LDMOS功率放大器的温度特性及温补电路设计

### LDMOS功率放大器的温度特性及温补电路设计 #### 一、引言 LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor）功率放大器作为一种专为射频功率放大器设计的改进型N沟道MOSFET，常工作在AB类模式下。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\( I_{D0} \)会升高；反之，当工作温度下降时，\( I_{D0} \)则会下降。通常情况下，当LDMOS管的散热器温度从20°C升高到100°C时，\( I_{D0} \)的变化幅度可达140%；而当温度降至0°C时，变化量也约为30%。 #### 二、LDMOS功率放大器的温度效应 ##### 2.1 器件的转移特性 器件的转移特性对于LDMOS功率放大器至关重要。以MRF18060为例，图1展示了不同散热器温度条件下漏极电流\( I_D \)与栅极电压\( V_{GS} \)之间的关系。当\( V_{GS} \)小于3V时，漏极电流几乎为零；当\( V_{GS} \)增大超过阈值电压\( V_{TH} \)时，跨导开始增加，漏极电流\( I_D \)正比于\( V_{GS}-V_{TH} \)增加至0.5A左右；之后，\( I_D \)随\( V_{GS} \)线性增加，直至约3A，进入线性区；当\( V_{GS} \)继续增大时，\( I_D \)接近极限值，进入饱和区。当管芯温度发生变化时，这些特性曲线会围绕一个特定点旋转，该点称为零温度系数点(ZTC)。在一定栅极偏置电压下，低于ZTC点电流时，\( V_{GS} \)随温度升高而降低，\( I_D \)随温度上升而上升，表现出正的温度特性；高于ZTC点电流时，电子迁移率随温度升高而降低，导致\( I_D \)下降，表现出负的温度特性。 ##### 2.2 温度系数分析 在0°C至80°C之间，为了保持静态电流\( I_{D0} \)为600mA，每当温度改变10°C，栅压就需要改变30mV，即LDMOS管芯栅压的温度系数大约为-3mV/°C。当温度超过90°C时，温度系数略有变化，但仍接近-3mV/°C；而在80°C至90°C之间变化时，温度系数略大于-3mV/°C。因此，为了保持LDMOS管静态工作电流\( I_{D0} \)的恒定，需要设计具有温度系数为-3mV/°C的温度补偿电路。 #### 三、偏置电路设计 ##### 3.1 偏置电路结构 经过优化的LDMOS管偏置电路如图2所示。电路中的电压调整器采用浮地设计，即不是直接与电路板连接，而是通过温补电路进行连接。对于该电路而言，可以得到以下公式： \[ V_{GS} = V_{REF} \times \left(\frac{R_1}{R_2} + 1\right) \] 假设参考电压\( V_{REF} \)相对稳定且不受温度影响，即\( dV_{REF} = 0 \)，则有： \[ dV_{GS} = dV_{REF} \cdot \left(\frac{R_1}{R_2} + 1\right) = 0 \] 可以看出，电路的温度补偿系数与电阻\( R_1 \)和\( R_2 \)没有直接关系，它们的变化不会影响电路的温度补偿能力。同时，\( V_{REF} \)由电压调整器输出，相对稳定，因此在给定温度下，LDMOS管的栅压\( V_{GS} \)是恒定的，从而确保静态电流\( I_{D0} \)的恒定。 ##### 3.2 温度补偿电路设计 利用二极管发射结正向压降\( V_{BE} \)的负温度系数特性，可以在放大状态下实现温度补偿。在饱和工作状态，\( V_{BE} \)的温度系数\( dV_{BE}/dT \)约为-1.7mV/°C；在放大状态下，对于锗管\( dV_{BE}/dT \)约为-1.55mV/°C，而对于硅管\( dV_{BE}/dT \)约为-2.2mV/°C。利用二极管发射结的这一特性，可以通过\( V_{BE} \)倍增电路原理来实现温度补偿。 LDMOS功率放大器的温度特性及其温补电路的设计是确保系统稳定运行的关键因素之一。通过合理设计偏置电路和温度补偿电路，可以有效地控制LDMOS管的温度敏感性，提高功率放大器的性能和可靠性。