CN102655395B - 一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路 - Google Patents

一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有直流与微波信号交叉布线的放大器电路，该电路由两个互为镜像的分支子电路和与输出端并联的第三电容组成；子电路包括直流馈电回路和微波信号回路；直流馈电电路的异质结场效应管管芯漏极加电端口经并联的第一电容后，与第一微带电感串联，再经分支的一对第二电感，分别串联一对第三电感之一后，分别接异质结场效应管管芯漏极端；微波信号电路的一对第三电感分别经并联的一对第二电容之一后，分别与一对第一电容之一串联、并分别与一对到地电感之一并联，再分别与一对第四电感之一串联，汇合后经串联的第五电感接输出端。本电路敏感度低，电路结构对称,没有电磁场严重不连续区域，可提高版图密度和芯片空间利用率。

Description

一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路
技术领域
本发明涉及一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路，尤其是一种直流信号与微波信号交叉布线的微波、毫米波大功率单片集成功率放大器电路，属于通讯技术领域。
背景技术
微波、毫米波大功率单片集成功率放大器是微波探测、制导系统中的核心器件，用于将小功率信号放大成大功率信号，从而提升系统中发射机的功率辐射电平，增加探测距离。随着微波探测、制导系统的发展，要求在增加探测距离的同时减少能耗，提高放大器效率。
一方面，这就要求微波、毫米波大功率单片集成功率放大器具备高输出功率和高效率。另一方面，在批量生产过程中，为了提升一致性、成品率，降低成本，芯片必须小型化。
由于大功率输出需要大电流的供给，为了承受大电流，通常馈电电路的线宽100μm，是信号线宽的两倍以上，占据芯片末级空间径向距离的1/10，占用芯片面积大。此外，高功率和高效率的获得需要在输出端进行合适的匹配，常用的T型和π型匹配电路及其衍生形态的几个枝节，针对不同频带的信号、尤其是宽带信号，在电路设计和布局上要便于灵活调整。而受芯片尺寸的限制，微波、毫米波大功率单片集成功率放大器芯片末级电路布局布线空间十分有限。
现有微波、毫米波大功率单片集成功率放大器末级单元具有大栅宽管芯，输出阻抗低，典型结构如图1所示，末级管芯170经过101、102两个镜像的输出电路，再由串联电感134、并联电容135，到达输出端口112。输出子电路电路101包括Vds端口111、并联电容121、串联电容131、并联到地微带132、微带线122、133、微带合路单元151、并联电容141、142和微带合路单元161、162。利用该方式实现的电路缺点匹配单元经过并联电容141、142后需要合路以后才能连接电容131，这限制了电路设计的自由度。同时串联电容131、并联到地微带132对性能的敏感度非常高。而且区域1的电磁场不连续，微波匹配电路对于管芯也不完全对称。对于大栅宽高功率大阻抗变换比的的匹配电路而言，这将极大限制匹配电路的性能。
发明内容
本发明的任务是：提出一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路，充分挖掘大栅宽管芯性能，且显著提高版图的密度和芯片空间利用率，从而解决大栅宽功率芯片高阻抗比的宽带电路匹配问题。
管芯直流馈电回路和微波信号回路相对于HEMT晶胞完全对称，便于充分发挥管芯FET的性能。同时并联第二电容后可以直接串接电容，提升了电路设计的自由度。与现有技术相比，串联电容（131）由串联第一电容（251、252）实现，并联到地微带（132）由并联到地电感（261、262）实现，因此本发明中元件的电路敏感度降低。同时本发明方案电路结构对称，不存在电磁场严重不连续区域， 
为了完成以上任务，本发明直流与微波信号交叉布线的放大器电路基本技术方案是：一种由两个互为镜像的分支子电路（201、202）和与输出端并联的第三电容（2101）组成；所述子电路包括直流馈电回路和微波信号回路；其特征在于：所述直流馈电电路主要由异质结场效应管管芯漏极加电端口（Vds）、第一电容（281）、第一微带电感（241）、一对第二电感（231、232）、一对第三电感（211、212）构成,所述异质结场效应管管芯漏极加电端口（Vds）经并联的第一电容（281）后，与第一微带电感（241）串联，再经过分支的一对第二电感（231、232），分别串联一对第三电感（211、212）之一后，分别接异质结场效应管管芯的漏极端口；所述微波信号电路主要由所述一对第三电感（211、212）、一对第二电容（221、222）、一对第一电容（251、252）、一对到地电感（261、262）、一对第四电感（271、272）以及第五电感（291）构成，所述一对第三电感（211、212）分别经并联的一对第二电容（221、222）之一后，分别与一对第一电容（251、252）之一串联、并分别与一对到地电感（261、262）之一并联，再分别与一对第四电感（271、272）之一串联，汇合后经串联的第五电感（291）接输出端。
本发明技术方案进一步的完善是，所述直流馈电回路的任一串联电感和所述微波信号回路的任一串联电感立体交叉。微波信号和直流信号的立体交叉采用空气桥方式实现。
本发明技术方案更进一步的完善是，所述直流馈电回路中的第一电感、一对第二电感和所述微波信号回路中的一对第四电感、第五电感采用集中电感，或者采用分布式微带线。
本发明技术方案再进一步的完善是，所述两互为镜像电路的子单元的输出汇合，经并联的第三电容到达输出（Pout）端口。
本发明技术方案又进一步的完善是，所述异质结场效应管为高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor或HEMT）。HEMT管芯可以扩展为8个晶胞，每两个晶胞合路后与串联第三电感（211、212）之一相接。
采用本发明的上述技术方案后，管芯直流馈电回路和微波信号回路相对于HEMT晶胞完全对称，便于充分发挥管芯FET的性能。同时并联第二电容后可以直接串接电容，提升了电路设计的自由度。与现有技术相比，串联电容（131）由串联第一电容（251、252）实现，并联到地微带（132）由并联到地电感（261、262）实现，因此本发明中元件的电路敏感度降低。同时本发明方案电路结构对称，不存在电磁场严重不连续区域，可以显著提高版图的密度和芯片空间利用率。
附图说明
    下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为现有技术的微波、毫米波大功率单片集成功率放大器末级电路版图。
图2为本发明的一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路原理图。
图3为本发明一个实施例的微波、毫米波大功率单片集成功率放大器末级电路版图。图3中的标号301、302…分别对应图2中的201、202…，依此类推。
具体实施方式
实施例一
本实施例的直流与微波信号交叉布线的放大器电路利用半导体MMIC工艺线制作，电路原理图如图2所示，电路版图如图3所示。电路实现过程中串联电感利用不同阻抗的微带线实现，电容通过集总MIM电容实现。电路由两个微波功率信号幅度、相位一致的互为镜像电路的电路网络单元301、302构成。每个电路网络单元由直流馈电电路与微波信号电路构成。直流信号电路包括HEMT管芯漏极加电端口Vds，并联第一MIM电容381、串联第一微带线341、串联第二微带线331、332、串联第三微带线311、312。微波信号电路包络串联第三微带线311、312、并联第二MIM电容321、322、串联第一MIM电容351、352、并联到地微带线361、362、串联第四微带线371、372、串联第五微带线391。电路网络单元301、302合路后并联第三MIM电容3101至输出端口Pout。此电路的直流馈电电路中串联第二微带332与微波信号电路中串联第五微带391实现了立体交叉。其交叉实现方式通过空气桥3111跨接。两互为镜像电路的子单元的输出汇合，经并联的第三电容到达输出（Pout）端口。HEMT管芯扩展为8个晶胞，每两个晶胞合路后与串联第三电感211、212之一相接。
在电路单元301、302中，直流馈电信号在芯片上沿横向方向传输，微波功率信号沿轴向方向传输，这样的电路布线方式可以减少来自直流电源的各种频率分量的杂波对微波功率信号串扰的影响。电路芯片综合考虑工作频段、功率、效率、一致性、成品率、成本，其晶圆采用GaAs或GaN材料作为基片，但不仅限于此。
本领域技术人员根据上述实施例，不难想到，直流馈电回路的任一串联电感和微波信号回路的任一串联电感立体交叉。直流馈电回路中的第一电感、一对第二电感和微波信号回路中的一对第四电感、第五电感可以采用分布式微带线，或者集中电感。此外，异质结场效应管除采用HEMT，也可以是调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。
理论和试验证明，本实施例具有如下有益效果：
1）直流馈电电路和微波信号电路相对于管芯完全对称，因此对于每一个晶胞而言，其负载电路的阻抗完全相同，易于发挥管芯最佳性能。
2）并联第二MIM电容后面直接接串联第二电容。不再因为直流信号与微波功率信号交汇点位置固定限制芯片设计的自由度。
3）电路结构比较对称，电磁场比较连续均匀。
4）微波信号回路中串联第一MIM电容和并联到地微带对电路性能的敏感度显著降低。留给工艺加工足够的离散余量，利于芯片批量生产。
５）便于更多晶胞的电路设计，可以方便扩展为八胞结构，有利于更大功率芯片设计。
６）芯片空间利用率提高，降低芯片成本。
总之，本实施例解决了大栅宽功率芯片输出阻抗到50欧姆端口高阻抗比的宽带匹配难题，将大栅宽管芯高功率高效率的性能充分挖掘出来。

Claims (8)

1.一种直流与微波信号交叉布线的放大器电路，由两个互为镜像的分支子电路(201、202)和与输出端并联的第三电容(2101)组成；所述子电路包括直流馈电回路和微波信号回路；其特征在于：所述直流馈电电路主要由异质结场效应管管芯漏极加电端口(Vds)、第一电容(281)、第一微带电感(241)、一对第二电感(231、232)、一对第三电感(211、212)构成,所述异质结场效应管管芯漏极加电端口(Vds)与第一电容(281)并联后，与第一微带电感(241)串联，再经过分支的一对第二电感(231、232)，分别与一对第三电感(211、212)之一串联后，分别接异质结场效应管管芯的漏极端口；所述微波信号电路主要由所述一对第三电感(211、212)、一对第二电容(221、222)、一对第一电容(251、252)、一对到地电感(261、262)、一对第四电感(271、272)以及第五电感(291)构成，所述一对第三电感(211、212)分别与一对第二电容(221、222)之一并联后，分别与一对第一电容(251、252)之一串联、并分别与一对到地电感(261、262)之一并联，再分别与一对第四电感(271、272)之一串联，汇合后与第五电感(291)串联再接输出端。
2.根据权利要求1所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述直流馈电回路的任一串联电感和所述微波信号回路的任一串联电感立体交叉。
3.根据权利要求2所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述立体交叉采用空气桥结构。
4.根据权利要求3所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述直流馈电回路中的第一电感、一对第二电感和所述微波信号回路中的一对第四电感、第五电感采用集中电感。
5.根据权利要求3所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述直流馈电回路中的第一电感、一对第二电感和所述微波信号回路中的一对第四电感、第五电感采用分布式微带线。
6.根据权利要求4或5所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述两个互为镜像的分支子电路(201、202)的输出汇合，经并联的第三电容(2101)到达输出(Pout)端口。
7.根据权利要求6所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述异质结场效应管为高电子迁移率晶体管。
8.根据权利要求7所述的直流与微波信号交叉布线的放大器电路，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的管芯扩展为8个晶胞，每两个晶胞合路后分别与串联第三电感(211、212)之一相接。
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