一種實現過壓保護的功率放大器的製作方法

2023-05-13 05:22:56

本申請涉及一種功率放大器，特別是涉及一種採用hbt（異質結雙極性電晶體）作為功率管的功率放大器。

背景技術：

射頻功率放大器通常採用hbt、cmos（互補式金屬氧化物半導體電晶體）、hemt（高電子遷移率電晶體）等作為放大電晶體，稱為功率管。功率管在工作時需要一定的直流電壓和/或直流電流，稱為偏置（biasing）。如果偏置電路為功率管提供的是直流電壓，則稱為電壓偏置方式。如果偏置電路為功率管提供的是直流電流，則稱為電流偏置方式。

2002年9月出版的《ieee固態電路雜誌》（ieeejournalofsolid-statecircuits）37卷9期有一篇文章《具有新型線性化偏置電路的pcs/w-cdma雙頻mmic功率放大器》（pcs/w-cdmadual-bandmmicpoweramplifierwithanewlyproposedlinearizingbiascircuit）。這篇文章的第ii部分公開了一種具有溫度補償電路的功率放大器，如圖1所示。電阻r與兩個二極體d1、d2、電容cb和有源驅動管hbt2組成了偏置電路，為功率管hbt1提供電壓偏置。電阻r和兩個二極體d1、d2相串聯，起到溫度補償作用。串聯的兩個二極體d1、d2與電容cb並聯，電容cb起到線性化作用。有源驅動管hbt2的發射極用來為功率管hbt1的基極提供偏置電壓。這種功率放大器實現了溫度補償，但沒有實現過壓保護。如果工作電壓vpd不正常，例如超過了4.6v，有源驅動管hbt2會給功率管hbt1提供一個非常大的電流，進而使得功率管hbt1處於大電流的工作狀態，容易造成器件燒毀。

申請公布號為cn102075148a、申請公布日為2011年5月25日的中國發明專利申請《射頻功率放大器過溫保護電路》中，公開了一種具有過溫保護電路的功率放大器，如圖2所示。所述過溫保護電路包括依次連接的溫度檢測電路、比較器電路、邏輯控制電路和偏置電路。兩個溫度檢測電路分別用來檢測放大級電晶體t3的溫度以及功率放大器晶片的常規溫度，當兩者的溫度差超出閾值時，降低偏置電路所輸出的偏置電壓，以降低功率放大器的放大增益以及輸出功率，從而降低功率放大器的最高溫度，避免器件燒毀。這種功率放大器基於溫度檢測形成一個反饋環路，反饋所需的時間較長。如果工作電壓vcc瞬間增大超出正常範圍，有可能在反饋環路來不及產生保護信號的時候器件已經燒毀了。

授權公告號為cn201887469u、授權公告日為2011年6月29日的中國實用新型專利《射頻功率放大器過壓保護電路》中，公開了一種具有過壓保護電路的功率放大器，如圖3所示。所述過壓保護電路包括依次連接的電壓檢測電路、電壓-電流轉換模塊和偏置電路。電壓檢測電路用來檢測工作電壓vcc。當工作電壓vcc處於正常範圍時，電壓檢測電路的輸出不足以開啟電壓-電流轉換模塊，因此對偏置電路不產生影響。當工作電壓vcc超出正常範圍時，電壓檢測電路的輸出開啟電壓-電流轉換模塊，進而降低偏置電路所輸出的偏置電流，以降低功率放大器的放大增益以及輸出功率，從而避免器件因過流過壓而燒毀。這種功率放大器具有較大的能耗，首先是電壓檢測電路即便在工作電壓vcc正常時也始終工作，這會產生不必要的電流消耗；其次是電壓-電流轉換模塊一旦開啟後也具有比較大的電流消耗。

技術實現要素：

本申請所要解決的技術問題是提供一種能夠實現過壓保護功能的功率放大器。在諸如手機等採用射頻功率放大器的電子設備中，射頻功率放大器的工作電壓往往由鋰電池提供。正常情況下，該工作電壓的範圍是3.0v至4.6v。特殊情況下，例如鋰電池出現故障、非常規地使用電子設備時，該工作電壓會超出正常範圍，本申請就是在這種情況下為功率放大器提供過壓保護功能。

為解決上述技術問題，本申請實現過壓保護的功率放大器包括放大電路、偏置電路和過壓檢測電路。過壓檢測電路檢測工作電壓並控制偏置電路中的驅動管。當工作電壓小於第一閾值時，過壓檢測電路不工作，偏置電路為放大電路中的功率管提供基極偏置。當工作電壓大於或等於第一閾值時，過壓檢測電路工作，並且隨著工作電壓增大過壓檢測電路逐漸關斷偏置電路中的驅動管，偏置電路為放大電路中的功率管提供的基極偏置逐漸降為零。

本申請取得的技術效果是為功率放大器設計了一種新穎的、響應速度快、能耗小的工作電壓檢測與過壓保護電路。當功率放大器的工作電壓過大時，通過降低直至切斷功率管的基極偏置，來關閉功率放大器，從而避免器件燒毀。而在功率放大器的工作電壓正常時，新增的工作電壓檢測與過壓保護電路不工作，不影響功率放大器的正常使用，也不會降低功率放大器正常工作時的各項射頻性能和指標。

附圖說明

圖1是一種現有的具有溫度補償電路的功率放大器的示意圖。

圖2是一種現有的具有過溫保護電路的功率放大器的示意圖。

圖3是一種現有的具有過壓保護電路的功率放大器的示意圖。

圖4是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例一的示意圖。

圖5是實施例一中工作電壓vbat與跟隨管q5的集電極電流ic5的關係示意圖。

圖6是實施例一中工作電壓vbat與經過鎮流電阻r1的偏置電流ibias的關係示意圖。

圖7是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例二的示意圖。

圖8是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例三的示意圖。

圖中附圖標記說明：vcc、vpd、vbat均為工作電壓；vbias1為偏置電壓；rfin為射頻輸入信號；rfout為射頻輸出信號；q為電晶體；r為電阻；c為電容。

具體實施方式

請參閱圖4，這是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例一。該實施例一包括放大電路、偏置電路和過壓檢測電路三部分。

所述放大電路包括功率管q1、隔直電容c1、鎮流電阻r1以及匹配網絡。功率管q1例如為hbt，優選為砷化鎵（gaas）hbt，實現功率放大功能。射頻輸入信號rfin通過隔直電容c1進入功率管q1的基極，功率管q1的集電極輸出放大後的射頻信號，該放大後的射頻信號通過匹配網絡進行阻抗匹配後得到射頻輸出信號rfout。偏置電路通過鎮流電阻r1為功率管q1的基極提供偏置電壓，功率管q1的發射極接地。

所述偏置電路包括驅動管q2、電容二c2、電阻二r2、二極體三q3以及二極體四q4。驅動管q2例如為hbt，優選為砷化鎵hbt。二極體三q3和二極體四q4例如是將hbt的基極與集電極短接得到的，短接後hbt的基極與集電極作為二極體的陽極，hbt的發射極作為二極體的陰極。電阻二r2與二極體三q3、二極體四q4依次級聯，並對偏置電壓vbias1進行分壓，用來實現溫度補償功能。級聯的二極體三q3與二極體四q4還連接到驅動管q2的基極。驅動管q2的基極還通過電容二c2接地，電容二c2用來實現線性化。驅動管q2的集電極連接工作電壓vbat，驅動管q2的發射極輸出偏置電流ibias，該偏置電流ibias通過鎮流電阻r1為功率管q1的基極提供偏置電壓。

所述過壓檢測電路包括跟隨管q5、二極體六q6、二極體七q7、二極體八q8、二極體九q9和電阻三r3。跟隨管q5例如為hbt，優選為砷化鎵hbt，採用共發射極（commonemitter）的連接方式。二極體六q6、二極體七q7、二極體八q8和二極體九q9例如是將hbt的基極與集電極短接得到的，短接後hbt的基極與集電極作為二極體的陽極，hbt的發射極作為二極體的陰極。二極體九q9、二極體八q8、二極體七q7與電阻三r3依次級聯，並對工作電壓vbat進行分壓。二極體七q7的陽極還連接跟隨管q5的基極。跟隨管q5的集電極連接驅動管q2的基極，跟隨管q5的發射極通過二極體六q6接地。

所述過壓檢測電路中，跟隨管q5的基極電壓vb5是工作電壓vbat減去二極體九q9的閾值電壓vth9再減去二極體八q8的閾值電壓vth8，即vb5=vbat-vth9-vth8。跟隨管q5的發射極電壓ve5是二極體六q6的閾值電壓vth6，即ve5=vth6。因此跟隨管q5的基極-發射極電壓vbe5=vb5-ve5=vbat-vth9-vth8-vth6。由於二極體六q6、二極體八q8、二極體九q9優選地由hbt短接實現，因此vth6=vth8=vth9=vth，其中vth表示hbt短接為二極體時使二極體正嚮導通的閾值電壓，通常為1.3v至1.4v之間。那麼跟隨管q5的基極-發射極電壓vbe5=vbat-3vth。

該實施例一的工作原理如下面三段所述。

當工作電壓vbat＜3vth+vbe（第一閾值）時，其中vbe表示hbt的基極-發射極結正向偏置時的基極-發射極電壓，跟隨管q5的基極-發射極電壓vbe5＜vbe。此時跟隨管q5關斷，跟隨管q5的集電極呈現高阻抗，對偏置電路和放大電路的正常工作沒有影響。假設vth為1.3v，vbe為0.7v，那麼當工作電壓vbat＜4.6v時就處於這個工作階段。

當工作電壓vbat≥3vth+vbe且＜第二閾值時，跟隨管q5的基極-發射極電壓vbe5≥vbe，此時跟隨管q5導通並工作在正向放大區。隨著工作電壓vbat增大，跟隨管q5的集電極電流ic5會從電阻二r2中抽取一個大電流，這個大電流會在電阻二r2上形成較大的壓降，使得驅動管q2的基極電壓下降。驅動管q2原本是導通的，當驅動管q2的基極電壓下降到不足以開啟驅動管q2時，驅動管q2關斷。驅動管q2關斷後，驅動管q2的發射極輸出的偏置電流ibias逐漸降為零，從而使功率管q1關斷，實現了工作電壓過大時對功率放大器的保護。假設vth為1.4v，vbe為0.7v，那麼當工作電壓vbat≥4.9v時就處於這個工作階段。

當工作電壓vbat≥第二閾值時，隨著工作電壓vbat繼續增大，驅動管q2的基極電壓vb2（也就是跟隨管q5的集電極電壓vc5）降低到接近於跟隨管q5的基極電壓vb5，此時跟隨管q5逐漸關斷。這實現了工作電壓過大時對過壓檢測電路的保護。

請參閱圖5，這是實施例一中工作電壓vbat與跟隨管q5的集電極電流ic5的關係示意圖。圖5中，第一閾值大約是5v。當工作電壓vbat小於5v時，跟隨管q5關斷，此時跟隨管q5的集電極電流ic5為零。當工作電壓vbat大於或等於5v時，跟隨管q5導通並工作在正向放大區，此時跟隨管q5的集電極電流ic5隨著工作電壓vbat的增大而增大。隨著跟隨管q5的集電極電流ic5增大，由於電阻二r2的關係，跟隨管q5的集電極電壓vc5相應減小。當工作電壓vbat大於或等於6v以後，跟隨管q5的集電極電壓vc5降低到接近於跟隨管q5的基極電壓vb5，此時跟隨管q5逐漸關斷，因此其集電極電流ic5開始隨著vbat的增大而變小。

請參閱圖6，這是實施例一中工作電壓vbat與偏置電流ibias的關係示意圖。圖6中，第一閾值大約是5v。當工作電壓vbat小於1.4v時，驅動管q2關斷，此時驅動管q2的發射極具有反向電流，因此偏置電流ibias為負值。1.4v相當於驅動管q2剛導通時的集電極-發射極電壓vce5。當工作電壓vbat大於或等於1.4v且小於5v時，驅動管q2導通，此時驅動管q2的發射極輸出的偏置電流ibias基本保持恆定。當工作電壓vbat大於或等於5v時，隨著工作電壓vbat的增大驅動管q2逐漸關斷，此時驅動管q2的發射極輸出的偏置電流ibias逐漸降為零並保持在零電流狀態。因此，本申請為功率放大器提供了有效的過壓保護功能。

在實施例一中，是通過調節電阻二r2和/或電阻三r3的阻值來調節第一閾值的。

首先，如果選擇的電阻二r2的阻值較大，那麼當工作電壓vbat上升較小的幅度時，驅動管q2的基極電壓vb2也會以較快的幅度下降，因此驅動管q2會較快地關斷，並驅動功率管q1也較快地關斷。如果選擇的電阻二r2的阻值較小，那麼當工作電壓vbat上升較大的幅度以後，驅動管q2的基極電壓vb2才會以較慢的幅度下降，因此驅動管q2會較慢地關斷，並驅動功率管q1也較慢地關斷。因此，電阻二r2的阻值選取地越大，第一閾值就越小；反之亦然。

其次，如果選擇的電阻三r3的阻值較大，那麼當工作電壓vbat上升較小的幅度時，跟隨管q5的基極電壓vb5也會以較快的幅度上升，因此跟隨管q5會較快地導通，並使得驅動管q2較快地關斷，最終驅動功率管q1也較快地關斷。如果選擇的電阻三r3的阻值較小，那麼當工作電壓vbat上升較大的幅度以後，跟隨管q5的基極電壓vb5僅會以較慢的幅度上升，因此跟隨管q5會較慢地導通，並使得驅動管q2較慢地關斷，最終驅動功率管q1也較慢地關斷。因此，電阻三r3的阻值選取地越大，第一閾值就越小；反之亦然。

從影響因子來看，電阻二r2的阻值對第一閾值的影響效果更為明顯，電阻三r3的阻值對第一閾值的影響效果沒有那麼明顯。

請參閱圖7，這是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例二。與實施例一相比，實施例二在過壓檢測電路中增加了電阻四r4。電阻四r4與二極體九q9、二極體八q8、二極體七q7、電阻三r3依次級聯，並對工作電壓vbat進行分壓。

在實施例二中，可以通過調節電阻二r2、電阻三r3和/或電阻四r4的阻值來調節第一閾值，擴展了電路設計的自由度。在實施例二中，單獨的電阻二r2、單獨的電阻三r3對第一閾值的影響，與實施例一相同。單獨的電阻四r4對第一閾值的影響，與實施例一中的電阻三r3相同。然而，實施例二還可以調節電阻四r4與電阻三r3的比值，從而調節跟隨管q5的導通與否。如果電阻四r4與電阻三r3的比值較大，那麼工作電壓vbat上升的幅度主要反映在電阻四r4的壓降上，跟隨管q5會較慢地導通，並使得驅動管q2較慢地關斷，最終驅動功率管q1也較慢地關斷。如果電阻四r4與電阻三r3的比值較小，那麼工作電壓vbat上升的幅度主要反映在電阻三r3的壓降上，跟隨管q5會較快地導通，並使得驅動管q2較快地關斷，最終驅動功率管q1也較快地關斷。因此，電阻四r4與電阻三r3的比值選取地越大，第一閾值就越大；反之亦然。

請參閱圖8，這是本申請實現過壓保護的功率放大器的實施例三。與實施例二相比，實施例三在過壓檢測電路和偏置電路之間增加了電阻五r5。跟隨管q5的集電極通過電阻五r5連接驅動管q2的基極。當射頻輸入信號rfin的功率較大時，驅動管q2的基極電壓擺幅也可能較大，導致跟隨管q5的發射極電壓擺幅較大，這可能使得跟隨管q5在工作電壓vbat尚處於正常範圍時就提前導通。增加高阻抗的電阻五r5後，射頻輸入信號rfin產生的電壓擺幅主要落在電阻五r5上，可以阻止射頻輸入信號rfin通過鎮流電阻r1和驅動管q2進入過壓檢測電路中，從而避免跟隨管q5過早導通。

與現有的功率放大器相比，本申請在放大電路和偏置電路的基礎上新增了過壓檢測電路，實現了檢測工作電壓以及過壓保護功能，避免了功率放大器燒毀的風險。同時，本申請直接對工作電壓的變化進行響應，反應速度比採用反饋環路的方案要快得多，如果工作電壓瞬間增大也能及時予以保護。同時，本申請新增的過壓檢測電路在工作電壓正常時不工作，不會增加不必要的電流消耗，也未採用電壓-電流轉換方案而增加電流消耗。

以上僅為本申請的優選實施例，並不用於限定本申請。對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。