CN102931922A

CN102931922A - 一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路

Info

Publication number: CN102931922A
Application number: CN 201110229831
Authority: CN
Inventors: 郝明丽
Original assignee: DEYANG ZHONGKE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: DEYANG ZHONGKE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种高稳定性射频功率放大器 单片集成电路属于射频功率放大器技术领域，尤其涉及一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路。本发明提供一种版图布局复杂程度低的高稳定性射频功率放大器单片集成电路。本发明包括射频功率晶体管，其结构要点射频功率晶体管的输入端串接有片内平面螺旋电感。

Description

一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路

技术领域

本发明属于射频功率放大器技术领域，尤其涉及一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路。

背景技术

射频功率放大器作为无线发射系统前端的关键部件，其性能直接影响到发射前端的性能。功率放大器的研制不仅要满足增益、功率、线性度、效率等指标要求，而且也要考虑工作的前提条件也即稳定性。

在设计功率放大器单片集成电路（MMIC）时，为达到需要的增益和功率，需要采用多级级联的形式。例如对于三级级联来说，三级分别是驱动级、增益级、功率输出级。根据各级特点，每一级的功率管的并联数目会不同，而且是逐渐增加。相应地，三级功率管的输入阻抗的实部将越来越小，甚至出现负实部，这将会引起振荡，使放大器无法正常工作。

为了提高电路的稳定性，通常在功率管的输入端串联接入一个小电阻或者采用RC并联的方式来弥补晶体管的负阻。对于前一种情况，小阻值比如5欧姆以下的电阻，某些工艺并不能提供此量级的电阻，可能需要多个电阻的并联，将给版图布局增加复杂程度并占用较大的面积。而对于后一种情况，电阻R和电容C的值需要调试，且为了尽量降低对RF功率的衰减，一般需要较大的电容值，无疑也会增加版图面积。如何有效提高电路的稳定性一直是射频功率放大器设计的关键问题之一。

片内平面螺旋电感是目前常用的集成电感。它是在集成电路中用顶层金属做成的螺旋线，电感中心点由下面一层的金属线引出。螺旋线的形状一般是矩形、也可以是六边形、八边形或圆形。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种版图布局复杂程度低的高稳定性射频功率放大器单片集成电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括射频功率晶体管，其结构要点射频功率晶体管的输入端串接有片内平面螺旋电感。

作为一种优选方案，本发明所述片内平面螺旋电感一端与射频功率晶体管的输入端相连，另一端与片内输入匹配电路端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述片内平面螺旋电感一端与射频功率晶体管的输入端相连，另一端分别与第一电容一端、第二电容一端相连，第一电容另一端接地，第二电容另一端为信号输入端。

其次，本发明所述片内平面螺旋电感的宽度为8um～12 um。

另外，本发明所述片内螺旋电感为方形结构或圆形结构。

本发明有益效果：本发明利用片内平面螺旋电感的寄生电阻来替代起稳定作用的串联电阻，由于片内螺旋电感内部的寄生电阻也串联在信号通路中，相当于增加了功率晶体管的实部阻抗，减小了阻抗变换比，降低了匹配的难度，在削弱低频高增益的同时也提高了电路的稳定性。另外，在未设计匹配电路时人为加入的起稳定作用的小阻值的串联电阻，也可由本发明片内平面螺旋电感的寄生电阻替代，减少了器件数量，简化了电路的版图布局布线。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明片内平面螺旋电感等效电路图。

图3-1是射频功率放大器未匹配时未加入稳定性串联电阻电路图。

图3-2是射频功率放大器未匹配时加入稳定性串联电阻电路图。

图4是图3两种结构对应的稳定因子（K因子）比较图表。

图5-1是对应同一匹配目标电感并联到地的匹配结构图。

图5-2是对应同一匹配目标电感串联匹配结构图。

图6是本发明片内平面螺旋电感不同线宽对应的稳定因子图表。

图7是本发明片内平面螺旋电感不同线宽对应的增益曲线图表。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括射频功率晶体管102，射频功率晶体管102的输入端串接有片内平面螺旋电感101。

所述片内平面螺旋电感101一端与射频功率晶体管102的输入端相连，另一端与片内输入匹配电路端口相连。本发明片内平面螺旋电感101串联接入射频功率晶体管102的输入端，是匹配电路的一部分，其阻抗值直接影响到射频功率放大器输入端的阻抗。

如图2所示，片内平面螺旋电感101的电感值为Ls，寄生电阻为Rs，寄生的线间耦合电容Cp，Cox1为片内平面螺旋电感101的金属线与衬底间的氧化层电容，103为以并联形式存在的衬底的寄生电容和寄生电阻的组合。

图3为射频功率放大器未匹配时加入稳定电阻前后的电路结构，电路中的10uF电容是隔直电容。其稳定性情况如图4所示，未加稳定性电阻时，以2.4GHz频点为例，该频点处的K因子仅为0.066，而当加入2欧姆的稳定性电阻后，2.4GHz处的K因子为2.5，表明加入串联电阻后，电路在2.4GHz处是稳定的，当然，电阻越大，对应的稳定因子会增大，但由电阻带来的损耗也会增加。而当电路稳定后，借助仿真软件，才能得到可用于匹配的电路的输入、输出阻抗。

如图5-2所示，所述片内平面螺旋电感101一端与射频功率晶体管102的输入端相连，另一端分别与第一电容一端、第二电容一端相连，第一电容另一端接地，第二电容另一端为信号输入端。

如图5所示图，从信号源50欧姆到输入阻抗的两种匹配形式，对于图5-1的匹配形式，加入的稳定性电阻是不能省略的；而图5-2的电感串联的形式，则是可以通过设计不同线宽的片内平面螺旋电感101而得到需要的寄生电阻来抵消并替代原来的稳定性串联电阻。

所述片内平面螺旋电感101的宽度为8um～12 um。由于螺旋电感的线宽可调，线条越宽对应的寄生电阻越小，因此可以根据具体电路需要合理选择满足需求的螺旋电感的线宽。

如图6所示，采用片内平面螺旋电感101串联的方式的匹配电路完成后，去掉原来的串联电阻2欧姆，并调整片内平面螺旋电感101不同线宽时对应的稳定因子。当调整片内螺旋电感的线宽为8um，此时的寄生电阻的阻值达到2欧姆时，对应的稳定因子K值为3.2，以2um的步进间隔调整螺旋电感的线宽，得到不同的寄生电阻值，同时保持电感值不变，使匹配状态不会发生变化，并分别得到相应的稳定因子。可以看出，随着线宽的递增，寄生的串联电阻逐渐下降，稳定因子也相应地减小，但是在2.4GHz的频点处，稳定因子都大于1，表明寄生电阻的减小并没有明显改变电路的稳定性。

图7与图6所对应的状况一样，随着片内平面螺旋电感101线宽的增加，寄生的串联电阻逐渐下降，因此对信号的衰减减少，相应的增益会有增加的趋势。图7即为此种情况下对应的增益曲线，可以看到，S21从最初螺旋电感8um线宽时的10.03dB，逐渐增加到线宽为12um时的10.62dB。因此，可根据电路性能的需要，通过调整线宽来减少寄生电阻对信号功率的衰减，而从图6可以看出，增益的上升并不会明显影响电路的稳定性。因此，可通过调整螺旋电感的线宽，来降低寄生电阻对信号功率的衰减，在不影响匹配状态的同时，灵活设计电路的增益水平，而不会明显影响电路的稳定性。

所述片内螺旋电感为方形结构或圆形结构。

本发明所述结构可适用于功率放大器模块电路中的绕线电感。

本发明射频功率放大器可用于无线通信系统中的前端发射机中，将经过上变频后的信号放大，传送给天线并发射出去。

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路，包括射频功率晶体管（102），其特征在于射频功率晶体管（102）的输入端串接有片内平面螺旋电感（101）。

2.根据权利要求1所述一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路，其特征在于所述片内平面螺旋电感（101）一端与射频功率晶体管（102）的输入端相连，另一端与片内输入匹配电路端口相连。

3.根据权利要求1所述一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路，其特征在于所述片内平面螺旋电感（101）一端与射频功率晶体管（102）的输入端相连，另一端分别与第一电容一端、第二电容一端相连，第一电容另一端接地，第二电容另一端为信号输入端。

4.根据权利要求1所述一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路，其特征在于所述片内平面螺旋电感（101）的宽度为8um～12 um。

5.根据权利要求1所述一种高稳定性射频功率放大器单片集成电路，其特征在于所述片内螺旋电感为方形结构或圆形结构。