放大器的溫度補償電路設計探析論文
【摘要】功率放大器的靜態電流隨溫度的變化而變化，這對功率放大器的效能有很大影響。針對這一問題，經過對功率放大器的實際測試和資料分析，在偏置電路中增加了溫度補償電路，對電路中各電阻的取值進行了分析。測試表明，加入溫度補償電路後，在-40℃～75℃功率放大器的靜態電流基本恆定，飽和輸出功率的一致性有所提高，功率晶片損壞的機率大大減小，並且電路結構簡單，容易實現。
【關鍵詞】功率放大器；偏置電路；靜態電流；溫度補償
隨著我國對北斗衛星通訊產業的進一步投入和推廣，北斗使用者機作為北斗導航系統的重要組成部分引起了廣泛關注[1]。功率放大器是北斗使用者機中必不可少的一部分，其效能的好壞直接影響到北斗使用者機的效能，因此其電路結構和晶片的選型非常重要。LDMOS功放管具有增益大、輸出功率高、線性度良好、低成本、高可靠性等優點[2]，因此成為功率放大器設計的首選器件。然而LDMOS的靜態電流會隨著溫度變化而變化，這對功率放大器的增益、飽和輸出功率等引數都有很大影響，在高溫環境下，這些引數的變化甚至會導致功率放大晶片損壞，因此設計一種針對LDMOS的溫度補償電路對功率放大器的效能至關重要。
1功率放大器設計
在北斗使用者機的功率放大器的應用中，功率放大晶片的選取非常重要，除了要求功放晶片在北斗頻率上能夠達到要求的功率外，還有考慮最大容許工作電流、最大耗散功率、晶片的結溫度等因素[3]，並且要留有足夠的餘量。本設計在北斗頻率上要求最大輸出功率在10W以上，工作溫度大於75℃，經過比較，最終選取HMC308和HMC454為驅動晶片，以英飛凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作為功率放大晶片設計一款北斗使用者機功率放大器。合適的靜態工作點不僅能保證晶片的正常工作，還會影響功率放大器的最佳匹配負載、效率等引數[3]，因此選擇正確的靜態工作點是設計電路的第一步。由datasheet可知，PTFA220121M的偏置電路中柵極電壓為2.5V左右，漏極經過一個四分之一波長線接+28V，常溫下功率放大器工作的`靜態電流為150mA。為了向負載傳輸最大功率，需要在電路中加入匹配網路，使得負載阻抗等於訊號源阻抗的共軛，此外，匹配網路還決定著放大器的駐波比、功率增益、1dB壓縮點等指標是否滿足設計要求。在PTFA220121Mdatasheet中讀取出在1616MHz處的輸入輸出阻抗，利用ADS軟體對晶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[4]。由於在北斗頻點上採用微帶線做匹配電路，電路的面積會非常大，所以電路的匹配採用集總器件做匹配電路.對電路PCB進行加工並測試得到其小訊號增益為42dB左右，飽和輸出功率在10W以上。在高低溫箱內放置兩個功率放大器，以20℃為步進，測試每個功率放大器在-45℃～75℃時的特性，使功率放大器在每個溫度下保持30分鐘後，測得兩個功率放大器PTFA220121M的靜態電流分別為I1、I2，飽和輸出功率分別為P1、P2，畫出四個引數隨溫度變化的曲線，如圖1所示。分析資料可知，隨著溫度的升高，功率放大器的靜態電流增加了50mA，即功率放大器在-40℃～75℃內的工作點具有正溫度係數，得出溫度對功率放大器的飽和輸出功率一致性有很大影響。在測試過程中，在沒有加激勵的情況下，當溫度升高到75℃時，功率放大器加電瞬間晶片損壞。功放晶片的結溫度和工作環境溫度及晶片本身的功耗有關，當溫度升高時，晶片的靜態電流增加，使得晶片的功耗增加，這兩個因素同時增大使得晶片的結溫度超過其能承受的最大溫度，故而損壞，而北斗使用者機實際的工作溫度要求能承受75℃，所以要降低晶片在高溫下的靜態電流來保護晶片。為了保證功率放大器各效能的穩定，在功放晶片的偏置電路中加上溫度補償電路，使柵極電壓隨溫度的升高而降低[5]，保證晶片的靜態電流在各個溫度下的恆定，從而提高功率放大器效能的一致性。
2溫度補償電路設計
功率放大晶片在工作點附近通常具有正的溫度特性，即在一定的柵壓下，當工作溫度升高時其靜態電流升高，當工作溫度降低時靜態電流降低[6]。由圖1的實驗結果可知，工作溫度的升高使得最大輸出功率的波動很大，本設計透過在偏置電路加一個電壓補償網路實現溫度的補償[7]。溫度補償電路採用了溫度感測器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的柵極經過電阻相連，透過分析實驗資料來分配電阻值，使得溫度升高時柵極電壓下降，計算得到靜態電流下降的幅度正好抵消靜態電流增加的幅度，從而保證晶片的靜態電流不隨溫度變化。對兩個功率放大器做如下處理：在PTFA220121M柵極和地之間接上遮蔽電纜，在非接地電纜的另一端接電位器。將它們放入高低溫箱內，溫度設定為-45℃～75℃，每20℃一個步進，功率放大器在每個溫度下儲存30分鐘，測試各個溫度下PTFA220121M的靜態電流。透過調節電位器的阻值使得PTFA220121M的靜態電流在各個溫度下保持在150mA，用萬用表測試出對應溫度下柵極的電壓，測試結果如圖2所示，得出電壓隨溫度變化的斜率為1.25。溫度補償電路如圖3所示，PTFA220121M柵極電流為1uA，為了使晶片柵極電壓的波動對A點電壓影響足夠小，選取電阻時保證流過R1的電流I1為50uA左右。LMT84的最大輸出電流為50uA，I2取值為40uA。根據疊加定理，電路中各器件之間的關係滿足等式(1)、(2)、(3)、(4)，其中UA1、UA2為圖2直線中0℃和20℃對應的電壓值，UB1、UB2為LMT84工作曲線中的0℃和20℃對應的電壓值，計算出各個電阻值，取標稱值為：R1=30kΩ，R2=18kΩ，R3=13kΩ，R4=20kΩ。電路設計時要求溫度不變時UA1的變化範圍為ΔV=±10mV，供電電壓為U，為了求出補償電路中所選電阻和電源晶片輸出電壓的精度，對等式（2）中UA1在R1=30kΩ、R2=18kΩ、R3=13kΩ、R4=20kΩ、U=5V處對R1、R2、R3、R4、U求偏導數，計算得出ΔR1=±0.8%R1，R2=±1%R2，R3=±3%R3，R4=±60%R4，ΔU=±9%U。由計算結果可知，R1的變化對UA1的影響最大，所以要求其精度最高，由於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UA1的影響很小，對其精度幾乎沒有什麼要求。電路中供電晶片選用的是LDO，其輸出電壓精度在±1%，滿足設計要求。最後確定電阻值為：R1=(30±1%)kΩ，R2=(18±1%)kΩ，R1=(13±1%)kΩ，R4=(20±10%)kΩ。
3實驗結果和資料分析
加入溫度補償電路的功率放大器實物如圖4所示，其中每個晶片和改進前功率放大器用的晶片都屬於同一批次，常溫下對功率放大器進行測試，輸入1616MHz訊號，功率大約為0dBm，測試得靜態電流為150mA，加電200ms測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。將兩個功率放大器放在高低溫箱內，按照以20℃為步進、每個溫度下儲存30分鐘的方法測試-40℃～75℃下的靜態電流，得出靜態電流I11、I22和飽和輸出功率P11、P22隨溫度變化曲線如圖5所示，可以看出同一個功率放大器在不同溫度下的靜態電流變化很小，飽和輸出功率的一致性也有明顯改善，並且功放晶片沒有損壞現象。
4小結
本溫度補償電路設計簡單，易於實現。將改進後的功率放大器用在北斗使用者機中，經大量測試顯示，加入溫度補償電路後，溫度在-40℃～75℃時，功率放大晶片的靜態電流基本一致，增益均在40dB以上，飽和輸出功率均大於10W。這說明，該溫度補償電路對功率放大器在不同溫度下的靜態電流有很好的補償作用，從而成功避免了因溫度變化而導致晶片損壞情況的發生。
參考文獻
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