放大器的有源偏置电路

放大器的有源偏置电路

概要

有时候放大器的供电电压很接近器件的器件的额定电压。这样，这样对保证高低温下面的电流稳定性和器件之间稳定的偏置电压，带来了挑战。这篇文档讨论了一种有效并且低成本的解决方案。

介绍

为了获得稳定的偏置电流和稳定的射频性能，RFMD建议客户在供电电源上面串联一个电阻。在电阻两端存在2V电压差。这个电路的结构在图1（a）中显示。

图1

下面为了进一步讨论温度变化对器件的影响，我们可以把器件电压表述为Vd(T)。在电池电压操作的或者更低工作电压的环境下面，很多用户发现，要保证2V的压降，非常困难。这个问题可以用一个高稳定性的电流源解决。

图1（b）显示了用于有源偏置的一种恒流源。。通过合适的元器件选择，这个电路能够实现严格稳定的电流偏置。在Vd最大接近为Vcc的情况下面，直流转换效率能够达到90%。

图1

设计和性能

我们选择SGA-5589为例来说明。设计的目的是为了使放大器始终偏置在额定电流

60mA上面。温度范围是从-40度到+85度。供电电源是5V。

设计的例子

下面的一些内容就是用来探讨设计图1（b）部分的电路设计。在这里SGA-5589被选择用来做示范。设计的目标在5V电压情况下面，在高低温和不同器件之间保证稳定的偏置电流。

设计过程

SGA-5589的器件手册显示，60mA的电流能保证射频性能。在室温下面3.9V的器件电压能够保证电流60mA。

图2显示了室温下面的器件电压和电流的变化关系。

图2

器件的手册说明在25度时候，保证60mA电流条件下，电压范围是从3.5V到4.3V。从上图可以看出，很少有超过4.3V上限的。所以我们可以说有源偏置图1(b)需要保证器件的电压在4.3V。

图3显示了在60mA电流下面的，温度和电压的变化关系。

图3

在温度范围从-40C到85C，图3显示Vd的温度系数为-4.1mV/Deg.C。从室温到-40C，我们看到Vd增加了300mV。这里我们假设器件和器件之间的温度系数都一致的。那么我们得到Vref应该是(4.3+0.3+VCE(Q1))V。

这里我们选择ZETEX FMMT-717 PNP晶体管。VCEsat(Max)标定为-0.17V@1500mA。在电流是60mA的时候，VCE应该是(0.06/1.5)(-0.17)=-0.0068V。那么我们算出Vref应该是4.6+0.0068，约等于4.61V。考虑到多一点点余量，我们设定Vref=4.71V。

在图1(b)中，运算放大器的增益控制电阻决定了Vref的大小。因为在Vref和Vs之间的差很小，所以保证Vref的精度很重要。任何的电压错误，将会传到到电流上面。R1到R4的电阻，都需要用1%精度的。Rref的值通过下面的公式计算。

这个值可以通过一个5.1欧姆和91欧姆的电阻并联得到。可以使用5%精度的电阻。注意在这个设计里面，Vref和Vs成比例，这就意味着在负载上面的电流源直接和Vs成比例。

在图4中显示了不同的负载阻抗测试图。直流的转换效率表述成为负载阻抗的函数。

图4

注意最大的负载电压限定在4.6V以上。随着负载阻抗的增大，效率也在增加。最大为90%。

下图显示了完整的测试结果。我们可以看到测试结果满足了最初的设计要求。

结论

在这篇文档里面，我们谈到了一种让SGA-5589工作在60mA恒定偏置下面的电路。另外，通过重新设置电阻，可以让Vref更加接近Vs。

这个电路能够很容易被应用到RFMD目前的一些放大器中。

附录

恒流源偏置电路的设计流程

1．选择放大器和供电电源。保证供电电源大于器件电压的200mV。这里的器件电压指的是满足所有产品批次和温度变化要求。

2．参考器件手册，确定正常的器件偏置电流。计算Vref和Rref的值。

3．计算R1到R4的值。注意下面的比例关系：

一定要保证运算放大器的最小的输入偏移错误。

4．使用近似的Cd1和Cd2值。不要直接将Q1的发射极和地用退耦电容连接起来。这将会导致Q1工作不稳定。另外，也要避免运放的反向输入端和地之间有退耦电容。