放大器的溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)探析
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【摘要】功率放大器的靜態(tài)電流隨溫度的變化而變化，這對(duì)功率放大器的性能有很大影響。針對(duì)這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)功率放大器的實(shí)際測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，在偏置電路中增加了溫度補(bǔ)償電路，對(duì)電路中各電阻的取值進(jìn)行了分析。測(cè)試表明，加入溫度補(bǔ)償電路后，在-40℃～75℃功率放大器的靜態(tài)電流基本恒定，飽和輸出功率的一致性有所提高，功率芯片損壞的幾率大大減小，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】功率放大器；偏置電路；靜態(tài)電流；溫度補(bǔ)償
隨著我國(guó)對(duì)北斗衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步投入和推廣，北斗用戶機(jī)作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分引起了廣泛關(guān)注[1]。功率放大器是北斗用戶機(jī)中必不可少的一部分，其性能的好壞直接影響到北斗用戶機(jī)的性能，因此其電路結(jié)構(gòu)和芯片的選型非常重要。LDMOS功放管具有增益大、輸出功率高、線性度良好、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此成為功率放大器設(shè)計(jì)的首選器件。然而LDMOS的靜態(tài)電流會(huì)隨著溫度變化而變化，這對(duì)功率放大器的增益、飽和輸出功率等參數(shù)都有很大影響，在高溫環(huán)境下，這些參數(shù)的變化甚至?xí)?dǎo)致功率放大芯片損壞，因此設(shè)計(jì)一種針對(duì)LDMOS的溫度補(bǔ)償電路對(duì)功率放大器的性能至關(guān)重要。
1功率放大器設(shè)計(jì)
在北斗用戶機(jī)的功率放大器的應(yīng)用中，功率放大芯片的選取非常重要，除了要求功放芯片在北斗頻率上能夠達(dá)到要求的功率外，還有考慮最大容許工作電流、最大耗散功率、芯片的結(jié)溫度等因素[3]，并且要留有足夠的余量。本設(shè)計(jì)在北斗頻率上要求最大輸出功率在10W以上，工作溫度大于75℃，經(jīng)過(guò)比較，最終選取HMC308和HMC454為驅(qū)動(dòng)芯片，以英飛凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作為功率放大芯片設(shè)計(jì)一款北斗用戶機(jī)功率放大器。合適的靜態(tài)工作點(diǎn)不僅能保證芯片的正常工作，還會(huì)影響功率放大器的最佳匹配負(fù)載、效率等參數(shù)[3]，因此選擇正確的靜態(tài)工作點(diǎn)是設(shè)計(jì)電路的第一步。由datasheet可知，PTFA220121M的偏置電路中柵極電壓為2.5V左右，漏極經(jīng)過(guò)一個(gè)四分之一波長(zhǎng)線接+28V，常溫下功率放大器工作的靜態(tài)電流為150mA。為了向負(fù)載傳輸最大功率，需要在電路中加入匹配網(wǎng)絡(luò)，使得負(fù)載阻抗等于信號(hào)源阻抗的共軛，此外，匹配網(wǎng)絡(luò)還決定著放大器的駐波比、功率增益、1dB壓縮點(diǎn)等指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。在PTFA220121Mdatasheet中讀取出在1616MHz處的輸入輸出阻抗，利用ADS軟件對(duì)芯片做輸入輸出匹配電路，使得功率放大器的功放管工作在趨近飽和區(qū)[4]。由于在北斗頻點(diǎn)上采用微帶線做匹配電路，電路的面積會(huì)非常大，所以電路的匹配采用集總器件做匹配電路.對(duì)電路PCB進(jìn)行加工并測(cè)試得到其小信號(hào)增益為42dB左右，飽和輸出功率在10W以上。在高低溫箱內(nèi)放置兩個(gè)功率放大器，以20℃為步進(jìn)，測(cè)試每個(gè)功率放大器在-45℃～75℃時(shí)的特性，使功率放大器在每個(gè)溫度下保持30分鐘后，測(cè)得兩個(gè)功率放大器PTFA220121M的靜態(tài)電流分別為I1、I2，飽和輸出功率分別為P1、P2，畫出四個(gè)參數(shù)隨溫度變化的曲線，如圖1所示。分析數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，功率放大器的靜態(tài)電流增加了50mA，即功率放大器在-40℃～75℃內(nèi)的工作點(diǎn)具有正溫度系數(shù)，得出溫度對(duì)功率放大器的飽和輸出功率一致性有很大影響。在測(cè)試過(guò)程中，在沒有加激勵(lì)的情況下，當(dāng)溫度升高到75℃時(shí)，功率放大器加電瞬間芯片損壞。功放芯片的結(jié)溫度和工作環(huán)境溫度及芯片本身的功耗有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，芯片的靜態(tài)電流增加，使得芯片的功耗增加，這兩個(gè)因素同時(shí)增大使得芯片的結(jié)溫度超過(guò)其能承受的最大溫度，故而損壞，而北斗用戶機(jī)實(shí)際的工作溫度要求能承受75℃，所以要降低芯片在高溫下的靜態(tài)電流來(lái)保護(hù)芯片。為了保證功率放大器各性能的穩(wěn)定，在功放芯片的偏置電路中加上溫度補(bǔ)償電路，使柵極電壓隨溫度的升高而降低[5]，保證芯片的靜態(tài)電流在各個(gè)溫度下的恒定，從而提高功率放大器性能的一致性。
2溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
功率放大芯片在工作點(diǎn)附近通常具有正的溫度特性，即在一定的柵壓下，當(dāng)工作溫度升高時(shí)其靜態(tài)電流升高，當(dāng)工作溫度降低時(shí)靜態(tài)電流降低[6]。由圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，工作溫度的升高使得最大輸出功率的波動(dòng)很大，本設(shè)計(jì)通過(guò)在偏置電路加一個(gè)電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償[7]。溫度補(bǔ)償電路采用了溫度傳感器LMT84，封裝大小為2.4mm*2.2mm，其輸出電壓隨著溫度的升高而降低。將LMT84的輸出端與PTFA220121M的柵極經(jīng)過(guò)電阻相連，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分配電阻值，使得溫度升高時(shí)柵極電壓下降，計(jì)算得到靜態(tài)電流下降的幅度正好抵消靜態(tài)電流增加的幅度，從而保證芯片的靜態(tài)電流不隨溫度變化。對(duì)兩個(gè)功率放大器做如下處理：在PTFA220121M柵極和地之間接上屏蔽電纜，在非接地電纜的另一端接電位器。將它們放入高低溫箱內(nèi)，溫度設(shè)定為-45℃～75℃，每20℃一個(gè)步進(jìn)，功率放大器在每個(gè)溫度下存儲(chǔ)30分鐘，測(cè)試各個(gè)溫度下PTFA220121M的靜態(tài)電流。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值使得PTFA220121M的靜態(tài)電流在各個(gè)溫度下保持在150mA，用萬(wàn)用表測(cè)試出對(duì)應(yīng)溫度下柵極的電壓，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，得出電壓隨溫度變化的斜率為1.25。溫度補(bǔ)償電路如圖3所示，PTFA220121M柵極電流為1uA，為了使芯片柵極電壓的波動(dòng)對(duì)A點(diǎn)電壓影響足夠小，選取電阻時(shí)保證流過(guò)R1的電流I1為50uA左右。LMT84的最大輸出電流為50uA，I2取值為40uA。根據(jù)疊加定理，電路中各器件之間的關(guān)系滿足等式(1)、(2)、(3)、(4)，其中UA1、UA2為圖2直線中0℃和20℃對(duì)應(yīng)的電壓值，UB1、UB2為L(zhǎng)MT84工作曲線中的0℃和20℃對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算出各個(gè)電阻值，取標(biāo)稱值為：R1=30kΩ，R2=18kΩ，R3=13kΩ，R4=20kΩ。電路設(shè)計(jì)時(shí)要求溫度不變時(shí)UA1的變化范圍為ΔV=±10mV，供電電壓為U，為了求出補(bǔ)償電路中所選電阻和電源芯片輸出電壓的精度，對(duì)等式（2）中UA1在R1=30kΩ、R2=18kΩ、R3=13kΩ、R4=20kΩ、U=5V處對(duì)R1、R2、R3、R4、U求偏導(dǎo)數(shù)，計(jì)算得出ΔR1=±0.8%R1，R2=±1%R2，R3=±3%R3，R4=±60%R4，ΔU=±9%U。由計(jì)算結(jié)果可知，R1的變化對(duì)UA1的影響最大，所以要求其精度最高，由于市面上常用的貼片電阻最高精度是±1%，所以取R1=(30±1%)kΩ。R4的變化對(duì)UA1的影響很小，對(duì)其精度幾乎沒有什么要求。電路中供電芯片選用的是LDO，其輸出電壓精度在±1%，滿足設(shè)計(jì)要求。最后確定電阻值為：R1=(30±1%)kΩ，R2=(18±1%)kΩ，R1=(13±1%)kΩ，R4=(20±10%)kΩ。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析
加入溫度補(bǔ)償電路的功率放大器實(shí)物如圖4所示，其中每個(gè)芯片和改進(jìn)前功率放大器用的芯片都屬于同一批次，常溫下對(duì)功率放大器進(jìn)行測(cè)試，輸入1616MHz信號(hào)，功率大約為0dBm，測(cè)試得靜態(tài)電流為150mA，加電200ms測(cè)試出功率放大器的最大電流為650mA左右，最大輸出功率10W以上。將兩個(gè)功率放大器放在高低溫箱內(nèi)，按照以20℃為步進(jìn)、每個(gè)溫度下存儲(chǔ)30分鐘的方法測(cè)試-40℃～75℃下的靜態(tài)電流，得出靜態(tài)電流I11、I22和飽和輸出功率P11、P22隨溫度變化曲線如圖5所示，可以看出同一個(gè)功率放大器在不同溫度下的靜態(tài)電流變化很小，飽和輸出功率的一致性也有明顯改善，并且功放芯片沒有損壞現(xiàn)象。
4小結(jié)
本溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。將改進(jìn)后的功率放大器用在北斗用戶機(jī)中，經(jīng)大量測(cè)試顯示，加入溫度補(bǔ)償電路后，溫度在-40℃～75℃時(shí)，功率放大芯片的靜態(tài)電流基本一致，增益均在40dB以上，飽和輸出功率均大于10W。這說(shuō)明，該溫度補(bǔ)償電路對(duì)功率放大器在不同溫度下的靜態(tài)電流有很好的補(bǔ)償作用，從而成功避免了因溫度變化而導(dǎo)致芯片損壞情況的發(fā)生。
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作者:魏遷 單位:江蘇指南針衛(wèi)星導(dǎo)航通信股份有限公司