CN111327279A - 一种带温度补偿的堆叠功率放大器 - Google Patents
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Abstract
一种带温度补偿的堆叠功率放大器，使用晶体管堆叠的技术提升功率放大器输出功率，解决SiGe工艺击穿电压低、最大电流密度小的限制，同时加入了温度补偿结构电路，通过调整偏置电路中参考电压的方法调节功率放大器静态偏置电流，有效地实现补偿功率放大器功率增益和输出功率随温度变化的特性，优化了射频功率放大器的热特性，降低性能随温度的退化程度。
Description
技术领域
本发明属于温度补偿电路、射频功率放大器和集成电路领域，尤其涉及一种带温度补偿的堆叠功率放大器。
背景技术
功率放大器是整个收发机中最关键的模块，其性能直接影响通信***的好坏。为了实现高性能的射频功率放大器，国内外常采用III-V族化合物工艺如GaAs或GaN等，使用此类工艺虽然能实现高输出功率但是其价格昂贵、不易集成，阻碍了其广泛应用[1]。SiGeHBT具有渡越时间短、截止频率高、电流增益大、低温特性优良、工艺成本低优点，而且能与硅基工艺兼容。相比之下，本发明采用成本更低、更加适合大规模生产、技术更为成熟的SiGe工艺。
与此同时，SiGe工艺的异质结双极性晶体管（HBT）自身也存在物理缺陷，如低截止电压，一个很好的解决方案是引入堆叠结构[2]，通过将器件串叠连接增大最大电压摆幅，并且此时的最佳负载也相应增大，功放的输出更易于匹配。
为满足功率放大器一定的输出要求，HBT器件需要并联多指结构的器件形成功率单元以获得大功率。此时，晶体管自热效应与热耦合效应共同作用，使得在放大器实际工作时，晶体管温度大幅上升，热效应变得更加明显。因此，提高功率放大器的热稳定性显得尤为重要[3]。为了提高集成度，实现功率模块的小型化，将温度补偿电路与功率放大器在同一单片内实现已经成为一种趋势。
参考文献
[1]池宝勇，余志平，石秉学.射频集成电路分析与设计[M].清华大学出版社.2006。
[2] Jing-Hwa Chen, Sultan R. Helmi, Saeed Mohammadi, “A fully-integrated Ka-band stacked power amplifier in 45nm CMOS SOI technology,” IEEE13th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems(SiRF), Austin, pp. 75 - 77, 21-23 Jan. 2013.
[3] K. Yamauchi, Y. Iyama, M. Yamaguchi, Y. Ikeda, and T. Takagi, “X-bandMMIC power amplifier with an on-chip temperature compensation circuit,” inIEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2001, pp. 1071–1074。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种带温度补偿的堆叠功率放大器，使用晶体管堆叠结构实现高输出功率，减小芯片面积；带温度补偿结构，提高热稳定性；使用SiGe工艺进行设计，适用于较高工作频率，且利于集成。
一种带温度补偿的堆叠功率放大器，电路使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）堆叠结构，由3层HBT的集电极发射极相连堆叠组成，每个HBT均偏置在AB类，供电电压VCC通过串联的电阻分压为每层堆叠的HBT提供合适的静态工作点；同时，每层晶体管基极的直流供电处采用一种带有温度补偿的分压式偏置电路。
本发明对HBT的温度补偿是基于将一个温度补偿结构采用分压的方式分别对每层晶体管进行补偿，该带温度补偿的功放如图2所示，偏置电路中D1，R1，R2，R3，R4构成一个温度补偿模块。利用二极管的阈值电压随温度的升高而减小的原理进行设计。
二极管的电流电压公式为：
其中T和n分别代表温度和晶体管的一个理想因子。是有关温度的一个函数：
由图1中的电路拓扑可以得到
通过以上（1），（2），（3）式，可知输出电压Vg正比于温度T。因此，随着温度的升高，Vg升高。三层晶体管的栅极电压通过Vg分压的方式同时升高，在补偿温度的同时，避免了三层晶体管的基极分压不均而导致的某层晶体管击穿的情况。使功率放大器整体的温度特性得到补偿。
一种带温度补偿的堆叠功率放大器，通过采用堆叠结构，实现了高输出功率的目的；通过加入适用于堆叠结构的温度补偿网络，增加了功率放大器的热稳定性以及可靠性；该功率放大器采用的电路结构简单，有效减小了芯片面积，节约了电路成本。
附图说明
图1是温度补偿电路原理图；
图2是带温度补偿结构的堆叠功率放大器的电路原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明的功率放大器采用堆叠结构，由三层SiGe HBT Q0、Q1、Q2组成，每层HBT都偏置在AB类，VCC负责提供集电极电压，R6、R7分别是基极偏置电阻。偏置电路中D2、R7构成一个温度补偿模块,并通过R2、R3、R4、R5构成了电阻分压网络为各层的基极提供偏压。
上述各电子元器件之间的连接关系为：电感L1的一端接电压VCC，另一端接Q2的集电极，Q2的发射极接Q1的集电极，Q1的发射极接Q0的集电极，Q0发射极接地。隔直电容C1一端接信号输入端，另一端接Q0的基极。二极管D2一端接电压VBB，另一端接电阻R7，电阻R7另一端接地。在二极管D2和电阻R7之间引出一条支路是电阻R2、R3、R4、R5串联，最后电阻R5一端接地。在晶体管Q1的基极端连接电阻R6接入R3和R4之间。在晶体管Q2的基极端连接电阻R7接入R3和R2之间。在扼流电感L1和晶体管Q2之间引出支路，连入隔直电容C2。
Claims (1)
1.一种带温度补偿的堆叠功率放大器，其特征在于：电路使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）堆叠结构，由3层HBT的集电极发射极相连堆叠组成，每个HBT均偏置在AB类，供电电压VCC通过串联的电阻分压为每层堆叠的HBT提供合适的静态工作点；同时，每层晶体管基极的直流供电处采用一种带有温度补偿的分压式偏置电路；
对HBT的温度补偿是基于将一个温度补偿结构采用分压的方式分别对每层晶体管进行补偿，偏置电路中D1，R1，R2，R3，R4构成一个温度补偿模块；利用二极管的阈值电压随温度的升高而减小的原理进行设计；
二极管的电流电压公式为
其中T和n分别代表温度和晶体管的一个理想因子，是有关温度的一个函数：
由图1中的电路拓扑可以得到
通过以上（1），（2），（3）式，可知输出电压Vg正比于温度T；因此，随着温度的升高，Vg升高；三层晶体管的栅极电压通过Vg分压的方式同时升高，在补偿温度的同时，避免了三层晶体管的基极分压不均而导致的某层晶体管击穿的情况；使功率放大器整体的温度特性得到补偿。
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