CN116073770A - 一种hbt功率放大器和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种HBT功率放大器和电子设备，涉及射频前端技术领域。该HBT功率放大器在传统HBT功率放大器基础上，在自适应偏置结构上增加温度补偿单元。温度补偿单元中的二极管单元的导通电压随温度增加而不断降低，使加载偏置结构的电压变化随温度增加而增加，最终补偿HBT晶体管Q1b增益随温度变化的变化率。可以显著降低高低温状态下随着环境温度的变化HBT功率放大器的增益波动。

Description

一种HBT功率放大器和电子设备
技术领域
本申请涉及射频前端技术领域，尤其涉及一种HBT功率放大器和电子设备。
背景技术
随着中国移动通信产业的迅速发展，射频前端作为移动通信系统的核心组件得到了业界的广泛关注，而功率放大器作为射频前端的核心器件，直接决定了移动终端无线通信的距离和信号质量。
现在主流的半导体可以划分为两大类：硅基半导体器件和III-V族化合物半导体器件。作为传统的半导体材料，硅基半导体器件的模型研究完善，制造工艺成熟，使得硅基器件的设计和生产成本相对较低。而且半导体加工工艺的不断推进，硅基半导体器件的尺寸不断缩小，使其在高集成、低功耗和响应速度上的优势越发显著。III-V族化合物半导体器件由于材料本身电子迁移率高和禁带宽度的特点，能更好满足射频和微波系统在高频下对性能的极致追求。
从器件类型来看，GaAs衬底材料的晶体管主要有HBT和pHEMT两种类型，pHEMT器件具有较好的温度稳定性，较低的噪声和较高的工作频率。和pHEMT晶体管比较，HBT器件具有如下优势：
1、HBT是一种双极性器件，其对光刻的要求较低，普通的光刻就能获得较高的本征频率Ft和最高谐振频率Fmax。
2、HBT具有较好的电流处理能力，HBT器件工作时电流垂直流过发射结，使得结电流密度较大，较高的电流密度带来高功率密度，进而减小器件的尺寸。
3、HBT器件具有较高的击穿电压，其集电极为宽禁带半导体材料，提高了击穿电压，有利于提高输出功率。
4、HBT器件有较高的电流放大系数β，当输入电流较小时，较高的电流放大系数β能让负载电容的快速充电，提高了电路的驱动能力。
5、HBT器件可单电源供电，相比常需双电源供电的pHEMT器件具备较大的设计和应用优势。
6、HBT器件的基区掺杂浓度较高，膝点电压小，Early电压高，电流增益稳定，具有较低的闪烁噪声。
因此，GaAs HBT在sub-6GHz频段功率放大器设计中得到了广泛应用。
常规的双极型晶体管偏置电路，一般采用电阻串联分压形式给放大器提供直流偏置点。但在进行功率放大器设计时，为了抑制HBT功率放大器自热效应，一般采用如图1所示的自适应偏置结构。
HBT晶体管的发射结电压随着输入功率增加而降低，而工作点漂移会导致跨导降低，进而产生增益压缩和相位失真。随着温度升高，HBT晶体管Q1b的增益是下降的，此时需要增加HBT晶体管Q1b基极的直流偏置电流以抵消温度升高带来的增益降低。
晶体管Q2a、晶体管Q3a、晶体管Q4a、电阻R1a、电阻R1a和电容C3a组成的自适应偏置单元可以很好的抑制HBT晶体管工作点漂移，从而改善功率放大器的线性度，提高输出功率。
传统HBT功率放大器采用自适应偏置结构，可以抑制功率放大器在输出大功率时由于自热效应带来的偏置点漂移。
但随着器件工作温度的变化，传统HBT功率放大器的小信号增益同样会随着温度的变化而变化，在高低温时增益变化大，导致射频前端输出功率不一致，影响移动终端无线通信的距离和信号质量，需要额外的补偿电路对其增益进行补偿，增加了系统的复杂度。
因此，如何设置复杂度低的温度补偿电路，对HBT功率放大器进行补偿，且能满足小信号的增益补偿要求，是需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种HBT功率放大器和电子设备，以解决现有技术中如何设置复杂度低的温度补偿电路对HBT功率放大器进行补偿，且能满足小信号的增益补偿要求的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。
第一方面，本申请实施例提供一种HBT功率放大器，包括射频放大单元、直流偏置单元和温度补偿单元。
所述温度补偿单元和所述直流偏置单元的第一端电连接，所述射频放大单元的控制端和所述直流偏置单元的第二端电连接；所述射频放大单元的控制端用于与信号输入端IN1b电连接，所述射频放大单元的输出端用于与信号输出端OUT1b电连接。
所述温度补偿单元包括二极管单元和晶体管单元，所述二极管单元的正极用于与电源VCC3b电连接，所述二极管单元的负极和所述晶体管单元的第一端电连接，所述晶体管单元的电源端用于与所述电源VCC3b电连接，所述晶体管单元的第二端和所述直流偏置单元的第一端电连接。
相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：温度补偿单元中的二极管单元的导通电压随温度升高而不断降低，即二极管单元的压降随温度升高而降低，可以得到晶体管单元第一端的电压随温度增加而增加，且晶体管单元的第二端即直流偏置单元的第一端的电压随温度增加而增加，最终使射频放大单元的增益随温度变化的变化率降低。
可选地，所述晶体管单元包括：电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、电阻R6b、HBT晶体管Q5b、HBT晶体管Q6b、HBT晶体管Q7b和HBT晶体管Q8b。
所述电阻R3b第一端与所述电源VCC3b、所述HBT晶体管Q6b集电极电连接在一起，所述电阻R3b第二端与所述直流偏置单元的第一端、所述HBT晶体管Q6b基极、所述HBT晶体管Q5b集电极电连接在一起，所述HBT晶体管Q6b发射极与所述电阻R4b第一端电连接，所述电阻R4b第二端、所述电阻R5b第一端和所述HBT晶体管Q7b集电极电连接在一起，所述电阻R5b第二端和所述HBT晶体管Q5b基极电连接，所述HBT晶体管Q5b发射极与地电连接，所述HBT晶体管Q7b发射极与所述电阻R6b第一端电连接，所述电阻R6b第二端与地电连接，所述二极管单元的负极与所述HBT晶体管Q7b基极、所述HBT晶体管Q8b基极和所述HBT晶体管Q8b集电极电连接在一起；所述二极管单元的正极与所述电源VCC3b电连接，HBT晶体管Q8b发射极与地电连接。
可选地，所述晶体管单元还包括电阻R7b，所述二极管单元的正极通过所述电阻R7b与所述电源VCC3b电连接。
可选地，所述晶体管单元还包括电阻R8b，所述HBT晶体管Q8b发射极通过所述电阻R8b与地电连接。
可选地，所述二极管单元包括二极管D1b和二极管D2b，所述二极管D1b负极与所述二极管D2b正极电连接，所述二极管D1b正极为所述二极管单元的正极，所述二极管D2b负极为所述二极管单元的负极。
可选地，所述二极管单元包括电阻R7b、二极管D1b和二极管D2b，所述电阻R7b、所述二极管D1b和所述二极管D2b串联，所述二极管D1b和所述二极管D2b的在电路中的方向相同。
当同时设置有电阻R7b和电阻R8b时，通过调整电阻R7b和电阻R8b电阻值的大小，可以更灵活地调整加载在HBT晶体管Q7b基极的电压，得到一个恰当的随温度变化的电压。还可以将电阻R8b设置在HBT晶体管Q8b基极和发射极之间的方式调节电压。
可选地，所述直流偏置单元包括电阻R1b、电阻R2b、HBT晶体管Q2b、HBT晶体管Q3b和HBT晶体管Q4b，所述电阻R1b第二端与所述射频放大单元的控制端电连接，所述电阻R1b第二端与所述HBT晶体管Q2b发射极电连接，所述HBT晶体管Q2b集电极与所述电源VCC2b电连接，所述HBT晶体管Q2b基极与所述HBT晶体管Q3b基极、所述HBT晶体管Q3b集电极和所述电阻R2b第一端电连接在一起，所述HBT晶体管Q3b发射极与所述HBT晶体管Q4b基极和所述HBT晶体管Q4b集电极电连接在一起，所述HBT晶体管Q4b发射极与地电连接，所述电阻R2b第二端与所述温度补偿单元的第二端电连接。
可选地，所述直流偏置单元还包括电容C1b，所述HBT晶体管Q2b基极与电容C1b第一端电连接，所述电容C1b第二端与地电连接。
可选地，所述射频放大单元包括电感L1b和HBT晶体管Q1b，所述HBT晶体管Q1b基极与所述直流偏置单元的第二端电连接，所述HBT晶体管Q1b集电极用于与所述信号输出端OUT1b电连接且与所述电感L1b的第一端，所述HBT晶体管Q1b发射极接地，所述电感L1b的第二端用于连接电源VCC1b。
可选地，所述HBT功率放大器还包括电容C1b、输入匹配网络、电容C2b和输出匹配网络，所述HBT晶体管Q1b基极通过所述输入匹配网络、所述电容C1b与所述信号输入端IN1b电连接，所述HBT晶体管Q1b集电极通过输出匹配网络和电容C2b与所述信号输出端OUT1b电连接。
第二方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括第一方面的HBT功率放大器。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为背景技术中HBT功率放大器示意图；
图2为本申请实施例提供的一种HBT功率放大器示意图；
图3为本申请实施例提供的一种HBT功率放大器的温度补偿单元示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种HBT功率放大器示意图；
图5为本申请实施例提供的一种HBT功率放大器与背景技术中HBT功率放大器增益随温度变化对比图。
附图标记说明：
10-射频放大单元
20-直流偏置单元
30-温度补偿单元
31-二极管单元
32-晶体管单元
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
现有的高低温状态下，HBT功率放大器的增益会受温度影响较大。
为了克服以上问题，可参阅图2，本申请实施例提供了一种HBT功率放大器，包括射频放大单元10、直流偏置单元20和温度补偿单元30。
所述温度补偿单元30和所述直流偏置单元20的第一端电连接，所述射频放大单元10的控制端和所述直流偏置单元20的第二端电连接；所述射频放大单元10的控制端用于与信号输入端IN1b电连接，所述射频放大单元10的输出端用于与信号输出端OUT1b电连接。
如图3，所述温度补偿单元30包括二极管单元31和晶体管单元32，所述二极管单元的正极用于与电源VCC3b电连接，所述二极管单元的负极和所述晶体管单元32的第一端电连接，所述晶体管单元32的电源端用于与所述电源VCC3b电连接，所述晶体管单元32的第二端和所述直流偏置单元20的第一端电连接。
本申请实施例可以显著降低高低温状态下HBT功率放大器的增益波动。具体原理为：温度补偿单元中的二极管单元的导通电压随温度增加而不断降低，即二极管单元的压降随温度增加而降低，可以得到晶体管单元第一端的电压随温度增加而增加，且晶体管单元的第二端即直流偏置单元的第一端的电压随温度增加而增加，最终使射频放大单元的HBT晶体管增益随温度变化的变化率降低。
如图4，所述二极管单元31可以设置为二极管D1b和二极管D2b。所述二极管D1b负极与所述二极管D2b正极电连接，所述二极管D1b正极为所述二极管单元31的正极，所述二极管D2b负极为所述二极管单元31的负极。
所述晶体管单元32可以设置：电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、电阻R6b、HBT晶体管Q5b、HBT晶体管Q6b、HBT晶体管Q7b和HBT晶体管Q8b。
晶体管单元32的连接关系描述如下：所述电阻R3b第一端与所述电源VCC3b、所述HBT晶体管Q6b集电极电连接在一起，所述电阻R3b第二端与所述直流偏置单元20的第一端、所述HBT晶体管Q6b基极、所述HBT晶体管Q5b集电极电连接在一起，所述HBT晶体管Q6b发射极与所述电阻R4b第一端电连接，所述电阻R4b第二端、所述电阻R5b第一端和所述HBT晶体管Q7b集电极电连接在一起，所述电阻R5b第二端和所述HBT晶体管Q5b基极电连接，所述HBT晶体管Q5b发射极与地电连接，所述HBT晶体管Q7b发射极与所述电阻R6b第一端电连接，所述电阻R6b第二端与地电连接，所述二极管单元31的负极与所述HBT晶体管Q7b基极、所述HBT晶体管Q8b基极和所述HBT晶体管Q8b集电极电连接在一起；所述二极管单元31的正极与所述电源VCC3b电连接，HBT晶体管Q8b发射极与地电连接。
为了调节各个节点的电压，可以设置：电阻R7b，所述二极管单元31的正极通过所述电阻R7b与所述电源VCC3b电连接；电阻R8b，所述HBT晶体管Q8b发射极通过所述电阻R8b与地电连接。
图4的原理为：
1）温度补偿单元30中的二极管D1b和二极管D2b的导通电压是随温度增加而不断降低的，通过调整电阻R7b和电阻R8b电阻值的大小，可以得到一个加载在HBT晶体管Q7b基极，随温度增加而增加的电压VQ7b。
2）这样，电源VCC3b电压V1通过温度补偿单元30，HBT晶体管Q7b用于将电压V1转换为电流IQ7b并进行放大，HBT晶体管Q8b管的基极和集电极短接（HBT晶体管Q8b的原理等价于一个随温度增加而导通电压不断降低的二极管），用于补偿HBT晶体管Q7b的BE结随着温度增加而出现的该BE结Vbe电压降低，确保HBT晶体管Q7b的电流放大系数β具有温度一致性。
3）HBT晶体管Q7b的集电极电流IQ7b经过电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、HBT晶体管Q5b、HBT晶体管Q6b组成电流-电压转换结构后，得到一个随电压V1增加而减小的输出电压VR2b。
4）加载在电阻R2b第二端上的电压VR2b是一个只受温度变化控制的电压，通过计算HBT晶体管Q1b的增益随温度变化的变化率，相应的调整电阻R7b和电阻R8b电阻值，得到与之对应的电压VR2b，此时的电压VR2b随温度变化而变化，而电压VR2b变化会导致晶体管Q1b增益变化。电压VR2b随温度变化导致晶体管Q1b的增益变化的变化率，与HBT晶体管Q1b本身增益随温度变化的变化率相反，降低了HBT功率放大器增益随温度变化的变化率，实现了HBT功率放大器的增益温度补偿特性。
如图4，所述直流偏置单元20包括电阻R1b、电阻R2b、HBT晶体管Q2b、HBT晶体管Q3b和HBT晶体管Q4b。
HBT晶体管Q3b和HBT晶体管Q4b管的基极和集电极短接，形成双二极管串联的结构。通过控制R2b和VR2b的大小就能控制Q3b上通过的电流大小，而HBT晶体管Q3b管和HBT晶体管Q2b管构成镜像电流源结构，通过HBT晶体管Q2b后流入HBT晶体管Q1b电流大小和HBT晶体管Q3b上的电流成正比。而随着输入功率增加，HBT晶体管Q2b的BE结二极管也会出现Vbe电压降低的情况。而HBT晶体管Q3b和HBT晶体管Q4b串联给HBT晶体管Q2b管基极提供了一个相对稳定的二极管钳位电压，因此HBT晶体管Q2b管的Vbe电压降低能够补偿HBT晶体管Q1b上BE结电压随输入功率增加而降低的情况。
如图4，所述直流偏置单元20还可包括电容C1b，所述HBT晶体管Q2b基极与电容C1b第一端电连接，所述电容C1b第二端与地电连接。去耦电容C3b抑制了HBT晶体管Q2b基极节点电压变化，提高了HBT功率放大器的线性功率电平。
所述射频放大单元10包括电感L1b和HBT晶体管Q1b，所述HBT晶体管Q1b基极与所述直流偏置单元20的第二端电连接，所述HBT晶体管Q1b集电极用于与所述信号输出端OUT1b电连接，所述HBT晶体管Q1b发射极接地。电感L1b为扼流电感，为射频放大单元10供电。
可以将电容C1b、输入匹配网络、电容C2b和输出匹配网络设置在该HBT功率放大器中。射频信号通过信号输入端IN1b进入HBT功率放大器，通过电容C1b后，进入输入匹配网络对信号进行阻抗变化，通过HBT晶体管Q1b将信号进行放大，经过输出匹配网络将信号进行阻抗变化后，经过电容C2b后，由信号输出端OUT1b输出。
图1和图4功率放大器增益随温度变化对比示意如图5。△为传统（图1）HBT功率放大器增益与温度之间的关系曲线，○为本申请增益与温度之间的关系曲线。从图4可以看出，本申请提供的一种带增益温度补偿的HBT功率放大器增益曲线随温度变化改变量更小，具有更好的增益温度一致性。
基于上述HBT功率放大器，本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述HBT功率放大器，该电子设备可用于移动通信。
总体来说，本申请提出了一种HBT功率放大器和电子设备。该HBT功率放大器在传统HBT功率放大器基础上，在自适应偏置结构上增加温度补偿单元，随着环境温度的变化，可以显著降低高低温状态下HBT功率放大器的增益波动。
随着温度升高，HBT晶体管Q1b的增益是下降的，此时需要增加HBT晶体管Q1b基极的直流偏置电流以抵消温度升高带来的增益降低。温度补偿单元中的二极管单元的导通电压随温度增加而不断降低，可以得到晶体管单元第一端的电流随温度增加而增加，且晶体管单元的第二端即直流偏置单元的第一端的电流随温度增加而增加，最终使HBT晶体管Q1b增益随温度变化的变化率更平稳。
以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
上述仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种HBT功率放大器，其特征在于，包括：射频放大单元、直流偏置单元和温度补偿单元，所述温度补偿单元和所述直流偏置单元的第一端电连接，所述射频放大单元的控制端和所述直流偏置单元的第二端电连接；所述直流偏置单元还用于连接电源VCC2b，所述射频放大单元的控制端用于与信号输入端IN1b电连接，所述射频放大单元的输出端用于分别与信号输出端OUT1b和电源VCC1b电连接；
所述温度补偿单元包括二极管单元和晶体管单元，所述二极管单元的正极用于与电源VCC3b电连接，所述二极管单元的负极和所述晶体管单元的第一端电连接，所述晶体管单元的电源端用于与所述电源VCC3b电连接，所述晶体管单元的第二端和所述直流偏置单元的第一端电连接；
所述二极管单元用于随温度升高而导通电压降低，使所述晶体管单元的第二端的电压随温度升高而升高，从而使射频放大单元的增益随温度变化的变化率降低。
2.如权利要求1所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述晶体管单元包括：电阻R3b、电阻R4b、电阻R5b、电阻R6b、HBT晶体管Q5b、HBT晶体管Q6b、HBT晶体管Q7b和HBT晶体管Q8b；
所述电阻R3b第一端与所述电源VCC3b、所述HBT晶体管Q6b集电极电连接在一起，所述电阻R3b第二端与所述直流偏置单元的第一端、所述HBT晶体管Q6b基极、所述HBT晶体管Q5b集电极电连接在一起，所述HBT晶体管Q6b发射极与所述电阻R4b第一端电连接，所述电阻R4b第二端、所述电阻R5b第一端和所述HBT晶体管Q7b集电极电连接在一起，所述电阻R5b第二端和所述HBT晶体管Q5b基极电连接，所述HBT晶体管Q5b发射极与地电连接，所述HBT晶体管Q7b发射极与所述电阻R6b第一端电连接，所述电阻R6b第二端与地电连接，所述二极管单元的负极与所述HBT晶体管Q7b基极、所述HBT晶体管Q8b基极和所述HBT晶体管Q8b集电极电连接在一起；所述二极管单元的正极与所述电源VCC3b电连接，HBT晶体管Q8b发射极与地电连接。
3.如权利要求2所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述晶体管单元还包括电阻R7b，所述二极管单元的正极通过所述电阻R7b与所述电源VCC3b电连接。
4.如权利要求2所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述晶体管单元还包括电阻R8b，所述HBT晶体管Q8b发射极通过所述电阻R8b与地电连接。
5.如权利要求2所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述二极管单元包括二极管D1b和二极管D2b，所述二极管D1b负极与所述二极管D2b正极电连接，所述二极管D1b正极为所述二极管单元的正极，所述二极管D2b负极为所述二极管单元的负极。
6.如权利要求1所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述直流偏置单元包括电阻R1b、电阻R2b、HBT晶体管Q2b、HBT晶体管Q3b和HBT晶体管Q4b，所述电阻R1b第二端与所述射频放大单元的控制端电连接，所述电阻R1b第二端与所述HBT晶体管Q2b发射极电连接，所述HBT晶体管Q2b集电极与所述VCC2b电连接，所述HBT晶体管Q2b基极与所述HBT晶体管Q3b基极、所述HBT晶体管Q3b集电极和所述电阻R2b第一端电连接在一起，所述HBT晶体管Q3b发射极与所述HBT晶体管Q4b基极和所述HBT晶体管Q4b集电极电连接在一起，所述HBT晶体管Q4b发射极与地电连接，所述电阻R2b第二端与所述温度补偿单元的第二端电连接。
7.如权利要求6所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述直流偏置单元还包括电容C1b，所述HBT晶体管Q2b基极与电容C1b第一端电连接，所述电容C1b第二端与地电连接。
8.如权利要求1所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述射频放大单元包括电感L1b和HBT晶体管Q1b，所述HBT晶体管Q1b基极与所述直流偏置单元的第二端电连接，所述HBT晶体管Q1b集电极用于与所述信号输出端OUT1b电连接且与所述电感L1b的第一端，所述HBT晶体管Q1b发射极接地，所述电感L1b的第二端用于连接所述电源VCC1b。
9.如权利要求8所述的HBT功率放大器，其特征在于，所述HBT功率放大器还包括电容C1b、输入匹配网络、电容C2b和输出匹配网络，所述HBT晶体管Q1b基极通过所述输入匹配网络、所述电容C1b与所述信号输入端IN1b电连接，所述HBT晶体管Q1b集电极通过输出匹配网络和电容C2b与所述信号输出端OUT1b电连接。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的HBT功率放大器。
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