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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,這對功率放大器的性能有很大影響。針對這一問題,經(jīng)過對功率放大器的實際測試和數(shù)據(jù)分析,在偏置電路中增加了溫度補(bǔ)償電路,對電路中各電阻的取值進(jìn)行了分析。測試表明,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)簡單,容易實現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】功率放大器;偏置電路;靜態(tài)電流;溫度補(bǔ)償
隨著我國對北斗衛(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[2],因此成為功率放大器設(shè)計的首選器件。然而LDMOS的靜態(tài)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)計一種針對LDMOS的溫度補(bǔ)償電路對功率放大器的性能至關(guān)重要。
1功率放大器設(shè)計
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)過比較,最終選取HMC308和HMC454為驅(qū)動芯片,以英飛凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作為功率放大芯片設(shè)計一款北斗用戶機(jī)功率放大器。合適的靜態(tài)工作點不僅能保證芯片的正常工作,還會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)工作點是設(shè)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(jīng)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(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壓縮點等指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求。在PTFA220121Mdatasheet中讀取出在1616MHz處的輸入輸出阻抗,利用ADS軟件對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]。由于在北斗頻點上采用微帶線做匹配電路,電路的面積會非常大,所以電路的匹配采用集總器件做匹配電路.對電路PCB進(jìn)行加工并測試得到其小信號增益為42dB左右,飽和輸出功率在10W以上。在高低溫箱內(nèi)放置兩個功率放大器,以20℃為步進(jìn),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分鐘后,測得兩個功率放大器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)的工作點具有正溫度系數(shù),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(dāng)溫度升高到75℃時,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,芯片的靜態(tài)電流增加,使得芯片的功耗增加,這兩個因素同時增大使得芯片的結(jié)溫度超過其能承受的最大溫度,故而損壞,而北斗用戶機(jī)實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
功率放大芯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(dāng)工作溫度升高時其靜態(tài)電流升高,當(dāng)工作溫度降低時靜態(tài)電流降低[6]。由圖1的實驗結(jié)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(shè)計通過在偏置電路加一個電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實現(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)過電阻相連,通過分析實驗數(shù)據(jù)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(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。對兩個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℃一個步進(jìn),功率放大器在每個溫度下存儲30分鐘,測試各個溫度下PTFA220121M的靜態(tài)電流。通過調(diào)節(jié)電位器的阻值使得PTFA220121M的靜態(tài)電流在各個溫度下保持在150mA,用萬用表測試出對應(yīng)溫度下柵極的電壓,測試結(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(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℃對應(yīng)的電壓值,UB1、UB2為LMT84工作曲線中的0℃和20℃對應(yīng)的電壓值,計算出各個電阻值,取標(biāo)稱值為:R1=30kΩ,R2=18kΩ,R3=13kΩ,R4=20kΩ。電路設(shè)計時要求溫度不變時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(dǎo)數(shù),計算得出ΔR1=±0.8%R1,R2=±1%R2,R3=±3%R3,R4=±60%R4,ΔU=±9%U。由計算結(jié)果可知,R1的變化對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UA1的影響很小,對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實驗結(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物如圖4所示,其中每個芯片和改進(jìn)前功率放大器用的芯片都屬于同一批次,常溫下對功率放大器進(jìn)行測試,輸入1616MHz信號,功率大約為0dBm,測試得靜態(tài)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(nèi),按照以20℃為步進(jìn)、每個溫度下存儲30分鐘的方法測試-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)計簡單,易于實現(xiàn)。將改進(jìn)后的功率放大器用在北斗用戶機(jī)中,經(jīng)大量測試顯示,加入溫度補(bǔ)償電路后,溫度在-40℃~75℃時,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。這說明,該溫度補(bǔ)償電路對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