專利名稱：一種功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理領(lǐng)域，且特別涉及一種功率放大器。
背景技術(shù)：
射頻及微波毫米波功率放大器(Power Amplifier, PA)是射頻集成系統(tǒng)及射頻發(fā) 射器的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，包括GSM/CDMA/Bluetooth/無線局域網(wǎng) WLAN 等。無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks，WLAN)是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系 統(tǒng)，它利用射頻(Radio Frequency, RF)的技術(shù)，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線(Coaxial) 所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，達(dá)到隨時(shí)隨 地獲取信息的目的，它的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括低噪聲放大器、功率放大器，分別和各 自的帶通濾波相連，下變頻器與上變頻器皆連接于一頻域合成模塊，基帶處理單元和媒體 接入控制系統(tǒng)和下變頻器、上變頻器均相連，此外，該無線局域網(wǎng)絡(luò)還包括天線和開關(guān)等設(shè) 備。目前，利用CMOS工藝集成單芯片射頻收發(fā)機(jī)已經(jīng)有很多成功案例，但是在射頻收 發(fā)機(jī)前端片上集成高性能功率放大器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于功率放大器具有高輸出 功率，在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)功耗的絕大部分，而且功率放大器對(duì)工作頻率、帶寬、負(fù)載、輸出功 率、功率效率、線性度和成本都具有很高的要求。這些參數(shù)之間彼此折中，使得設(shè)計(jì)功率放 大器具有非常大的難度，基于不同協(xié)議和調(diào)制方式的功率放大器設(shè)計(jì)也具有不同的設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)考慮。基于無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的功率放大器從本質(zhì)上來說是一種將DC電源功率轉(zhuǎn)換到RF 及微波輸出功率的電路，在大部分情況下，功率放大器都不僅僅是一個(gè)驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)的小 信號(hào)放大器，而是大信號(hào)工作條件電路，具有極高的非線性特性，需要有針對(duì)性的非線性分 析技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而從無線局域網(wǎng)功率放大器的發(fā)展歷史來看，主要采用的技術(shù)包括砷化 鎵(GaAs)，磷鉀銦InGaP，和最為主流的RF CMOS技術(shù)。然而，前兩者由于工藝成本原因?qū)?致無法進(jìn)一步獲得更高的性價(jià)比和性能提升，后者由于工藝瓶頸導(dǎo)致性能并不能完全符合 功率放大的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中功率放大器性價(jià)比較低、性能提升較慢的問題，本發(fā)明提供 了一種性價(jià)比和性能均較高，且容易實(shí)現(xiàn)的功率放大器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種一種功率放大器，應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，包括 共射極放大級(jí)模塊；射極跟隨模塊，所述射極跟隨模塊至少包括一個(gè)晶體管，所述晶體管的 基極和所述共射極放大級(jí)模塊的輸出端相連；功率放大級(jí)模塊，和所述射極跟隨模塊相連?？蛇x的，所述共射極放大級(jí)模塊至少包括第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管和第一偏置端。
可選的，所述第一偏置端連接所述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極，所述 第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極相連，所 述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極 均接地。可選的，所述共射極放大級(jí)模塊還包括第三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，所述第三 鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極連接一電感后，和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的 集電極相連。可選的，所述射極跟隨模塊至少包括第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第五鍺化硅 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第八鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第二偏置端、第三偏置端和第四偏置端。可選的，所述第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極和所述第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極 晶體管的基極相連，所述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極和所述第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管的基極相連，所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極連接一電感后，和所述 第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極相連，所述第二偏置端和所述第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管的集電極相連，所述第三偏置端和所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極、所 述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極分別相連，所述第四偏執(zhí)端和所述第八鍺化硅異 質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極、集電極均相連，所述第四、第五、第六、第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管的發(fā)射極均接地?？蛇x的，所述功率放大級(jí)模塊至少包括第九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，所述第 九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極連接一電感后接地，集電極連接于一對(duì)相互并聯(lián)的電 容、電感的一端，基極和所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極相連。由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種功率放大器具有以下優(yōu) 點(diǎn)本發(fā)明提供的放大器中的晶體管均采用鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，與CMOS工藝技術(shù)相 比，本發(fā)明采用三級(jí)(分別為電壓，電流和電壓)放大的結(jié)構(gòu)，減少了匹配元件，具有更高的 特征頻率，能充分改善雙極器件的大信號(hào)性能，提高器件擊穿電壓，本發(fā)明應(yīng)用于無線局域 網(wǎng)，具有線性度高、功耗低和片上全集成等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中無線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明一種功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明一種功率放大器的三級(jí)輸出功率特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。首先，請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明一種功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖上可以看出，本發(fā)明一種功率放大器應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，包括共射極放大級(jí)模塊31 ；射極跟隨模塊32， 所述射極跟隨模塊至少包括一個(gè)晶體管，所述晶體管的基極和所述共射極放大級(jí)模塊31 的輸出端相連；功率放大級(jí)模塊33，和所述射極跟隨模塊相連。所述共射極放大級(jí)模塊31至少包括第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Tl、第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T2和第一偏置端BIASl。所述第一偏置端BIASl連接所述第一鍺化硅 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Tl的集電極，所述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Tl的基極和所述第二 鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T2的基極相連，所述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Tl的發(fā)射極 和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T2的發(fā)射極均接地。所述共射極放大級(jí)模塊31還包 括第三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T3，所述第三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T3的發(fā)射極連接 一電感L2后，和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T2的集電極相連，第三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管T3連接于一對(duì)相互并聯(lián)的電容Cl、電感Ll的一端。BIASl端接3. 5V電壓，與Tl 管及T2管形成電流鏡像提供第一級(jí)偏置，L2為射極負(fù)反饋電感，改善了輸入線性度。輸入RF信號(hào)通過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入T3管，通過線性放大和電容C2濾波輸入到下級(jí)。所述射極跟隨模塊32至少包括第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T4、第五鍺化硅 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T5、第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T6、第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 T7、第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T8、第二偏置端BIAS2、第三偏置端BIAS3和第四偏置端 BIAS4。所述第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T4的基極和所述第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 T5的基極相連，所述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T6的基極和所述第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管T8的基極相連，所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T7的發(fā)射極連接一電感后，和 所述第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T5的集電極相連，所述第二偏置端BIAS2和所述第四鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T4的集電極相連，所述第三偏置端BIAS3和所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié) 雙極晶體管T7的基極、所述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T6的集電極分別相連，所述第四 偏執(zhí)端BIAS4和所述第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T8的基極、集電極均相連，所述第四、第 五、第六、第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極均接地。第三偏置端BIAS3和第四偏置端 BIAS4的連接端均連接負(fù)載電阻Rl和R2，射極跟隨模塊32還包括一電感L3，連接于第七鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T7和第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T5之間。BIAS2端接5V電壓， 與T4管及T5管組成電流鏡像提供第二級(jí)偏置，BIAS3端接1. 65V電壓，BIAS4端接12V電 壓，與T6管，T8管及電阻Rl組成鏡像電流源，為T7管提供穩(wěn)定溫度系數(shù)的電流偏置，T7管 及電感L3為射極跟隨器電路，在L3上形成功率預(yù)放大輸出。射極跟隨模塊32所示的射極 跟隨模塊采用射極跟隨器輸出，電壓增益基本為1，該結(jié)構(gòu)巧妙地使共射極放大級(jí)模塊31 輸出直接導(dǎo)入晶體管的基極，避免了大尺寸且易耗的級(jí)間匹配，利用Bias 3及電阻Rl提供 基極偏置電流，并采用晶體管T4及T5鏡像大電流的方式提高相對(duì)基極偏置的集電極輸出 電流，增大了電流放大倍數(shù)。且該電流差值直接作為功率放大級(jí)模塊33級(jí)功率放大級(jí)的基 極偏置電流。所述功率放大級(jí)模塊33至少包括第九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T9，所述第九鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T9的發(fā)射極連接一電感L5后接地，集電極連接于一對(duì)相互并聯(lián)的 電容C3、電感L4的一端，基極和所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T7的基極相連，在第七 鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T7和第九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管T9之間，還設(shè)置有一相互串 聯(lián)的電阻R3和電容C4。T9管及電感L5是帶射極負(fù)反饋的核心功率放大級(jí)，R3及C4組成 輸出負(fù)反饋以降低輸出電阻，電感L4與C3組成諧振網(wǎng)絡(luò)，在2. 4GHz處完成功率轉(zhuǎn)換。最后，請(qǐng)參考圖3，圖3為本發(fā)明一種功率放大器的輸出功率特性曲線圖，圖中橫 坐標(biāo)為輸入功率，單位為dBm，縱坐標(biāo)為輸出功率，單位也為dBm，橫軸與縱軸均為對(duì)數(shù)坐 標(biāo)。由于非線性的存在，諧波量會(huì)導(dǎo)致功率放大器的輸出是輸入的一個(gè)壓縮或飽和函數(shù)。圖3中，LO為本發(fā)明中不考慮諧波失真量的線性輸出曲線，Ll為真實(shí)輸出曲線。根據(jù)無線局 域網(wǎng)WLAN802. Ilb協(xié)議要求，線性輸出功率必須大于15dBm，為了滿足這一要求，常用的方 法是采用“功率回退” (power backoff)，即輸入功率每減少ldB，三階交調(diào)量下降2dB。A點(diǎn) 為功率增益下降IdB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入功率及輸出功率點(diǎn)，可見，圖中A點(diǎn)代表的輸出功率IdB 壓縮點(diǎn)達(dá)到了 21dBm，提供了 6dB的功率回退余量，也即12dB的三階交調(diào)回退余量，充分符 合無線局域網(wǎng)WLAN802. Ilb的性能要求。鍺硅異質(zhì)結(jié)晶體管的工作過程基于復(fù)雜半導(dǎo)體GaAs的原理，其基本思想在于，發(fā) 射極可以作的很薄以降低基極電阻，基區(qū)引入重?fù)诫s，工作頻率也可以相應(yīng)得到很大提升。 鍺化硅制成基區(qū)的鍺化硅BiCMOS技術(shù)可以提供很高的工作頻率，并同時(shí)大幅降低基區(qū)電 阻，并具有接近GaAs性能優(yōu)勢(shì)的大信號(hào)性能，同時(shí)與RF CMOS的同工藝平臺(tái)特性使得這種 技術(shù)的成本得到大幅下降，非常適應(yīng)于大規(guī)模功率器件的設(shè)計(jì)。與之前的無線局域網(wǎng)功率放大器相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)以采用0. 18μπι鍺 化硅BiCMOS工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的鍺化硅功率放大器為例說明之。1、線性度高本發(fā)明的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的鍺化硅功率放大器最終應(yīng)用在無線局域網(wǎng)系統(tǒng) 802. llb/g模式中，分別采用補(bǔ)碼鍵控調(diào)制(CCK)及正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)模式，即使開 關(guān)類功率放大器(如E類和F類放大器)可提供更高的功率效率，但是無法滿足調(diào)制模式 的線性度要求，故本發(fā)明的三級(jí)AB類功率放大器結(jié)構(gòu)可以提供極高的符合無線局域網(wǎng)應(yīng) 用的線性功率放大。2、功耗低本發(fā)明的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的鍺化硅功率放大器的低功耗特性用以下指標(biāo)表征 本發(fā)明的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的鍺化硅功率放大器的供電電壓為3. 3V，低于傳統(tǒng)CMOS功率 放大器的5V供電及GaAs器件的12V供電。3、片上全集成本發(fā)明的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的鍺化硅功率放大器采用片上全集成設(shè)計(jì)，包括有源 器件及無源阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。在已有的功率放大器設(shè)計(jì)中，極少可以實(shí)現(xiàn)在2. 4GHz的片上全 集成功率放大。片上全集成的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以減少外部匹配帶來的不確定因素和相關(guān)寄生量。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因 此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種功率放大器，應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，其特征在于，包括共射極放大級(jí)模塊；射極跟隨模塊，所述射極跟隨模塊至少包括一個(gè)晶體管，所述晶體管的基極和所述共射極放大級(jí)模塊的輸出端相連；功率放大級(jí)模塊，和所述射極跟隨模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述共射極放大級(jí)模塊至少包括 第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管和第一偏置端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率放大器，其特征在于所述第一偏置端連接所述第一鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極，所述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極和所述第二鍺 化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極相連，所述第一鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極和所述第 二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極均接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述共射極放大級(jí)模塊還包括第 三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，所述第三鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極連接一電感后， 和所述第二鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述射極跟隨模塊包括第四鍺化 硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第七 鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、第二偏置端、第三偏置端和第四 偏置端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率放大器，其特征在于所述第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管的基極和所述第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極相連，所述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管的基極和所述第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極相連，所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極 晶體管的發(fā)射極連接一電感后，和所述第五鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極相連，所述 第二偏置端和所述第四鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極相連，所述第三偏置端和所述第 七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極、所述第六鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極分別相 連，所述第四偏執(zhí)端和所述第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極、集電極均相連，所述第 四、第五、第六、第八鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極均接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述功率放大級(jí)模塊至少包括第 九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，所述第九鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的發(fā)射極連接一電感后接 地，集電極連接于一對(duì)相互并聯(lián)的電容、電感的一端，基極和所述第七鍺化硅異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管的基極相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率放大器，包括共射極放大級(jí)模塊；射極跟隨模塊，所述射極跟隨模塊至少包括一個(gè)晶體管，所述共射極放大級(jí)模塊的輸出端和所述晶體管的基極相連；功率放大級(jí)模塊，和所述射極跟隨模塊相連，本發(fā)明提供的功率放大器應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，具有線性度高、功耗低和片上全集成等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03F3/21GK101841306SQ20101018738
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者任錚, 周偉, 王勇, 王彬, 胡少堅(jiān) 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司