CN102570992B - 射频放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率射频放大器，具体地涉及包括输出阻抗匹配网络的这种放大器，典型实施例包括：射频放大器(500)，包括安装在器件封装内基板上的有源器件(501)，放大器具有输出阻抗匹配网络，所述输出阻抗匹配网络包括高通网络和低通网络，所述高通网络至少部分地设置在有源管芯(501)上，所述低通网络包括有源器件的输出(502)和第一输出引线(503)之间的第一电感并联连接(504)以及有源器件(501)的输出(502)和第二输出引线(505)之间的第二电感并联连接(506)，其中，第二输出引线(505)的一部分形成了对低通网络的电感作出贡献的电感。

Description

射频放大器
技术领域
本发明涉及高功率射频放大器，具体地，涉及包括输出阻抗匹配网络的这种放大器。
背景技术
诸如Doherty放大器以及单端类AB放大器之类的高功率射频放大器趋向于展示出存储器效应。存储器效应尤其在1GHz及以上的频率处会出现问题。这些存储器效应是源于电源和放大器之间的寄生电感以及源于放大器速度的变化和遵循输入信号调制的包络的电流消耗的大小。可能存在这种寄生电感作为电源网络的一部分。在越高的调制频率处，由于这种存储器效应导致会出现越大的失真。由于C类模式的波峰放大器的操作，Doherty放大器趋向于展示出更高的存储器效应。
在本说明书中现有公开的文献的列出或讨论不应被看作是对该文献是现有技术一部分或被看作是公知知识的承认。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题中的一个或多个。
根据本发明，提供了一种射频放大器，包括安装在器件封装内基板上的有源器件，所述放大器具有输出阻抗匹配网络，所述输出阻抗匹配网络包括串联的高通网络和低通网络，所述高通网络至少部分地设置在有源管芯上，所述低通网络包括有源器件的输出和第一输出引线之间的第一电感并联连接以及有源器件的输出和第二输出引线之间的第二电感并联连接，其中，第二输出引线的一部分形成了对低通网络的电感作出贡献的电感。
本发明的一个优点在于在器件封装的内部或有源器件上无需高电感，因此能够减小封装内的损耗并且最小化封装的整体尺寸。
根据本发明的放大器无需器件封装内的高值并联电感(shuntinductance)，因此能够极大地增加将有源器件的漏极与第二输出引线相连的接合线的数目，这大大地扩展了本发明对于高功率放大器的可应用性。
第二输出引线的一部分可以是设置在第一输出引线和有源器件输出之间的金属条带的形式。
备选地，第二输出引线的一部分可以是设置在第一输出引线和有源器件输出之间的传输线的形式。
使用后匹配网络允许用于在中心频率处零相移的宽带阻抗转换，该后匹配网络包括部分地设置在放大器管芯上的高通网络和没有设置在放大器管芯的低通网络。这避免了有源器件的沟道(漏极或集电极)与分立功率器件输出之间的任意有害阻抗反转(inversion)，而且当在Doherty放大器中作为主或波峰器件操作时使得负载线调制条件的提供更加容易。
使用这种后匹配网络还允许具有减小的存储器效应和改进带宽的改进放大器。其他的优点包括改进的宽带VBW、低相位旋转、更紧凑的形式以及更低损耗。
高通网络可以包括与有源器件的输出相连的串联(series)电容器，在有源器件的输出连接和漏极连接之间设置串联电容器，或在基板上设置串联电容器作为分离管芯的一部分。
附图说明
将参考附图以说明性示例实施例的方式来更详细地描述本发明，附图中：
图1是用于具有补偿电路的功率晶体管的输出电路的电路图；
图2a是用于有源器件的后匹配方案的示意表示；
图2b是图2a的后匹配网络方案的选定部分的等效电路；
图3a和3b是典型后匹配电路的示意电路图；
图4a、4b和4c是具有附加输出引线的另一典型后匹配电路的示意电路图；
图5a、5b和5c分别以示意截面图、电路图和透视图示出了放大器的典型第一实施例；
图6a、6b和6c分别以示意截面图、电路图和透视图示出了放大器的典型第二实施例；
图7是与根据本发明特定实施例的放大器一起使用的有源器件的示意截面图；
图8a、8b和8c是在RF输出引线和有源器件的输出之间设置的备选传输线的示意平面图；
图9a、9b和9c是在RF输出引线和有源器件的输出之间设置的备选形式的传输线的示意截面图；
图10a、10b和10c是典型传输线的表示；
图11是通过传输线被提供电源电压的有源器件的示意电路图；
图12是包括传输线的典型输出电路布局的示意平面图；
图13是包括传输线的备选典型输出电路布局的示意平面图；
图14a和14b是修改版第一实施例的示意截面图和电路图；
图15a和15b是修改版第二实施例的示意截面图和电路图；
图16a、16b和16c分别以示意截面图、电路图和透视图示出了放大器的典型第四实施例；
图17a、17b和17c分别以示意截面图、电路图和透视图示出了放大器的典型第五实施例；以及
图18a、18b和18c分别以示意截面图、电路图和透视图示出了放大器的典型第六实施例。
具体实施方式
US7,119,623公开了一种用于高功率半导体放大器元件的输出电路，其中电感和电容被配置成补偿半导体放大器的输出电容。US7,119,623中公开的电路(图1示出了一个示例)通过使用与包括电感22、26、30和电容24、32并联连接的串联电路，提供了对于功率晶体管18的输出电容20的补偿。电源引线34与电感30和电容32之间的节点31相连。
在诸如US7,119,623和US6,646,321公开的许多情况下，内部匹配需要器件封装内部的低通匹配组件和高值电感。由于在器件封装内可用的有限空间，导致在低频率(例如低于1GHz)的小型封装内尤其难以实现上述需要。此外，需要注意DC电源，DC电源应当具有的特性是在有源器件的漏极和DC电源之间具有低电感。另一个问题是由内部低通后匹配引入的损耗。
图3a和3b示出了使用低通组件的后匹配电路的两个示例。
在某些情况下，例如在US7,119,623中，可以在放大器封装上提供附加引线，以向内部电容器提供附加连接。图1、4a、4b和4c示出了具有这种附加引线的典型电路。
本发明涉及一种高频高功率晶体管，配备有补偿功率晶体管的输出电容的并联电感器。这种功率晶体管通常是已知的，图3b示出了这种功率晶体管。其通常配备有由内部并联电感器Ls形成的后匹配级。选择并联电感器Ls的值以形成与有源管芯的寄生输出电容Cdr并联谐振。可以利用以下等式来计算电感：
L S = C DC + C OUT 4 f 2 π 2 C DC C OUT
其中，CDC是DC隔直流电容器，COUT是寄生输出电容，f是频率，通常被选择为低于操作频率。
在低频处，并联电感LS的值可以大于1nH，这通常在仅适用接合线的器件封装内部是不能实现的。对于高功率晶体管，例如具有大于100W的输出功率，LS并联电感经历了过多RF电流。为了提高LS的电流操作(current handling)，需要提高接合线的数目，但是随着接合线数目的增大，整体并联电感LS减小。
例如在US7,119,623中公开的，经由与功率晶体管的DC隔直流电容器CDC相连的额外引线来提供DC馈电，提高了放大器的视频带宽(VBW)，但在已有过多RF电流的基础上添加了附加的视频和DC电流。此外，内部网络包括在有源管芯前面的额外组件，这导致附加损耗，限制了放大器的效率。这限制了放大器在实际应用中的可用性。
第一实施例
图5a、5b和5c示出了根据本发明的射频放大器500的第一典型实施例。图5a示出了放大器的示意截面图，图5b示出了放大器500的示意电路图，以及图5c示出了放大器500的物理结构的透视图。这些图中的每一个示出了具有输出502的有源器件AD 501，输出502经由第一接合线Ld BW 504与第一RF输出引线503相连，并经由第二接合线Ls BW 506与第二输出引线505相连，每一个接合线提供了放大器输出502和输出引线503、505之间的电感。在所示的实施例中，有源器件501的输出502是有源器件501的漏极连接。
该实现方式类似于用于RF功率放大器的公知后匹配网络，其中内置并联电感(或“胫状排列电感(inshin)”)用于抵消有源器件501中放大器元件的输出电容Cds 507。这种情况下主要的区别在于在有源器件封装的外部部分地设置并联电感，这是因为难以根据接合线单独的电感来产生低功率匹配所需的较高电感。与接合线Ls BW 506提供的电感一起，由封装内的第二输出引线505的电感和封装外部的PCB传输线的电感一起来部分或主要提供并联电感。第二输出引线505是与第一输出RF引线503相邻的金属条带形式。如图5c所示，第二输出引线505形成了部分地围绕第一输出RF引线503的c型或h型金属条带。
以放大器封装外部的表面安装器件的形式来设置DC隔直流电容器Crf 510和视频去耦合电容器Cvd 511。每一个电容器510、511的一侧与第二输出引线505相连，而另一侧与PCB的地连接512相连。
如图5c所示，多个接合线506将LDMOS有源管芯501的漏极接合条513与第二输出引线505相连。其他多个接合线505将漏极接合条513与封装的第一输出RF引线相连。在图5b中，电感Lpar表示由PCB出现的地连接和有源器件501的物理分离产生的寄生电感。
因此在总体方面，在本发明的第一实施例中，通过将有源器件的输出与第二输出引线相连的多个接合线的电感、形成第二输出引线的金属条带的电感以及设置在安装有放大器的PCB上的传输线的电感的组合，来产生并联电感。
与US7,119,623中公开的输出电路配置的类型相比较，图5a-5c的电路配置能够针对类似的输出功率电平实质上减小器件封装的尺寸，这是由于封装内部所需的电感很小。与封装内需要大约4-6mm空间的典型已有电路相比较，根据本发明公开的电路配置可以被设计具有仅0.4mm的内部封装空间，而无需对器件在功率方面的能力进行折衷。
第二实施例
图6a、6b和6c示出了根据本发明的射频放大器600的第二典型实施例。图6a示出了放大器600的示意截面图，图6b示出了示意电路图，以及图6c示出了放大器600的物理结构的总体透视图。
相对于上述图5a-5c所示的第一实施例，主要区别在于添加了到有源器件501(图6a和6c中是601)的输出的串联电容器Cser 621。除此之外放大器600的其他所有组件如上参考第一实施例所述。如图6a和6c所示，串联电容器621可以设置在有源器件601上作为输出的一部分，或如图6b所示，设置在分离的管芯上。串联电容器621对第一输出RF引线503的电感进行补偿。这尤其有利于所谓的“鸥型翼(gullwing)”封装，其中RF输出引线的电感会很显著。此外，串联电容器621对PCB上所需的阻抗变换作出贡献。
在图7的截面示意图中示出了作为有源管芯601的一部分的串联电容Cser 621的一种可能实现方式。串联电容621连接在有源管芯601的漏极条613和分离输出条602之间。还在漏极条613和地之间设置了并联电容701，由下覆掺杂基板702提供并经由屏蔽层703相连。
因此在总体方面，在本发明的第二实施例中，除了第一实施例的特征以外，还在有源管芯输出处设置了串联电容器，在有源器件的漏极条和分离输出条之间的有源器件管芯内设置串联电容器，或作为与有源器件相邻安装在基板上的分离管芯的一部分来设置串联电容器。
第三实施例
可以通过使用特定传输线而不是简单的金属条带形成第一和第二实施例的第二输出引线，来进一步改进第一或第二实施例的放大器。
在接近1GHz的频率处，由于PCB的地连接和有源管芯之间的寄生电感的数值(如上参考图5b所述)，导致由额外引线和PCB引起的电感可以达到不能用于后匹配和视频去耦合的数值。为了最小化这种寄生电感，可以在放大器封装内部使用特定传输线，而不是简单的金属条带。图8和9示出了这种传输线的典型示例。图8依次示出了根据修改版第一和第二实施例的第二输出引线，传输线801a、801b、801c的三种变体的平面图。封装的修改第二输出引线包括形成传输线的每一侧的一对引线，在图8中指示为顶部引线t和底部引线b。如图8a和8c所示，引线t、b可以在与第一输出RF引线503的相同侧上从封装延伸，或如图8b所示，在RF引线503的正交侧上延伸。如图8a所指示，可以通过顶部引线t中的开口802来接入底部引线，用于实现接合线连接。
优选地，例如通过焊接/胶粘，传输线的一侧在靠近有源器件管芯地连接的点处接地，或通过接合线接地，以便减小任意寄生电感。图9a-9c的示意截面图中指示了这种情况。在图9a中，焊接或胶粘传输线901a的底部部分，以在有源管芯902附近提供地连接。在图9b中，通过一个或多个接合线903将传输线901b的底部部分接地。在图9c中，通过有源管芯902上的接合焊盘904将传输线901c的底部部分连接到地连接。
在传输线用作放大器器件封装的一部分的实施例中，将诸如电容器910的外表面安装组件连接到传输线901a-c，而不是如同在第一和第二实施例中那样连接到PCB地连接。
代替传输线，可以使用同轴电缆。
因此在总体方面，根据本发明的第三实施例，代替部分围绕第一输出RF引线的金属条带，在第一输出RF引线和有源器件的输出之间设置传输线。传输线包括一对并联导体，第一导体在有源器件处或附近与地连接相连，第二导体与有源器件的输出相连。第一导体可以通过焊接或胶粘连接与地连接相连，或通过接合线连接直接与地相连，或通过有源器件上的一个或多个接合焊盘与地相连。
可以通过由一个或多个薄电介质层分离的两个或更多个导电表面来提供在根据第三实施例的放大器中使用的低电感传输线，这产生具有低电感的分布式LC系统。底部板在最靠近有源器件管芯的点处接地。外部电容器和DC电源与传输线的底部侧和顶部侧相连，朝向传输线的另一端。
图10a以示意形式示出了典型传输线1001。传输线1001与电源1002相连，并提供输出连接1005、1006，以便与有源器件管芯的漏极连接和电源连接相连。传输线1001是一对平行导电板1003和1004的形式，在图10b的示意电路图中平行导电板1003和1004被表示为串联的一对平行电感器，其之间具有电容连接。图10b还将平行电感示为磁耦合。图10b的电路图该表示了同轴电缆的电特性。
图10c示出了电源传输线的另一个典型实施例，其中以堆叠方式设置多对导体1013、1014。由于在堆叠的相邻导体之间存在较强的负面磁耦合，这种结构提供了较低的等效电感。这减小了传输线的感性阻抗，并且使得电流能够较快变化以流经电源1002和放大器器件1015之间的线。
图11示出了有源器件1101的等效电路，其中有源器件1101配备有经由低电感传输线1106的DC电源。DC电源1105的地侧与传输线1106的底部侧相连。示出的传输线1106直接与有源器件管芯1101的漏极端子1111和源极端子1112相连。
图12和13示出了后匹配电路的总体平面图，后匹配电路包括用于RF预匹配的低电感传输线、DC偏置馈线和视频去耦合，如图8a所示，图13中的传输线在顶部导体中具有开口，以允许接合线连接到底部导体，而图12中的传输线具有到放大器封装的侧边的焊接连接。
图14a和14b分别示出了根据修改版第一实施例的放大器的示意截面图和电路图，其中使用传输线来代替第一实施例中的金属条带。类似地，图15a和15b分别示出了根据修改版第二实施例的放大器的示意截面图和电路图。
第四实施例
图16a、16b和16c分别以示意截面图、电路图和总体透视图的方式示出了根据本发明第四实施例的放大器1600。如第三实施例和修改的第一和第二实施例所述，放大器1600包括形成了第二输出引线的一部分的传输线。此外，在有源器件管芯和第二输出引线传输线之间设置分离管芯，该分离管芯包括另一电容Ci。
第五实施例
图17a、17b和17c分别以示意截面图、电路图和总体透视图的方式示出了根据本发明第五实施例的放大器1700。在该实现方式中，由接合线电感器Li BW和Ldr BW提供的附加转换台阶(transformationstep)经由包括电容Clp在内的分离管芯，将有源器件管芯的输出与第二输出引线的传输线相连，以便改进阻抗电平。
在总体方面，根据第五实施例，并联电感包括接合线，接合线通过包括电容在内的分离管芯将有源管芯的输出与第二输出引线相连。
第六实施例
图18a、18b和18c分别以示意截面图、电路图和总体透视图的方式示出了根据本发明第六实施例的放大器1800。在该实施例中，可以在一个分离管芯上组合无源集成器件(IPD)和分立组件(例如印刷电路电感器、并联和串联电容器或电阻器)。通过外部传输线或同轴电缆来进行视频去耦合和/或DC电源的阻抗变换。
其他实施例也在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种射频放大器(500)，包括安装在器件封装内基板上的的有源器件(501)，所述放大器具有输出阻抗匹配网络，所述输出阻抗匹配网络包括高通网络和低通网络，所述高通网络至少部分地设置在有源管芯(501)上，所述低通网络包括有源器件的输出(502)和第一输出引线(503)之间的第一电感并联连接(504)以及有源器件(501)的输出(502)和第二输出引线(505)之间的第二电感并联连接(506)，其中，第二输出引线(505)的一部分形成了对低通网络的电感作出贡献的电感，
其中第二输出引线包括设置在第一输出引线和有源器件的输出之间的传输线(801a-c)，
其中传输线(801a-c)包括平行导体对(b，t)，第一导体(b)在有源器件处或附近与地连接相连，第二导体(t)与有源器件的输出相连。
2.根据权利要求1所述的射频放大器(500)，其中由以下特征的组合来提供并联电感：
i)将有源器件(501)的输出(502)与第二输出引线(505)相连的多个接合线(506)的电感；
ii)形成第二输出引线(505)的金属条带的电感；以及
iii)设置在安装有放大器的PCB上的传输线的电感。
3.根据权利要求1所述的射频放大器，其中第一导体(b)通过焊接或胶粘连接与地连接相连，或通过接合线直接与地相连，或通过有源器件上的一个或多个接合焊盘与地相连。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的射频放大器，其中第二导体(t)通过接合线与有源器件的输出相连，所述接合线通过第一导体(b)中的开口连接到第二导体。
5.根据权利要求1-3之一所述的射频放大器，包括连接在有源器件(501)的输出连接和漏极连接之间的串联电容器(Cser)。
6.根据权利要求1-3之一所述的射频放大器(500)，包括与有源器件的输出相连的串联电容器(Cser)，设置串联电容器作为与有源管芯(501)相邻的基板上的分离管芯的一部分。
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