CN100440728C - 集成功率放大装置 - Google Patents

Abstract

一种具有多级结构的集成功率放大装置被提供，其中具有集成电容(10，13)及用于阻抗转换的电感(12)的一匹配滤波器(6)被提供于一输入晶体管(1)及一输出晶体管(2)之间。该集成功率放大装置依据所述原理来发展，其中该匹配滤波器的电感(12)被形成为微带导体。此产生电感(12)的明显较高品质因子及该集成功率放大装置的改良线性及改良效率。所述原理可具有优点地特别被运用于集成传送装置。

Description

集成功率放大装置

技术领域

本发明是有关具有多级结构的集成功率放大装置，包含具有可馈送输入信号的终端的一输入晶体管，具有可提供输出信号的终端的一输出晶体管，及具有至少一电容及被设计用于阻抗转换的一电感的匹配滤波器，其可耦合该输入晶体管至该输出晶体管。

背景技术

例如，一般型集成功率放大装置被显示于1971年，Alfred Neye-Enatechnik GmbH，Quickborn，Hamburg的文件”Halbleiterschaltungen der Leistungselektronik”[“功率电子半导体电路”]第276页，其中被称为耦合滤波器的匹配滤波器被提供于被安置于输入侧的晶体管及输出侧的晶体管之间，该滤波器包含电容及电感。匹配滤波器可完成两重要任务。首先，其被用来将各种阻抗转换为有源及无源组件所需值。其次，亦预期选择性行动；也就是说，共振品质因子影响之下，被包含于谐合中的能量预期被转换为操作频率基本能源，且发生于输出处的非预期频率组成预期可被避免。

具有匹配滤波器电路被提供其间的复数阶的集成功率放大装置具有优点地被运用于射频放大装置。特别是，可以匹配滤波器获得的功率匹配可较佳被运用于功率放大装置。例如，该功率放大装置可于无线传送装置的传送路径中被找出。

特别是，集成功率放大装置中可提供通过包含集成电容器及线圈的匹配滤波器将驱动器功率转换为输出晶体管的非常低电阻基底。

有关此型匹配滤波器的问题是集成线圈具有主要通过衬底损失决定的相对低品质因子。因此，转换网络或匹配滤波器的可达成品质因子特别通过被使用的线圈来界定。此依序产生最大可达成收集器效率及大器的最大可达成线性的限制值。

发明内容

本发明的一目的是发展可改良放大装置的效率及线性的一般型集成功率放大装置。

依据本发明，该目的通过输入晶体管及输出晶体管间的匹配滤波器中的至少一电感被形成为微带导体的集成功率放大装置来达成。

微带导体亦被称为微带线，带状导体或带线。微带导体依据集成波导原理来操作。

依据上述原理提供被当作匹配滤波器中的电感的至少一集成微带线。此型微带线具有无损失衬底部件的优点。此明显改善集成电感的品质因子。此依序具有匹配滤波器的品质因子全部增加的效应，因此，放大装置的效率及线性亦被改良。

上述集成放大装置例中，集成实施例的微带导体通常具有相当高寄生电容的事实具有优点地被使用，其中匹配滤波器具有至少一电容。于是，微带导体的实际寄生电容可具有优点地同时被用于形成匹配滤波器中的预期电容。

上述集成功率放大装置可特别具有优点地被用于可导致低电阻匹配的该匹配滤波器中。

依据上述原理较佳发展，匹配滤波器包含由一电容及微带导体形成的一串联电路，该电容通过一终端被连接至输入晶体管的输出，及通过另一终端被连接至微带导体的终端。

微带导体的进一步终端较佳被连接至输出晶体管的输入。进一步电容具有优点地被提供于电容及微带导体的连接点及参考电位终端之间。

参考电位终端可为衬底终端或接地终端或例如经由被称为沉片的所谓用于接地镀通的装置被连接至参考电位节点，其经由电阻器被连接至衬底及经由进一步电阻器被连接至实际接地终端。

可替代是，参考电位的并联电容及微带导体亦可以匹配滤波器的串联电路包含两个被连接于输入晶体管的输出端及输出晶体管的输入端间的电容的方式被交换。此例中，微带导体被连接至两串联电容间的连接点。此例中，微带导体的进一步终端可被连接至参考电位或形成一自由端或开口端。

本原理可特别具有优点地被运用于被预期产生低电阻匹配的该匹配滤波器中。此类低电阻匹配较佳被提供于输出晶体管的输入电阻小于或等于50欧姆时。

上述匹配滤波器特别较佳被连接至输入电阻小于或等于20欧姆的放大装置的输出晶体管的输入。

例如，被提供于放大装置的输出阶中的二极功率晶体管通常具有一特别低电阻基底终端，使输入阶的驱动器功率可具有优点地通过该匹配滤波器被转换为非常低电阻基底。

微带导体较佳通过集成半导体电路的集成半导体主体上或中的复数金属化平面来具体化。例如，实际带线被具体化于一金属化平面，形成参考电位平面的进一步金属化平面中。

进一步金属化平面较佳经由所谓沉片或所谓接地镀通以大面积方式被连接至衬底，由于相当好的电导特性，该衬底依序以大面积方式与该半导体主体后侧金属化接触。结果，与进一步金属化平面接触不需接引线。再者，由于大面积及低电阻接触，可进一步降低衬底损失。损失仅因微带导体的金属板间的绝缘及表皮效应而产生。

微带导体的金属平板或金属带本质较佳为平面外延且被彼此并联安置，且亦被并联至半导体主体主平面。金属带较佳被具体化使其彼此重叠。如氧化层的绝缘体或介电质较佳被安置于金属带之间。

上述匹配滤波器中的具有微带导体的放大装置，较佳可被运用于被提供于2.44或5.3GHz载体频率的传送装置的放大装置输出阶中的该功率放大装置。

依据上述原理中的功率放大装置可具有优点地以双极电路技术及金属绝缘体半导体电路技术，也就是单极电路技术被集成。

权利要求子项是有关进一步细节及上述原理的具有优点改进。

附图说明

本发明是参考附图使用复数实施例被较详细解释如下，其中：

第1图以电路图为基础显示依据上述原理中的集成功率放大装置第一实施例，

第2图以电路图为基础显示依据上述原理中的集成功率放大装置第二实施例，

第3图显示依据上述原理当作电感的微带导体的结构例，

第4图以图标为基础显示依据本发明的功率放大装置的效率，

第5图以图标为基础显示的集成功率放大装置的压缩表现，

第6图以图标为基础显示无微带导体的功率放大装置的效率，

第7图以图标为基础显示无微带导体的功率放大装置的压缩表现。

具体实施方式

第1图显示具有被并联的一输入晶体管1及两输出晶体管2，3的集成功率放大装置。输入及输出晶体管1，2，3被具体化为NPN双极晶体管。输入晶体管1的基底终端形成多级放大装置的输入。输出晶体管2，3的共同收集器输出形成放大装置的信号输出。输入晶体管1的收集器终端经由电感4被连接至供电电位终端。输入晶体管1的发射终端经由镀通装置5被连接至参考电位终端。再者，匹配滤波器6被连接至输入晶体管1的收集器终端，其形成输入晶体管1的输出。匹配滤波器6的输出被连接至电路节点K，其形成输出晶体管2，3的输入终端。电路节点K经由个别寄生电感7，8被连接至输出晶体管2，3的个别基底终端。输出晶体管2，3的发射终端经由进一步镀通装置9被彼此相连至参考电位终端GND。

匹配滤波器6包含通过串联电容10，11形成的一串联电路，及可形成串联电感的被下游连接的集成微带导体12。串联电容10，11及串联电感12间的连接点经由并联电容13及镀通装置9被连接至参考电位终端GND。串联电容10，11本身包含由两部分电容10，11形成用于增加该串联电容10，11的介电强度的一串联电路。为了设定输出晶体管2，3的操作点，电路节点K经由偏压电流源BIAS被连接至供电电位终端VCC。

实施匹配滤波器的电感12用于阻抗转换作为微带导体，也就是集成波导是产生电感12的高品质因子及匹配滤波器6的特别高品质因子。此依序促成放大装置高效率及特别良好线性及改良饱和特性。

第2图显示放大装置的输入晶体管1及输出晶体管2间的匹配滤波器6′的替代实施例。本例中，并联电容13及电感12已被交换，且被设计为第2图中的并联电感12及进一步并联电容13′。因此，包含一第一串联电容10′及一第二串联电容13′的串联电路被连接于输入晶体管1的收集器终端及输出晶体管2的基底终端之间。两串联电容10′，13′间的连接点被连接至微带导体12′的一终端。微带导体12′的进一步终端形成一开口端。

考虑具有做为电感的微带导体的匹配滤波器特性，第2图的集成功率放大装置的功能及具优点模式对应第1图者而不重复于此点。

例如，第3图显示被运用于依据第一及第2图的电路中的集成微带导体12′的结构。本例中，微带导体12以二极电路技术被建构具有三个金属化平面14，15，16。所有金属化平面14，15，16被彼此并联及平行于整个半导体主体的主平面来安置。

第一金属化平面14被具体化为铝，且经由接地镀通17以大区域方式被连接至最下层基底。中间金属化平面15不被用于本微带导体例中。第三金属化平面16包含被安置于一平面且被氧化物区域20彼此分隔的两金属带18，19。钝化层21被施加于第三金属化平面16，也就是金属带18，19之上，而氧化物区域20位于其间。进一步氧化物区域被提供于个别金属化层14，15，16之间。微带导体12的实际传导通过金属带18，19被实施于第三金属化平面16中。带导体的接地平面被具体化于第一金属化平面14中，且额外包含被提供于第一金属化平面14下的非常低电阻沉片触垫17。集成微带导体的损失衬底部份因使用具有被置于下层作为反导体的沉片触垫17的第一金属化平面14而被避免。导体12的线圈品质因子甚至因此被进一步改良。假设相同电感值，产生较可比较绕线或螺线集成线圈明显为高的微带线品质因子。

第4图以图标为基础显示百分比对范围-30至+5dBm以dBmW表示的输入功率所绘制的第1图放大装置的全部效率。从曲线A可知全部效率介于范围10及50％相对输入功率之间。第4图中的进一步曲线B显示放大装置的电流消耗，其上升至些微高于400mA作为输入功率函数。

第5图显示以dBmW表示的输出功率对以dBmW表示的输入功率所绘制的依据本发明的放大装置功率曲线C。当输出功率被以范围0至30dBm绘制时，输入功率再次被指定于-30至+5dBm。辅助线D被附带描绘来决定功率特性曲线C的1dB压缩点。

为了比较，第6图显示百分比对范围-30至+5dBm以dBmW表示的输入功率所绘制的效率特性曲线E。此外，电流消耗曲线F再次被描绘于从0至500mA标度。第6图的特性曲线E，F应用于集成绕线圈被提供于替代依据本发明的微带导体的匹配滤波器的放大装置。效率特性曲线E及电流消耗曲线F的直接比较显示依据所述微带导体原理，电路的明显较高效率可跨越整个输入功率范围被记录。

第7图显示以dBmW表示的输出功率对以dBmW表示的输入功率所绘制图为基础，依据本发明具有替代微带导体的集成绕线电感的放大装置功率曲线G。输出功率被以范围0至30而输入功率被以范围-30至+5绘制。直线H同样地再次被描绘为可决定1dB压缩点的辅助线。当第5及7图被彼此相较时，假设操作点大约相同，则可清楚了解2.44及5.3GHz的频率大于1dB饱和功率，并达到1dB压缩点的1.8dB的放大装置改良。依据第4及7图的图标使用5.3GHz频率的集成放大装置例以仿真为基础来决定。

不用说若其位于本发明范围内，则亦可将上述原理转换为如MOS(金属氧化半导体)，或GaAs(砷化镓)的其它集成技术。

参考符号表

1输入晶体管

2输出晶体管

3输出晶体管

4电感

5接地镀通

6匹配滤波器

6’匹配滤波器

7寄生电感

8寄生电感

9接地镀通

10串联电容

10’电容

11串联电容

12微带导体电感

12’微带导体电感

13并联电容

13’串联电容

14金属化平面

15金属化平面

16金属化平面

17接地镀通

18金属带

19金属带

20氧化物

21钝化层

A效率特性曲线

B电流消耗

BIAS偏压电流源

C功率特性曲线

D辅助线

E效率特性曲线

F电流消耗

G功率特性曲线

H辅助线

IN信号输入

K电路节点

OUT信号输出

Claims (6)

1.一种具有多级结构的集成功率放大装置，包含

-具有终端的输入晶体管(1)，用以馈送输入信号(IN)，

-具有终端的输出晶体管(2)，用以提供输出信号(OUT)，

-具有至少一电容(13)及被设计用于阻抗转换的电感(12)的匹配滤波器(6)，其可耦合该输入晶体管(1)至该输出晶体管(2)，该电容通过连接点与该电感连接，

其中该电感(12)被形成为微带导体，该微带导体(12)是以集成方式被具体化为具有平面外延的两金属化平面(14，16)。

2.如权利要求第1项的集成功率放大装置，

其中该匹配滤波器(6)包含通过串联电容(10，11)及该微带导体(12)所形成的串联电路，该串联电路被连接于该输入晶体管(1)的输出终端及该输出晶体管(2)的输入终端之间，及提供并联电容(13)，其可耦合该串联电容(10，11)及该微带导体(12)间的该连接点至参考电位终端(GND)。

3.如权利要求第1项的集成功率放大装置，

其中该匹配滤波器(6)包含通过第一串联电容(10’)及第二串联电容(13’)所形成的串联电路，该串联电路被连接于该输入晶体管(1)的输出终端及该输出晶体管(2)的输入终端之间，且该微带导体(12’)被连接于该第一串联电容(10’)及该第二串联电容(13’)间的该连接点。

4.如权利要求第1至3项其中之一的集成功率放大装置，

其中该输出晶体管(2)的输入电阻小于或等于50欧姆。

5.如权利要求第4项的集成功率放大装置，

其中该输出晶体管(2)的输入电阻小于或等于20欧姆。

6.如权利要求第1项的集成功率放大装置，

其中该微带导体(12)的该两金属化平面其中之一(14)通过接地镀通(17)以大面积方式被连接至衬底终端。

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