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一種考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器的制作方法

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一種考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器的制作方法與工藝

本實(shí)用新型涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管射頻功率放大器和集成電路領(lǐng)域,特別是針對(duì)超寬帶收發(fā)機(jī)末端的發(fā)射模塊應(yīng)用的一種高效率、高輸出功率、高增益的分布式功率放大器。



背景技術(shù):

隨著電子戰(zhàn)、軟件無(wú)線電、超寬帶通信、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等軍用電子對(duì)抗與通信、民用通信市場(chǎng)的快速發(fā)展,射頻前端收發(fā)器也向高性能、高集成、低功耗的方向發(fā)展。因此市場(chǎng)迫切的需求發(fā)射機(jī)的射頻與微波功率放大器具有超寬帶、高輸出功率、高效率、低成本等性能,而集成電路正是有望滿足該市場(chǎng)需求的關(guān)鍵技術(shù)。

然而,當(dāng)采用集成電路工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)射頻與微波功率放大器芯片電路時(shí),其性能和成本受到了一定制約,主要體現(xiàn):

(1)高功率高效率放大能力受限:半導(dǎo)體工藝中晶體管的柵長(zhǎng)越來(lái)越短,由此帶來(lái)了低擊穿電壓和高膝點(diǎn)電壓,從而限制了單一晶體管的功率容量。為了獲得高功率能力,往往需要多路晶體管功率合成,但是由于多路合成網(wǎng)絡(luò)的能量損耗導(dǎo)致功率放大器的效率比較低,因此高功率、高效率能力較差。

(2)超寬帶高功率放大能力受限:為滿足高功率指標(biāo)就需要多個(gè)晶體管功率合成,但是多路合成的負(fù)載阻抗大大降低,從而導(dǎo)致了很高的阻抗變換比;在高阻抗變換比下,實(shí)現(xiàn)寬帶特性是極大的挑戰(zhàn)。

常見(jiàn)的超寬帶高功率放大器的電路結(jié)構(gòu)有很多,最典型的是傳統(tǒng)分布式放大器,但是,傳統(tǒng)分布式放大器要同時(shí)滿足各項(xiàng)參數(shù)的要求十分困難,主要是因?yàn)椋?/p>

①在傳統(tǒng)的分布式功率放大器中,核心放大電路是多個(gè)單一場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET(field-effect transistor)采用分布式放大排列的方式實(shí)現(xiàn),由于單一場(chǎng)效應(yīng)晶體管其功率增益較低、最佳阻抗偏低、隔離度較差、因此也導(dǎo)致反射特性惡化,從而降低了合成效率;

②傳統(tǒng)分布式放大器的設(shè)計(jì)中為了分析簡(jiǎn)單,往往忽略了密勒電容對(duì)于電路的影響,從而導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完后需要大量的工作進(jìn)行電路調(diào)試,耗費(fèi)了大量的人力物力,降低了電路設(shè)計(jì)效率;

③此外,為了降低了密勒效應(yīng)對(duì)于電路的影響,也有采用Cascode雙晶體管分布式放大結(jié)構(gòu),但是Cascode雙晶體管雖然增加了電路隔離度,卻無(wú)法改善功率增益等指標(biāo),也無(wú)法實(shí)現(xiàn)Cascode雙晶體管間的最佳阻抗匹配,從而降低了輸出功率特性。

由此可以看出,基于集成電路工藝的超寬帶射頻功率放大器設(shè)計(jì)難點(diǎn)為:超寬帶下高功率輸出、高功率增益難度較大;傳統(tǒng)單個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)或Cascode晶體管的分布式放大結(jié)構(gòu)存在很多局限性。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器,結(jié)合了單個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)放大器和分布式放大器的優(yōu)點(diǎn),具有超寬帶下高功率輸出能力、高功率增益、良好的輸入、輸出匹配特性,且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器,包括分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)、考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線、考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線、第一偏置電壓及第二偏置電壓,所述分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)由k個(gè)三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)組成,其中k大于等于3,所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)由三個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成,

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的源極接地,柵極通過(guò)并聯(lián)的RC穩(wěn)定電路連接到所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線,

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的中間層的晶體管的柵極通過(guò)饋電電阻連接到所述第一偏置電壓,同時(shí),所述柵極連接補(bǔ)償電路;

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極通過(guò)分壓電阻連接到所述第二偏置電壓,同時(shí),所述柵極連接補(bǔ)償電路;漏極連接到所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線。

本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型核心架構(gòu)采用分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò),分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)至少由三個(gè)三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)組成,三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)由三個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成,同時(shí),本實(shí)用新型考慮了三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對(duì)于人工傳輸線的等效電容的影響,提高了電路設(shè)計(jì)的精確性,降低了電路后期調(diào)試的難度,使得整個(gè)功率放大器獲得了良好的寬帶功率輸出能力和功率增益能力,避免了集成電路工藝的低擊穿電壓特性,提高電路的穩(wěn)定性與可靠性。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本實(shí)用新型還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步,所述中間層的晶體管及最上層的晶體管的柵極補(bǔ)償電路均由柵極補(bǔ)償電阻與柵極補(bǔ)償電容連接接地組成。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果,三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的柵極補(bǔ)償電容是容值較小的電容,用于實(shí)現(xiàn)柵極電壓的同步擺動(dòng),可以提高輸出功率,改善隔離特性,實(shí)現(xiàn)三堆疊晶體管間的阻抗匹配,同時(shí)獲得良好的高頻特性;穩(wěn)定電路。

進(jìn)一步,所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線由柵極吸收負(fù)載、柵極隔直電容、柵極饋電電感、k+1個(gè)柵極傳輸線等效電感和k個(gè)柵極傳輸線等效電容構(gòu)成。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是考慮了三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對(duì)于人工傳輸線的等效電容的影響,大大提高了電路設(shè)計(jì)的精確性,降低了電路后期調(diào)試的難度。

進(jìn)一步,所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線由漏極吸收負(fù)載、漏極隔直電容、漏極饋電電感、k+1個(gè)漏極傳輸線等效電感和k個(gè)漏極傳輸線等效電容構(gòu)成。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是考慮了三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對(duì)于人工傳輸線的等效電容的影響,大大提高了電路設(shè)計(jì)的精確性,降低了電路后期調(diào)試的難度。

進(jìn)一步,所述分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)為有源放大網(wǎng)絡(luò),考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果,提高設(shè)計(jì)精度,縮短設(shè)計(jì)周期。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型功率放大器原理框圖;

圖2為本實(shí)用新型中三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)原理框圖;

圖3為本實(shí)用新型功率放大器電路圖;

圖4本實(shí)用新型中對(duì)應(yīng)于三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的電路原理圖;

圖5為本實(shí)用新型晶體管簡(jiǎn)化小信號(hào)等效模型的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述,所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型,并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。

如圖1、圖2所示,本發(fā)明提供了一種考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器,是一種采用分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)為核心的超寬帶射頻功率放大器,采用集成電路工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),該分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)為有源網(wǎng)絡(luò),考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。

該功率放大器,包括分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)、考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線、考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線、第一偏置電壓及第二偏置電壓,所述分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)至少由三個(gè)三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)組成,所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)由三個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成,

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的源極接地,柵極通過(guò)并聯(lián)的RC穩(wěn)定電路Cgk和Rgk連接到所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線,

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的中間層的晶體管的柵極通過(guò)饋電電阻Rgbk連接到所述第一偏置電壓Vgg,同時(shí),所述柵極連接由柵極補(bǔ)償電阻與柵極補(bǔ)償電容連接接地組成的補(bǔ)償電路Cggk和Rggk

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極通過(guò)分壓電阻Rggbk連接到所述第二偏置電壓Vggg,同時(shí),所述柵極連接由柵極補(bǔ)償電阻與柵極補(bǔ)償電容連接接地組成的補(bǔ)償電路Cgggk和Rgggk;漏極連接到所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線。

如圖3、圖4所示,本發(fā)明的分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò)是基于3×k個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,k一般大于等于3,三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)由三個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成,將k個(gè)三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)組成分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò),保證整個(gè)電路能有較大的超寬帶功率輸出,實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的放大。

所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線由柵極吸收負(fù)載Rgload、柵極隔直電容Cgload和Cg、柵極饋電電感Lg、k+1個(gè)柵極傳輸線等效電感Lgk和k個(gè)柵極傳輸線等效電容Cink構(gòu)成,用以實(shí)現(xiàn)放大器的柵極人工傳輸線的匹配、偏置等功能;所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線由漏極吸收負(fù)載Rdload、漏極隔直電容Cdload、Cd、漏極饋電電感Ld、k+1個(gè)漏極傳輸線等效電感Ldk和k個(gè)漏極傳輸線等效電容Coutk構(gòu)成,用以實(shí)現(xiàn)放大器的漏極人工傳輸線的匹配、偏置等功能。

如圖5所示為本實(shí)用新型電路中考慮了密勒效應(yīng)的晶體管簡(jiǎn)化小信號(hào)模型,該小信號(hào)模型用于分析求解該功率放大器中的關(guān)鍵電路參數(shù),具體的求解方法為:

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的中間層的晶體管的柵極補(bǔ)償電容為Cggk

其中,Cgs為晶體管柵源電容,Cgd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容,單位均為pF;gm為晶體管跨導(dǎo),單位為mS,Zopt=Ropt+jXopt為晶體管最佳負(fù)載阻抗,單位均為Ω。

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極補(bǔ)償電容為Cgggk

其中,Cgs為晶體管柵源電容,Cgd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容,單位均為pF;gm為晶體管跨導(dǎo),單位為mS,Zopt=Ropt+jXopt為晶體管最佳負(fù)載阻抗,單位均為Ω。

所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效輸入電容為Cintk

Cintk=(A22B2)/(ω2BY0-(B0+ω(Cgd+Cds))Aω)

所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效輸出電容為Coutk

Coutk≈Cds/3

其中,A=ω2Cgd2-ω(B0+ω(Cgd+Cds))(Cgs+Cgd),,.B=(Cgs+Cgd)Y0+Cgdgm

Yopt=Y(jié)0+jB0=1/Zopt,Cgs為晶體管柵源電容,Cgd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容,單位均為pF;gm為晶體管跨導(dǎo),單位為mS;Zopt=Ropt+jXopt為晶體管最佳負(fù)載阻抗,單位均為Ω;ω為基波角頻率,單位為rad/s;Cds為晶體管漏源電容。

所述三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的柵極連接的并聯(lián)RC穩(wěn)定電路中的輸入耦合電容為Cgk

其中,Cintk為考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的柵極傳輸線等效電容,Coutk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效電感及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效電感分別為L(zhǎng)gk和Ldk

其中,k為整數(shù),k≥3;Z0為微帶線的特征阻抗,一般為50Ω;Coutk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

基于上述電路參數(shù)求解方法,通過(guò)綜合調(diào)整晶體管Md1~Mdk、Mm1~Mmk和Mu1~Muk的尺寸大小,人工傳輸線電感Lg1~Lg(k+1)和Ld1~Ld(k+1)的大小,補(bǔ)償電容Cgg1~Cggk和Cggg1~Cgggk的大小等,可以使本實(shí)用新型的整個(gè)放大器電路在超寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入及輸出良好的阻抗匹配、高功率增益、良好的功率增益平坦度。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程為:射頻輸入信號(hào)通過(guò)輸入端IN進(jìn)入電路,通過(guò)輸入隔直耦合電容Cg,以電壓分布式的方式進(jìn)入柵極人工傳輸線Lgk、Lg(k+1)和Cink,然后進(jìn)入Cgk和Rgk構(gòu)成的柵極RC穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),然后以電壓分布式進(jìn)入三晶體管堆疊放大網(wǎng)絡(luò)的最底層的晶體管Mdk的柵極,然后分布式形式從晶體管Mdk的漏極輸出,進(jìn)入晶體管Mmk的源極,然后從中間層的晶體管Mmk的漏極輸出,再進(jìn)入最上層的晶體管Muk的源極,然后從晶體管Muk的漏極輸出,以電壓分布式的方式進(jìn)入漏極人工傳輸線Ldk、Ld(k+1)和Coutk,然后通過(guò)輸出隔直耦合電容Cd,進(jìn)入輸出端OUT完成信號(hào)功率放大。

基于上述電路分析,本實(shí)用新型提出的考慮密勒效應(yīng)的分布式三堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器與以往的基于集成電路工藝的放大器結(jié)構(gòu)的不同之處在于:

1.核心架構(gòu)采用分布式三堆疊放大網(wǎng)絡(luò):

三晶體管堆疊與傳統(tǒng)單一晶體管在結(jié)構(gòu)上有很大不同,此處不做贅述;同時(shí)三晶體管堆疊與新型雙柵極晶體管等構(gòu)成的分布式放大器也有不同,三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)是三個(gè)晶體管及其他元件構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),而雙柵晶體管是單一元器件。

三晶體管堆疊與傳統(tǒng)Cascode晶體管的不同之處有兩點(diǎn):(1)晶體管的連接結(jié)構(gòu)上,三晶體管堆疊是三個(gè)晶體管漏極源極順次串接,而Cascode結(jié)構(gòu)是兩個(gè)晶體管串接;(2)堆疊的柵極補(bǔ)償電容上,三晶體管堆疊的柵極補(bǔ)償電容是容值較小的電容,用于實(shí)現(xiàn)柵極電壓的同步擺動(dòng),而傳統(tǒng)Cascode晶體管的堆疊柵極補(bǔ)償電容是容值較大的電容,用于實(shí)現(xiàn)柵極的交流接地。

2.考慮密勒效應(yīng)的柵極與漏極人工傳輸線:

以往設(shè)計(jì)方法往往忽略密勒效應(yīng),直接將晶體管的柵源電容Cgs和漏源電容Cds視為人工傳輸線的等效電容,這樣處理往往過(guò)低估計(jì)了等效電容,從而導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)后期需要大量人力進(jìn)行電路調(diào)試;本實(shí)用新型考慮了三晶體管堆疊的密勒效應(yīng)對(duì)于人工傳輸線的等效電容的影響,大大提高了電路設(shè)計(jì)的精確性,降低了電路后期調(diào)試的難度。

在整個(gè)基于晶體管堆疊技術(shù)的分布式功率放大器電路中,晶體管的尺寸和其他直流饋電電阻、補(bǔ)償電容的大小是綜合考慮整個(gè)電路的增益、帶寬和輸出功率等各項(xiàng)指標(biāo)后決定的,通過(guò)后期的版圖設(shè)計(jì)與合理布局,可以更好地實(shí)現(xiàn)所要求的各項(xiàng)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)在超寬帶條件下的高功率輸出能力、高功率增益、良好的輸入輸出匹配特性、芯片面積小且成本低。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例,并不用以限制本實(shí)用新型,凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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