射频功放的温度特性及其温补电路总结.pdf

LDMOS 功率放大器的温度特性及其温补电路设计功率放大器的温度特性及其温补电路设计 引言引言 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 1Idq 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：Zero Temperature Coefficient Point） 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）×Vbe ΔVd＝（1＋R2/R1）×ΔVbe ΔVbe＝－2mV/度 取 R1＝2.2K，R2＝1.2K 则ΔVd＝－3 mV/度 约等于 LDMOS 管的温度变化系数 采用二极管的温补电路 Vd Vd＝V4148×2＋V1K ΔVd＝2ΔV4148 ΔV4148＝－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 ， Δ R ＝ 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。