CN214675078U - 带使能控制的放大器偏置电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带使能控制的放大器偏置电路，包括使能信号输入电路、参考电压输入端、晶体管HBT3、晶体管HBT4、晶体管HBT5、晶体管HBT6，所述使能信号输入电路连接HBT3的基极；参考电压输入端VREF经电阻R5连接至晶体管HBT3的集电极；晶体管HBT3的发射极分别连接晶体管HBT4的集电极、HBT4的基极、晶体管HBT6的基极；晶体管HBT4的发射极分别连接HBT5的集电极和基极；晶体管HBT5的发射极接地；晶体管HBT6的集电极连接参考电压输入端VREF；晶体管HBT6的发射极引出端子用于输出偏置电流以控制放大器的开闭。本实用新型的优点在于：偏置电路带有使能控制功能，可以根据是能控制来对偏执电路的工作进行控制，且偏置电流可以通过参考电压端在很大范围内可以线性调节。
Description
技术领域
本实用新型涉及放大器驱动控制领域，特别涉及一种带使能控制的放大器偏置电路。
背景技术
砷化镓(GaAs)是新一代宽禁带半导体材料，属III-V族化合物半导体，于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。基于GaAs材料发展起来主要有两类晶体管工艺：场效应晶体管(FET)和双极型晶体管(BJT)，前者的主要代表是MESFET和pHEMT，后者的主要代表是HBT。目前主流的GaAs工艺是pHEMT和HBT。
由于GaAs材料特点，通常HBT工艺制作出的只有NPN型的晶体管，而没有PNP型的晶体管。如图1所示，为采用FET晶体管的一种放大器电路，其可以通过fet1晶体管来拉低fet2晶体管的栅压来彻底关闭fet2的电流进入调电状态，若放大器采用的是HBT晶体管，同样采用HBT1晶体管来尝试拉低HBT2的栅压，如图2所示，其由于HBT晶体管是电流控制电流型器件，存在结电压VBE和饱和导通压降VCE|SAT，故图2中的HBT放大器则不能像FET那样通过HBT1拉低HBT2的基极电压来简单地彻底关闭HBT2的电流，而是始终存在一个较大偏置电流，因为HBT2的基极电压不能被拉低到0。因此，基于HBT放大器的偏置电路无法通过简单的拉低栅压来实现控制关断，本申请针对基于HBT工艺的HBT放大器设计一种带使能控制的放大器偏置电路。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带使能控制的放大器偏置电路，该电路主要用于实现HBT放大器的驱动控制。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种带使能控制的放大器偏置电路，包括使能信号输入电路、参考电压输入端、晶体管HBT3、晶体管HBT4、晶体管HBT5、晶体管HBT6，所述使能信号输入电路连接HBT3的基极；参考电压输入端VREF经电阻R5连接至晶体管HBT3的集电极；晶体管HBT3的发射极分别连接晶体管HBT4的集电极、HBT4的基极、晶体管HBT6的基极；晶体管HBT4的发射极分别连接HBT5的集电极和基极；晶体管HBT5的发射极接地；晶体管HBT6的集电极连接参考电压输入端VREF；晶体管HBT6的发射极引出端子用于输出偏置电流以控制放大器的开闭。
所述使能输入电路包括使能输入端EN和反相器，使能信号经过使能输入端EN后送入到反相器，反相器的输出端连接晶体管HBT3的基极。
所述反相器为包括级联的两个反相器。
所述反相器包括晶体管HBT1、HBT2，使能输入端EN经过电阻R1与晶体管HBT1的基极连接；电源VCC分别通过电阻R3连接HBT1的集电极、通过电阻R4连接HBT2的集电极；HBT1的集电极连接HBT2的基极；HBT1的发射极经电阻R2接地；HBT2的发射极接地；HBT2的集电极连接HBT3的基极。
所述晶体管HBT6的基极经电阻C1接地。
通过调节使能输入端EN的高低电平来控制HBT6发射极的偏置电流的输出，以偏置电流来控制放大器的工作与否；在放大器处于工作状态时，通过参考电压输入端VREF的电压来调节放大器的输出偏置电流。
本发明的优点在于：偏置电路带有使能控制功能，可以根据是能控制来对偏执电路的工作进行控制，且偏置电流可以通过参考电压端在很大范围内可以线性调节，可广泛应用于各类手持设备、无线通讯终端、射频收发设备、5G通信基站等场合。具有结构简单、开关速度快、传输延迟小、抗干扰和抗辐照能力强、输出电流在较宽范围内线性连续可调等诸多优点。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为FET晶体管的放电电路通过拉低栅压来关断放大器的原理图；
图2为图中1中晶体管替换成HBT晶体管的放大器及对应电路；
图3为本发明偏置电路原理图；
图4为本发明使能信号EN与电路中各电流之间的示意图；
图5为本发明参考电压与电路中各电流之间的示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
基于GaAs材料发展起来主要有两类晶体管工艺：场效应晶体管(FET)和双极型晶体管(BJT)，前者的主要代表是MESFET和pHEMT，后者的主要代表是HBT，如图1所示，为场效应集体管fet实现的放大器及其偏置控制电路，控制电路仅仅采用一个fet晶体管fet1拉低fet2的基极电压就可以实现关断或启动，而当晶体管不是fet晶体管而是HBT晶体管，也就是双极型晶体管异质结双极型晶体管，如图2所示，将fet晶体管替换为HBT晶体管，这种HBT1作为驱动放大器HBT2的偏置控制电路，但是HBT晶体管是电流控制电流型器件，存在结电压VBE和饱和导通压降VCE|SAT，故而当HBT放大器不能简单地通过图1替换来实现HBT放大器的偏置驱动控制功能。基于此，本申请提供一种可以驱动HBT放大器的偏置驱动电路，用于驱动HBT放大器的工作。具体电路如下：
如图3所示，一种带使能控制的放大器偏置电路，包括使能信号输入电路、参考电压输入端、晶体管HBT3、晶体管HBT4、晶体管HBT5、晶体管HBT6，使能信号输入电路连接HBT3的基极；参考电压输入端VREF经电阻R5连接至晶体管HBT3的集电极；晶体管HBT3的发射极分别连接晶体管HBT4的集电极、HBT4的基极、晶体管HBT6的基极；晶体管HBT4的发射极分别连接HBT5的集电极和基极；晶体管HBT5的发射极接地；晶体管HBT6的集电极连接参考电压输入端VREF；晶体管HBT6的发射极引出端子用于输出偏置电流IBIAS以控制放大器的工作状态。
如图1所示，放大器电路包括一个用于实现放大控制的晶体管，晶体管为晶体管HBT7，图1中右侧为放大器简图，以该图为例描述放大器与偏置电路之间的连接关系。放大器的HBT7发射极接地；集电极通过电感L1连接电源VCC，发射极电流为放大器集电极偏置电流ICC，集电极经电容C3引出输出端子RFOUT，该端子为射频输出端。基极通过C2连接射频输入端子RFIN，基极连接偏置电路的输出端子BIAS，也就是HBT6的发射极。
使能输入电路包括使能输入端EN和反相器，使能信号经过使能输入端EN后送入到反相器，反相器的输出端连接晶体管HBT3的基极。
反相器为包括级联的两个反相器。具体电路包括：反相器包括晶体管HBT1、HBT2，使能输入端EN经过电阻R1与晶体管HBT1的基极连接；电源VCC分别通过电阻R3连接HBT1的集电极、通过电阻R4连接HBT2的集电极；HBT1的集电极连接HBT2的基极；HBT1的发射极经电阻R2接地；HBT2的发射极接地；HBT2的集电极连接HBT3的基极。
反相器选择两个级联的方式一方面可以实现使能信号起到了整形和平衡信号延时的作用，同时还能够通过逻辑电平的反相使得EN为高控制偏置电路工作，EN为低电平电路不工作，从而使得高低逻辑更加符合人们的常规理解，同时二次反相可以实现EN输入的整形使得阈值更加陡峭，如图4所示EN数值跳变更加陡峭，使得驱动使能更加准确。
通过电阻R2将HBT1的发射极接地，形成负反馈，避免输入电流过大对HBT1的影响。晶体管HBT6的基极经电阻C1接地，提供来自放大器泄露的射频信号滤波到地。
通过调节使能输入端EN的高低电平来控制HBT6发射极的偏置电流的输出，以偏置电流来控制放大器的工作与否；在放大器处于工作状态时，通过参考电压输入端VREF的电压来调节放大器的输出偏置电流。
本申请的晶体管HBT均为双极型晶体管异质结双极型晶体管，其具体偏置电路工作原理为:
当EN端输入的电压为低电平时，HBT1截止，HBT2由于VCC经R3为HBT2基极提供偏置电流，HBT2导通工作后拉低HBT3基极电压，使得HBT3截止，则HBT4、HBT5、HBT6截止，HBT6发射极输出电流IBIAS为0，则HBT7截止。当EN输入端电压为高电平，则HBT1导通、HBT2截止，HBT3基极由VCC经R4提供偏置电流而导通。VBE为HBT晶体管的结电压，当VREF电压大于2VBE则，HBT4、HBT5、HBT6均进入工作状态，且输出的电流IBIAS也能够导通HBT7。
本发明基于GaAs HBT工艺实现了一种带使能控制的放大器偏置电路，且偏置电流可以通过参考电压端在很大范围内可以线性调节，可广泛应用于各类手持设备、无线通讯终端、射频收发设备、5G通信基站等场合。具有结构简单、开关速度快、传输延迟小、抗干扰和抗辐照能力强、输出电流在较宽范围内线性连续可调等诸多优点。
基本电路原理如图3，左侧方框部分为本发明，右侧方框部分为放大器简单示意图，它们整体上构成一个偏置电流可调、带使能控制的HBT放大器。VCC为电源输入正端；EN为使能输入端；VREF为参考电压输入端；BIAS为偏置电流输出端，它为放大器的基极提供合适的偏置电流；RFIN为示意放大器的射频输入端；RFOUT为示意放大器的射频输出端。
电阻R1、R2、R3、晶体管HBT1构成一个反相器，发射极电阻R2引入负反馈，可以避免输入电流过大造成HBT1损坏，同时还可以抑制工艺的参数和温度漂移。R4和HBT2又是一级反相器，用于对第一级反相器输出进一步整形，使输入输出电压转移曲线为更陡峭，从而增大输入逻辑电平容限；其输出用于控制HBT3的基极。R5、HBT3、HBT4、HBT5、HBT6、HBT7构成一个比例镜像恒流源，流过HBT4或HBT5的电流为IREF。HBT6发射极输出BIAS给放大器提供基极偏置电流IBIAS。电容C1为泄漏自放大器的射频信号提供交流旁路到地，可以显著改善放大器的线性度，提升OIP3。通过合理选取晶体管HBT4/HBT5和HBT6/HBT7的尺寸比例(尺寸比例一般为晶体管的基区宽度等)，可以调节放大器工作电流ICC与参考电流IREF的比例关系。当这个比例关系固定后，调节VREF就可以线性调节ICC。
当EN为低电平时，HBT3不能导通，镜像恒流源不工作，无偏置电流输出IBIAS＝0，故放大器HBT7也截止；当EN为高电平时，HBT3导通，且VREF>2VBE时镜像恒流源开始正常工作，有偏置电流输出IBIAS>0，放大器HBT7开始正常工作，电流ICC与IREF成正比。
为了验证本申请的电路的等工作原理，通过仿真模拟可以进行验证，如图4，VCC＝VREF＝5V，通过调整晶体管HBT的尺寸使得IREF:ICC＝1:100，设置EN输入逻辑电平阈值约为1.5V，如图4所示，当EN<1.5V时，也就是低电平时，放大器不工作，电流ICC＝IREF＝0；当EN>1.5V时，放大器工作电流ICC＝100*IREF＝45mA。由此可见，本申请的电路可以有效可靠的根据EN来控制电路的工作。
如图5所示，在该例验证中，VCC＝5V，IREF:ICC＝1:100，从0～5V扫描参考电压VREF。由图中可以验证本申请电路工作原理，当EN输入为低电平时，放大器不工作，电流ICC＝IREF＝0；当EN输入为高电平时，放大器工作电流ICC＝100*IREF，且在VREF＞2VBE≈1.6V后随VREF线性增大。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带使能控制的放大器偏置电路，其特征在于：包括使能信号输入电路、参考电压输入端、晶体管HBT3、晶体管HBT4、晶体管HBT5、晶体管HBT6，所述使能信号输入电路连接HBT3的基极；参考电压输入端VREF经电阻R5连接至晶体管HBT3的集电极；晶体管HBT3的发射极分别连接晶体管HBT4的集电极、HBT4的基极、晶体管HBT6的基极；晶体管HBT4的发射极分别连接HBT5的集电极和基极；晶体管HBT5的发射极接地；晶体管HBT6的集电极连接参考电压输入端VREF；晶体管HBT6的发射极引出端子用于输出偏置电流以控制放大器的开闭。
2.如权利要求1所述的一种带使能控制的放大器偏置电路，其特征在于：所述使能信号输入电路包括使能输入端EN和反相器，使能信号经过使能输入端EN后送入到反相器，反相器的输出端连接晶体管HBT3的基极。
3.如权利要求2所述的一种带使能控制的放大器偏置电路，其特征在于：所述反相器为包括级联的两个反相器。
4.如权利要求2或3所述的一种带使能控制的放大器偏置电路，其特征在于：所述反相器包括晶体管HBT1、HBT2，使能输入端EN经过电阻R1与晶体管HBT1的基极连接；电源VCC分别通过电阻R3连接HBT1的集电极、通过电阻R4连接HBT2的集电极；HBT1的集电极连接HBT2的基极；HBT1的发射极经电阻R2接地；HBT2的发射极接地；HBT2的集电极连接HBT3的基极。
5.如权利要求1-3任一所述的一种带使能控制的放大器偏置电路，其特征在于：所述晶体管HBT6的基极经电阻C1接地。
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| CN202121061534.7U CN214675078U (zh) | 2021-05-18 | 2021-05-18 | 带使能控制的放大器偏置电路 |
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| CN114567151A (zh) * | 2022-02-25 | 2022-05-31 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | GaAs工艺驱动电路的改善方法、电路、开关、芯片 |
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| CN114567151B (zh) * | 2022-02-25 | 2023-09-29 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | GaAs工艺驱动电路的改善方法、电路、开关、芯片 |
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