CN102394574B - 一种基于rf-ldmos的宽带功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，多个窄带功率放大器共用一个输入信号，输出为一个引脚或多个引脚组成。本发明所对应的宽带功率放大器中每个窄带的功率放大器不需要单独的输入和输出引脚，而是通过共用输入或输出引脚的方式，减少了引脚数目，降低了芯片成本。输入、输出信号可以通过开关电路或其他转换电路切入与其频段对应的窄带功率放大器。开关选择电路、转换电路可采用RF-LDMOS的工艺平台进行改进，通过增加几层光刻板来实现CMOS器件，从而实现开关选择电路、转换电路功能。同时，利用RF-LDMOS的高增益和高的击穿电压，可以提供功率放大器更高的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带功率放大器，尤其是一种基于RF-LDMOS实现的宽带功率放大器，属于半导体技术领域。
背景技术
随着移动通信的发展，要求移动终端设备能够同时支持几个频段，并能够在其中自由切换。以手机为例，通常要求手机能够接收和发射GSM900MHz、DCS1800MHz以及PCS1900MHz三个频率段信号。这就要求手机中的核心模块功率放大器能够放大900MHz、1800MHz和1900MHz的输入信号。通常的做法是采用多个窄带的功率放大器，每个功率放大器放大某一特定频段的信号，实现宽带功率放大器的功能。窄带的功率放大器是指该放大器所能够支持的最高的频率成分与最低的频率成分之比小于1.3:1。宽带的定义是指该放大器所能够支持的最高的频率成分与该功率放大器所能够支持的最低频率成分之比大于1.5:1。
如图1所示，为传统的宽带功率放大器结构示意图，宽带功率放大器由芯片11片内集成的两个窄带的功率放大器组成，来实现更宽的频率范围，当然也可以由三个或者多个窄带的功率放大器组成。图1所示的窄带功率放大器是由两级组成的，也可以是一级或者是三级等更多级数。其中，窄带功率放大器2、7是驱动级，为输出级提供驱动能力的。窄带功率放大器4、9是输出级，提供大的功率输出。还包含输入匹配1、6和级间匹配3、8及输出匹配5、10。
每一个窄带的功率放大器都是在某一固定的频段进行了优化，这样能够提高它的输出功率和效率。但是这种结构的宽带功率放大器需要非常多的分立器件，极大的增加了器件的成本。且每一个窄带的功率放大器都需要单独的输入和输出的引脚，因此增加了引脚的数目，提高了芯片的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，减少了引脚数目，降低了芯片成本。进一步，利用RF-LDMOS来实现CMOS器件，从而实现开关电路、转换电路功能。同时，还可以提供功率放大器更高的输出功率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，包含多个集成的不同频率段的窄带功率放大器，其特征是，所述多个窄带功率放大器共用一个输入信号。
所述输入信号由开关电路切换进入所述多个窄带功率放大器的其中之一。
所述输入信号与每个所述窄带功率放大器的输入端连接，多个所述窄带功率放大器均与一DC-DC转换电路连接，所述DC-DC转换电路控制所述窄带功率放大器之一开启。
所述多个窄带功率放大器包含一个共用的输出引脚。
所述多个窄带功率放大器包含多个输出引脚。
输出信号由开关电路切换至所述输出引脚。
所述多个输出引脚中的每个输出引脚对应不同的频率段。
所述开关电路为RF-LDMOS。
所述DC-DC转换电路为RF-LDMOS。
所述RF-LDMOS包含重掺杂形成的源、漏，与所述源和漏连接的分别是源金属引线和漏金属引线，所述源端和漏端通过沟道连在一起，所述沟道的上面还包含栅，所述栅与所述沟道之间隔着一层氧化层，所述漏由漏的接触孔和一段漂移区组成；
还包含将所述源端由背面引出的金属背板，所述金属背板上面是高掺杂的衬底，所述高掺杂的衬底上有一层外延层，所述外延层之上是低掺杂的所述漂移区；
所述源金属引线和所述高掺杂的衬底之间由与源掺杂类型相异的重掺杂或者金属连接；
所述源金属引线下面还包含一与源掺杂类型相异的重掺杂层；所述漏下面设有阱；
所述氧化层和所述栅由绝缘层覆盖，所述绝缘层外还设有场板，由所述绝缘层将所述栅和所述场板隔离。
本发明所达到的有益效果：
本发明所对应的宽带功率放大器中每个窄带的功率放大器不需要单独的输入和输出引脚，而是通过共用输入或输出引脚的方式，减少了引脚数目，降低了芯片成本。输入、输出信号可以通过开关电路或其他转换电路切入与其频段对应的窄带功率放大器。开关选择电路、转换电路可采用RF-LDMOS的工艺平台进行改进，通过增加几层光刻板来实现CMOS器件，从而实现开关选择电路、转换电路功能。同时，利用RF-LDMOS的高增益和高的击穿电压，可以提供功率放大器更高的输出功率。
附图说明
图1是传统的宽带功率放大器的结构图；
图2是实施例1宽带功率放大器的结构图；
图3是实施例2宽带功率放大器的结构图；
图4是实施例3宽带功率放大器的结构图；
图5是RF-LDMOS器件结构剖面图，该结构及其加工工艺可以用于实现宽带功率放大器的DC-DC转换CMOS电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图2所示，是本发明一实施例所对应的宽带功率放大器的结构，宽带功率放大器由芯片11片内集成的两个窄带的功率放大器组成，来实现更宽的频率范围，当然也可以由三个或者多个窄带的功率放大器组成。此图的窄带功率放大器是由两级组成的，也可以是一级或者是三级等更多级数。其中，窄带功率放大器2、7是驱动级，为输出级提供驱动能力的。窄带功率放大器4、9是输出级，提供大的功率输出。还包含输入匹配1、6和级间匹配3、8及输出匹配5、10。
与传统结构最大的区别是两个窄带的功率放大器共用一个输入信号In和输出信号Out。开关K1、K2电路通过输入信号的频段选择相应频段的窄带功率放大器，从而决定输入信号In是接入第一个功率放大器还是接入第二个功率放大器并闭合相应的开关。输出由开关K3、K4电路控制，根据输出信号是来自第一个功率放大器还是第二个功率放大器，从而将相应一路的开关闭合，输出此路信号。
开关电路可以利用CMOS或者RF-LDMOS器件来实现。
实施例2
如图3所示，是本发明另一实施例所对应的宽带功率放大器的结构，宽带功率放大器由两个窄带的功率放大器组成。
在实施例1中，通过开关K3、K4电路选择由不同的窄带功率放大器输出会增加损耗，从而会降低功率放大器的输出功率和效率。此外如果输出信号的摆幅很大，引入开关K3、K4电路会导致非常严重的非线性。
因此，本实施例中取消了输出的开关电路，将每个窄带功率放大器以单独的引脚将输出信号Oou1、Oou2输出，其余与实施例1相同。
作为实施例2的改进结构，输出匹配5、10网络可以做到芯片11的片外，可以进一步减小输出网络的损耗，提高输出效率。
实施例3
如图4所示，是本发明又一实施例所对应的宽带功率放大器的结构，宽带功率放大器由芯片11片内集成的两个窄带的功率放大器组成。输入信号In均直接连接在每个窄带的功率放大器的输入端，每个窄带功率放大器以单独的引脚将输出信号Oou1、Oou2输出。输入信号In经哪个窄带功率放大器进行输出，则由一DC-DC转换电路12的控制端Vcontrol信号进行控制。DC-DC转换电路12分别与每个窄带的功率放大器连接，其电源端Vdd为每一个窄带的功率放大器提供电源，其控制端Vcontrol根据输入信号In是属于哪一个频段而控制打开相应频段的窄带功率放大器，而将其它频段的窄带功率放大器都关闭。这样，由打开的窄带功率放大器实现了对相应频段的信号输出。
DC-DC转换电路12通常用CMOS电路实现。
因为LDMOS具有高的击穿电压，可以将LDMOS的偏置电压提高，这就需要一个DC-DC转换电路将输入的低压信号（通常是3-6V），转换成高压信号（通常为6-30V）。功率放大器通常需要将固定的负载50欧姆变换到一个较低的阻抗如1-10欧姆，以输出较高的功率。当功率放大器输出相同的功率时，高的击穿电压能够增加功率放大器所需要的电阻。这样能够降低阻抗匹配的难度，从而减小输出网络的损耗。
实施例4
如图5所示， 本实施例中提供了一种RF-LDMOS器件结构剖面图，可以用于实现基于RF-LDMOS工艺平台实现的开关电路、DC-DC转换电路功能的CMOS电路。
以N型的RF-LDMOS为例，P型的可以根据此相应的推导出来。N型的RF-LDMOS包含源108、漏106和栅114。栅14在沟道109的上面，其中间隔着一层氧化层110。源108端和漏106端通过沟道109连在一起。漏106由漏的接触孔和一段漂移区105组成。源108的下面设有P-Body用来形成RF-LDMOS的沟道109。漏106下面设有N阱115，N阱115能够减小导通电阻。
金属背板101将源108端由背面引出，金属背板101上面是高掺杂的衬底102，衬底的电导率通常为0.005-0.05Ω·cm，高掺杂的衬底102上有一层外延层103，它的电导率通常为10-100Ω·cm。外延层103之上是N型低掺杂的漂移区105，用来提高RF-LDMOS的击穿电压。源108端和高掺杂的衬底102之间由钨104连接，在其他实施例中钨104也可采用重掺杂的P型或者其他金属。RF-LDMOS的源108和漏106由N型重掺杂形成，与源108和漏106连接的分别是源金属引线113和漏金属引线112。
源金属引线113下面的P型重掺杂107是用来与其形成良好的欧姆接触。
氧化层110和栅114由绝缘层116覆盖。绝缘层116外还设有场板111，用来减小栅漏电容，由绝缘层116将栅114和场板111隔离。场板111通常与源108端接在一起。
在这个工艺平台下，不但能够实现RF-LDMOS，同样也能够实现CMOS。对于RF-LDMOS沟道，这个工艺是采用的是双扩散的方法，利用的N型和P型掺杂在Si衬底中的扩散速度不一样，他们扩散距离之差就形成了沟道，利用这一种方法，能够实现非常窄的沟道，这样可以提高RF-LDMOS的电流增益截止频率和功率增益频率。调节N型低掺杂的漂移区105，N型浅掺杂漏极NLDD的长度可以调节RF-LDMOS的击穿电压。当输出功率比较低的时候，如<5W时，可以将N型浅掺杂漏极NLDD的长度缩小为1μm以下。如果要实现NMOS器件，沟道可以采用自对准工艺。因为外延层103本来是P型的，可以利用这个实现P-Well。由于外延层掺杂浓度通常比较低，为了调节击穿电压和防止Punch-Through，可以加一块板，在P型的外延层上实现一个P-Well。
对于P型的RF-LDMOS只需要将掺杂对换过来。如果需要实现PMOS还需要在这个基础上添加一层板来实现N-Well。
在RF-LDMOS的工艺平台上面添加光刻板，能够实现CMOS电路。这样，不但能够利用RF-LDMOS高增益和高击穿电压的优点，同样也能够最大限度的利用已有的成熟的CMOS电路的结构，实现一些复杂的电路，如DC-DC转换，开关电路。
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来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1. 一种基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，包含多个集成的不同频率段的窄带功率放大器，其特征是，所述多个窄带功率放大器共用一个输入信号；
所述输入信号由开关电路切换进入所述多个窄带功率放大器的其中之一；
所述输入信号与每个所述窄带功率放大器的输入端连接，多个所述窄带功率放大器均与一DC-DC转换电路连接，所述DC-DC转换电路控制所述窄带功率放大器之一开启。
2.根据权利要求1所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述多个窄带功率放大器包含一个共用的输出引脚。
3.根据权利要求1所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述多个窄带功率放大器包含多个输出引脚。
4.根据权利要求2所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，输出信号由开关电路切换至所述输出引脚。
5.根据权利要求3所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述多个输出引脚中的每个输出引脚对应不同的频率段。
6.根据权利要求4所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述开关电路为RF-LDMOS。
7.根据权利要求1所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述DC-DC转换电路为RF-LDMOS。
8.根据权利要求6或7所述的基于RF-LDMOS的宽带功率放大器，其特征是，所述RF-LDMOS包含重掺杂形成的源、漏，与所述源和漏连接的分别是源金属引线和漏金属引线，所述源端和漏端通过沟道连在一起，所述沟道的上面还包含栅，所述栅与所述沟道之间隔着一层氧化层，所述漏由漏的接触孔和一段漂移区组成；
还包含将所述源端由背面引出的金属背板，所述金属背板上面是高掺杂的衬底，所述高掺杂的衬底上有一层外延层，所述外延层之上是低掺杂的所述漂移区；
所述源金属引线和所述高掺杂的衬底之间由与源掺杂类型相异的重掺杂或者金属连接；
所述源金属引线下面还包含一与源掺杂类型相异的重掺杂层；所述漏下面设有阱；
所述氧化层和所述栅由绝缘层覆盖，所述绝缘层外还设有场板，由所述绝缘层将所述栅和所述场板隔离。
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