一种TDD射频大功率LDMOS放大器栅压控制电路

摘要

本发明涉及一种TDD射频大功率LDMOS放大器栅压控制电路，该电路包括射频放大器、栅压温度补偿电路和栅极开关控制电路，其中栅极开关控制电路用于射频放大器的栅极偏置电压在地和正常工作栅压之间切换；栅极开关控制电路包括门电路U3，门电路U3的一个输入端接地，另一输入端接控制信号，输出端经低通偏置去耦网络连接射频放大器的栅极；门电路U3的供电端经去耦电容后与所述的栅压温度补偿电路的输出端连接；当控制信号为低电平时，门电路输出低电平，射频放大器关断；当控制信号为高电平时，门电路输出高电平，射频放大器正常工作。本发明的有益效果为：该电路具有极少的电路零件、成本低、功耗小、响应速度快、稳定等优点。

说明书

技术领域

本发明是应用于无线通信技术中的射频LDMOS功率放大器的栅压控制电路，特别涉及一种TDD射频大功率LDMOS放大器栅压控制电路。

背景技术

在时分双工模式的通信系统中(如TD-SCDMA，PHS)，信号的收发是在时间上相互分开的。对于TDD制式，功率放大器不仅需要输出大功率，而且功率放大器处于连续开关切换过程，使接收通道与发射通道的开关处于不同时间内。如果在接收时刻时发射通道仍没有关闭，则很容易造成通道间的干扰，严重时可引起器件自激损坏。因此TDD功率放大器必须具备高速开关切换的功能，同时可以降低功耗提高效率减少干扰。

LDMOS管是专为射频功放放大器设计的改进型N沟道MOSFET，常工作在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I_DQ升高；当工作温度降低时，I_DQ降低。一般地，当LDMOS管热沉温度从20℃升高到100℃时，其静态工作电流I_DQ变化140％；当温度降低至0℃时，变化量也有30％。I_DQ变化会影响系统地增益、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IDQ稳定，是功放板设计的关键点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、提供一种体积小、功耗低、响应速度快并且电路简单调试方便的射频LDMOS栅压开关控制电路，使放大器工作在TDD模式。

2、针对现有LDMOS管的特性，提供一种具有温度补偿机制的，可使大功率射频LDMOS放大器在不同温度下维持其静态工作电流的稳定，达到高功率与高效率的线性放大器的射频放大器偏压电路。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：这种TDD射频大功率LDMOS放大器栅压控制电路，该电路包括：

一射频放大器，用于将输入的射频信号经LDMOS管Q1放大后输出；

一栅压温度补偿电路，用于维持射频放大器在稳定的静态电流工作点，通过电阻网络和运算放大后，根据通过二极管的电压随温度的变化这种特性来改变LDMOS的栅压，从而达到补偿的目的；当温度降低时，栅压增大；当温度升高时，栅压减小；

一栅极开关控制电路，用于射频放大器的栅极偏置电压在地和正常工作栅压之间切换；

其中，栅极开关控制电路包括门电路U3，门电路U3的一个输入端接地，另一输入端接控制信号，输出端经低通偏置去耦网络连接射频放大器的栅极；门电路U3的供电端经去耦电容后与所述的栅压温度补偿电路的输出端连接；当控制信号为低电平时，门电路输出低电平，射频放大器关断；当控制信号为高电平时，门电路输出高电平(即射频LDMOS正常工作时的栅压)，射频放大器正常工作。

本发明所述栅压温度补偿电路包括一高精度电位器VR1，一肖特基二极管D1和一轨对轨运算放大器；所述高精度电位器VR1的3脚经一电阻R1后与电源稳定电路的输出端相连接，高精度电位器VR1的1脚经一电阻R2和去耦电容C5后与肖特基二极管D1的输入端相连接，肖特基二极管D1的输出端接地；所述高精度电位器VR1的2脚经去耦电容C6后与轨对轨运算放大器的正相输入脚5相连接，轨对轨运算放大器的反相输入脚6经电阻R3后到地；所述轨对轨运算放大器的反相输入脚6经电阻R4、R5后与轨对轨运算放大器的输出脚7相连接，轨对轨运算放大器的输出脚7经电阻R6、去耦电容C6、C7后与门电路U3的5脚相连接。

本发明所述电源稳定电路包括一温度特性很好的电源稳定芯片U1和四个电源去耦电容C1、C2、C3、C4；其中电源稳定芯片U1的输出端1脚经去耦电容C3、C4后与电阻R1相连接，电源稳定芯片U1的输入端3脚经去耦电容C1、C2后与高电压+28V相连接，电源稳定芯片U1的2脚接地。

本发明所述的栅极开关控制电路中去耦电容器连接在该耦合元件和该接地端之间，且作为高频信号的接地路径。

本发明所述的射频放大器中，J1为射频信号输入端，经过隔直流电容C10后与LDMOS管Q1的栅极相连接；+28V直流供电经过滤波电容C12、C13、C14后连到LDMOS管Q1的漏极，其中C12用于射频信号接地；射频信号经LDMOS管Q1放大后再通过隔直流电容C11后输出到J2端。

本发明的有益效果为：1、在本发明中，采用对大功率放大器LDMOS管的栅压进行时分控制。使系统在发射时隙时功率放大器打开，而在接收时隙功率放大器关断。本发明采用高速的门电路使射频LDMOS放大器的栅压在零偏和正常工作时的栅极偏置电压之间切换，从而放大器受控于控制信号，工作在时分状态并满足TDD的要求。结果避开了漏极电压与电流的大电压与大电流开关操作，即增加了放大器的可靠性，又大大提高了放大器及系统的电源利用效率。由于门电路体积小结构简单、响应速度快、价格便宜，因此本发明的栅极开关控制电路具有功耗小、响应速度快、成本低、电路简单且易实现等优点。2、本发明结合栅压开关控制电路，使二级管和运算放大器有机的结合在一起，随温度动态地调整LDMOS的栅压，从而使静态电流稳定，栅极温度补偿电路具有灵敏度高、调节方便快捷、稳定等优点。

附图说明

图1是本发明的工作原理方框示意图；

图2是本发明的具体电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明有机地将数字与模拟电路、低频与高频电路结合起来，巧妙地利用各种器件的特性，组合实现了新颖、实用、可靠低成本的LDMOS大功率TDD射频放大器的栅极控制电路。

如图1和图2所示，栅压开关控制电路构成：

门电路U3(或门、非门、与门、或非门、与非门等)；所述门电路U3的一个输入端(2脚)接地，另一输入端(1脚)接控制信号；所述门电路U3输出端(4脚)经低通偏置去耦网络(R7、C8、C9)连接射频放大器的栅极(Q1的1脚)；所述门电路U3的供电端(5脚)经去耦电容后与所述的栅压温度补偿电路的输出端连接；由于门电路的输出只有两种电平，当控制信号为低电平时，门电路输出低电平，射频放大器关断；当控制信号为高电平时，门电路输出高电平(即射频LDMOS正常工作时的栅压)，射频放大器正常工作；所述门电路将射频放大器的的栅极偏置电压在地和正常工作栅压之间切换，满足射频LDMOS放大器工作在TDD模式时所需的要求。

温度补偿电路构成：

一高精度电位器VR1，一肖特基二极管D1，一轨对轨运算放大器(U2B)；所述高精度电位器VR1的3脚经一电阻R1后与所述的电源稳定电路的输出端相连接；所述高精度电位器VR1的1脚经一电阻R2和去耦电容C5后与所述肖特基二极管D1的输入端相连接；所述肖特基二极管D1的输出端接地；所述高精度电位器VR1的2脚经去耦电容C6后与所述轨对轨运算放大器(U2B)的正相输入脚5相连接；所述轨对轨运算放大器(U2B)的反相输入脚6经电阻R3后到地；所述轨对轨运算放大器(U2B)的反相输入脚6经电阻R4、R5后与所述轨对轨运算放大器(U2B)的输出脚7相连接；所述轨对轨运算放大器(U2B)的输出脚7经电阻R6、去耦电容C6、C7后与权利要求1所述射频LDMOS放大器栅压关断电路中门电路U3的5脚相连接。

电源稳定电路的构成：

温度特性很好的电源稳定芯片U1，四个电源去耦电容C1、C2、C3、C4；所述电源稳定芯片U1的输出端1脚经去耦电容C3、C4后与权利要求2中的电阻R1相连接；所述电源稳定芯片U1的输入端3脚经去耦电容C1、C2后与高电压+28V相连接；所述电源稳定芯片U1的2脚接地。

RF LDMOS放大器的构成：

J1为射频信号输入端，经过隔直流电容C10后与LDMOS管Q1的栅极相连接；+28V直流供电经过滤波电容C12、C13、C14后连到LDMOS管Q1的漏极，其中C12有对射频信号接地的作用；射频信号经LDMOS管Q1放大后再通过隔直流电容C11后输出到J2端。

开关切换原理：

利用门电路的特性：即门电路输出的高电平等于门电路的供电电源，门电路输出的低电平等于接地电平。开关信号(ON/OFF)接或门U3的1脚。当或门U3的1脚输入控制电平为“0”时，其输出端4脚的电平为低电平，即4脚的输出电平等于3脚接地的电平。这样，因为或门U3的4脚直接连接LDMOS管Q1栅极的去耦滤波电容C8，这样输出到栅极的电压就为零，LDMOS管Q1就被关断；当当或门U3的1脚输入控制电平为“1”时，其输出端4脚的电平为高电平，即4脚的输出电平等于5脚的输入电平，而5脚的输入电平等于经过温度补偿调整好的LDMOS管Q1正常工作时的栅极偏置电压Vg，这样输出到栅极的电压就为正常要求的偏置电压，LDMOS管Q1处于正常工作状态。

为减少栅极电压开关切换时间，增加开关速度，电容C8的电容值≤1nF，但为了防止低频自激，将电容C6、C7的电容值取得较大，通常电容C6用ESR比较低的TAN电容。另外电容C9还有对高频信号接地的功能。

单开关信号处于“0”状态时，由于LDMOS管Q1处于关闭状态，几乎不消耗电源，大大提高了功率放大器的效率。

试验结果表明，开关的实际切换时间小于100nS，远远满足实际需求。

栅压温度补偿原理：

以稳定的电源作为参考，通过电阻R1、R2，电位器VR1和二级管D1组成的分压网络，从电位器VR1的2脚输出原始的LDMOS管Q1的栅极电压Vo，此电压经过运算放大器U2B放大后得到最终的栅极电压Vg。由于通过二极管D1的电压会随温度而变化，从而改变Vo的电压，最终影响Vg。当温度温度升高时，通过二极管D1的电压变小，Vo的电压也变小，Vg的电压也会变小；当温度降低时，通过二极管D1的电压会变大，Vo的电压也变大，Vg的电压也会变大。而LDMOS管的温度特性是：在静态工作电流一定的情况下，当温度升高时，栅极偏置电压Vg需要降低；当温度降低时，栅极偏置电压Vg需要升高。因此LDMOS管Q1和二级管D1的温度特性相同。通过调整电阻R3、R4、R5的值，从而改变运算放大器的放大倍数，使二级管D1的温度变化斜率与LDMOS管Q1的栅压的温度变化斜率基本相同，这样就可以达到补偿LDMOS管Q1栅压的目的。通过调整电阻R1、R2的值，不管电位器怎么改变都可以使栅压Vg控制在一个很小的范围内，从而提高电位器的调整精度，达到理想的栅压。运算放大器U2B的输出端7脚经过一个电阻R6(小于10欧姆)后和或门5脚相连接，是为了避免运算放大器输出端7脚直接与大电容C6相连接而产生低频自激。通过这样的温度补偿，使LDMOS管Q1工作在不同温度情况时都就有恒定的静态电流。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。