功率放大器线性补偿偏置电路的制作方法

1.本发明涉及射频微波领域，更具体地涉及一种功率放大器线性补偿偏置电路。


背景技术：

2.随着5g、wlan射频电路系统的发展，衡量电路线性度的指标主要为(邻道功率泄露比)acpr与(矢量误差幅度)evm性能，而两者均与射频信号的幅度与相位呈现最为重要的关联性，另外温度也对器件线性度产生较大影响。而且，实际的wlan收发器工作时使用的是时分双工(tdd)，当接收信号的时候需要关闭功率放大器来降低整体电路的功耗，所以功率放大器必须以一定的占空比周期性地打开和关闭，在功率放大器动态切换过程中产生的电热瞬态变化引起电路的记忆效应：功率放大器开启后，在开关切换时间之内，电路的静态电流增大不能达到稳定状态，导致电路增益下降，会造成电路的性能退化。通过偏置电路为功率放大器提供温度与线性补偿，可以提升电路性能。
3.图1为现有常见的功率放大器线性补偿偏置电路的结构示意图。在放大器工作时，随着射频信号rfin的增加，放大器的线性度随着晶体管的工作状态的变化逐渐降低，需要通过偏置电路提供额外的补偿电流来提升电路的线性度。在图1中，由于晶体管hbt1和电容c1，射频信号通过电阻r1流入到偏置电路中，然后因为晶体管hbt1的整流作用，整流之后的射频信号转化为直流信号流入功率管hbt0中，为功率放大器提供了补偿，使得电路的线性度提升。
4.偏置电路对功率放大器的补偿作用是提升电路线性度重要途径，另外温度调节单元可以起到温度负反馈作用来调节。在图1给出的偏置电路结构中，温度调节效果不佳，并且并未进一步对线性度进行改进。造成这些限制的原因在于：1、温度感应及反馈结构简单，当器件尺寸确定后，温度对功率放大器偏置点的影响浮动很大；2、并未进一步根据线性偏置电路对大信号性能的影响进行改善研究。
5.因此，有必要提供一种改进的功率放大器线性补偿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功率放大器线性补偿偏置电路，本发明的功率放大器线性补偿偏置电路可对功率放大器进行温度补偿与大信号线性补偿，使得所述功率放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好，提升了功率放大器电路的动态性能调节能力。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种功率放大器线性补偿偏置电路，其包括线性调节单元、温度感应单元与电路控制单元，所述线性调节单元与功率管的基极连接，用以改善在大信号下所述功率管的线性度；所述温度感应单元通过所述电路控制单元与所述线性调节单元连接，所述电路控制单元用以为所述线性调节单元和温度感应单元提供合适的工作电压，所述温度感应单元设置在邻近所述功率管的位置，用以感应所述功率管的温度变化并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容、第一电阻及第一晶体管，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，
所述第一晶体管的集电极与外部电源连接，其基极与电路控制单元连接；所述第一电容的一端与所述第一晶体管的基极连接，其另一端接地。
8.较佳地，所述线性调节单元还包括第二晶体管，所述第二晶体管的基极、发射极均与所述第一晶体管的发射极连接，其集电极与第一晶体管的集电极连接。
9.较佳地，所述线性调节单元还包括第二电容，所述第二电容连接于所述第一晶体管的其极与发射极之间。
10.较佳地，所述温度感应单元包括第二电阻、第三电阻、第三晶体管及第四晶体管，所述第三晶体管、第四晶体管的发射极均接地，所述第三晶体管的集电极与所述电路控制单元连接，其基极与所述第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的集电极、第二电阻的一端共同连接；所述第二电阻的另一端与所述第四晶体管的基极连接，所述第四晶体管的集电极与所述电路控制单元连接。
11.较佳地，所述电路控制单元包括第四电阻、第五电阻及第五晶体管，所述第五晶体管的发射极与所述第三晶体管的集电极连接，其基极与所述第一晶体管的基极连接，所述第五晶体管的集电极与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与外部电源连接；所述第五电阻的一端与基准电源连接，其另一端与第四晶体管的集电极、第一晶体管的基极共同连接。
12.较佳地，所述第二电容与第二晶体管的位置可互换。
13.与现有技术相比，本发明的功率放大器线性补偿偏置电路通过调节控制所述线性调节单元中的电容值而调节控制泄漏至所述偏置电路中射频信号的功率大小，从而可针对大信号对功率管进行线性补偿，调节改善功率放大器功率管的线性度；同时通过所述温度感应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，提升了功率放大器电路的动态性能调节能力。
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为现有技术的功率放大器线性补偿偏置电路的结构示意图。
16.图2为本发明的功率放大器线性补偿偏置电路的结构示意图。
17.图3为本发明的功率放大器线性补偿偏置电路的应用场景结构示意图。
18.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。
19.图5为3所示应用场景与现有技术的应用场景的相位输出仿真对比曲线图。
具体实施方式
20.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，本发明提供了一种功率放大器线性补偿偏置电路，本发明的功率放大器线性补偿偏置电路可对功率放大器进行温度补偿与大信号线性补偿，使得所述功率放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好，提升了功率放大器电路的动态性能调节能力。
21.请参考图2，图2为本发明的功率放大器线性补偿偏置电路的结构示意图。如图所
示，本发明的功率放大器线性补偿偏置电路包括线性调节单元、温度感应单元与电路控制单元，所述线性调节单元与功率管hbt0的基极连接，用以改善在大信号下所述功率管hbt0的线性度；所述温度感应单元通过所述电路控制单元与所述线性调节单元连接，所述电路控制单元用以为所述线性调节单元和温度感应单元提供合适的工作电压，所述温度感应单元设置在邻近所述功率管hbt0的位置，用以感应所述功率管的温度变化并对所述功率管hbt0进行温度补偿；从而实现对功率放大器的温度补偿与大信号线性补偿，使得所述功率放大器的温度更稳定，功率管的线性度更好。
22.具体地，所述线性调节单元包括第一电容c1、第一电阻r1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的集电极与外部电源vbb连接，其基极与电路控制单元连接；所述第一电容c1的一端与所述第一晶体管hbt1的基极连接，其另一端接地。
23.作为本发明的优选实施方式，所述线性调节单元还包括第二晶体管hbt2，所述第二晶体管hbt2的基极、发射极均与所述第一晶体管hbt1的发射极连接，其集电极与第一晶体管hbt1的集电极连接；所述线性调节单元还包括第二电容c2，所述第二电容c2连接于所述第一晶体管hbt1的其极与发射极之间；另外，在本发明中，所述第二晶体管hbt2主要起可变电容的作用，使得所述第二电容c2与第二晶体管hbt2的位置可互换，也即是所述第二电容c2与第二晶体管hbt2的连接方式除了图2所示的连接方式外，还可以是：所述第二电容c2连接于所述第一晶体管hbt1的集电极与发射极之间，所述第二晶体管hbt2的集电极与所述第一晶体管hbt1的基极连接，所述第二晶体管hbt2的基极、发射极均与所述第一晶体管hbt1的发射极连接；所述第二电容c2与第二晶体管hbt2的位置互换并不影响两器件对整个电路的功能作用。在本发明中，当有大信号输入所述功率放大器时，所述线性调节单元可使所述功率管hbt0的基极电压v
be
减小，稳定了大信号输入条件下的功率管hbt0的基极电压；另外并联的第二电容c2与第二晶体管hbt2可以改变偏置电路的阻抗，使大信号更多流到偏置电路中进行，使功率管hbt0的基极电压vbe减小并趋向于小信号水准。
24.再有，所述温度感应单元包括第二电阻r2、第三电阻r3、第三晶体管hbt3及第四晶体管hbt4，所述第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4的发射极均接地，所述第三晶体管hbt3的集电极与所述电路控制单元连接，其基极与所述第三电阻r3的一端连接；所述第三电阻r3的另一端与所述第三晶体管hbt3的集电极、第二电阻r2的一端共同连接；所述第二电阻r2的另一端与所述第四晶体管hbt4的基极连接，所述第四晶体管hbt4的集电极与所述电路控制单元连接。另外，作为本发明的优选实施方式，所述温度感就单元越靠近所述功率管hbt0，越能准确在感应所述功率管hbt0的温度变化，使得其对所述功率管hbt0的温度补偿效果更好。
25.所述电路控制单元包括第四电阻r4、第五电阻r5及第五晶体管hbt5，所述第五晶体管hbt5的发射极与所述第三晶体管hbt3的集电极连接，其基极与所述第一晶体管hbt1的基极连接，所述第五晶体管hbt5的集电极与第四电阻r4的一端连接，所述第四电阻r4的另一端与外部电源vbb连接；所述第五电阻r5的一端与基准电源vref连接，其另一端与第四晶体管hbt4的集电极、第一晶体管hbt1的基极共同连接。
26.下面从温度稳定与线性度调节两方面描述本发明的工作原理。
27.温度稳定：
28.当电路开始工作时，放大器的功率管电流增加，同时导致功率管温度增加，其跨导降低；由于晶体管的基极、发射极钳拉特性，功率管基极与发射极的电压v
be
下降，进一步引起功率管静态电流上升，跨导下降，增益减小，这一过程是正反馈行为，直接造成电路的am_am/am_pm失真，如果在晶体管开关切换时间内晶体管的静态电流不能达到稳定，那么电路的线性度将会发生进一步恶化。在本发明的功率放大器线性补偿偏置电路中，将温度感应单元的晶体管(第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4)作为热感应管设置于功率管hbt0附近，感应晶体管越靠近功率管hbt0电路作用效果越好。由于热在短距离空间内的传导，当功率管hbt0开启时，温度感应晶体管温度也会随着功率管hbt0温度的升高而升高，此时温度感应晶体管电流随温度升高而增加导致流过第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4集电极电流增加，当第四晶体管hbt4集电极-发射极电流ice增加，流过第五电阻r5的电流增大，因此所述第五电阻r5两端压降变大，从而使得第五晶体管hbt5、第一晶体管hbt1的基极电压减小，流出第一晶体管hbt1发射极电流减小，也即使得流入所述功率管hbt0的静态电流i0减小，使得功率管hbt0工作点趋于稳定。具体地，如下式所示：
29.i1＝i2+i
c(q4)
[0030]vref-i1r5＝v
b(q1)
[0031]
也即是，i
c(q4)
↑
，i1↑
，v
b(q1)
↓
，i
e(q1)
↓
[0032]
其中，i
c(q4)
为第四晶体管hbt4的集电极电流，v
b(q1)
表示第一晶体管hbt1的基极电压，i
e(q1)
表示第一晶体管hbt1发射极电流。
[0033]
从上式可知，电流i1的增加会降低第一晶体管hbt1的基极电压，这一过程相当于在电路工作过程中加入一个负反馈行为，从而会抑制功率管hbt0在温度上升过程中的电流增加，从而使电流状态迅速到达热平衡，最终静态电流i0达到稳定。
[0034]
其次，通过所述温度感应单元的结构可知，所述温度感应单元类似一个电流镜作用，假设第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4的基极-发射极电压变化为δv
be
，第三晶体管hbt3集电极电流变化为δi
c(q3)
,第四晶体管hbt4变化δi
c(q4)
，则
[0035][0036]
δi
c(q3)
＝kδi
c(q4)
[0037]
δv
be((q2)
＝r
o(q3)
×
δi
c(q3)
[0038]
其中，k为电流镜放大倍数，r
o(q4)
为第四晶体管hbt4的集电极支路等效电阻，r
o(q3)
为第三晶体管hbt3的支路电阻。当δv
be
减小，δi
c(q4)
变大，δv
be(q2)
变大，阻止第五晶体管hbt5因为电流变大导致的v
be
减小。另外，r0也起到温度负反馈作用，当流过其自身的电流增大，r0两端压降变大，使得流入所述功率管hbt0的静态电流i0增大。从而，通过多路调节温度，使偏置电路对功率放大器的温度平衡起到更优效果。
[0039]
再有，由于晶体管的温度主要是由管芯中流过的电流密度决定的，通过电路控制单元及第二电阻r2、第三电阻r3与温度感应晶体管的调节，可以实现对第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4电流密度的改变从而调节晶体管温度。另外，当作为温度感应管的第三晶体管hbt3、第四晶体管hbt4的位置距离功率管hbt0不远时，那么当偏置电路开启后，温度感应晶体管的温度升高达到接近功率管hbt0温度所需的时间较长；而当温度感应晶体管距离功率管hbt0较近时，那么当偏置电路开启后，温度感应晶体管的温度达到或接近功率管hbt0
温度的时间减小，使电路的动态性能提升。因此，在本发明中，可以通过调整温度感应晶体管与功率管hbt0的相对位置，使温度感应的温度值更加接近实际情况。也就是说，随着晶体管摆放位置随距离功率管hbt0远近呈阶梯性变化时，所感应到的温度也随之减小或增大，从而可以在不改变电路的结构情况下通过调整温度感应晶体管位置进行合适的温度反馈设置，使偏置电路的温度平衡起到更优效果。
[0040]
线性度调节：
[0041]
因为功率管的be结的二极管箝位效应会造成功率管的be结上的射频信号中的大正向电压和大反向电流受到限幅，根据频域分析可知，正弦信号被限幅而截断时，会产生直流分量，因此功率管的基极电流将随着输入功率的增大而增大，使得be结电压vbe降低(减小量为δvbe)，功率管偏置点发生移动，跨导gm也发生改变。功率管跨导的变化将导致am-am/am-pm失真，从而使功率放大器的线性度恶化。所以，在本发明中，功率放大器的功率管hbt0处于大信号工作状态时，偏置电路必须能够补偿电流δic和电压δvbe，使功率管hbt0的偏置点得到调整，以补偿功率管的跨导变化。
[0042]
具体地，当大输入信号作用于功率管hbt0时，功率管hbt0的基极静态偏压v
be(q0)
将发生变化，同时有部分射频信号通过第一电阻r1、第一晶体管hbt1、第二晶体管hbt2、第二电容c2泄露到偏置电路中。由于第一晶体管hbt1与功率管hbt0的be结二极管整流特性，流经第一晶体管hbt1的大射频信号使得其直流电流比小信号输入时大，所以第一晶体管hbt1的偏置电压v
be(q1)
也将发生变化，第一电容c1使得流经偏置电路的射频信号短路到地，对于第一晶体管hbt1的基极，其电压只有直流成分，即第一晶体管hbt1的基极电位v
b(q1)
是固定的。此时，功率管hbt0的基极偏置电压为：
[0043]vbe(q0)
＝v
b(q1)-v
be(q1)-r1i
e(q1)
[0044]
从上式可以看出v
be(q1)
补偿了功率管hbt0基极偏置电压v
be(q0)
的变化趋势，也就是说当v
be(q0)
减小时，v
be(q1)
由于第一晶体管hbt1的特性与功率管hbt0相同而跟着v
be(q0)
减小；同理当v
be(q0)
)增大时，v
be(q1)
也跟着增大。由于功率管hbt0偏置电压得到了补偿，也就补偿了功率管hbt0跨导随输入信号的变化而变化的趋势。而在所述线性化调节单元中，还需考虑当射频信号泄漏到其中时对功放性能的影响；一般情况下功率管hbt0的发射极面积远大于第一晶体管hbt1的发射极面积，故偏置电路的阻抗(从功率管hbt0基极看向第一晶体管hbt1发射极)远大于功率管的阻抗(从功率管hbt0基极看进去)，因此只有很小比例的信号泄露到偏置电路中，且泄露到偏置电路中的信号功率大小与电容第二电容c2、第二晶体管hbt2的容值有关。偏置电路的阻抗越小，泄漏到偏置电路的信号功率也就越大。因此，适当控制第二晶体管hbt2、第二电容c2的值，可以使功率放大器大信号线性度变好。
[0045]
请再结合参考图3至图5，描述本发明的功率放大器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，将本发明的功率放大器线性补偿偏置电路应用于三级放大电路中，其中bias1、bias2、bias3均为本发明所述的偏置电路，在相同的三级放大电路中，通过仿真得出本发明的方案与现有技术的方案在功率放大器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，bias1为现有技术方案的仿真曲线，bias2为本发明发的仿真曲线；从图4中可看出在-40℃～120℃范围内，曲线bias1的dc直流从50ma增加到180ma，温度对电路影响很大；而曲线bias2，在-40℃～120℃范围内，第三级输出电流维持在110ma左右，波动不超过3ma，波动很小；再有，在图5中，顶点靠上的曲线为
bias1，顶点在下的曲线为bias2，从图中可看出，曲线bias2(本发明方案)明显改善了输出相位随输入的变化程度，改善了功率管的线性度。
[0046]
综上，本发明的功率放大器线性补偿偏置电路通过调节控制所述线性调节单元中的电容值而调节控制泄漏至所述偏置电路中射频信号的功率大小，从而可针对大信号对功率管进行线性补偿，调节改善功率放大器功率管的线性度；同时通过所述温度感应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，提升了功率放大器电路的动态性能调节能力。
[0047]
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。