CN220139527U - 一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块，涉及射频放大器技术领域，其中有源偏置电路包括第一晶体管、第一调节单元和第二调节单元；第一晶体管的漏极连接供电电源，第一晶体管的源极连接第一调节单元的第一端；第一调节单元的第二端分别与第一晶体管的栅极和第二调节单元的第一端连接，第二调节单元的第二端接地，第一调节单元和第二调节单元之间的连接点作为有源偏置电路的电压输出端；第一调节单元和第二调节单元至少用于提供基本分压，第一晶体管工作于恒流区；本实用新型提供了一种以少量的元器件构建的偏置电路，可使得放大器芯片在应用过程中在一定范围内改善因工艺偏差、温度变化及外部电源电压波动而产生的性能恶化。

Description

一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块

技术领域

本实用新型涉及射频放大器技术领域，具体而言，涉及一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块。

背景技术

目前采用GaAs工艺实现的放大器电路普遍采用传统的电阻分压偏置或源级电阻自偏置方案，而在应用过程中，放大器晶体管的电气性能可能会随着工艺偏差、温度变化、外部电源波动而产生较大变化；若采用传统的偏置方案，无法有效改善晶体管随温度变化、外部电源电压波动而产生的性能变化，从而导致芯片存在良率不高、稳定性风险较大等不良问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种有源偏置电路及芯片，能够以少量的元器件构建的偏置电路，可使得放大器芯片在应用过程中一定范围内改善因外部电源波动导致的性能变化，还能改善因工艺偏差、温度变化而产生的性能恶化。

本实用新型提供一种技术方案：

一方面，本实用新型提供一种有源偏置电路，包括第一晶体管、第一调节单元和第二调节单元；

所述第一晶体管的漏极连接供电电源，所述第一晶体管的源极连接所述第一调节单元的第一端；所述第一调节单元的第二端分别与所述第一晶体管的栅极和所述第二调节单元的第一端连接，所述第二调节单元的第二端接地，所述第一调节单元和所述第二调节单元之间的连接点作为所述有源偏置电路的电压输出端；

其中，所述第一调节单元和所述第二调节单元至少用于提供分压，所述第一晶体管工作于恒流区。

优选地，所述第一晶体管为耗尽型晶体管。

优选地，所述有源偏置电路还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一晶体管的漏极连接，所述第一电阻的第二端连接供电电源。

优选地，所述第一调节单元还用于调节所述电压输出端的电压随温度变化的斜率系数，所述第一调节单元包括第二晶体管与第二电阻；

所述第二晶体管的漏极分别与所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的栅极连接；所述第二晶体管的源极与所述第二电阻的第一端连接；所述第二电阻的第二端为所述第一调节单元的第二端。

优选地，所述第二晶体管为增强型晶体管。

优选地，所述第二调节单元还用于调节所述电压输出端的电压跟随工艺偏差而变化，所述第二调节单元包括第三晶体管和第三电阻；

其中，所述第三晶体管的漏极分别与所述第一调节单元的第二端、所述第三晶体管的栅极连接；所述第三晶体管的源极通过所述第三电阻接地。

优选地，所述第三晶体管为增强型晶体管。

第二方面，本实用新型实施例提供一种放大器，所述放大器包括放大晶体管以及如上述第一方面任一项所述的有源偏置电路。

优选地，所述放大晶体管与所述有源偏置电路中第三晶体管采用同种工艺制备。

第三方面，本实用新型实施例一种射频前端模块，所述射频前端模块包括如上述第二方面任一项所述的放大器。

本实用新型提供的一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块的有益效果是：

本实用新型实施例中提供一种有源偏置电路，包括第一晶体管、第一调节单元和第二调节单元；其中，第一晶体管的漏极连接供电电源，第一晶体管的源极连接第一调节单元的第一端；第一调节单元的第二端分别与第一晶体管的栅极和第二调节单元的第一端连接，第二调节单元的第二端接地，第一调节单元和第二调节单元之间的连接点作为有源偏置电路的电压输出端；第一调节单元和第二调节单元至少用于提供基本分压，第一晶体管工作于恒流区，可通过少量的晶体管和电阻等元器件构建偏置电路，在优化外部电源波动带来的放大器芯片性能恶化的情况下，进一步优化在应用过程中因工艺偏差、温度变化而产生的性能恶化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种有源偏置电路的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例中第一调节单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中第二调节单元的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中提供的一种有源偏置电路的结构示意图之二。

图标：100-有源偏置电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

现有技术中，采用GaAs工艺实现的放大器电路普遍采用传统的电阻分压偏置或源级电阻自偏置方案，在应用过程中放大器晶体管的电气性能可能会随着工艺偏差、温度变化、外部电源波动而产生较大变化；但是，传统的电阻分压偏置或源极电阻自偏置方案，无法在保证了工艺偏差，温度变化后，还可以调整外部电源波动从而带来的变化，在本申请实施例中，提供了一种有源偏置电路及芯片的方案，可以在一定范围内改善放大器因工艺偏差、温度变化、外部电源电压波动而产生的性能恶化。

而现有技术中，通常会通过大电阻为放大器管芯提供偏置电流，并通过优化电阻等元器件改善一定范围中因为工艺偏差，温度变化而产生的性能恶化，在此基础上，并不能改善由于外部电源电压波动而产生的性能恶化。

在此基础上，本申请实施例提供一种以少量的元器件构建的有源偏置电路、放大器及射频前端模块，可使得放大器在应用过程中于一定范围内改善因外部电源波动导致的性能变化，并在此基础上改善因工艺偏差和/或温度变化而产生的性能恶化。

实施例

请参阅图1，第一方面，本实用新型提供一种有源偏置电路100，包括第一晶体管Q1、第一调节单元和第二调节单元；

第一晶体管Q1的漏极连接供电电源，第一晶体管Q1的源极连接第一调节单元的第一端；第一调节单元的第二端分别与第一晶体管Q1的栅极和第二调节单元的第一端连接，第二调节单元的第二端接地，第一调节单元和第二调节单元之间的连接点作为有源偏置电路100的电压输出端；

其中，第一调节单元和第二调节单元至少用于提供基本分压，第一晶体管Q1工作于恒流区。

本实用新型提供的一种有源偏置电路100中，该有源偏置电路100能通过第一调节单元、第二调节单元的调节至少实现在电压波动的情况下，能提供稳定的偏压电流给所连接的负载，除此以外，还可在工艺偏差，温度变化的情况下，能提供稳定的偏压电流给所连接的负载。

在一种可实现的实施例中，第一晶体管Q1为耗尽型晶体管，即D-MOSFET晶体管。

由于，第一晶体管Q1为LDF晶体管，其沟道电阻很大，且该沟道电阻的大小由图1所示中A电位点与B电位点的电压差决定，由于第一晶体管Q1工作于恒流区，在供电电压VDD波动时，第一晶体管Q1的漏极与源极间的电压VDS变化跟随供电电压VDD波动，即可通过调节该第一晶体管Q1的沟道电阻，实现在供电电压VDD波动时该有源偏置电路100能提供稳定的偏压电流给所连接的负载。

参阅图1，本实用新型实施例中有源偏置电路100还包括第一电阻R1，其中，第一电阻R1的第一端与第一晶体管Q1的漏极连接，第一电阻R1的第二端连接供电电源。

在一种可实现的实施例中，第一电阻R1的第一端与第一晶体管Q1的漏极连接，第二端与供电电源连接，由于第一晶体管Q1工作于恒流区，流经第一电阻R1的电流亦不变，对于第一电阻R1而言，只是在有源偏置电路100中参与分压，且对于第一电阻R1而言，其分压电位不会随着供电电压VDD波动，其主要用于增强供电电源引入的杂波隔离能力，对于第一电阻R1的阻值通常选用百欧姆量级。

参阅图1，第一调节单元除了为在电压波动的情况下，用于提供基本分压；还可用于调节电压输出端的电压随温度变化的斜率系数，其中，第一调节单元包括第二晶体管Q2与第二电阻R2；其中，第二晶体管Q2的漏极分别与第一晶体管Q1的源极、第二晶体管Q2的栅极连接；第二晶体管Q2的源极与第二电阻R2的第一端连接；第二电阻R2的第二端为第一调节单元的第二端。

进一步地，在电压波动的情况下，由于第一晶体管Q1为LDF晶体管，其沟道电阻很大，该沟道电阻的大小由图1所示中A电位点与B电位点的电压差决定，第二晶体管Q2与第二电阻R2可调节第一晶体管Q1的开启程度，即调节第一晶体管Q1的沟道电阻，从而使得该有源偏置电路100能通过第一调节单元的调节实现在电压波动的情况下，能提供稳定的偏压电流给所连接的负载。

在此基础上，综上所述，由于第二晶体管Q2与第二电阻R2的等效电阻越大，则第一晶体管Q1的沟道电阻越大，则通过第一晶体管Q1的漏源电流越小，那么在电压恒定的条件下，可通过调节第二晶体管Q2的等效电阻与第二电阻R2的阻值之间的配比，在提供稳定的偏压电流的基础上，调节电压输出端的电压随温度变化的斜率系数。

在一种可实现的实施例中，第二晶体管Q2为增强型晶体管，即E-MOSFET晶体管；

参阅图2，第二晶体管Q2的连接方式为漏栅短接，其为二极管接法，在此连接方式下，经过第二晶体管Q2的电流和电压具有一一对应关系，进而其等效的阻值也具备一一对应关系，其第二晶体管Q2的漏源电流i和漏源电压VDS之间的关系：经过晶体管管芯的漏源电流i＝Is(e^(-VDS/VT)-1),VDS＝VTlog(i/Is+1)；其中，Is、UT分别为反向饱和电流、热力学温度T的温度电压当量，其属于材料特性常数。在晶体管管芯的漏源电流i恒定的条件下，可通过此漏栅短接的方式，调节电压输出端的电压随温度变化的斜率系数。

参阅图3，该第二调节单元还用于调节电压输出端的电压跟随工艺偏差而变化，第二调节单元包括第三晶体管Q3和第三电阻R3；

其中，第三晶体管Q3的漏极分别与第一调节单元的第二端、第三晶体管Q3的栅极连接；第三晶体管Q3的源极通过第三电阻R3接地。

参阅图1，第三电阻R3有助于调节有源偏置电路100中偏置耗散的电流，当第三电阻R3增大，由于第一调节单元和第二调节单元用于提供基本分压，在维持B点同等电位情况，那么对应的B点到供电电源VDD端的等效直流电阻也应增大，故而供电电源VDD往偏置电路看进去的等效直流阻抗亦大大提升，进而可以减小偏置耗散的电流。

在一种可实现的实施例中，第三晶体管Q3为增强型晶体管。

参阅图3，在一种可实现的实施例中，第三晶体管Q3采用增强型晶体管，当与之连接的放大器晶体管同为增强型晶体管时，该第三晶体管Q3的栅极与放大管的栅极相连，那么对于第三晶体管Q3可与放大器随工艺波动现象一致，具有工艺波动跟踪的作用，那么在电压稳定的条件下，可通过调节第二调节单元，即第三晶体管Q3和第三电阻R3间的阻值配比，实现第三晶体管Q3与放大器之间的工艺波动跟踪特性。

进一步地，由于第三晶体管Q3的连接方式为漏栅短接，其为二极管接法，在此连接方式下，经过第三晶体管Q3的电流和电压具有一一对应关系，进而其等效的阻值也具备一一对应关系，因此，可采用图2中的第一调节单元进一步改善因第三晶体管Q3导致的放大晶体管在温度变化时的性能变化。

接下来，将进一步描述本实用新型实施例所提供的一种有源偏置电路的工作原理，参阅图1，在本实用新型提供的有源偏置电路100中供电电压VDD满足：VDD＝i*(R1+2+3)+GS_Q1+GS_Q2+GS_Q3

其中，由于第二晶体管Q2、第三晶体管Q3的漏栅短接，根据上述二极管接法中晶体管的漏源电流i和漏源电压VDS之间的关系可知：

VDD＝i*(1+R2+R3)+VT_Q2(₁/_Q2+1)+T_Q3log(i₃/_Q3+1)

+DS_Q1

其中，对于第一晶体管Q1而言，其栅源电压VGS_Q1满足； 而当第一晶体管Q1工作在恒流区，即满足： 其中，I_DOQ1为当VGS_Q1＝2VGS_Q1(h)的第一晶体管Q1的漏源电流i₁值；根据此公式，可以确定第一晶体管Q1中漏源电流i₁只有唯一解，即固定不变。

当供电电源VDD波动时，第一晶体管Q1工作在恒流区，第一晶体管Q1中漏源电流i₁不会变，则只有让VDS_Q1即第一晶体管Q1的漏源电压，跟着供电电源VDD变化，那么供电电源VDD的变化量全部转移到第一晶体管Q1的漏源电压VDS_Q1之间，因此在供电电源VDD波动时只需要让第一晶体管Q1工作在恒流区，即可满足在供电电源VDD波动时，使得有源偏置电路100于一定范围内改善因外部电源波动而导致的性能变化，在本实用新型实施例中，可通过第一晶体管Q1大大减弱了电源波动对偏置电流的影响。

而在此基础上，为维持第一晶体管Q1的状态不变，即使第一晶体管Q1漏源电阻保持不变，即第一调节单元中第二晶体管Q2的等效电阻与第二电阻R2的阻值之和保持不变，进而可以通过调节第二晶体管Q2的等效电阻与第二电阻R2的阻值的配比，可调节B点电压VB随温度变化的斜率系数。

对于第一晶体管Q1、第一调节单元中第二晶体管Q2、第二调节单元中第三晶体管Q3分别采用耗尽型晶体管与增强型晶体管，使得本实用新型实施例提供的一种有源偏置电路100可适用于同时存在耗尽型晶体管与增强型晶体管的工艺中，即可适用与ED工艺中。

本实用新型实施例中提供一种有源偏置电路100，包括第一晶体管Q1、第一调节单元和第二调节单元；其中，第一晶体管Q1的漏极连接供电电源，第一晶体管Q1的源极连接第一调节单元的第一端；第一调节单元的第二端分别与第一晶体管Q1的栅极和第二调节单元的第一端连接，第二调节单元的第二端接地，第一调节单元和第二调节单元之间的连接点作为有源偏置电路100的电压输出端；第一调节单元和第二调节单元至少用于提供基本分压，第一晶体管Q1工作于恒流区，可通过少量的晶体管和电阻等元器件构建偏置电路，在优化外部电源波动带来的放大器芯片性能恶化的情况下，进一步优化在应用过程中因工艺偏差、温度变化而产生的性能恶化。

第二方面，本实用新型实施例提供一种放大器，该放大器包括放大晶体管以及如上述第一方面任一项所述的有源偏置电路。

其中，放大晶体管与有源偏置电路中第三晶体管采用同种工艺制备。

在一种可实现的实施例中，第三晶体管Q3的栅极与放大器晶体管的栅极连接，且该第三晶体管Q3与放大器晶体管为同种工艺，那么第三晶体管Q3与放大器晶体管随工艺波动现象一致，进而在有源偏置电路100的输出电流恒定的情况下，对于B点电压VB，只要保持有源偏置电路100中第二调节单元上第三晶体管Q3与第三电阻R3的等效电阻不变，则B点电压VB不变，在此基础上，可通过调节第三晶体管Q3与第三电阻R3的电阻配比，提高第三晶体管Q3与放大器晶体管之间的工艺波动跟踪特性。

本实用新型实施例中提供的一种放大器，包含上述第一方面中提供的有源偏置电路的全部技术特征及技术效果。

第三方面，本实用新型实施例提供一种射频前端模块，所述射频前端模块包括如上述第二方面任一项所述的放大器。

本实用新型实施例中提供的一种射频前端模块，包含上述第二方面中提供的放大器的全部技术特征及技术效果。

综上，如图4所示，本实用新型实施例提供的一种有源偏置电路、放大器及射频前端模块中：

在外部电源供电恒定的条件下，该有源偏置电路100的电压输出端连接与第三晶体管Q3同等工艺的放大器晶体时，当由于晶体管在工艺、温度波动时将引起Vth等参数的变化时，例如，使得晶体管Vth减小，则所有晶体管的电流瞬态都有变大趋势，即流过第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3的静态电流增加，进而使得图1示中的B点电位下降，同时由于又降低了因阈值电压Vth减小而抬升的放大器晶体管的静态电流，从而可维持有源偏置电路的电压输出端的平衡状态，保证了其有源偏置电路的电压输出端的静态电流不会由于阈值电压Vth变化而受到较大的影响。

当在外部电源供电波动的条件下，为维持有源偏置电路的电压输出端的平衡状态，即B点电压稳定不变，则第二调节单元的电流不改变的情况下，外部电源供电波动的电压只能添加到第一晶体管Q1的漏源之间，即为维持有源偏置电路的电压输出端的平衡状态下，让第一晶体管Q1工作在恒流区即可。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有源偏置电路，其特征在于，包括第一晶体管、第一调节单元和第二调节单元；

所述第一晶体管的漏极连接供电电源，所述第一晶体管的源极连接所述第一调节单元的第一端；所述第一调节单元的第二端分别与所述第一晶体管的栅极和所述第二调节单元的第一端连接，所述第二调节单元的第二端接地，所述第一调节单元和所述第二调节单元之间的连接点作为所述有源偏置电路的电压输出端；

其中，所述第一调节单元和所述第二调节单元至少用于提供分压，所述第一晶体管工作于恒流区。

2.根据权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于，所述第一晶体管为耗尽型晶体管。

3.根据权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于，所述有源偏置电路还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一晶体管的漏极连接，所述第一电阻的第二端连接供电电源。

4.根据权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于，所述第一调节单元还用于调节所述电压输出端的电压随温度变化的斜率系数，所述第一调节单元包括第二晶体管与第二电阻；

所述第二晶体管的漏极分别与所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的栅极连接；所述第二晶体管的源极与所述第二电阻的第一端连接；所述第二电阻的第二端为所述第一调节单元的第二端。

5.根据权利要求4所述的有源偏置电路，其特征在于，所述第二晶体管为增强型晶体管。

6.根据权利要求1所述的有源偏置电路，其特征在于，所述第二调节单元还用于调节所述电压输出端的电压跟随工艺偏差而变化，所述第二调节单元包括第三晶体管和第三电阻；

其中，所述第三晶体管的漏极分别与所述第一调节单元的第二端、所述第三晶体管的栅极连接；所述第三晶体管的源极通过所述第三电阻接地。

7.根据权利要求6所述的有源偏置电路，其特征在于，所述第三晶体管为增强型晶体管。

8.一种放大器，其特征在于，所述放大器包括放大晶体管以及如权利要求1至7任一项所述的有源偏置电路。

9.根据权利要求8所述的放大器，其特征在于，所述放大晶体管与所述有源偏置电路中第三晶体管采用同种工艺制备。

10.一种射频前端模块，其特征在于，所述射频前端模块包括如权利要求8至9任一项所述的放大器。