CN219124180U - 线性补偿偏置电路 - Google Patents

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王鹏
邓小东
周竣峰
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Abstract

本实用新型公开了一种线性补偿偏置电路，其包括线性调节单元与温度补偿单元，线性调节单元分别与射频放大器及一外部电源连接，温度补偿单元分别与线性调节单元及另一外部电源连接，且温度补偿单元邻近于射频放大器的功率管；线性调节单元包括第一电阻、第二电阻及第一晶体管，第一电阻一端与功率管的基极连接，另一端与第一晶体管的发射极连接，第一晶体管的基极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与一外部电源连接，第一晶体管的集电极与温度补偿单元连接。本实用新型的线性补偿偏置电路可对射频放大器进行温度补偿与大信号线性补偿，使得射频放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力。

Description

线性补偿偏置电路
技术领域
本实用新型涉及射频微波领域，更具体地涉及一种线性补偿偏置电路。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，新移动通信系统(5G)对数据传输速率提出了更高的要求，需要高宽带调制信号进行数据传输，这增大了线性射频功率放大器设计的难度。
射频功率放大器工作时，随着功率放大器工作时间及射频输入信号的增加，放大器的温度逐渐升高，功率管芯根据其物理特性(PN节温度上升，发射区中电子受热激发，漂移电子总数随温度升高而增加)使放大器电流增加，影响放大器工作状态，进而影响放大器的线性度(随着晶体管的工作状态的变化逐渐降低)。此时需要通过偏置电路提供额外的电流补偿来提升电路线性度，其中，图1为现有的线性补偿偏置电路的电路结构示意图；如图1所示，晶体管HBT1、HBT2、HBT3组成电流镜，电流镜和电容C1组成了线性偏置电路，晶体管HBT1、电阻R3和电容C1起到线性化的作用。当输入信号增大时，功率管HBT0的基极静态偏置电压VBE(0)减小，且有射频信号泄漏至偏置电路。泄漏信号通过晶体管HBT1、经接地电容C1到地。因为晶体管HBT1的BE结二极管的整流作用，泄漏信号会使晶体管HBT1的静态直流电流变大，从而使结电压VBE(1))减小。功率管HBT0的基极偏置电压表达式可写为：
VBE(0)＝VB(1)-VBE(1)-IB(0)R3 (1)
在上述(1)式中，因为电压VB(1)是固定的，所以电压VBE(1)的变化会补偿电压VBE(0)的变化，从而改善了射频通路的AM-AM/AM-PM失真。偏置电路的晶体管HBT2一侧的阻抗远小于晶体管HBT1一侧，因此左侧通过的电流远大于右侧。左侧两个晶体管HBT2、HBT3起到分压的作用，当电流使晶体管的温度升高时，晶体管HBT1的电压VBE(1)会降低，这会使得输出到主通路流入功率管HBT0的电流IB(0)增大。然而，温度升高后晶体管HBT2、HBT3的结电压也相应降低，这就使得流过晶体管HBT2和HBT3的电流增大，从而加大了电阻R1的压降。因此晶体管HBT1的基极电压VB(1)降低，促使电流IB(0)降低。
但是，在上述电路中，尽管晶体管HBT3具有温度补偿能力，但在偏置电流较大的情况下，例如常温下的偏置电流为110mA时，低温和高温工作条件下的偏置电流的差值也有约20mA，这个偏差值还是会影响射频放大器的工作性能与效率。
因此，有必要提供一种改进可保证射频放大器的工作性能的线性补偿偏置电路来克服上述缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种线性补偿偏置电路，适应于射频放大器，本实用新型的线性补偿偏置电路可对射频放大器进行温度补偿与大信号线性补偿，使得所述射频放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种线性补偿偏置电路，适应于射频放大器，其包括线性调节单元与温度补偿单元，所述线性调节单元分别与射频放大器及一外部电源连接，用以调节所述射频放大器的线性度，所述温度补偿单元分别与所述线性调节单元及另一外部电源连接，且所述温度补偿单元邻近于射频放大器的功率管，用以感应所述功率管的温度变化并根据温度变化情况实时对所述功率管进行温度补偿；所述线性调节单元包括第一电阻、第二电阻及第一晶体管，所述第一电阻一端与所述功率管的基极连接，另一端与所述第一晶体管的发射极连接，所述第一晶体管的基极与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与一外部电源连接，所述第一晶体管的集电极与所述温度补偿单元连接。
较佳地，所述线性调节单元还包括一电感，所述电感连接于所述第一电阻与第一晶体管的发射极之间。
较佳地，所述线性调节单元还包括第一电容与第二电容，所述第一电容一端与所述第一晶体管的基极连接，另一端接地；所述第二电容一端与所述第二电阻的另一端连接，所述第二电容的另一端接地。
较佳地，所述温度补偿单元包括第二晶体管、第三晶体管、第三电阻及第四电阻，所述第二晶体管的基极与第一晶体管的基极连接，集电极与第一晶体管的集电极连接，所述第二晶体管的发射极与第四电阻的一端、第三晶体管的基极共同连接，所述第四电阻的另一端接地；所述第二晶体管的集电极与第三电阻的一端、第一晶体管的集电极共同连接，所述第三电阻的另一端与另一外部电源连接；所述第三晶体管的集电极与第一晶体管的发射极连接，所述第三晶体管的发射极接地。
较佳地，所述温度补偿单元还包括第三电容，所述第三电容一端与所述第三电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地。
较佳地，所述第三晶体管与第一晶体管的尺寸完全相同。
与现有技术相比，本实用新型的线性补偿偏置电路通过所述线性调节单元可在大信号输入条件下调节所述射频放大器的功率管的线性度，从而可针对大信号对功率管进行线性补偿，调节改善射频放大器功率管的线性度；同时通过所述温度补偿单元实时感应功率管温度的变化，并控制调整所述功率管的静态电流，从而对所述功率管进行温度补偿，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力。
通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
附图说明
图1为现有技术的线性补偿偏置电路的电路结构示意图。
图2为本实用新型的线性补偿偏置电路的电路结构示意图。
图3为本实用新型的线性补偿偏置电路的应用场景结构示意图。
图4为图3所示应用场景与现有技术的应用场景的直流输出与温度变化曲线的对比图。
图5为3所示应用场景与现有技术的应用场景的第三级基极电压随射频输入变化的对比曲线图。
具体实施方式
现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本实用新型提供了一种线性补偿偏置电路，适应于射频放大器，本实用新型的线性补偿偏置电路可对射频放大器进行温度补偿与大信号线性补偿，使得所述射频放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力。
请参考图2，图2为本实用新型的线性补偿偏置电路的电路结构示意图。如图所示，本实用新型的线性补偿偏置电路，适应于射频放大器；所述线性补偿偏置电路包括线性调节单元与温度补偿单元，所述线性调节单元分别与射频放大器及一外部电源Vbb连接，用以调节所述射频放大器的线性度；所述温度补偿单元分别与所述线性调节单元及另一外部电源Vcc连接，且所述温度补偿单元邻近于射频放大器的功率管HBT0，用以准确感应所述功率管HBT0的温度变化并根据温度变化情况实时对所述功率管HBT0进行温度补偿。
具体地，所述线性调节单元包括第一电阻R1、第二电R2阻及第一晶体管HBT1，所述第一电阻R1一端与所述功率管HBT0的基极连接，另一端与所述第一晶体管HBT1的发射极连接，所述第一晶体管HBT1的基极与第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与一外部电源Vbb连接，外部电源Vbb通过所述第二电阻R2为所述第一晶体管HBT1提供输入电流，同时所述第二电阻R2的阻值大小用以控制所述输入电流的大小；所述第一晶体管HBT1的集电极与所述温度补偿单元连接。作为本实用新型的优选实施例，所述线性调节单元还包括第一电容C1与第二电容C2，所述第一电容C1一端与所述第一晶体管HBT1的基极连接，另一端接地，当有射频信号泄漏到所述偏置电路时，泄漏过来的信号可通过所述第一电容C1直接到地，减小了对偏置电路的影响；所述第二电容C2一端与所述第二电阻R2的另一端连接，所述第二电容C2的另一端接地，且所述第二电容C2为并接电源Vbb的去耦电容。
另外，所述温度补偿单元包括第二晶体管HBT2、第三晶体管HBT3、第三电阻R3及第四电阻R4，所述第二晶体管HBT2的基极与第一晶体管HBT1的基极连接，集电极与第一晶体管HBT1的集电极连接，所述第二晶体管HBT2的发射极与第四电阻R4的一端、第三晶体管HBT3的基极共同连接，所述第四电阻R4的另一端接地；所述第二晶体管HBT2的集电极与第三电阻R3的一端、第一晶体管HBT1的集电极共同连接，所述第三电阻R3的另一端与另一外部电源Vcc连接，所述外部电源Vcc通过所述第三电阻R3为所述第一晶体管HBT1及第二晶体管HBT2提供集电极电流；所述第三晶体管HBT3的集电极与第一晶体HBT1管的发射极连接，所述第三晶体管HBT3的发射极接地。作为本实用新型的优先实施例，所述温度补偿单元还包括第三电容C3，所述第三电容C3一端与所述第三电阻R3的另一端连接，所述第三电容C3的另一端接地，且所述第三电容C32为并接电源Vcc的去耦电容。
再有，在本实用新型中，所述第三晶体管HBT3与第一晶体管HBT1的尺寸完全相同，从而使得所述第三晶体管HBT3与第一晶体管HBT1上的电流能同步变化。
更进一步地，所述线性调节单元还包括一电感L1，所述电感L1连接于所述第一电阻R1与第一晶体管HBT1的发射极之间；在本实用新型中，当使用第三晶体管HBT3搭建反馈网络时，从射频通路方向看去的偏置电路的阻抗会更小，这会使得射频信号的泄漏更严重，而通过加入所述电感L1可扼制射频信号的泄漏，保证整个电路工作的稳定性。
下面请再结合参考图2，描述本实用新型线性补偿偏置电路的工作原理：
当输入的射频信号RF INPUT增大时，功率管HBT0的基极静态偏置电压VBE(0)减小，且有射频信号泄漏至偏置电路；泄漏信号通过第一晶体管HBT1、第一电容C1到地；另外，因为第一晶体管HBT1的BE结二极管的整流作用，泄漏信号会使第一晶体管HBT1的静态直流电流变大，从而使结电压VBE(1)减小，补偿功率管HBT0的基极静态偏置电压VBE(0)的变化，从而改善了射频放大器的AM-AM/AM-PM失真，功率管HBT0的线性度更好，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力；同时，实现了在在大信号输入条件下调节所述射频放大器的功率管HBT0的线性度。
所述温度补偿单元的第三晶体管HBT3尽量靠近所述功率管HBT0，以实时感应功率管HBT0的温度变化。第二晶体管HBT2为第三晶体管HBT3提供直流输入电流，第四电阻R4控制输入第三晶体管HBT3的电流的大小；在本实用新型中，由于第三晶体管HBT3的尺寸与第一晶体管HBT1完全相同，当功率管HTB0的温度升高时，第一晶体管HBT1的BE结二极管减小，使得第一晶体管HBT1的输出直流电流ICE(1)增大。而与此同时，第三晶体管HBT3的输出电流ICE(3)也会增大。第三晶体管HBT3会将第一晶体管HBT1的电流ICE(1)分流，而流入功率管HBT0的基极直流电流IB(0)与ICE(3)，ICE(1)的关系如下式所示：
IB(0)＝ICE(1)-ICE(3)
因此，当温度变化时，第一晶体管HBT1和第三晶体管HBT3的电流变化是相同的，保证了功率管HBT0的基极直流电流IB(0)不受温度影响，实现了对所述功率管HBT0的温度补偿。
请再结合参考图3至图5，描述本实用新型的线性补偿偏置电路在相同应用场景下与现有技术的区别。如图3所示，将本实用新型的线性补偿偏置电路应用于三级放大电路中，其中BIAS1、BIAS2、BIAS3均为本实用新型所述的线性补偿偏置电路，在相同的三级放大电路中，通过仿真得出本实用新型的方案与现有技术的方案在射频放大电路的第三级直流输出随温度变化的ADS仿真曲线对比图，如图4所示，其中，曲线a为应用本实用新型方案所产生的，曲线b为现有技术方案所产生的，显而易见地，应用本实用新型的方案所产生的电流随温度变化的幅度最小，更好地实现了对射频放大器的温度补偿；另外，请再参考图5，在图5中，曲线d为应用本实用新型方案所产生的，曲线c为现有技术方案所产生的，从图5中可看出在输入的射频信号-30dBm～5dBm的范围内，曲线c的电压值从1.3V减小到1.18v，输入信号变化对电路影响很大；而曲线d，在输入的射频信号-30dBm～5dBm的范围内，电压值基本保持在1.3V，仅有小幅减小，波动很小。
综上，本实用新型的线性补偿偏置电路通过所述线性调节单元可在大信号输入条件下调节所述射频放大器的功率管的线性度，从而可针对大信号对功率管进行线性补偿，调节改善射频放大器功率管的线性度；同时通过所述温度补偿单元实时感应功率管温度的变化，并控制调整所述功率管的静态电流，从而对所述功率管进行温度补偿，提升了射频放大器电路的动态性能调节能力。
以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种线性补偿偏置电路，适应于射频放大器，其特征在于，包括线性调节单元与温度补偿单元，所述线性调节单元分别与射频放大器及一外部电源连接，用以调节所述射频放大器的线性度，所述温度补偿单元分别与所述线性调节单元及另一外部电源连接，且所述温度补偿单元邻近于射频放大器的功率管，用以感应所述功率管的温度变化并根据温度变化情况实时对所述功率管进行温度补偿；所述线性调节单元包括第一电阻、第二电阻及第一晶体管，所述第一电阻一端与所述功率管的基极连接，另一端与所述第一晶体管的发射极连接，所述第一晶体管的基极与第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与一外部电源连接，所述第一晶体管的集电极与所述温度补偿单元连接。
2.如权利要求1所述的线性补偿偏置电路，其特征在于，所述线性调节单元还包括一电感，所述电感连接于所述第一电阻与第一晶体管的发射极之间。
3.如权利要求1所述的线性补偿偏置电路，其特征在于，所述线性调节单元还包括第一电容与第二电容，所述第一电容一端与所述第一晶体管的基极连接，另一端接地；所述第二电容一端与所述第二电阻的另一端连接，所述第二电容的另一端接地。
4.如权利要求1所述的线性补偿偏置电路，其特征在于，所述温度补偿单元包括第二晶体管、第三晶体管、第三电阻及第四电阻，所述第二晶体管的基极与第一晶体管的基极连接，集电极与第一晶体管的集电极连接，所述第二晶体管的发射极与第四电阻的一端、第三晶体管的基极共同连接，所述第四电阻的另一端接地；所述第二晶体管的集电极与第三电阻的一端、第一晶体管的集电极共同连接，所述第三电阻的另一端与另一外部电源连接；所述第三晶体管的集电极与第一晶体管的发射极连接，所述第三晶体管的发射极接地。
5.如权利要求4所述的线性补偿偏置电路，其特征在于，所述温度补偿单元还包括第三电容，所述第三电容一端与所述第三电阻的另一端连接，所述第三电容的另一端接地。
6.如权利要求4所述的线性补偿偏置电路，其特征在于，所述第三晶体管与第一晶体管的尺寸完全相同。
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