一種應用于功率放大器的高精度溫度補償電路設計

摘 要： 提出一種應用于功率放大器的高精度溫度補償電路，采用硅二極管與電阻串并聯的方法實現功率放大器的溫度補償，保證功率放大器在不同溫度下均可以正常穩定地工作，且電路結構簡單、易于調試。應用PCB板實現了具有溫度補償的功率放大器電路，測試結果表明在-40～80 ℃的溫度范圍內，功率放大器的靜態電流只有3.8%的變化。因此該方法可以實現在較寬的溫度范圍內對功率放大器進行有效的高精度溫度補償，可以廣泛應用于功率放大器、特別是對溫度補償量要求較高的功率放大器及大功率放大器的設計中。

關鍵字： 功率放大器； 高精度溫度補償； 電路設計； 寬溫度范圍補償

中圖分類號： TN837?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0137?04

Design of a high?accuracy temperature compensation circuit applied to power amplifier

GENG Zhi?qing， CAO Pan， CHEN Xiang?guo， HOU Hua

（School of Information and Electrical Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： A high precision temperature compensation circuit for power amplifier are presented in this paper. A silicon diode and resistor series?parallel method is adopted to realize the temperature compensation circuit which can guarantee stability and reliability of the power amplifier under different temperature conditions. The circuit structure is simple and easy to debug. The power amplifier with the proposed temperature compensation circuit is implemented by using PCB. The measured results show that the variation of the quiescent current of the power amplifier is only 3.8% over the temperature range of -40～+80 ℃. Therefore， the proposed circuit can make high?accuracy temperature compensation for the power amplifier in a wide temperature range， and can be widely applied to power amplifiers， especially to high power amplifiers and power amplifiers with high?accuracy temperature compensation requirements.

Keywords： power amplifier； high?accuracy temperature compensation； circuit design； compensation in wide temperature range

0 引 言

近年來，隨著第三代晶體管技術與4G通信技術的發展，寬帶大功率放大器和高效率高峰均比的線性功率放大器逐漸成為研究熱點。從理論研究到實際應用，不得不考慮溫度變化對功率放大器各項參數帶來的影響[1]。溫度的變化會直接影響到靜態工作電流IDQ，改變功放芯片的工作類型，從而改變功率放大器的增益、效率及線性度，對于大功率放大器甚至會直接燒壞設備。因此溫度補償電路的設計是功率放大器能否穩定工作的關鍵。功率放大器溫度補償電路的設計應該滿足以下三個方面的要求：補償精度高、易于調試和結構簡單。目前存在的溫度補償電路往往只是為了追求其中的一個或者是兩個方面的要求而進行了折中設計，已經逐漸不能滿足現代功率放大器的設計需求。例如加入外圍芯片來減小調試難度，但是卻增加了結構的復雜性，從而加大了布線的難度[2]；或者通過簡單的晶體管串聯來減小結構的復雜度，但是溫度補償精度會變得很差[3]。因此本文提出一種應用于功率放大器的新型溫度補償電路，該電路同時兼有結構簡單、補償精度高和易于調試等優點，可以方便地投入到實際的應用中。

1 溫度補償電路設計

在功率放大器的設計中，由于線性與效率的要求，功放芯片通常工作于AB類[4]。在工作點附近功放芯片通常具有正的溫度系數，以NXP公司的BLF6G21?45為例，保持靜態工作點電壓VDS=28 V，VGS=2.245 V不變，當熱沉溫度（TNSK）從-40 ℃變化為90 ℃時，通過仿真可以得到靜態工作電流變化[5]如圖1所示。隨著溫度的升高，靜態電流約以5 mA/℃的規律線性變化。為了保持靜態工作電流的穩定，通常采用在功放芯片的柵極加入溫度敏感器件作為溫度補償方法，使其隨著溫度的變化對柵壓進行線性調節[6]，以此抵消溫度對靜態工作點的影響，保證系統的穩定性。

工程應用中較為常用的溫度敏感性器件主要有負溫度系數（NTC）熱敏電阻和晶體管。

NTC熱敏電阻阻抗值與工作溫度的關系[7]為：

從圖6可以看出，未采用溫度補償電路之前，功率放大器的靜態電流從75 mA變化到了690 mA，使得功率放大器不能正常工作。加入溫度補償電路之后，靜態電流的變化得到了明顯改善，在-15～-40 ℃的范圍內，隨著溫度的降低靜態電流逐漸上升，從-15 ℃時的362 mA上升到了-40 ℃時的375 mA，有13 mA的電流變化量，這是由于對溫度補償電路的要求并不是完全線性，室溫以下對溫度補償量的要求要比室溫以上的略低（通過圖4可以求出），隨著溫度的降低補償量逐漸大于需要量造成的。在高于室溫時，靜態電流幾乎不隨溫度發生變化，僅僅只有2～3 mA的波動。

測試得到的最高和最低靜態電流分別為-40 ℃時375 mA和35 ℃時的361 mA，因此在溫度變化120 ℃的情況下，靜態電流僅僅只有3.8%的變化量，比文獻[3]中的10%的變化量，補償能力提高了將近3倍，并且調試難度也大大降低。另外此電路已經投入到了批量生產的功率放大器的實際應用中，表現出了較高的一致性和穩定性。

3 結 語

本文通過二極管與電阻簡單的串并聯方法實現了一種應用于功率放大器的溫度補償電路，該電路具有補償精度高，結構簡單，易于調試的特點。為了驗證提出溫度補償方法的有效性，本文以NXP公司的BLF6G20?45芯片為例，對溫度補償電路進行了實測和調試，測試結果表明在-40～80 ℃的溫度范圍內，功率放大器靜態電流僅有3.8%的變化量，因此實現了功率放大器的高精度溫度補償，可以方便有效地應用于現代功率放大器特別是大功率放大器的設計中。

參考文獻

[1] 黃繼偉，王志功，廖英豪，等.應用于移動終端的線性功率放大器設計[J].固體電子學研究與進展，2012，32（1）：40?44.

[2] 陳駿，林煒.新型LDMOS管功率放大器非線性與增益補償方法[J].東南傳播，2013（5）：123?124.

[3] 劉朝鋒，楊俊英，趙玉振，等.場效應功放管靜態工作點溫度補償功能設計[J].物聯網技術，2011（5）：83?87.

[4] 張作龍，熊祥正.一種平衡AB類功率放大器的設計[J].科學技術工程，2012，12（32）：8703?8706.

[5] 林永峰.新型功率放大器溫度補償電路的探究[J].課程教育研究，2013（3）：102?103.

[6] BELLANTONI John. Bias techniques for GaN and pHEMT depletion mode devices [EB/OL]. [2014?06?17]. http：//www.triquint.com/applications/defense/gan?products.

[7] 梅小雨，許昌，魏艷紅.基于對數的NTC熱敏電阻測溫系統的設計[J].自動化與儀表，2011，26（5）：54?57.

[8] 侶海燕，周順亭.LDMOS功率放大器的溫度特性及其溫補電路[J].電子設計應用，2005（2）：110?111.

[9] 楊華煒，蘇凱雄，陳俊，等.基于ADS的多級功率放大器設計與仿真[J].現代電子技術，2012，35（7）：173?176.

[10] 何惠森，來新泉，許文丹.一種精簡的高速率功率MOS驅動器[J].西安電子科技大學學報，2012，39（2）：168?174.

[11] 黃勇，張福洪，李錢贊.基于ADS的功率放大器設計與仿真[J].現代電子技術，2011，34（15）：113?116.