一种新型的基于HBT的基极镇流电路
阅读：520发布：2023-01-11
专利汇可以提供一种新型的基于HBT的基极镇流电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种新型的基于HBT的基极镇流 电路 ，包括晶体管和镇流 电阻 ，镇流电阻包括共用镇流电阻和独立镇流电阻；晶体管的基极与独立镇流电阻的一端连接，独立镇流电阻的另一端与共用镇流电阻的一端连接，共用镇流电阻的另一端与 偏置电路 模 块 连接；晶体管的集 电极 与匹配电路模块和/或供电电路模块连接；晶体管的基极至少两个，每个基极与一一对应的独立镇流电阻的一端连接；共用镇流电阻至少两个，共用镇流电阻之间并联；本发明提供了一种防止 电流 增益坍塌产生，增强晶体管的热 稳定性 的基于HBT的基极镇流电路。，下面是一种新型的基于HBT的基极镇流电路专利的具体信息内容。
1.一种新型的基于HBT的基极镇流电路，其特征在于，包括晶体管和镇流电阻，镇流电阻包括共用镇流电阻和独立镇流电阻；晶体管的基极与独立镇流电阻的一端连接，独立镇流电阻的另一端与共用镇流电阻的一端连接，共用镇流电阻的另一端与偏置电路模块连接；晶体管的集电极与匹配电路模块和/或供电电路模块连接；晶体管的基极至少两个，每个基极与一一对应的独立镇流电阻的一端连接；共用镇流电阻至少两个，共用镇流电阻之间并联。
2.根据权利要求1所述的一种新型的基于HBT的基极镇流电路，其特征在于：晶体管包括基极、集电极和发射极，晶体管的发射极接地。
3.根据权利要求2所述的一种新型的基于HBT的基极镇流电路，其特征在于：晶体管的基极的独立镇流电阻满足如下公式：
其中β为晶体管的电流增益；Rth为器件的热阻；φ为热电反馈系数；BVceo为基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电压；n为载流子浓度；k为玻尔兹曼常数；T为器件工作温度；q为单位电荷量；Imax为晶体管最大工作电流。
4.根据权利要求3所述的一种新型的基于HBT的基极镇流电路，其特征在于：晶体管的电流增益β与温度T的变化满足如下关系：
β(T)＝β0·{1-8.068×10-4T-4.068×10-5T2+2.4556×10-7T3-6.117×10-10T4+5.334×
10-13T5}
其中β0是室温下的电流增益。
5.根据权利要求1所述的一种新型的基于HBT的基极镇流电路，其特征在于：独立镇流电阻阻值为100Ω至500Ω，共用镇流电阻为10Ω至50Ω。
一种新型的基于HBT的基极镇流电路
技术领域
背景技术
[0002] HBT在通讯、雷达、功率放大器和微波振荡器等领域有着广泛的应用，具有 输出功率高、高频特性优异、线性度宽和效率高的优点，随着无线通讯、光纤 通信和卫星通讯的飞速发展，HBT扮演着越来越重要的角色。而市场竞争的加剧 和成本的制约，促使着芯片尺寸不断减少，导致芯片热阻变大，加深自加热效 应和热耦合效应的影响，严重限制了HBT高功率处理能力。
[0003] HBT在功率应用时，为提高大电流处理能力和散热能力，通常设计为多晶体 管结构，多晶体管的HBT在高电流密度下工作时，每个晶体管被加热到不同的 温度，一般情况下中心晶体管的温度会比边界晶体管上的温度高，主要是由于 晶体管的自身耗散功率引发的自加热效应和晶体管间的热耦合效应。温度分布 不均匀的现象，会造成集电极电流分布不均匀，使得晶体管的工作特性退化， 如电流增益、功率增益、特征频率等。
发明内容
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种新型的基于HBT的基极镇流电路，包括晶体管和镇流电阻，镇流电阻 包括共用镇流电阻和独立镇流电阻；晶体管的基极与独立镇流电阻的一端连接， 独立镇流电阻的另一端与共用镇流电阻的一端连接，共用镇流电阻的另一端与 偏置电路模块连接；晶体管的集电极与匹配电路模块和/或供电电路模块连接； 晶体管的基极至少两个，每个基极与一一对应的独立镇流电阻的一端连接；共 用镇流电阻至少两个，共用镇流电阻之间并联。
[0007] 进一步的，晶体管包括基极、集电极和发射极，晶体管的发射极接地。
[0008] 进一步的，晶体管的基极的独立镇流电阻满足如下公式：
[0009]
[0010] 其中β为晶体管的电流增益；Rth为器件的热阻；φ为热电反馈系数；BVceo为 基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电压；n为载流子浓度；k为玻尔兹曼 常数；T为器件工作温度；q为单位电荷量；Imax为晶体管最大工作电流。
[0011] 进一步的，晶体管的电流增益β与温度T的变化满足如下公式：
[0012] β(T)＝β0·{1-8.068×10-4T-4.068×10-5T2+2.4556×10-7T3-6.117×10-10T4+-13 55.334×10 T}
[0013] 其中β0是室温下的电流增益。
[0014] 进一步的，独立镇流电阻阻值为100Ω至500Ω，共用镇流电阻为10Ω至 50Ω。
[0015] 本发明相比现有技术优点在于：本发明为达到同样的温度控制效果，基极 镇流电阻的阻值是发射极镇流电阻阻值的β+1倍，其功耗却是发射极镇流电阻 晶体管的1/(β+1)；其次，具有基极镇流电阻的晶体管能够抑制谐波和互调分量， 提高晶体管的线性度。
附图说明
附图说明
[0016] 图1为本发明的HBT基极镇流电路；
[0017] 图2为本发明晶体管的分布示意图；
[0018] 图3为本发明的HBT晶体管热模型。
[0019] 图中标识：第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、 第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第九晶体管 Q9、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12、第一独立镇流电 阻1、第二独立镇流电阻2、第三独立镇流电阻3、第四独立镇流电阻4、第五 独立镇流电阻5、第六独立镇流电阻6、第七独立镇流电阻7、第八独立镇流电 阻8、第九独立镇流电阻9、第十独立镇流电阻10、第十一独立镇流电阻11、 第十二独立镇流电阻12、第一共用镇流电阻13、第二共用镇流电阻14、第三共 用镇流电阻15、第四共用镇流电阻16。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
[0021] 如图1至图3所示，一种新型的基于HBT的基极镇流电路，包括晶体管和 镇流电阻，镇流电阻包括共用镇流电阻和独立镇流电阻；晶体管的基极与独立 镇流电阻的一端连接，独立镇流电阻的另一端与共用镇流电阻的一端连接，共 用镇流电阻的另一端与偏置电路模块连接；晶体管的集电极与匹配电路模块和/ 或供电电路模块连接；晶体管的基极至少两个，每个基极与一一对应的独立镇 流电阻的一端连接；共用镇流电阻至少两个，共用镇流电阻之间并联。晶体管 包括基极、集电极和发射极，晶体管的发射极接地。
[0022] 具体的连接电路举例如下：
[0023] 一种新型的基于HBT的基极镇流电路包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、 第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管 Q7、第八晶体管Q8、第九晶体管Q9、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第 十二晶体管Q12、第一独立镇流电阻1、第二独立镇流电阻2、第三独立镇流电 阻3、第四独立镇流电阻4、第五独立镇流电阻5、第六独立镇流电阻6、第七 独立镇流电阻7、第八独立镇流电阻8、第九独立镇流电阻9、第十独立镇流电 阻10、第十一独立镇流电阻11、第十二独立镇流电阻12、第一共用镇流电阻 13、第二共用镇流电阻14、第三共用镇流电阻15、第四共用镇流电阻16。
[0024] 其中，第一晶体管Q1的基极与第一独立镇流电阻1串联在一起，第二晶体 管Q2的基极与第二独立镇流电阻2串联在一起，第三晶体管Q3的基极与第三 独立镇流电阻3串联在一起，第四晶体管Q4的基极与第四独立镇流电阻4串联 在一起，第五晶体管Q5的基极与第五独立镇流电阻5串联在一起，第六晶体管 Q6的基极与第六独立镇流电阻6串联在一起，第七晶体管Q7的基极与第七独立 镇流电阻7串联在一起，第八晶体管Q8的基极与第八独立镇流电阻8串联在一 起，第九晶体管Q9的基极与第九独立镇流电阻9串联在一起，第十晶体管Q10 的基极与第十独立镇流电阻10串联在一起，第十一晶体管Q11的基极与第十一 独立镇流电阻11串联在一起，第十二晶体管Q12的基极与第十二独立镇流电阻 12串联在一起；第一独立镇流电阻1的另一端与第二独立镇流电阻2、第三独 立镇流电阻3的另一端并联在一起并与第一共用镇流电阻13连接在一起；第四 独立镇流电阻4的另一端与第五独立镇流电阻5、第六独立镇流电阻6的另一端 并联在一起并与第二共用镇流电阻14连接在一起；第七独立镇流电阻7的另一 端与第八独立镇流电阻8、第九独立镇流电阻9的另一端并联在一起并与第三共 用镇流电阻15连接在一起；第十独立镇流电阻10的另一端与第十一独立镇流 电阻11、第十二独立镇流电阻12的另一端并联在一起并与第四共用镇流电阻16连接在一起；第一共用镇流电阻13的另一端与第二共用镇流电阻14、第三 共用镇流电阻15、第四共用镇流电阻16的另一端以并联的形式连接在偏置电路 模块上。第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第 五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第九晶体管Q9、 第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12的发射极接地，集电极 以并联的形式连接在匹配电路模块和/或供电电路模块上。
[0025] 本具体例子以十二个晶体管作为范例阐述，显而易见的，晶体管的数量可 以为四个、八个或者更多个，不做任何限制。
[0026] 具体的其中晶体管的基极的独立镇流电阻满足如下公式(1)：
[0027]
[0028] 其中β为晶体管的电流增益；Rth为器件的热阻；φ为热电反馈系数；BVceo为 基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电压；n为载流子浓度；k为玻尔兹曼 常数；T为器件工作温度；q为单位电荷量；Imax为晶体管最大工作电流。
[0029] 通过设置独立镇流电阻，并调制合适阻值，使得电流增益β进一步降低，有 更多的基极电流流经基极镇流电阻，增大基极镇流电阻压降，降低基极-发射极 结压降，使区域内的晶体管的温度分布保持均匀，改善热稳定性。而通过设置 共用镇流电阻，并调制合适阻值，可进一步减小区域间晶体管的热耦合效应， 也可减小驱动级与功率级之间晶体管的热耦合，使晶体管温度分布更加均匀， 有效提高晶体管的功率输出能力和热稳定性。作为优选，独立镇流电阻阻值为 100Ω至500Ω，共用镇流电阻为10Ω至50Ω。
[0030] HBT的热模型由第一晶体管耗散功率P1、第二晶体管耗散功率P2、第三晶 体管耗散功率P3、第一晶体管热耦合系数theta1、第二晶体管热耦合系数theta2、 第三晶体管热耦合系数theta3、公共热耦合系数theta_common组成。
[0031] 以第一晶体管、第二晶体管的温度可表示为：
[0032] △T1＝(theta1+theta_common)·P1+theta_common·(P2+P3)
[0033] △T2＝(theta2+theta_common)·P1+theta_common·(P1+P3)
[0034] △T2-△T1＝theta2·P2-theta1·P1
[0035] 由于晶体管排布位置的区别，处于中间位置的第二晶体管的热耦合系数 theta2大于第一晶体管的热耦合系数theta1，使得中间的晶体管温度较高，两旁 的晶体管温度较低，晶体管的温度分布呈现不均匀的现象，将减弱晶体管的功 率输出能力和效率，严重时甚至引起晶体管电流崩塌。在常规的HBT基极镇流 电路中，通过调整独立镇流电阻的阻值，可减小区域内晶体管对间的热耦合效 应，使晶体管温度保持着均匀。但由于晶体管排布区域的不同，仍无法避免区 域与区域间温度不均衡的现象。而本方案的设置通过上述设置独立镇流电阻和 共用镇流电阻，并调节其阻值，则实现了进一步减小区域间晶体管的热耦合效 应，也减小了驱动级与功率级之间晶体管的热耦合，使晶体管温度分布更加均 匀，有效提高晶体管的功率输出能力和热稳定性。
[0036] 其中功率级、驱动级由如图2所示。功率级由第一晶体管cell J1、第二晶 体管cell J2、第三晶体管cell J3、第四晶体管cell J4组成，驱动级由第五 晶体管cell J5组成。由于第二晶体管cell J2位于功率级的中间位置，且第 五晶体管cell J5距离第二晶体管cell J2较近，第二晶体管cell J2的温度 相对最高，从而出现晶体管温度分布不均匀的现象。而本方案设置共用镇流电 阻应用于晶体管的基极，达到了减小区域与区域间晶体管的热耦合，还可减小 驱动级与功率级晶体管的热耦合，使得晶体管的整体温度分布更加均匀，同时 规避电流坍塌、输出功率下降等风险，提高了芯片的鲁棒性和抗热烧毁能力。
[0037] 由上可知，晶体管起电流放大和功率放大的作用，并联的晶体管分摊着功 率加载；镇流电阻以电阻的压降补偿由于晶体管自加热引起温度上升造成的内 建电压的变化，起稳定电路的作用。具体的晶体管的电流增益β与温度T的变化 满足如下公式(2)：
[0038] β(T)＝β0·{1-8.068×10-4T-4.068×10-5T2+2.4556×10-7T3-6.117×10-10T4+-13 55.334×10 T} 公式(2)
[0039] 其中β0是室温下的电流增益。由此可以得知晶体管工作时，随着集电极电 流的上升，结温也随之升高，伴随着自加热效应和晶体管间的热耦合效应，诱 导着热失衡的产生。如果电路中任一点存在着热失衡，增大的集电极电流和热 晶体管上的结温使得电流增益β降低，从而有更多的基极电流流经基极的独立镇 流电阻，增大基极独立镇流电阻压降，降低基极-发射极结压降。
[0040] 在实际应用中，晶体管的排布间距为20um至40um，以30um为最佳，此距 离可有效降低晶体管间的热耦合效应，使得晶体管的温度分布更加均衡，显著 提高晶体管的热稳定性。
[0041] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明保护范围内。
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