CN113114121A - 一种用于射频功率放大器的偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射频功率放大器的偏置电路，包括输入及放大模块，用于接收输入的射频信号并对射频信号进行放大后提供给输出端；所述输入及放大模块包括用于进行射频信号放大的射频功率管QRF；第一整流通路模块，用于对中功率时的增益压缩进行补偿，第二整流通路模块，用于对高功率时的增益压缩进行补偿，其中，第一整流通路模块包括晶体管Q3，第二整流通路模块包括且与第一整流通路共用晶体管Q1，稳压及电流调节模块，用于保持晶体管Q1的导通状态，以及调节分配至晶体管Q1和Q3的电流比例；射频扼流模块，用于阻隔射频信号的泄露；温度补偿模块，用于抑制由于温度升高导致的晶体管Q1集电极电流变大。

Description

一种用于射频功率放大器的偏置电路

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，特别涉及一种应用于射频功率放大器、能够改善射频功率放大器增益平坦度、且具有温度补偿功能的偏置电路。

背景技术

射频功率放大器处于发射链路的末级，其作用是将高频已调制的载波信号进行功率放大，并通过天线将信号辐射到空间中进行远距离传播。因此，为保证在一定区域内对方能够准确无误地接收到发送方的信息，就必须对射频功率放大器的输出功率和线性度提出一定的要求，并且信息技术的日益更新，不断促使系统对射频功率放大器的性能要求越来越高。

当前，射频功率放大器的大部分产品都是采用砷化镓(Gallium Arsenide,GaAs)异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor,HBT)制作的。GaAs HBT由于具有高电子迁移率、衬底绝缘性好、线性度好以及功率密度大等优异的射频传输特性，在当下乃至往后一段时间都仍然在射频功率放大器电路中占据主流地位。

但是对于GaAs HBT来说，有一个明显不足：自热效应导致的器件结温升高、发射极电压下降，从而引起骤然的增益塌陷。当器件温度升高时，反向注入电流增加，导致注入效率下降，进而导致电流增益减小，这一现象对于高功率的射频功率放大器来说无非是“致命的”。

另外，由于HBT的发射结对正向电压具有钳制的作用、而对反向电流会产生截断，因此当功率放大器的输入信号幅度超过一定限制时，发射结电压将受到钳制，而基极电流将会出现截断现象。具体表现为正弦电压的正向部分和正弦电流的负向部分出现失真，通过频域维度观察，可以发现管子的电流直流部分增大，而电压的直流部分减小。这样一来将导致原本设定的偏置点出现偏移，造成管子的跨导发生变化，提前发生增益压缩。

现有的有源自适应偏置电路，在维持一定增益平坦度的同时具有一定的温度补偿作用，但存在的问题是温度补偿效果较差，且为了避免高功率时出现增益压缩现象，需要牺牲中功率时的增益平坦度作为代价。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于射频功率放大器的偏置电路，加强有源自适应偏置电路的温度补偿效果，使得电路整体对温度的敏感性不高；同时改进偏置电路对射频功率管增益压缩的补偿性能，优化射频功率管的增益平坦度。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种用于射频功率放大器的偏置电路，包括输入及放大模块、第一整流通路模块、第二整流通路模块、稳压及电流调节模块、射频扼流模块以及温度补偿模块，其中：

输入及放大模块用于接收输入的射频信号并对射频信号进行放大后提供给输出端；所述输入及放大模块包括用于进行射频信号放大的射频功率管QRF；

第一整流通路模块用于对中功率时的增益压缩进行补偿，第二整流通路模块用于对高功率时的增益压缩进行补偿，其中，第一整流通路模块包括晶体管Q3，第二整流通路模块包括且与第一整流通路共用晶体管Q1，晶体管Q1和Q3组成电流镜；

稳压及电流调节模块用于保持晶体管Q1的导通状态，以及调节分配至晶体管Q1和Q3的电流比例；

射频扼流模块用于阻隔射频信号的泄露；

温度补偿模块用于抑制由于温度升高导致的晶体管Q1集电极电流变大，以补偿因温度上升引起的射频功率管QRF电流的增大。

进一步地，所述输入及放大模块包括所述的射频功率管QRF、输入端RFin、两个隔直电容Cblock、射频扼流电感Lchock以及输出端RFout，其中：

所述输入端RFin经一个隔直电容Cblock后连接射频功率管QRF的基极，QRF的发射极接地，集电极通过射频扼流电感Lchock接直流电源Vcc；输出端RFout通过另一个隔直电容Cblock连接在Lchock和QRF的集电极之间。

进一步地，所述第一整流通路模块包括旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、旁路电容C3、电阻R3以及所述的晶体管Q3，其中：

镇流电阻R1和旁路电容C1并联后的上端连接晶体管Q1的发射极，下端连接射频功率管QRF的基极；Q1的集电极接直流电源Vcc，Q1的基极连接Q3的基极；

旁路电容C3和电阻R3并联后的上端连接基准电压Vref，下端连接Q3的集电极；Q3的发射极连接射频扼流模块。

进一步地，所述第二整流通路模块包括电阻R2、电容C2，以及所述的旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1，其中：

电容C2的下极板接地，上极板接电阻R2的一端，R2的另一端连接在Q3的基极和Q1的基极之间。

进一步地，所述稳压及电流调节模块包括晶体管Q4以及限流电阻R4，其中：

Q4的基极连接其集电极，Q4的集电极连接射频扼流模块，Q4的发射极通过射频扼流模块连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。

进一步地，所述温度补偿模块包括晶体管Q2以及所述的晶体管Q1、晶体管Q3和电阻R3，其中：

Q2的发射极接射频扼流模块，Q2的集电极接基准电压Vref，Q2的基极连接Q3的集电极。

进一步地，所述射频扼流模块包括电感L1、电感L2和电感L3，其中：

电感L1接在Q2的发射极和Q1的基极之间；电感L2接在Q3的发射极和Q4的基极之间，电感L3接在Q4的发射极和电阻R4之间。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明提供的电路通过两级放大结构提高温度补偿效果，并且利用两条射频信号整流通路使得从低功率到高功率具有良好的增益平坦度；该电路可以在高功率时对射频功率放大器的偏置点进行纠正，使其保持一定的增益平坦度；而且在温度变化时，对射频功率放大器进行温度补偿，使其在一定温度变化范围内保持同样的性能。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为本发明一个实施例的电路原理图示意图；

图3为本发明一个实施例中温度补偿效果示意图；

图4为本发明一个实施例中两条整流通路进行增益压缩补偿的效果示意图。

具体实施方式

参见图1至图3，本发明提供了一种用于射频功率放大器的偏置电路，包括输入及放大模块1、第一整流通路模块5、第二整流通路模块2、稳压及电流调节模块3、射频扼流模块4以及温度补偿模块6，其中：

输入及放大模块1用于接收输入的射频信号并对射频信号进行放大后提供给输出端；所述输入及放大模块包括用于进行射频信号放大的射频功率管QRF；参见图1，输入及放大模块还包括输入端RFin、两个隔直电容Cblock、射频扼流电感Lchock以及输出端RFout，其中：所述输入端RFin经一个隔直电容Cblock后连接射频功率管QRF的基极，QRF的发射极接地，集电极通过射频扼流电感Lchock接直流电源Vcc；输出端RFout通过另一个隔直电容Cblock连接在Lchock和QRF的集电极之间。

第一整流通路模块5用于对中功率时的增益压缩进行补偿，第一整流通路模块包括晶体管Q3，以及旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、旁路电容C3、电阻R3；其中：镇流电阻R1和旁路电容C1并联后的上端连接晶体管Q1的发射极，下端连接射频功率管QRF的基极；Q1的集电极接直流电源Vcc，Q1的基极连接Q3的基极；旁路电容C3和电阻R3并联后的上端连接基准电压Vref，下端连接Q3的集电极；Q3的发射极连接射频扼流模块。

第二整流通路模块2用于对高功率时的增益压缩进行补偿，其中，第二整流通路模块包括且与第一整流通路共用晶体管Q1，晶体管Q1和Q3组成电流镜；第二整流通路模块还包括电阻R2、电容C2以及所述的旁路电容C1、镇流电阻R1；电容C2的下极板接地，上极板接电阻R2的一端，R2的另一端连接在Q3的基极和Q1的基极之间。

稳压及电流调节模块3用于保持晶体管Q1的导通状态，以及调节分配至晶体管Q1和Q3的电流比例；所述稳压及电流调节模块包括晶体管Q4以及限流电阻R4，其中：Q4的基极连接其集电极，Q4的集电极连接射频扼流模块，Q4的发射极通过射频扼流模块连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。

射频扼流模块4用于阻隔射频信号的泄露；射频扼流模块包括电感L1、电感L2和电感L3，其中：电感L1接在Q2的发射极和Q1的基极之间；电感L2接在Q3的发射极和Q4的基极之间，电感L3接在Q4的发射极和电阻R4之间。

温度补偿模块6用于抑制由于温度升高导致的晶体管Q1集电极电流变大，以补偿因温度上升引起的射频功率管QRF电流的增大；温度补偿模块包括晶体管Q2以及所述的晶体管Q1、晶体管Q3和电阻R3，其中：Q2的发射极接射频扼流模块，Q2的集电极接基准电压Vref，Q2的基极连接Q3的集电极。

基于上述技术方案，本发明的一个实施例所提供的电路结构如图2所示，结合该实施例的电路图对本发明进行进一步说明。

在该实施例中，QRF为射频功率管，用来将输入的射频信号进行放大；晶体管Q1和Q3组成电流镜，用来给射频功率管QRF提供基极的直流偏置；晶体管Q2提供负反馈通路，并具有放大作用；晶体管Q4为二极管接法，用来保持晶体管Q1的导通状态；Lchock为射频扼流电感,用来阻隔射频信号泄露到直流电源Vcc；Cblock为隔直电容，用来耦合输入射频信号到射频功率管QRF以及耦合输出射频信号到负载，避免放大器直流偏置点受到影响；电阻R1为镇流电阻，一方面可以改变射频功率管QRF的基极偏置电流，另一方面用于保证功率管QRF的热稳定性以及线性化，防止电流增益崩塌；电阻R3为负反馈电阻，将所在通路变化的电流转变成变化的电压；电阻R4为限流电阻，可以调节晶体管Q1和Q3两条支路的电流比例；旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、晶体管Q3、旁路电容C3、电阻R3组成第一条整流通路；旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、电阻R2、电容C2组成第二条整流通路；电感L1、电感L2、电感L3用于阻隔射频信号的泄露。

本发明的温度补偿模块主要由晶体管Q3、电阻R3、晶体管Q2、晶体管Q1组成的，其补偿原理是：当芯片温度升高时，流经晶体管Q3集电极的电流会增大，电阻R3两端的电势差也会因此变大，则晶体管Q2基极的偏压会因此降低，以此来抑制由于温度升高导致的Q2集电极电流变大，进而抑制由于温度升高导致的Q1集电极电流变大，最终补偿了温度上升引起的射频功率管QRF电流的增大。

本发明的偏置电路提供给射频功率管QRF的静态偏置电流由电阻R1、R3和R4，以及晶体管Q1、Q2、Q3和Q4所决定。温度补偿模块使得该有源偏置网络具有了负反馈功能，抑制了器件较差的温度特性。当射频功率管QRF基极加输入信号时，一部分射频信号将通过第一整流通路模块和第二整流通路模块使得功率放大器的增益压缩得到补偿，进而达到优化其增益平坦度的目的。

应用例：

在本发明的一个应用例中，各个元器件选取参数如下：

晶体管Q1面积120平方微米，晶体管Q2面积120平方微米，晶体管Q3面积6平方微米，晶体管Q4面积10平方微米，电阻R1阻值为40欧姆，电阻R2阻值为80欧姆，电阻R3阻值为5000欧姆，电阻R4阻值为20欧姆，电容C1容值为5皮法，电容C2容值为2皮法，电容C3容值为10皮法，电感L1、L2、L3感值大于0.5纳亨，相关效果图如图2和图3所示。

晶体管Q1和晶体管Q2构成了两级放大结构，只要温度发生波动，电阻R3两端的电势差发生变化，即晶体管Q2的基极电位发生小范围的波动，经过两级放大之后，便会加强温度补偿效果，使得整体电路的温度敏感性降低。温度补偿效果如图2所示。

另外，本发明使得传统自适应偏置网络的改善增益压缩性能得到了进一步提高，原理为：如前所述，本发明引入了两条射频信号整流通路，分别为旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、晶体管Q3、旁路电容C3、电阻R3组成的第一条整流通路；以及旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、电阻R2、电容C2组成的第二条整流通路。由于晶体管QRF的发射结和晶体管Q1的发射结以及晶体管Q3的发射结都具有相同的器件特性，在第一条整流通路中，管子Q3对中功率增益压缩的补偿有明显作用；而在第二条整流通路中，管子Q1对高功率增益压缩的补偿有明显作用，但是对中功率增益压缩的补偿相对较弱。因此本发明将两条整流通路进行结合，可以做到从低功率到高功率良好的增益平坦度，效果如图3所示。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，包括输入及放大模块、第一整流通路模块、第二整流通路模块、稳压及电流调节模块、射频扼流模块以及温度补偿模块，其中：

输入及放大模块用于接收输入的射频信号并对射频信号进行放大后提供给输出端；所述输入及放大模块包括用于进行射频信号放大的射频功率管QRF；

第一整流通路模块用于对中功率时的增益压缩进行补偿，第二整流通路模块2用于对高功率时的增益压缩进行补偿，其中，第一整流通路模块包括晶体管Q3，第二整流通路模块包括且与第一整流通路共用晶体管Q1，晶体管Q1和Q3组成电流镜；

稳压及电流调节模块，用于保持晶体管Q1的导通状态，以及调节分配至晶体管Q1和Q3的电流比例；

射频扼流模块，用于阻隔射频信号的泄露；

温度补偿模块，用于抑制由于温度升高导致的晶体管Q1集电极电流变大，以补偿因温度上升引起的射频功率管QRF电流的增大。

2.根据权利要求1所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述输入及放大模块包括所述的射频功率管QRF、输入端RFin、两个隔直电容Cblock、射频扼流电感Lchock以及输出端RFout，其中：

所述输入端RFin经一个隔直电容Cblock后连接射频功率管QRF的基极，QRF的发射极接地，集电极通过射频扼流电感Lchock接直流电源Vcc；输出端RFout通过另一个隔直电容Cblock连接在Lchock和QRF的集电极之间。

3.根据权利要求2所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述第一整流通路模块包括旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1、旁路电容C3、电阻R3以及所述的晶体管Q3，其中：

镇流电阻R1和旁路电容C1并联后的上端连接晶体管Q1的发射极，下端连接射频功率管QRF的基极；Q1的集电极接直流电源Vcc，Q1的基极连接Q3的基极；

旁路电容C3和电阻R3并联后的上端连接基准电压Vref，下端连接Q3的集电极；Q3的发射极连接射频扼流模块。

4.根据权利要求3所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述第二整流通路模块包括电阻R2、电容C2，以及所述的旁路电容C1、镇流电阻R1、晶体管Q1，其中：

电容C2的下极板接地，上极板接电阻R2的一端，R2的另一端连接在Q3的基极和Q1的基极之间。

5.根据权利要求4所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述稳压及电流调节模块包括晶体管Q4以及限流电阻R4，其中：

Q4的基极连接其集电极，Q4的集电极连接射频扼流模块，Q4的发射极通过射频扼流模块连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述温度补偿模块包括晶体管Q2以及所述的晶体管Q1、晶体管Q3和电阻R3，其中：

Q2的发射极接射频扼流模块，Q2的集电极接基准电压Vref，Q2的基极连接Q3的集电极。

7.根据权利要求6所述的用于射频功率放大器的偏置电路，其特征在于，所述射频扼流模块包括电感L1、电感L2和电感L3，其中：

电感L1接在Q2的发射极和Q1的基极之间；电感L2接在Q3的发射极和Q4的基极之间，电感L3接在Q4的发射极和电阻R4之间。

8.一种射频功率放大器，其特征在于，该射频功率放大器采用根据权利要求1至7中任一权利要求所述的偏置电路。

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