【摘要】功率放大器的靜態電流隨温度的變化而變化，這對功率放大器的性能有很大影響。針對這一問題，經過對功率放大器的實際測試和數據分析，在偏置電路中增加了温度補償電路，對電路中各電阻的取值進行了分析。測試表明，加入温度補償電路後，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，功率芯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；温度補償
隨着我國對北斗衞星通信產業的進一步投入和推廣，北斗用户機作為北斗導航系統的重要組成部分引起了廣泛關注[1]。功率放大器是北斗用户機中必不可少的一部分，其性能的好壞直接影響到北斗用户機的性能，因此其電路結構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的靜態電流會隨着温度變化而變化，這對功率放大器的增益、飽和輸出功率等參數都有很大影響，在高温環境下，這些參數的變化甚至會導致功率放大芯片損壞，因此設計一種針對LDMOS的温度補償電路對功率放大器的性能至關重要。
1功率放大器設計
在北斗用户機的功率放大器的應用中，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、芯片的結温度等因素[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，工作温度大於75℃，經過比較，最終選取HMC308和HMC454為驅動芯片，以英飛凌公司的LDMOSFETPTFA220121M作為功率放大芯片設計一款北斗用户機功率放大器。合適的靜態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載、效率等參數[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，常温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絡，使得負載阻抗等於信號源阻抗的共軛，此外，匹配網絡還決定着放大器的駐波比、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[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信號增益為42dB左右，飽和輸出功率在10W以上。在高低温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温度下保持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，畫出四個參數隨温度變化的曲線，如圖1所示。分析數據可知，隨着温度的升高，功率放大器的靜態電流增加了50mA，即功率放大器在-40℃～75℃內的工作點具有正温度係數，得出温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，當温度升高到75℃時，功率放大器加電瞬間芯片損壞。功放芯片的結温度和工作環境温度及芯片本身的功耗有關，當温度升高時，芯片的靜態電流增加，使得芯片的功耗增加，這兩個因素同時增大使得芯片的結温度超過其能承受的最大温度，故而損壞，而北斗用户機實際的工作温度要求能承受75℃，所以要降低芯片在高温下的靜態電流來保護芯片。為了保證功率放大器各性能的穩定，在功放芯片的偏置電路中加上温度補償電路，使柵極電壓隨温度的升高而降低[5]，保證芯片的靜態電流在各個温度下的恆定，從而提高功率放大器性能的一致性。
2温度補償電路設計
功率放大芯片在工作點附近通常具有正的温度特性，即在一定的柵壓下，當工作温度升高時其靜態電流升高，當工作温度降低時靜態電流降低[6]。由圖1的實驗結果可知，工作温度的升高使得最大輸出功率的波動很大，本設計通過在偏置電路加一個電壓補償網絡實現温度的補償[7]。温度補償電路採用了温度傳感器LMT84，封裝大小為2.4mm*2.2mm，其輸出電壓隨着温度的升高而降低。將LMT84的輸出端與PTFA220121M的柵極經過電阻相連，通過分析實驗數據來分配電阻值，使得温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，從而保證芯片的靜態電流不隨温度變化。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。將它們放入高低温箱內，温度設定為-45℃～75℃，每20℃一個步進，功率放大器在每個温度下存儲30分鐘，測試各個温度下PTFA220121M的靜態電流。通過調節電位器的阻值使得PTFA220121M的靜態電流在各個温度下保持在150mA，用萬用表測試出對應温度下柵極的電壓，測試結果如圖2所示，得出電壓隨温度變化的斜率為1.25。温度補償電路如圖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。電路設計時要求温度不變時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。電路中供電芯片選用的是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實驗結果和數據分析
加入温度補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前功率放大器用的芯片都屬於同一批次，常温下對功率放大器進行測試，輸入1616MHz信號，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温箱內，按照以20℃為步進、每個温度下存儲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隨温度變化曲線如圖5所示，可以看出同一個功率放大器在不同温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，並且功放芯片沒有損壞現象。
4小結
本温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用户機中，經大量測試顯示，加入温度補償電路後，温度在-40℃～75℃時，功率放大芯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。這説明，該温度補償電路對功率放大器在不同温度下的靜態電流有很好的補償作用，從而成功避免了因温度變化而導致芯片損壞情況的發生。
參考文獻
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