极二极管整流作用，整流之后的射频信号转化为直流信号流入功率晶体管HBT0的基极电路中，则输出的偏置电流Ib得到了提升，同时镇流电阻Rb上的分压提高，导致偏置晶体管HBT1基射极电压下降，从而补偿了功率晶体管HBT0的基极偏压降；因此，所述线性化电路为射频放大电器提供了电压补偿，使得电路的线性度得到提升。

其中，所述电压基准电路用于控制偏置晶体管HBT1基极电位，调节偏置电路输出电流Ib，从而控制功率晶体管HBT0的输出电流ICC，并且它具有温度补偿负反馈效果，抑制功率晶体管HBT0输出电流随温度值的变化。所述电压基准电路包括第一分压器与第二分压器，所述第一分压器由第一电阻R1构成且与线性化电路的偏置晶体管HBT1的基极连接，它可以根据第二分压器传感功率管温度变化的感应电流来动态调节控制所述偏置晶体管HBT1基-射结电压，具有温度补偿负反馈作用；所述第二分压器与线性化电路的偏置晶体管HBT1的基极连接，以为所述偏置晶体管HBT1提供基-射结的基准电压；另外，在本发明中，所述第二分压器被放置在邻近所述射频放大器(功率晶体管HBT0)的位置，以实时获取所述功率晶体管HBT0的温度变化情况，并与第一分压器配合动态调节偏置晶体管HBT1的基-射结电压，以实现对所述功率晶体管HBT0的温度补偿；本发明所说的邻近，是指在符合电路设计及布图的基本要求的前提下，所述第二分压器尽量靠近所述功率晶体管HBT0，以便能更准确地获取其温度变化的信息。在本发明中，所述第二分压器包括以二极管方式连接的第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3；其中，以二极管方式连接的晶体管是指晶体管的基极与集电极连接起来，具体如图4所示。

具体地，所述第二分压器还包括一调节单元，所述调节单元分别与所述第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3及线性化电路连接；具体地，所述第一电阻R1一端与另一外部电源V2连接，其另一端与所述第二晶体管HBT2的集电极连接，所述第二晶体管HBT2的集电极与其基极连接并与所述偏置晶体管HBT1的基极连接，其发射极与调节单元连接，所述第三晶体管HBT3的集电极与其基极连接并与所述调节单元连接，其发射极接地。在本发明中，所述调节单元可调节所述偏置电路输出电流的大小，用以补偿功率放大器因温度而变化的静态电流，同时增强了第二分压器的温度传感能力，也增强了第一分压器温度补偿负反馈效果。

具体地，请再结合参考图4，图4为本发明的电压基准电路与射频放大器连接的结构示意图。如图所示，所述调节单元包括第二电阻R2与第四晶体管HBT4，所述第四晶体管HBT4与第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3串联连接，所述第二电阻R2与以二极管方式连接的第二晶体管HBT2并联连接；更进一步地，所述第四晶体管HBT4的集电极与所述第二晶体管HBT2的发射极连接，其发射极与所述第三晶体管HBT3的集电极连接，第二电阻R2的一端与所述线性化电路连接，其另一端与所述第四晶体管HBT4的基极连接；作为本发明的优选实施方式，所述第四晶体管HBT4被放置在邻近所述射频放大器(功率晶体管HBT0)的位置，以实时获取所述功率晶体管HBT0的温度变化情况,另外，在本发明中，所述第四晶体管HBT4与功率晶体管HBT0类型、尺寸相同，因此，温度变化特性与功率晶体管HBT0也相同，相比于传统二极管方案，本发具有更好的温度传感能力，增强了第二分压器的温度传感能力。

其中，所述调节单元在本发明中的工作原理为：

节点Vbe1的电压由调节单元与二极管方式连接的第三晶体管HBT3确定。由基尔霍夫电压电流定理可得：

V2＝R1*I2+V_Diode2+Vce4+V_Diode3

Vbe1＝V_Diode2+Vce4+V_Diode3＝V2-R1*I2

I2＝I3+I4+I5

Vbe1＝V2-R1*(I3+I4+I5)

其中，V_Diode2与V_Diode3分别为第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3作为二极管的固定压降，Vce4为第四晶体管的集-射结之间的电压。

在本发明中，主要利用晶体管稳定的基尔霍夫电流特性(Ie＝Ib+Ic)来构建第二电阻R2与二极管连接方式的第二晶体管HBT2的并联支路，也即，所述第二电阻R2与第二晶体管HBT2成并联结构。另外，所述第二电阻R2的阻值远小于二极管(第二晶体管HBT2)的阻值，所以第二电阻R2所在支路上的电流I3远大于二极管所在支路的电流I4，同样的远大于所述偏置晶体管HBT1的基极电流I5，即：

I3＞＞I4＞＞I5；

由于I2等于I3、I4与I5的和，且I3＞＞I4＞＞I5，则电流I3决定了电流I2的值。

又因为：

V_Diode2+Vce4＝R2*I3+Vbe4，

I3＝(V_Diode2+Vce4-Vbe4)/R2；

在温度固定时，上述各电压为定值，电流I3值随第二电阻R2的电阻值增加而减小。

通过上述整体分析：所述第二电阻R2的阻值增加，引起电流I3减小，电流I2减小，导致第一电阻R1上压降减小，从而电压Vbe1增加，偏置管晶体管HBT1的射极输出电流Ib增加。

在本发明中，通过调节第二电阻R2的电阻值，调节偏置电路输出电流Ib值大小，由此释放了第一分压器的第一电阻R1的阻值，使其能够达到千欧级别，增强了第一分压器的温度负反馈能力。

请再结合参考图5，描述本发明用于射频放大器的电压基准电路的温度补偿原理：

由于环境温度变化或者自热效应，功率晶体管HBT0温度升高，基极电流Ib升高。此时靠近功率晶体管HBT0位置放置的作为温度传感器的第四晶体管HBT4和作为温度传感器两个二极管(第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3)上温度上升，引起各支路上电流I3、I4增大，导致第一电阻R1上电流I2升高，导致第一电阻R1上压降上升，偏置晶体管HBT1基极电位Vbe1下降，偏置电流Ib下降。

也即是：当温度T上升，偏置电流Ib上升；

同时，当温度T上升，电流I3+I4上升，电流I2上升，电压Vbe1下降，偏置电流Ib下降。

从而实现对偏置电流Ib的温度补偿。

相比于传统的方案，由于本发明的调节单元的存在，可以任意调节第一电阻R1的阻值，使得整个偏置电路温度补偿效果达到最佳。

再有，在本发明的偏置电路管芯面积与现有偏置电路管芯面积一致前提下，通过调节各自电流调节结构，将输出电流调节至260mA左右，仿真电流ICC随温度变化曲线如图5所示；如图所示，温度从-40℃到140℃范围变化，从仿真结果可以看出现有结构的偏置电路，电流ICC随温度升高而单调增加，最低电流231mA，最高电流304mA，变化差为73mA，电流ICC随温度变化极不稳定；而本发明的偏置电路结构的电流ICC曲线基本平坦，最低电流263mA，最高电流275mA，变化差仅为12mA；其中，在图5中，实线为本发明方案的电流曲线，虚线为现有技术方案的电流曲线。

对比两个仿真数据，本发明的电压基准电路使得所述偏置电路在射频放大器中具有更好的的温度补偿效果。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种用于射频放大器的电压基准电路，所述电压基准电路通过线性化电路与射频放大器连接，所述电压基准电路与线性化电路构成所述射频放大器的偏置电路，以为所述射频放大器提供偏置电流；其包括第一分压器与第二分压器，所述第一分压器由第一电阻构成且与所述线性化电路的偏置晶体管的基极连接，以调节控制所述偏置晶体管基射结电压；所述第二分压器与线性化电路的偏置晶体管的基极连接，以为所述偏置晶体管提供基射结的基准电压，所述第二分压器包括以二极管方式连接的第二晶体管、第三晶体管；其特征在于，所述第二分压器还包括一调节单元，所述调节单元分别与所述第二晶体管、第三晶体管及线性化电路连接，所述调节单元可调节所述偏置电路输出电流的大小，用以补偿功率放大器因温度而变化的静态电流。

2.如权利要求1所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述调节单元包括第二电阻与第四晶体管，所述第四晶体管与第二晶体管、第三晶体管串联连接，所述第二电阻与以二极管方式连接的第二晶体管并联连接。

3.如权利要求2所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述第四晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极连接，其发射极与所述第三晶体管的集电极连接，第二电阻的一端与所述线性化电路连接，其另一端与所述第四晶体管的基极连接。

4.如权利要求3所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述第四晶体管被放置在邻近所述射频放大器的位置，以实时获取所述功射频放大器的温度变化情况。

5.如权利要求4所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述第二晶体管、第三晶体管被放置在邻近所述功率晶体管射频放大器的位置，以实时获取所述功率晶体管射频放大器的温度变化情况。

6.如权利要求3所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述第二电阻的阻值远小于以二极管方式连接的第二晶体管的等效阻值。

7.如权利要求6所述的用于射频放大器的电压基准电路，其特征在于，所述第二电阻上流过的电流远大于以二极管方式连接的第二晶体管上流过的电流。

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