适用于线性功率放大器的偏置电路的制作方法

1.本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种适用于线性功率放大器的偏置电路。


背景技术：

2.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。
3.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为现有的适用于线性功率放大器的偏置电路的电路结构图，图1所示的偏置电路方案为现有对射频功率放大器进行线性补偿的主流方案。如图1所示，射频放大电路中的功率管q4的静态偏置电流由晶体管q1、晶体管q3及电阻r1组成的电流镜及镇流电阻r2提供；温度变化补偿由晶体管q1、晶体管q2协同镇流电阻r2提供，具体地：随着功率放大器工作时间的推进及射频信号rf in的增加，放大器的温度逐渐升高，同时射频放大电路部分信号通过镇流电阻r2流入偏置电路，此时通过晶体管q3整流作用泄漏到偏置电路的部分射频信号转换为脉动直流信号，致使电流ib升高。在上述过程中，随着温度升高的影响，晶体管q1、晶体管q2、晶体管q3的电流增大，根据欧姆定律电阻不变，电流增大压降增大，此时电阻r1两端压降增大，节点v node电压降低，使功率管q4的电流ib下降。
4.如上述可知，晶体管q1、晶体管q3及电阻r1构成电流镜结构，为功率管q4提供静态电流，晶体管q1、晶体管q2工作在相同状态，构成三极管的二极管连接形式，稳定节点vnode的电压，对功率管q4进行及时的温度补偿；但在此电流复用稳定条件下，需要保证以上器件均工作在同一温度情况下，由于受工艺版图规则及功率管q4电流密度与偏置电路的晶体管q1、晶体管q2、晶体管q3电流密度不同影响，实际情况下无法做到晶体管q1、晶体管q2、晶体管q3、功率管q4温度相同，且vb
q4
i2*r2 vbe
q3
＝vnode,由此公式得出功率管q4的静态工作电流ib受镇流电阻r2的影响较大且敏感度非常高，不适用于作为5g线性高线性功率放大器的偏置电路。因此，虽然现有方案能使功率管q4电流降低，但偏置电路抑制温漂性能差，补偿量弱，且受镇流电阻r2严重影响。
5.因此，有必要提供一种改进的适用于线性功率放大器的偏置电路来克服上述缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种适用于线性功率放大器的偏置电路，本发明的偏置电路提升了偏置电路抑制温漂的性能，减小了镇流电阻对放大器工作状调节态温度补偿的敏感度，进一步提升了放大器线性度。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种适用于线性功率放大器的偏置电路，与功率放大器连接，其包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一电阻、第二电阻及第三电阻；所述第一电阻一端与所述功率放大器连接，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晶体管的基极连接，所述第一晶体管的集电极与第二晶体管的集电极共同连接并与外部一电源连接；所述第二晶体管的发射极与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地；所述第三晶体管的基极与第三电阻的另一端连接，其发射极接地，所述第三晶体管的集电极与第二晶体管的基极连接。
8.较佳地，所述适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第一电容，所述第一电容一端与第二晶体管的基极连接，另一端接地。
9.较佳地，所述适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第四电阻与第二电容，所述第四电阻一端与所述第一晶体管的集电极连接，另一端与一外部电源连接，所述第二电容一端与第四电阻另一端连接，另一端接地。
10.较佳地，所述适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第五电阻；所述第四晶体管的发射极与第二晶体管的基极连接，其集电极与外部一电源连接，所述第四晶体管的基极与第五晶体管的基极连接，所述第五晶体管的基极、集电极共同连接并与所述第六晶体管的基极、集电极连接，所述第五晶体管的发射极接地；所述第七晶体管的基极、集电极共同连接并与所述第六晶体管的发射极连接，所述第七晶体管的发射极接地；所述第五电阻一端与所述第五晶体管的集电极连接，另一端与外部另一电源连接。
11.较佳地，所述适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第三电容，所述第三电容一端与第五晶体管的基极连接，另一端接地。
12.较佳地，所述适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第四电容，所述第四电容一端与第五电阻的另一端连接，另一端接地。
13.与现有技术相比，本发明的适用于线性功率放大器的偏置电路，当所述第二晶体管、第一晶体管、第三晶体管的温度随功率管温度的升高而升高，所述第一晶体管电流增大，静态电流随第一晶体管的电流增大而增大；所述第二晶体管的电流增大，而所述第三晶体管的ce节电流随所述第二晶体管的电流增大而增大。当静态电流增加，第三电阻上的电流也增加；而第三晶体管的ce节电流增加使得流入所述第一晶体管(或第二晶体管)基极的电流减小；当流入所述第一晶体管(或第二晶体管)基极的电流减小，静态也同时减小，此时第一电阻的压降减小，补偿了功率管在工作中动态工作电流及功率管be节的电压vbe；补偿了放大器在温度改变情况下，工作状态漂移的问题，进而提升了放大器线性输出功率。
14.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
15.图1为现有技术的适用于线性功率放大器的偏置电路的电路结构示意图。
16.图2为本发明适用于线性功率放大器的偏置电路的电路结构示意图。
17.图3为功率放大器在不同温度条件下本发明方案与现有技术方案的电流曲线对比
图。
18.图4为功率放大器在不同温度条件下本发明方案与现有技术方案的增益功率压缩曲线对比图。
具体实施方式
19.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，本发明提供了一种适用于线性功率放大器的偏置电路，本明的方案提升了偏置电路抑制温漂的性能，减小了镇流电阻对放大器工作状调节态温度补偿的敏感度，进一步提升了放大器线性度。
20.请参考图2，图2为本发明适用于线性功率放大器的偏置电路的电路结构示意图。如图2所示，本发明的适用于线性功率放大器的偏置电路与功率放大器q0连接，用以对功率放大器q0进行温度补偿。所述偏置电路包括第一补偿电路，该第一补偿电路包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第一电阻r1、第二电阻r2及第三电阻r3；所述第一电阻r1一端与所述功率放大器q0连接，另一端与所述第一晶体管q1的发射极连接，所述第一晶体管q1的基极与第二晶体管q2的基极连接，所述第一晶体管q1的集电极与第二晶体管q2的集电极共同连接，并与一外部电源vccb连接，从而外部电源vccb为第一晶体管q1、第二晶体管q2提供工作电压；所述第二晶体管q2的发射极与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端接地；所述第三晶体管q3的基极与第三电阻r3的另一端连接，其发射极接地，所述第三晶体管q3的集电极与第二晶体管q2的基极连接。
21.优选地，所述第一补偿电路还包括第一电容c1，所述第一电容c1一端与第二晶体管q2的基极连接，另一端接地。所述第一电容c1为偏置线性化电容，当射频功率信号进入所述偏置电路时，射频信号可通过所述第一电容c1流向地，减小射频信号对第一补偿电路的影响。
22.更进一步地，本发明的适用于线性功率放大器的偏置电路还包括第四电阻与第二电容c2，所述第四电阻r4一端与所述第一晶体管q1的集电极连接，另一端与外部电源vccb连接，使得外部电源vccb通过所述第四电阻为所述第一晶体管q1及第二晶体管q2提供基准电压；所述第二电容c2一端与第四电阻r4的另一端连接，另一端接地。所述第二电容c2为外部电源vccb滤波电容，用以滤除电源纹波，减小电源纹波对偏置电路的影响。
23.在上述第一补偿电路中，所述第二晶体管q2、第一晶体管q1、第三晶体管q3的温度随功率管q0温度的升高而升高，所述第一晶体管q1电流增大，电流i1随第一晶体管q1电流增大而增大；所述第二晶体管q2的电流增大，而电流i3随所述第二晶体管q2的电流增大而增大。当电流i1增加，电流i6也增加；而电流i3增加使得电流i2减小；当电流i2减小，电流i1也同时减小，此时第一电阻r1的压降减小，补偿了功率管q0在工作中动态工作电流及功率管be节的电压vbe
q0
；补偿了放大器在温度改变情况下，工作状态漂移的问题，进而提升了放大器线性输出功率。
24.作为本发明的优选实施方式，所述偏置电路在所述第一补偿电路的基础上还包括第二补偿电路，所述第二补偿电路包括第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6、第七晶体管q7及第五电阻r5；所述第四晶体管q4的发射极与第二晶体管q2的基极连接，其集电
极与外部一电源vccb连接，所述第四晶体管q4的基极与第五晶体管q5的基极连接，所述第五晶体管q5的基极、集电极共同连接并与所述第六晶体管q6的基极、集电极连接，所述第五晶体管q5的发射极接地；所述第七晶体管q7的基极、集电极共同连接并与所述第六晶体管q6的发射极连接，所述第七晶体管q7的发射极接地；所述第五电阻r5一端与所述第五晶体管q5的集电极连接，另一端与外部另一电源vref连接，以为所述第五晶体管q5及第六晶体管q6提供基准电压。
25.进一步地，所述第二补偿电路还包括第三电容c3与第四电容c4，所述第三电容c3一端与第五晶体管q5的基极连接，另一端接地；所述第三电容c3为偏置线性化电容，当射频功率信号进入所述偏置电路时，射频信号可通过所述第三电容c3流向地，减小射频信号对第二补偿电路的影响；所述第四电容c4一端与第五电阻r5的另一端连接，另一端接地；所述第四电容c4一端与第四电阻r4的另一端连接，另一端接地；所述第四电容c4为外部电源vref滤波电容，用以滤除电源纹波，减小电源纹波对偏置电路的影响。
26.在所述第二补偿电路中，第四晶体管q4与第五晶体管q5组成镜像电流源，使得电流i5＝i4，为所述第二补偿电路提供一个稳定的电流；当i4稳定，进而稳定增加了电流i1的补偿，进而更加抑制温漂对放大器性能影响，从而在所述第一补偿电路的基础上进一步加强了放大器线性功率输出。
27.下面结合图2，描述本发明适用于线性功率放大器的偏置电路的工作原理：
28.众所周知地，当给外部另一电源vref一个参考电压，整个偏置电路开启，射频功率放大器开始工作，随着输入功率的增加，功率管q0温度逐渐上升，此时功率管q0电流密度增加，跨导降低，功率管q0电流增大，静态工作点漂移，影响整个射频功率放大器的线性功率输出。当整个射频功率放大器进入工作状态，射频功率增加。功率管q0温度上升而在所述第一补偿电路中，所述第二晶体管q2、第一晶体管q1、第三晶体管q3的温度随功率管q0温度的升高而升高(第二晶体管q2随着输入功率的增大，温度逐渐升高，致使整个射频功率放大器的环境温度升高，进而导致所述第一晶体管q1、第三晶体管q3温度升高)，所述第一晶体管q1电流i1增大，电流i1随所述第一晶体管q1的电流i1增大而增大；所述第二晶体管q2的电流增大，此时电流i6随所述第二晶体管q2的电流增大而增大。由i4＝i2 i3；vnode＝vref-i5*r5-vbe
q4
；vbe
q0
＝vnode-vbe
q1-i1*r1；根据公式β(i2)＝i1 i6(β为一与工艺参数相关的常数)，当电流i1增加，电流i6也增加；由i3＝β(i6)，i4＝i2 i3，i4是由电路二恒流源产生的恒定电流，i2＝i4-i3，故当电流i3增加，此时电流i2减小；由β(i2)＝i1 i6，当电流i2减小，电流i1也同时减小，此时第一电阻r1的压降减小，补偿了功率管q0在工作中动态工作电流及功率管be节的电压vbe
q0
；所述第二电阻r2在第一补偿电路中主要是为了调节偏置电流i1的大小(根据公式i6＝i7 i3/β，i4＝i3 i2，i2＝(i6 i1)/β，由此公式可得出第二电阻r2增大，电流i7减小，固当第二电阻r2阻值增加，静态电流i1增加，反之降低。所述第一补偿电路的整个电流复用过程，对射频放大器的功率管q0实现了动态稳定负反馈(通过所述第一补偿电路动态调节偏置电流i1，补偿功率管q0随输入功率增加，温度升高的电流增大效应)，补偿了放大器在温度改变情况下，工作状态漂移的问题，进而提升了放大器线性输出功率。而在所述第二补偿电路中，所述第四晶体管q4与第五晶体管q5组成镜像电流源，根据镜像电流源特性电流i5＝i4(输出电流不随外部负载变化而变化)，为所述第二补偿电路提供一个稳定的电流；所所以开盘第六晶体管q6与第七晶体管q7等效为两个二极管且正串到
地，利用二极管稳压特性，给所述第四晶体管q4与第五晶体管q5提供稳定的vbe
q5
、vbe
q4
电压(vbe
q5
＝vbe
q4
＝vbe
q6
vbe
q7
)，增加输出电流i4的稳定性；因i4＝i2 i3，当电流i4稳定，由所述第一补偿电路的分析可知，进而稳定增加了电流i1的补偿，更进一步抑制温漂对放大器性能影响，加强放大器线性功率输出。
29.请再结合参考图3与图4，随着射频放大电路的功率管温度的上升，偏置电路对功率管的静态电流进行补偿，使得功率管的静态工作电流一直处于平衡状态，稳定功率管的静态工作点，并且提升射频放大电路的线性输出功率。通过仿真软件验证，分别对现有方案的偏置电路和发明的偏置电路进行仿真对比，比较两者对功率管电流补偿(如图3所示)，及补偿增加线性输出功率(如图4所示)；如图3所示，功率管在不同温度情况下现有方案与本发明方案对比：现有方案的偏置电路，对功率管q4的静态工作电流补偿弱，功率管q4静态工作电流随温度的增大而增大，且变化幅度剧烈(t从-35℃上升至115℃，电流icc从67ma增加至121ma)，图3中existing programs所示曲线；本发明方案的偏置电路，对功率管q0的静态工作电流补偿强，功率管q0静态工作电流随温度的增大变化小(t＝从-35℃上升至115℃，电流icc从84ma增至87ma，电流变化5ma以内)，图3中innovative design所示曲线。如图4所示，功率管在现有方案与本发明方案对比：现有方案的偏置电路，对功率管q4的静态工作电流补偿弱，线性化输出功率较差(如图4所示，线性输出功率只有16.3dbm),图4中existingprograms所示曲线；本发明的偏置电路，对功率管q0的静态工作电流及线性功率输出补偿强，功率管q0线性功率输出高(如图4所示同样条件下，线性输出功率有27dbm，较现有方案的16.3dbm提升了近10.3db),图4中innovative design所示曲线。
30.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。