CN216437157U - 自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种自适应线性偏置电路，包括依次连接的温度补偿电路、第三功率管和第二电阻；温度补偿电路包括第一功率管、第二功率管、第一电阻、第三电阻以及第四电阻；所述自适应线性偏置电路的工作电流可以随着功率信号的增大而增大，使得功率放大器的线性度明显提高，其温度补偿电路提供了整体电路温度的稳定性以及电流的控制精度。本实用新型还提供一种射频功率放大器及射频芯片。与现有技术相比，本实用新型的自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片线性度和控制精度高。

Description

自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片
技术领域
本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种运用于 WIFI6 5GHz频段的自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片。
背景技术
射频功率放大器广泛应用于无线通信设备中，功率放大器的偏置状态是决定功率放大器的工作状态的决定因素，因此，偏置电路尤为重要。
相关技术中运用于WIFI6的功率放大器需要有高性能指标，其采用三级放大电路设计，三级放大电路的每一级偏置电路都采用同种偏置电路设，包括电阻分压式偏置电路和电流镜偏置电路。电阻分压式偏置电路其原理利用串联电阻的分压调节射频功率管的基极直流电压。电阻分压式电路设计简单，但是集电极电流受到分压电阻阻值的影响较大。电流镜偏置电路，在射频功率管的基极处接了一个线性化的电容用来减小偏置电路部分的阻抗。为了防止射频信号进入到偏置电路中，设计时偏置电路的输入阻抗要远远大于放大电路的输入阻抗，这样才能使得射频信号才能够尽可能的进入放大电路中。在放大电路工作的过程中，输入信号的功率会不断地增加，因此放大电路的末级直流电流增大，基极到发射级直流阻抗的减小，从而偏置电压下降导致增益减少，此时放大电路出现了非线性的现象。
实用新型内容
针对以上相关技术的不足，本实用新型提出一种线性度和控制精度高的自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片。
为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种自适应线性偏置电路，包括依次连接的温度补偿电路、第三功率管和第二电阻；
所述温度补偿电路包括第一功率管、第二功率管、第一电阻、第三电阻以及第四电阻；所述第一功率管的基极连接至所述第二功率管的发射极，所述第一功率管的发射极连接至接地，所述第一功率管的集电极通过串联所述第一电阻后连接至基准电压源；所述第二功率管的基极连接至所述第一功率管的集电极，所述第二功率管的集电极连接至偏置电压源；所述第二功率管的发射极通过串联所述第四电阻后作为所述温度补偿电路的输出端；所述第二功率管的基极还通过串联所述第三电阻后连接至所述温度补偿电路的输出端；
所述第三功率管的基极连接至所述第一功率管的集电极，所述第三功率管的集电极连接至所述偏置电压源，所述第三功率管的发射极连接至所述温度补偿电路的输出端，且所述第三功率管的发射极通过串联所述第二电阻后作为所述自适应线性偏置电路的输出端。
优选的，所述自适应线性偏置电路还包括旁路电容，所述旁路电容的第一端连接至所述第三功率管的基极，所述旁路电容的第二端连接至接地。
优选的，所述自适应线性偏置电路还包括第一电容，所述第一电容与所述第二电阻并联。
优选的，所述自适应线性偏置电路基于AWSC的InGaP/GaAs HBT 设计工艺制成，其中，所述第一功率管的发射极面积和所述第二功率管的发射级面积均为80um2，所述第三功率管的发射级面积为360 um2。
本实用新型实施例还提供一种射频功率放大器，包括如本实用新型实施例提供的上述自适应线性偏置电路。
优选的，所述射频功率放大器包括依次连接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路，所述自适应线性偏置电路用于为所述第一级功率放大电路、所述第二级功率放大电路和所述第三级功率放大电路中的至少一个提供偏置电流。
优选的，所述自适应线性偏置电路用于为所述第三级功率放大电路提供偏置电流。
本实用新型实施例还提供一种射频芯片，所述射频芯片包括如本实用新型实施例提供的上述射频功率放大器。
与相关技术相比，本实用新型的自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片中，自适应线性偏置电路包括依次连接的温度补偿电路、第三功率管和第二电阻，从而所述自适应线性偏置电路的工作电流可以随着功率信号的增大而增大，进而使得射频功率放大器的线性度和平均效率明显提高，而且，温度补偿电路的设计提供了整体电路温度的稳定性及输出电流的控制精度，有效的抑制了射频功率放大器的直流工作点随着温度变化漂移的情况。
附图说明
下面结合附图详细说明本实用新型。通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为相关技术的应用于WIFI6的采用三级放大的射频功率放大器的电路结构原理图；
图2为相关技术的射频功率放大器的电阻分压式偏置电路结构示意图；
图3为相关技术的射频功率放大器的电流镜偏置电路结构示意图；
图4为本实用新型提供的运用于WIFI6的自适应线性偏置电路结构示意图，其中已将所述自适应线性偏置电路连接至射频功率放大电路的第三级放大电路；
图5为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度和增益关于第一电阻R1和第二电阻R2的仿真曲线图；
图6为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于旁路电容Cp的仿真曲线图；
图7为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图一；
图8为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其温度补偿电路关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图一；
图9为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图二；
图10为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其温度补偿电路关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图二。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本实用新型实施方式及本实用新型范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本实用新型的保护范围之内。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本实用新型可用以实施的特定实施例。本实用新型所提到的方向用语，例如上、下、前、后、左、右、内、外、侧面等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本实用新型，而非用以限制本实用新型。
请结合图1所示，为相关技术的应用于WIFI6的采用三级放大的射频功率放大器的电路结构原理图。相关技术的射频功率放大器包括依次连接的第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，每一级放大电路均通过偏置电路提供偏置电流，而相关技术中，因为运用于WIFI 6 5G频段的射频功率放大器的电路的高性能指标要求，三级放大器的每一级偏置电路都采用同种偏置电路设计。
如图2所示，为相关技术的射频功率放大器的电阻分压式偏置电路结构示意图。相关技术的电阻分压式偏置电路，其原理利用串联电阻的分压调节射频功率管的基极直流电压。电阻分压式电路设计简单，但是集电极电流受到分压电阻阻值的影响较大，具体射频功率管的基极与发射极的电压推导如下：
Figure DEST_PATH_GDA0003552476620000051
射频功率管的输入特性表达式可以表示为：
Figure DEST_PATH_GDA0003552476620000052
其中式1.2中的IS表示为饱和电流，VT表示为温度电压当量，其中室温当量是300k的时候VT＝26mV。相比于发射极与集电极，基极的电流相对很小因此可以不计，因此Ic可以表示为：
Figure DEST_PATH_GDA0003552476620000053
因此公式1.3中，可以得出R2或者VBias的数值的小幅度变化会导致集电极电流指数级的变化。同时偏置电路的供电电压的变化也会导致功率管的偏置点产生很大的偏移，由此可知，电阻分压式偏置电路在大信号工作状态时会导致信号的严重失真。
如图3所示，为相关技术的射频功率放大器的电流镜偏置电路结构示意图。相关技术的电流镜偏置电路，偏置电流为I1，在功率管Q1基极处接了一个线性化的电容Cb用来减小偏置电路部分的阻抗。为了防止射频信号进入到偏置电路中，设计时偏置电路的输入阻抗要远远大于放大电路的输入阻抗，这样才能使得射频信号才能够尽可能的进入放大电路中。在放大电路工作的过程中，输入信号的功率会不断地增加，因此放大电路的末级直流电流I_OUT增大，基极到发射级直流阻抗的减小从而偏置电压下降导致增益减少，此时放大电路出现了非线性的现象。
基于此，本实用新型实施例提供了一种自适应线性偏置电路。如图4所示，本实用新型提供的运用于WIFI6的自适应线性偏置电路结构示意图，其中已将所述自适应线性偏置电路连接至射频功率放大电路的第三级放大电路。自适应线性偏置电路100包括依次连接的温度补偿电路1、第三功率管Q3和第二电阻R2。
所述温度补偿电路1包括第一功率管Q1、第二功率管Q2、第一电阻R1、第三电阻R3以及第四电阻R4。
所述第一功率管Q1的基极连接至所述第二功率管Q2的发射极，所述第一功率管Q1的发射极连接至接地，所述第一功率管Q1的集电极通过串联所述第一电阻R1后连接至基准电压源Vreg。
所述第二功率管Q2的基极连接至所述第一功率管Q1的集电极，所述第二功率管Q2的集电极连接至偏置电压源VBias；所述第二功率管 Q2的发射极通过串联所述第四电阻R4后作为所述温度补偿电路1的输出端。
所述第二功率管Q2的基极还通过串联所述第三电阻R3后连接至所述温度补偿电路1的输出端。
所述第三功率管Q3的基极连接至所述第一功率管Q1的集电极，所述第三功率管Q3的集电极连接至所述偏置电压源VBias，所述第三功率管Q3的发射极连接至所述温度补偿电路1的输出端，且所述第三功率管Q3的发射极通过串联所述第二电阻R2后作为所述自适应线性偏置电路100的输出端，输出偏置电流IBias。
上述电路结构设计，随着射频信号的输入会有部分信号泄漏到自适应线性偏置电路100中，第三功率管Q3的基极与发射级的电压也会随之减少。
所述自适应线性偏置电路100还包括旁路电容Cp，所述旁路电容 Cp的第一端连接至所述第三功率管Q3的基极，所述旁路电容Cp的第二端连接至接地。旁路电容Cp的设计可以将射频信号短路到底，保证了自适应线性偏置电路100的第三功率管Q3的基极电压保持不变，这时放大电路中整体的基极电压就会身高，减少了的基极和发射级电压就会得到补偿，因此电路中的功率管的偏置点在高功率的情况下保持不变，增益压缩从而得到抑制。
请结合图4和图6所示，其中图6为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于电容Cp的仿真曲线图。从图6的仿真数据中可以看出随着电容值的增大，在高频处的增益线性度提升越是明显。旁路电容Cp的存在使得射频功率放大器的增益随着输入信号功率的增大产生先增大后又减小的反压缩现象，这能够使得运用所述自适应线性偏置电路100的三级射频放大器电路，有效改善第三级放大器的AM-AM(幅值失真引起的幅值失真) 以及AM-PM(幅值失真引起的相位失真)特性，从而提升第三级放大器的线性度。
更优的，所述自适应线性偏置电路100还包括第一电容C1，所述第一电容C1与所述第二电阻R2并联。请结合图4和图5所示，其中图5为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度和增益关于第一电阻R1和第二电阻R2的仿真曲线图。从图5的仿真数据中可以看出在保持第二电阻R2值不变的情况下，随着第一电阻R1值的增大,增益和线性度都在降低。第二电阻R2并联一个第一电容C1，这样能够起到减少电路损耗的作用，当功放出现增益膨胀的现象时不必加上第一电容C1，不然可能会使得增益膨胀加剧。
本实用新型所提出的自适应线性偏置电路100同样具有温度补偿功能，当基运用于采用三级放大电路的射频放大器的第三级放大电路时，第一功率管Q1与第二功率管Q2的温度特性与第三级放大电路中的功率管Q4温度特性相同，当第一功率管Q1与第二功率管Q2的基极与发射级的电压降低时，第三功率管Q3的基极和放大电路的功率管 Q4的基极电压也会跟着降低，通过放大电路中的功率管Q4电流减到正常值。第三电阻R3和第四电阻R4的加入使得温度稳定性进一步提高。
具体的仿真数据如图8和图10所示，其中，图8为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其温度补偿电路关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图一；图10为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其温度补偿电路关于第三电阻R3和第四电阻R4的仿真曲线图二。第四电阻R4分别为500Ω和1000Ω时第三电阻R3分别取10Ω，100Ω和1000Ω的温度直流仿真数据可以得出，以R3＝R4＝1000Ω为例随着温度TEMP的变化从-40℃到85℃时，输出电流的最大值210mA与最小值214mA相差只有4mA。
请再结合图7和图9所示，其中，图7为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于第三电阻 R3和第四电阻R4的仿真曲线图一；图9为本实用新型提供的自适应线性偏置电路运用于射频功率放大器时，其线性度关于第三电阻 R3和第四电阻R4的仿真曲线图二。从图7和图9可以看出，第三电阻R3和第四电阻R4不仅可以调节温度补偿特性，同样也可以调节线性度和增益。因此第一功率管Q1、第二功率管Q2，和第一电阻R1、第三电阻R3及第四电阻R4构成温度补偿电路可以有效的抑制功率耗散产生的自热效应导致的电流偏置点的漂移和电流增益塌陷的现象。
需要说明的是，本实施方式的所述自适应线性偏置电路100基于 AWSC的InGaP/GaAs HBT设计工艺制成，其中，所述第一功率管的发射极面积和所述第二功率管的发射级面积均为80um2，所述第三功率管的发射级面积为360um2。
本实用新型实施例还提供一种射频功率放大器，包括如本实用新型实施例提供的上述自适应线性偏置电路100。
更优的，所述射频功率放大器包括依次连接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路，所述自适应线性偏置电路100用于为所述第一级功率放大电路、所述第二级功率放大电路和所述第三级功率放大电路中的至少一个提供偏置电流。本实施方式中，所述自适应线性偏置电路100用于为所述第三级功率放大电路提供偏置电流(参图4所示)。上述电路结构设计，随着射频信号的输入会有部分信号泄漏到自适应线性偏置电路100中，第三功率管Q3的基极与发射级的电压也会随之减少，当射频信号的增大时候，第三级放大电路中功率管Q4整体的基极与发射级的电压也会随之减小。
本实用新型实施例还提供一种射频芯片，所述射频芯片包括如本实用新型实施例提供的上述射频功率放大器。
与相关技术相比，本实用新型的自适应线性偏置电路、射频功率放大器及射频芯片中，自适应线性偏置电路包括依次连接的温度补偿电路、第三功率管和第二电阻，从而所述自适应线性偏置电路的工作电流可以随着功率信号的增大而增大，进而使得射频功率放大器的线性度和平均效率明显提高，而且，温度补偿电路的设计提供了整体电路温度的稳定性及输出电流的控制精度，有效的抑制了射频功率放大器的直流工作点随着温度变化漂移的情况。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (8)

1.一种自适应线性偏置电路，其特征在于，包括依次连接的温度补偿电路、第三功率管和第二电阻；
所述温度补偿电路包括第一功率管、第二功率管、第一电阻、第三电阻以及第四电阻；所述第一功率管的基极连接至所述第二功率管的发射极，所述第一功率管的发射极连接至接地，所述第一功率管的集电极通过串联所述第一电阻后连接至基准电压源；所述第二功率管的基极连接至所述第一功率管的集电极，所述第二功率管的集电极连接至偏置电压源；所述第二功率管的发射极通过串联所述第四电阻后作为所述温度补偿电路的输出端；所述第二功率管的基极还通过串联所述第三电阻后连接至所述温度补偿电路的输出端；
所述第三功率管的基极连接至所述第一功率管的集电极，所述第三功率管的集电极连接至所述偏置电压源，所述第三功率管的发射极连接至所述温度补偿电路的输出端，且所述第三功率管的发射极通过串联所述第二电阻后作为所述自适应线性偏置电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的自适应线性偏置电路，其特征在于，所述自适应线性偏置电路还包括旁路电容，所述旁路电容的第一端连接至所述第三功率管的基极，所述旁路电容的第二端连接至接地。
3.根据权利要求1所述的自适应线性偏置电路，其特征在于，所述自适应线性偏置电路还包括第一电容，所述第一电容与所述第二电阻并联。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的自适应线性偏置电路，其特征在于，所述自适应线性偏置电路基于AWSC的InGaP/GaAs HBT设计工艺制成，其中，所述第一功率管的发射极面积和所述第二功率管的发射级面积均为80um2，所述第三功率管的发射级面积为360um2。
5.一种射频功率放大器，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的自适应线性偏置电路。
6.根据权利要求5所述的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器包括依次连接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路，所述自适应线性偏置电路用于为所述第一级功率放大电路、所述第二级功率放大电路和所述第三级功率放大电路中的至少一个提供偏置电流。
7.根据权利要求6所述的射频功率放大器，其特征在于，所述自适应线性偏置电路用于为所述第三级功率放大电路提供偏置电流。
8.一种射频芯片，其特征在于，所述射频芯片包括如权利要求5-7任意一项所述的射频功率放大器。
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