一种自定义功率晶体管伏安特性的电路结构制造技术

本发明专利技术公开了一种自定义功率晶体管伏安特性的电路,属于无线通信技术领域，为解决上述传统功放电路在使用功率晶体管设计功率放大器时输出波形失真的问题，本发明专利技术提出了一种带有自适应栅极电压调节模块的自定义特性功率晶体管实现技术。该技术能够自定义功率晶体管的伏安特性，如实现恒流源特性来消除输出信号的波形失真。

【技术实现步骤摘要】
一种自定义功率晶体管伏安特性的电路结构
本专利技术属于无线通信
，具体为设计一种可以实现自定义特性的功率晶体管，以满足功率放大器在各种要求下的应用。
技术介绍
在下一代4G/5G通信系统中，要求功率放大器在特定频带或宽频带内以高功率和高效率工作，以提供多频带和多标准操作。某些功率晶体管已经显示出在高频高功率应用中的应用前景，通过使用创新的Doherty结构，可以实现高达100W的平均输出功率时50-60％的漏极效率，从而显著降低蜂窝发射机的成本、尺寸和功耗。这些功率晶体管优势特性包括高击穿电压、高电流密度、高转换频率(fT)、低导通电阻和低寄生电容，这些特性满足高功率、宽带和高工作效率的需求。高功率密度能够实现物理上紧凑的设计，而高直流电源电压操作和低寄生输出电容导致较高的负载阻抗，从而易于获得宽的操作带宽。漏极-电源击穿电压超过150V，无论驱动电平或谐波负载环境如何，都能在50V下进行坚固的操作。然而，虽然SiC衬底的使用对功率晶体管有良好的散热效果，它们的大功耗仍会导致大量的自加热，这对它们的电性能有不利影响。因此解决与温度上升有关的可靠性问题是至关重要的。在传统功放电路中，所使用的主晶体管工作在恒流区且有较好的恒流特性，即漏极电流Id只受栅极电压Vg控制，而与漏极电压Vd几乎无关。这样，即使输入信号的变化使得漏极电压Vd发生改变，这种改变也不会对漏极电流Id造成影响。因此，功放电路在对输入信号进行功率放大的同时，不会使输出信号的波形发生失真。然而功率晶体管由于自热效应的存在，恒流特性较差，表现为漏极电流Id不仅受栅极电压Vg的控制，同时会随着漏极电压Vd的上升而下降。功率晶体管的这种伏安特性会使其在应用于传统功放电路中时造成输出信号的波形失真。
技术实现思路
为解决上述传统功放电路在使用功率晶体管设计功率放大器时输出波形失真的问题，本专利技术提出了一种带有自适应栅极电压调节模块的自定义特性功率晶体管实现技术。该技术能够自定义功率晶体管的伏安特性，如实现恒流源特性来消除输出信号的波形失真。本专利技术将传统功放中的栅极电压偏置网络替换为智能栅极电压调节模块。该电压调节模块通过识别输入信号的幅度，对栅极电压进行同步调节，进而改变漏极电流。这种改变可以通过人为进行调节，实现自定义伏安特性的功率晶体管。由于电压调节模块需要感知输入信号的幅度变化，则需要将输入信号通过信号分离模块分为两路，分离出的一部分输入信号进入信号感知模块，然后由信号感知模块控制电压调节模块对栅极电压进行调节。输入信号的另一部分则进入功放模块，经功率放大后通过射频输出端输出。因此本专利技术技术方案为一种自定义功率晶体管伏安特性的电路，该电路包括：信号分离模块、信号处理模块、功率晶体管、栅极电压调节模块；其中，外部匹配信号输入所述信号分离模块，经过信号分离模块后分为占大部分功率的功放功率和占小部分功率的控制功率，其中功放功率输入功率晶体管的栅极，控制功率输入信号处理模块，所述信号处理模块的输出连接到栅极电压调节模块，栅极电压调节模块的输出连接功率晶体管的栅极，用于控制功率晶体管，功率晶体管源极接地，漏极为输入端。综上所述，本专利技术提出的结构包含四个模块，信号分离模块、信号处理模块，栅极电压调节模块，功放模块。本专利技术主要效果为，提出了一种新型功放结构，引入栅极电压调节模块，功能为通过调节栅极电压来对漏极电流产生影响，从而实现自定义特性的功率晶体管。附图说明图1是本专利技术提出的用栅极电压调节模块实现自定义功率晶体管伏安特性的原理框图。图2是本专利技术的一种具体实施方式。图3是实测CG2H40010F的I-V特性曲线。图4是欲实现的理想恒流源的I-V特性曲线。图5是栅极电压调节模块实现的电压映射。图6是本专利技术提出的另外一种基于开关控制实现自定义功率晶体管伏安特性的原理框图。具体实施方式为了使得本专利技术实施目的、技术方案更加明确化，在下面将结合专利技术中一种具体能够实现的结构的附图、以功率晶体管在功率放大器中的应用为例进行详细阐述。基于栅极电压调节模块实现恒流源的原理框图如图1所示，主要由四个模块组成：信号分离模块1：可以使用不等分的功分器或耦合器实现，主要功能为实现输入信号功率与信号的分离，其中信号分离模块的输入端接输入匹配电路，其中一个输出端输出射频输入信号的绝大部分功率，并与主功放模块的输入端相连；另一个输出端输出射频输入信号的极小部分功率，并与信号处理模块相连。功率晶体管2：设计方法为传统功率晶体管设计，其主要功能为输出功率。信号处理模块3：采用FPGA电路的查代表功能实现，该模块主要功能是处理耦合器耦合端(或者不等分功分器其中一端)的输出信号，并与栅极电压调节模块相连，控制栅极电压调节模块对栅极电位进行调节。栅极电压调节模块4：采用一个压控电压源(VCV)实现，其主要功能为接收信号处理模块的输出信号并调节功率晶体管栅极的电位，使其漏极电流恒定。信号通过输入匹配电路之后首先经过信号分离模块1，分别产生功率晶体管2和信号处理模块3的输入信号。对于传入主功放的信号，其原理和传统功率放大器一样，由输出网络产生放大后的信号。对于传入信号处理模块的信号，经过处理后进入栅极电压调节模块，通过调节栅极的电位来抵消掉由漏极电压变化而引起的漏极电流的变化，进而实现功率晶体管作为一个恒流源应用于功率放大器中。最终，射频输出端输出的是经过功率放大的且无失真的射频信号。本专利技术以Cree公司的CG2H40010F管子为例，对栅极电压调节模块的工作过程作具体描述。图3是实测CG2H40010F管子的I-V特性曲线，容易看出漏极电流数值不仅受栅极电压影响，同时还受漏极电压的影响。本专利技术意在实现漏极电流不受漏极电压影响的功率晶体管，这种情况下的理想I-V特性曲线如图4所示。栅极电压调节模块的输入输出关系实际上是一个数值映射：Vgout＝f(Vgin)，其中Vgin是信号处理模块结合偏置电压输入到栅极电压调节模块的电压，在没有栅极电压调节模块的情况下，该电压即为晶体管栅极的电压。在图4理想的I-V特性曲线中，令Vgg＝Vgin，结合负载线确定漏极电压Vdd和漏极电流Id，然后在图3实际的I-V特性曲线中结合负载线确定与Id对应的栅极电压，并令Vgout等于该栅极电压，映射完成，该映射如图5所示。除了图4这样相当于恒流源的伏安特性曲线，也可以改变Vgout＝f(Vgin)的映射法则f，即可实现任意伏安特性的功率晶体管，即自定义特性功率晶体管的伏安特性。最后，本专利技术另外提出一种基于开关控制自定义功率晶体管伏安特性实现方法，即在原本晶体管的位置，用一种全新的集成电路结构代替，如图6所示。这种集成电路结构由若干个并联关系的MOS管组成，且每一只MOS管均与一个可控制通断的开关串联，这些开关可通过外接的开关控制模块控制其通断的数量。图6是这种基于开管控制实现方法的原理框图。这种电路结构共由6个模块组成，其中模块1、6为信号分离模块，由耦合器实现，主要作用是将输入信号与输出信号的耦合信号输入到信号处理模块；模块2、5是信号处理模块，主要功能是对信号作一定的运算处理，该模块不仅处理输入信号的耦合信号，还会处理输出信号的耦合信号，加入这样的反馈回路会使得电路在工作时，其特性自定义的实现更加精确；模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自定义功率晶体管伏安特性的电路，该电路包括：信号分离模块、信号处理模块、功率晶体管、栅极电压调节模块；其中，外部匹配信号输入所述信号分离模块，经过信号分离模块后分为占大部分功率的功放功率和占小部分功率的控制功率，其中功放功率输入功率晶体管的栅极，控制功率输入信号处理模块，所述信号处理模块的输出连接到栅极电压调节模块，栅极电压调节模块的输出连接功率晶体管的栅极，用于控制功率晶体管，功率晶体管源极接地，漏极为输入端。

【技术特征摘要】
1.一种自定义功率晶体管伏安特性的电路，该电路包括：信号分离模块、信号处理模块、功率晶体管、栅极电压调节模块；其中，外部匹配信号输入所述信号分离模块，经过信号分离模块后分为占大部分功率的功放功率和占小部分功率的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：游飞，张硕，李川，何松柏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51