射频功放的温度特性及其温补电路总结

LDMOS功率放大器的温度特性及其温补电路设计引言LDMOS管是专为射频功率放大器设计的改进型n沟道MOSFET，常工作在A或AB类，在工作点附近具有正的温度特性，即在一定的栅压下，当工作温度升高时，其静态电流Idq升高，当工作温度降低时，Idq降低。一般的，当LDMOS管热沉温度从20度升高到100度时，其静态工作电流Idq变化140%，当温度降低至0度时，变化量也有30%。具体情况可以参见图1。Idq变化会影响系统的增益、效率和线性等指标，其中又以线性影响最大。因此，在工作中维持功率管（特别是大功率管）Idq恒定，是功放板设计的关键点之一。图1：恒定栅压情况下温度和静态电流关系LDMOS功率管温度效应器件的转移特性对LDMOS功率放大器至关重要。图2描述了Freescale的一款晶体管在不同的热沉温度条件下，漏极电流Ids与栅极电压Vgs的关系。当Vgs小于3V时，漏极电流Ids几乎为零，当Vgs增大至大于阀值电压Vt时，跨导增加，漏极电流正比于（Vgs－Vt）^2，增加到0.5A之后，Ids跟随Vgs线性增加，约到3A，为线性区；当栅极电压继续增大时，Ids趋近极限，到达饱和区。当管芯温度发生变化时，曲线在Ids＝1.5A处顺时针方向旋转，这个点被称为零温度系数点（ZTC：ZeroTemperatureCoefficientPoint）。在一定的栅极偏置电压下，小于这个电流时，Vt随着温度的升高而降低，Ids随温度的上升而上升，呈现出正的温度特性；大于这个电流时，电子迁移率随温度的升高而降低，使Ids降低，表现出负的温度特性。在0度到80度之间，为了保持静态电流Idq恒定，温度每改变10度，栅压就变化30mV，即LDMOS管芯栅压的温度系数大约为3mV/度；当温度高于90度时，温度系数略小于3mV/度；当温度在80度至90度之间变化时，温度系数略大于3mV/度。因此，为了保持LDMOS管静态工作电流Idq恒定，要求LDMOS管偏置电路具有温度系数为－3mV/度的温度补偿电路。图2：Freescale晶体管在不同的热沉温度条件下，栅极电流与栅压的关系温补电路元件的选择温补电路元件的关键就是随温度发生变化的性质，常用元件有二极管、三极管、电压调节IC、热敏电阻以及利用单片机和EEROM存储的随温度变化的量的表，这些方法的原理不尽相同，下面给出一些特定值。对于硅二极管PN结来说，其温度系数大约为－1.5mV/度；对三极管来说，在饱和工作状态，dVbe/dT=－1.7mv/度；在放大状态，对于锗管dVbe/dT=－1.55mV/度，对于硅管dVbe/dT=－2mV/度。对于电压调节IC来说，主要是利用它的电流随温度变化的特性。对于热敏电阻来说，其阻值会随温度的升高而降低，随温度的降低而升高，表1是一个例子：表1热敏电阻的温度关系RT1是热敏电阻，常温（25度）下阻值是100K欧姆，90度时变为5684欧姆。利用单片机和EEROM存储的随温度变化的量的表，这种方法优点是可以拟合出不同曲率的线段，因为LDMOS的温度特性也不是完全线性的，用这样的方法可以作出完美的温补曲线，缺点就是价格较贵，调试较烦。偏置电路早期的偏置电路如图3所示：图3：早期的偏置电路根据图示可以得出：对上式两边微分可以得到：这样的偏置电路有两个缺陷：每个不同的LDMOS管的核心（die）会不一样，Vd的变化值（温补元件的温度系数）上面说过了，有－1.5mV/度、－2mV/度、－1.55mV/度等等，要保证偏压合适（例如MRF9100在3.5～3.8V之间），又要保证这个系数【R1/(R1+R2)】合适（例如对于－3mV/度的LDMOS的die和－2mV/度的三极管be结温度系数来说，这个系数要为1.5），是很难在所有的情况下都适用的。如果Vbias随温度变化较大，栅压也会受到影响。因此需要对上述电路进行改进，经过改善的偏置电路如图4所示，采用专有的温度系数小的电压调节IC，并且电压调整IC采用浮地设计，即芯片不直接与电路板的地连接，而是连接到温补电路上。图4：改善的偏置电路对于该电路，由于采用了专用的电压调节芯片，温度系数很小，例如LP2951芯片的温度系数是：对于5V版本的LP2951，就是－0.25mV/度；LM78L05芯片的温度系数是：这些值都是比较小的，对温补电路的影响可以忽略。另外浮地设计保证R1和R2之间的电平保持恒定，所以有：该式两边取微分，dVref＝0得到：这样Vd就和R1、R2没有关系了，栅极电压可以独立调节，温补电路的温度系数也和LDMOS的温度系数直接对应。Vref由电压调节IC输出，相对较稳定。因此，在给定的温度下LDMOS的栅压Vg是恒定的，从而保证静态电路Idq的恒定，即在一定的漏极电流下，每一个温度对应一个确定的栅极电压，从图5可以看到，温度越高，要维持恒定的漏极电流，栅压就越低。图5：恒定漏极静态电流下，栅压和温度的关系+几种完整的带温补功能的偏置电路分析采用三极管的温补电路可以看到，当IR2远远大于IB时（计算时可以取10倍关系），对于该电路有：Vd＝V4＝（1＋R2/R1）×VbeΔVd＝（1＋R2/R1）×ΔVbeΔVbe＝－2mV/度取R1＝2.2K，R2＝1.2K则ΔVd＝－3mV/度约等于LDMOS管的温度变化系数。采用二极管的温补电路VdVd＝V4148×2＋V1KΔVd＝2ΔV4148ΔV4148＝－1.5mV/度所以ΔVd＝－3mV/度约等于LDMOS管的温度变化系数。采用热敏电阻的温补电路2、3脚之间电压保持恒定，所以在一定的R1、R2时，2脚流出的电流恒定，又栅极电流很小，2脚的电流主要流过R3、R4//RT1，3脚也会输出一定的电流，该电流会随温度升高而变化。当温度升高时，3脚输出电流会变小，RT1阻值也会变小，与R4并联以后阻值变小，所以3脚的电压会下降，导致2脚电压下降，Vg也随之下降，起到了温补作用。R3用于设定温补系数的斜率，在小于70度时，可以不考虑RT1的影响，它主要用于在高温的时候对Vg进行细小的修正。从表1可以看到，热敏电阻RT1和R4的并联阻值从20度的114.9欧姆变到了70度的113.94欧姆，ΔR＝114.9-113.94=0.96欧姆，2脚流出的电流是I2＝5/(R1+R2)=5/(324+330)=0.007645A，由2脚电流产生的电压变化就是ΔV＝0.96×0.007645＝0.0070456V，也就是说50度的温度变化，由于热敏电阻引起的电压变化只有不到10mV，这时实际栅压变化可能就达到了150mV，而如果3脚输出的电流变化了0.5mA，则引起的电压变化就有ΔV＝0.0005×(R3+R4//RT1)=0.0005×(187+114)=0.1505V，所以这种温补电路的温补效果主要是3脚的电流变化引起的。拿LM78L05为例，如果用它做为电压调节IC，参看它的datasheet可以看到：可以看到从25度到75度，静态电流Iq（即3脚的输出电流）变化了0.2mA，这个变化的电流就是这种温补电路的关键。结语本文简单介绍了温补电路的原理和几个温补电路的实例，这几种温补电路在实际的工作中有着稳定的表现。但由于参数的离散性和LDMOS管的差别，对于不同的管子要经过反复的试验才能最终确定电路的参数。