CN116526985B - 一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片，属于功率放大器技术领域。温度补偿电路设置在射频功率放大器芯片上，该电路中，电阻R1的一端和热敏电阻T2的一端均与电源电路连接，电阻R1的另一端分别与热敏电阻T1的一端和场效应管Q1的栅极连接，热敏电阻T2的另一端分别与电阻R2的一端和场效应管Q1的源极连接，场效应管Q1的漏极分别与电阻R4的一端和功率放大电路连接；温度补偿电路根据环境温度变化对电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给功率放大电路。本发明解决了现有技术中温度补偿电路存在无法同时满足PA高性能和小型化需求的问题，达到结构简单且功耗较低的效果。

Description

一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片

技术领域

本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片。

背景技术

功率放大器（Power Amplifier，PA）作为通信设备的核心组成部分，其增益、输出功率及效率影响着系统的整体性能。基于III-V族化合物工艺设计的PA容易因为外部环境的温度变化而引起PA增益及输出功率的变化。为了抑制高低温度差异带来的影响，目前所采用的温度补偿电路存在无法同时满足高性能和小型化需求的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片，旨在解决现有技术中温度补偿电路存在无法同时满足PA高性能和小型化需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提出一种温度补偿电路，所述温度补偿电路设置在射频功率放大器芯片上，所述温度补偿电路包括场效应管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2；

所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端均与电源电路连接，所述电阻R1的另一端分别与所述热敏电阻T1的一端和所述场效应管Q1的栅极连接，所述热敏电阻T2的另一端分别与所述电阻R2的一端和所述场效应管Q1的源极连接，所述场效应管Q1的漏极分别与所述电阻R4的一端和功率放大电路连接，所述热敏电阻T1的另一端、所述电阻R2的另一端和所述电阻R4的另一端均接地；

所述温度补偿电路用于根据环境温度变化对所述电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给所述功率放大电路。

可选地，上述温度补偿电路中，所述温度补偿电路还包括电阻R3；

所述电阻R1的另一端通过所述电阻R3与所述场效应管Q1的栅极连接。

可选地，上述温度补偿电路中，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4均采用温度漂移系数恒定的电阻，所述热敏电阻T1和所述热敏电阻T2均采用正温度系数的热敏电阻。

可选地，上述温度补偿电路中，所述电源电路包括负电压源VCC；

所述负电压源VCC的正极分别与所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端连接，所述负电压源VCC的负极接地。

可选地，上述温度补偿电路中，所述功率放大电路包括功率放大器U1、电容C2、电容C3；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG与所述场效应管Q1的漏极连接，所述功率放大器U1的漏极供电端VD接地，所述功率放大器U1的输入端通过所述电容C2与射频输入端RFin连接，所述功率放大器U1的输出端通过所述电容C3与射频输出端RFout连接。

可选地，上述温度补偿电路中，所述功率放大电路还包括电容C1；

所述电容C1的一端与所述功率放大器U1的漏极供电端VD连接，所述电容C1的另一端接地。

可选地，上述温度补偿电路中，所述功率放大电路还包括电阻R5；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG通过所述电阻R5与所述场效应管Q1的漏极连接。

可选地，上述温度补偿电路中，所述电阻R5的阻值大于2000Ω。

第二方面，本发明还提出一种射频功率放大器芯片，包括基板、设置在所述基板上的如上述的温度补偿电路，以及电源电路和功率放大电路；

所述电源电路，用于提供负电压；

所述温度补偿电路，与所述电源电路连接，用于根据环境温度变化对所述负电压进行调整，得到输出电压；

所述功率放大电路，与所述温度补偿电路连接，用于根据所述输出电压工作，对输入的射频信号进行功率放大，输出放大后的射频信号。

可选地，上述温度补偿电路中，所述功率放大电路为基于III-V族化合物半导体工艺的电路模块。

本发明提供的上述一个或多个技术方案，可以具有如下优点或至少实现了如下技术效果：

本发明提出的一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片，通过在射频功率放大器芯片上设置有源温度补偿电路，根据环境温度变化对电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给功率放大电路，为功率放大电路供电，实现对功率放大电路高低温状态的增益补偿，保证功率放大电路中高低温增益一致性；还通过场效应管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2等分立元器件构成的温度补偿电路，可以在实际应用中合理设计各个器件的值，以满足射频功率放大器芯片低功耗的要求；本发明的温度补偿电路，可以在射频功率放大器芯片内部集成较大的温度补偿系数，解决了射频功率放大器芯片存在高低温增益变化大的问题，并且，该温度补偿电路结构简单且功耗较低，仅需占用较小的片上面积，就可以满足射频功率放大器芯片的高性能和小型化需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明温度补偿电路的原理图；

图2为本发明温度补偿电路的输出电压随环境温度变化的曲线图；

图3为本发明温度补偿电路自身的功耗随环境温度变化的曲线图；

图4为本发明射频功率放大器芯片的连接示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的装置或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种装置或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括该要素的装置或者系统中还存在另外的相同要素。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，也可以是两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

功率放大器（Power Amplifier，PA）作为通信设备的核心组成部分，其增益、输出功率及效率影响着系统的整体性能。对现有技术进行分析发现，基于III-V族化合物工艺设计的PA容易因为外部环境的温度变化而引起PA增益及输出功率的变化。

为了抑制高低温度差异带来的影响，目前的解决方法是在片外设置控制栅极电压偏置的温度补偿电路，该方法不利于系统的小型化，并且片上与片外有温度差异，导致补偿的增益有较大误差，不仅无法满足PA的高性能要求还无法满足PA的小型化需求。另外，目前的解决方法还有基于III-V族化合物工艺的片上温度补偿电路，该电路多采用单一的热敏电阻或者二极管，占用面积较小，但补偿的增益是有限的，无法满足PA的高性能要求。因此，目前抑制高低温度差异对PA的影响所采用的温度补偿电路存在无法同时满足高性能和小型化需求的问题。

鉴于现有技术中温度补偿电路存在无法同时满足PA高性能和小型化需求的技术问题，本发明提供了一种温度补偿电路及射频功率放大器芯片，具体实施例及实施方式如下：

实施例一

参照图1，图1为本发明温度补偿电路的电路原理图；本实施例提出一种温度补偿电路。该温度补偿电路设置在射频功率放大器芯片上，可以包括：

场效应管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2；

所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端均与电源电路连接，所述电阻R1的另一端分别与所述热敏电阻T1的一端和所述场效应管Q1的栅极G连接，所述热敏电阻T2的另一端分别与所述电阻R2的一端和所述场效应管Q1的源极S连接，所述场效应管Q1的漏极D分别与所述电阻R4的一端和功率放大电路连接，所述热敏电阻T1的另一端、所述电阻R2的另一端和所述电阻R4的另一端均接地；

所述温度补偿电路用于根据环境温度变化对所述电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给所述功率放大电路。

如图1所示，温度补偿电路的输入端与电源电路连接，输出端与功率放大电路连接，为功率放大电路提供直流供电。温度补偿电路会根据环境温度的变化调整输出电压对应进行一定的变化，起到调节功率放大器PA的高低温增益，保证一致性的作用。

具体的，场效应管Q1可以采用小管芯的FET（Field Effect Transistor，场效应晶体管）管芯，以降低温度补偿电路的直流功耗。FET管芯可以放大由热敏电阻随温度变化而产生的电压，本实施例中FET管芯的放大电路可以是自偏置电路，例如热敏电阻T2、电阻R2、电阻R4与场效应管Q1，通过合理设计电压值，可以形成基于场效应管Q1的自偏置放大电路。场效应管Q1的输出电压为负值，以便与芯片中其他电路统一使用一个负电压源作为供电电源，有效较少电路外部的引脚端口数，节省芯片上的空间，还节省了制作成本。FET管芯的放大电路工作点优选B类放大器工作点，这样做的优势是在满足温度补偿输出控制电压条件下，能够带来较低的直流功耗。

实际应用中，可以通过合理设计各个电阻的阻值，使该温度补偿电路的输出电压随环境温度的变化而进行大动态范围的调整，具体的，温度补偿电路的输出电压随环境温度升高而增大、随环境温度降低而减小，实现了对功率放大电路高低温状态的增益补偿。

进一步地，如图1所示，所述温度补偿电路还包括电阻R3；

所述电阻R1的另一端通过所述电阻R3与所述场效应管Q1的栅极G连接。

具体的，电阻R3用于对所述场效应管Q1提供保护。

更进一步地，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4均采用温度漂移系数恒定的电阻，所述热敏电阻T1和所述热敏电阻T2均采用正温度系数的热敏电阻。

具体的，实际应用中，热敏电阻T2、电阻R2、电阻R4的阻值可以选取较大的阻值，场效应管Q1可以工作在B类放大器工作点，以便降低直流功耗。但在实际设计时，应优先保证场效应管Q1的漏极D随温度变化而产生满足功率放大电路温度补偿要求的电压变化值。

本实施例中，功率放大电路可以采用基于III-V族化合物半导体工艺设置，此时热敏电阻T1和热敏电阻T2可以基于该半导体工艺和实际需求对应选择热敏电阻，此处选择具有正温度系数的热敏电阻，其阻值随环境温度的升高而增大。而温度漂移系数恒定的电阻，其阻值可以不随环境温度的变化而产生波动或者仅产生极小的波动。

需要说明，利用FET管芯放大热敏电阻产生的温度补偿系数，并不限制具体的电路形式，例如利用二极管或者负温度系数的热敏电阻替换本实施例的正温度系数的热敏电阻等实现方法均在本实施例的保护范围之内。

本实施例中温度补偿电路的工作原理为：

电阻R1和热敏电阻T1形成串联分压，由于热敏电阻T1的阻值随环境温度升高而增大，热敏电阻T1上的分压电压会产生下降的负电压，场效应管Q1的栅极G接在电阻R1和热敏电阻T1之间，同时串联一个较大的电阻R3，热敏电阻T1上随环境温度变化产生的分压变化会传输至场效应管Q1的栅极G，控制场效应管Q1即FET管芯的放大系数。场效应管Q1工作时，其栅极G只产生非常微弱的电流，电流强度低于uA（微安）级别。

电阻R2和热敏电阻T2形成串联分压，场效应管Q1的源极S接在电阻R2和热敏电阻T2之间，由于热敏电阻T2的阻值随环境温度升高而增大，那么电阻R2上分压得到负电压就会提升，这种变化影响了传输至场效应管Q1的源极S的电压，此时场效应管Q1源极S上的电压变化与栅极G上的电压变化共同作用于场效应管Q1的漏极D即温度补偿电路的输出端。

如图2所示为温度补偿电路的输出电压随环境温度变化的曲线图，可以看出，随环境温度的升高，温度补偿电路的输出电压也在升高，该电压作用在功率放大电路上时，可以提升功率放大电路在高温的增益，以及降低功率放大电路在低温下的增益，同时可以看出，该曲线非常近似于线性，且斜率较大，说明本事似乎离的温度补偿电路具有较大的温度补偿性能，特别适合于功率放大电路的增益随环境温度变化较大的情况。

本实施例的温度补偿电路，通过在射频功率放大器芯片上设置有源温度补偿电路，根据环境温度变化对电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给功率放大电路，为功率放大电路供电，实现对功率放大电路高低温状态的增益补偿，保证功率放大电路中高低温增益一致性；还通过场效应管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2等分立元器件构成的温度补偿电路，可以在实际应用中合理设计各个器件的值，以满足射频功率放大器芯片低功耗的要求；本发明的温度补偿电路，可以在射频功率放大器芯片内部集成较大的温度补偿系数，解决了射频功率放大器芯片存在高低温增益变化大的问题，并且，该温度补偿电路结构简单且功耗较低，仅需占用较小的片上面积，就可以满足射频功率放大器芯片的高性能和小型化需求。

实施例二

继续参照图1，图1中还示出了电源电路和功率放大电路的原理图，在实施例一的基础上，本实施例继续提出一种温度补偿电路。

进一步地，如图1所示，所述电源电路包括负电压源VCC；

所述负电压源VCC的正极分别与所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端连接，所述负电压源VCC的负极接地。

具体的，电源电路中的负电压源VCC，用于为温度补偿电路提供负电压。

进一步地，如图1所示，所述功率放大电路包括功率放大器U1、电容C2、电容C3；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG与所述场效应管Q1的漏极连接，所述功率放大器U1的漏极供电端VD接地，所述功率放大器U1的输入端通过所述电容C2与射频输入端RFin连接，所述功率放大器U1的输出端通过所述电容C3与射频输出端RFout连接。

具体的，功率放大电路的栅极供电端VG连接到温度补偿电路的输出端上，接收直流电压，该直流电压为负电压。当温度补偿电路提供输出电压给功率放大器U1后，功率放大器U1根据该输出电压工作，对射频输入端RFin输入的射频信号进行大功率的放大，输出放大后的射频信号至射频输出端RFout。电容C2和电容C3作为隔直电容，保护功率放大器U1。

更进一步地，如图1所示，所述功率放大电路还包括电容C1；

所述电容C1的一端与所述功率放大器U1的漏极供电端VD连接，所述电容C1的另一端接地。

具体的，电容C1作为滤波电容，用于滤除功率放大器U1的高频噪声。

更进一步地，如图1所示，所述功率放大电路还包括电阻R5；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG通过所述电阻R5与所述场效应管Q1的漏极连接。

更进一步地，所述电阻R5的阻值大于2000Ω。

具体的，电阻R5是一个阻值较大的电阻，串联在温度补偿电路中场效应管Q1的漏极D与功率放大器U1的栅极供电端VG之间，用于隔绝功率放大器U1的射频信号流向所述温度补偿电路，可以防止温度补偿电路影响功率放大器U1的性能。温度补偿电路的输出电压会经过电阻R5传输至功率放大器U1的栅极供电端VG，可以弥补功率放大器U1的高低温增益变化，改善温度漂移系数。

如图3所示为温度补偿电路自身的功耗随环境温度变化的曲线图，可以看出，随环境温度的升高，温度补偿电路的功耗在下降，在实际应用中，根据需要合理设计电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2后，带来的直流功耗是非常小的，可以满足射频功率放大器芯片的片上低功耗要求。

结合图2和图3，可以知晓，该温度补偿电路作为一种片上有源温度补偿电路，具有较大的温度补偿系数，并且具有低功耗，易集成的优势。

本实施例的温度补偿电路，提供了一种射频功率放大器芯片的片上有源温度补偿电路，利用片上热敏电阻、温度漂移系数恒定的电阻以及FET管芯等分立器件构成的温度补偿电路，实现了输出电压随环境温度变化而进行大动态范围的调整；并且，通过合理的电阻值设计，可以满足低功耗的优势。解决了现有技术中基于III-V族化合物的功率放大器的栅极片上温度补偿电路存在的补偿控制电压不足，高低温增益变化大的缺点。同时，该温度补偿电路所在的射频功率放大器芯片具有结构简洁，制作容易的优势。

实施例三

参照图4，图4为本发明射频功率放大器芯片的连接示意图；本实施例提出一种射频功率放大器芯片，该射频功率放大器芯片可以包括：

基板、设置在基板上的温度补偿电路，以及电源电路和功率放大电路；

所述电源电路，用于提供负电压；

所述温度补偿电路，与所述电源电路连接，用于根据环境温度变化对所述负电压进行调整，得到输出电压；

所述功率放大电路，与所述温度补偿电路连接，用于根据所述输出电压工作，对输入的射频信号进行功率放大，输出放大后的射频信号。

进一步地，所述功率放大电路为基于III-V族化合物半导体工艺的电路模块。

功率放大电路的栅极供电端VG接收负电压，功率放大器U1工作时，只产生非常微弱的电流，电流强度低于uA级别。

本实施例中，温度补偿电路、电源电路和功率放大电路的具体结构可以参照上述实施例，由于本实施例采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

需要说明，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种温度补偿电路，其特征在于，所述温度补偿电路设置在射频功率放大器芯片上，所述温度补偿电路包括场效应管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、热敏电阻T1和热敏电阻T2；

所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端均与电源电路连接，所述电阻R1的另一端分别与所述热敏电阻T1的一端和所述场效应管Q1的栅极连接，所述热敏电阻T2的另一端分别与所述电阻R2的一端和所述场效应管Q1的源极连接，所述场效应管Q1的漏极分别与所述电阻R4的一端和功率放大电路连接，所述热敏电阻T1的另一端、所述电阻R2的另一端和所述电阻R4的另一端均接地；

所述温度补偿电路用于根据环境温度变化对所述电源电路提供的负电压进行调整，提供输出电压给所述功率放大电路。

2.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述温度补偿电路还包括电阻R3；

所述电阻R1的另一端通过所述电阻R3与所述场效应管Q1的栅极连接。

3.如权利要求2所述的温度补偿电路，其特征在于，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4均采用温度漂移系数恒定的电阻，所述热敏电阻T1和所述热敏电阻T2均采用正温度系数的热敏电阻。

4.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述电源电路包括负电压源VCC；

所述负电压源VCC的正极分别与所述电阻R1的一端和所述热敏电阻T2的一端连接，所述负电压源VCC的负极接地。

5.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述功率放大电路包括功率放大器U1、电容C2、电容C3；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG与所述场效应管Q1的漏极连接，所述功率放大器U1的漏极供电端VD接地，所述功率放大器U1的输入端通过所述电容C2与射频输入端RFin连接，所述功率放大器U1的输出端通过所述电容C3与射频输出端RFout连接。

6.如权利要求5所述的温度补偿电路，其特征在于，所述功率放大电路还包括电容C1；

所述电容C1的一端与所述功率放大器U1的漏极供电端VD连接，所述电容C1的另一端接地。

7.如权利要求5所述的温度补偿电路，其特征在于，所述功率放大电路还包括电阻R5；

所述功率放大器U1的栅极供电端VG通过所述电阻R5与所述场效应管Q1的漏极连接。

8.如权利要求7所述的温度补偿电路，其特征在于，所述电阻R5的阻值大于2000Ω。

9.一种射频功率放大器芯片，其特征在于，包括基板、设置在所述基板上的如权利要求1至8中任一项所述的温度补偿电路，以及电源电路和功率放大电路；

所述电源电路，用于提供负电压；

所述温度补偿电路，与所述电源电路连接，用于根据环境温度变化对所述负电压进行调整，得到输出电压；

所述功率放大电路，与所述温度补偿电路连接，用于根据所述输出电压工作，对输入的射频信号进行功率放大，输出放大后的射频信号。

10.如权利要求9所述的一种射频功率放大器芯片，其特征在于，所述功率放大电路为基于III-V族化合物半导体工艺的电路模块。