CN103178794B - 单芯片功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路设计、制造技术领域，特别涉及一种广泛用于W波段毫米波各类有源雷达组件及通信系统的单芯片功率放大器。一种单芯片功率放大器，其在单芯片上集成有输入匹配电路，输入匹配电路的输入端连接外部信号输入源，其输出端顺次串接四级晶体管放大器、输出匹配及功率合成电路后向外输出，所述四级晶体管放大器包括依次级联的第一级、第二级、第三级、第四级晶体管放大器。本发明的单芯片功率放大器可广泛用于W波段各类有源雷达组件及毫米波通信系统等领域，其工作频段宽，且全频段性能稳定，有效降低了芯片面积并减小损耗，实现芯片高功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计、制造技术领域，特别涉及一种广泛用于W波段各类有源雷达组件及毫米波通信系统的单芯片功率放大器。
背景技术
功率放大器是卫星通信、雷达通信等领域中高灵敏度接收机的关键部件，通过功率放大器，从而实现信号的放大及功率的输出。
单片微波集成电路（MMIC）因其电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点，成为设计制造毫米波功率放大集成电路的最佳选择之一。采用MMIC工艺技术的W波段功率放大器在无线通信、雷达及毫米波成像等军民用途中有着广泛的应用。功率放大器设计中的一个重点和难点是电路的稳定性问题，因为在较低频段内有很高的增益及噪声，所以很容易引发低频振荡，使整个电路不能稳定工作。
为了使电路稳定，通常需要在多级放大器的级与级之间加入匹配电路，传统的匹配电路为阻容耦合电路，这种耦合电路采用比较小的电阻和电容即可使电路达到稳定，但这种耦合电路需占用较大的电路面积，且该匹配电路是窄带结构，宽带性能较差，很难满足W波段功率放大器中对匹配电路的宽带要求，难以实现放大器的高功率输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种利用MMIC工艺制造的工作在W波段的单芯片功率放大器。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
单芯片功率放大器，其在单芯片上集成有输入匹配电路，输入匹配电路的输入端连接外部信号输入源，其输出端顺次级联四级晶体管放大器、输出匹配及功率合成电路后向外输出，所述四级晶体管放大器包括第一级晶体管放大器、第二级晶体管放大器、第三级晶体管放大器、第四级晶体管放大器，各级晶体管放大器通过匹配电路依次级联，各级晶体管放大器分别包括三极管、三级滤波电路，所述三极管的集电极和基极通过三级滤波电路与供电端连接，所述第一级和第二级晶体管放大器分别包括一个三极管，第三级晶体管放大器包括两个并联的三极管，第四级晶体管放大器包括四个并联的三极管。
上述单芯片功率放大器中，所述各级晶体管放大器中并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻。
上述单芯片功率放大器中，所述第三级晶体管放大器中两个并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻；第四级晶体管放大器中四个并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻。
上述单芯片功率放大器中，所述电阻为奇模电阻，可有效防止奇模振荡。
上述单芯片功率放大器中，所述第二级、第三级、第四级晶体管放大器之间的匹配电路为一体化的功分和匹配电路，所述一体化的功分和匹配电路即将功分和匹配一体化实现。
上述单芯片功率放大器中，所述单芯片功率放大器采用MMIC工艺制造。由于MMIC的衬底材料的电子迁移率较高、禁带宽度宽、工作温度范围大、微波传输性能好，所以MMIC具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。
上述单芯片功率放大器中，所述四级晶体管放大器为四级pHEMT晶体管放大器。
上述单芯片功率放大器中，所述三级滤波电路为三级RC滤波电路。
本发明提供的单芯片功率放大器，在实际应用中与MMIC工艺完全兼容，单芯片中的四级晶体管放大器，通过外围供电电路控制Vd、Vg的电压，各级晶体管放大器的集电极和基极供电均采用三级RC滤波电路，分别针对各频率进行逐级滤波，再配以片外芯片电容，保证芯片的全频段稳定，从而可以有效抑制在W波段低噪声放大器中常见的低频振荡，提高了W波段低噪声放大器的稳定性和宽带性能。各级晶体管放大器采用不同数量的三极管，以1:2的比例推动，级间有一体化的功分和匹配电路，使输出阻抗匹配及功率合成电路一体化实现，有效降低芯片面积并减小损耗，实现芯片高功率输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的单芯片功率放大器可广泛用于W波段各类有源雷达组件及毫米波通信系统等领域，其工作频段宽，且全频段性能稳定，有效降低了芯片面积并减小损耗，实现芯片高功率输出。
附图说明
图1为本发明的电路连接框图。
图2为图1中四级晶体管放大器的电路连接框图。
图中标记：1-单芯片，2-输入匹配电路，3-四级晶体管放大器，3.1-第一级晶体管放大器，3.2-第二级晶体管放大器，3.3-第三级晶体管放大器，3.4-第四级晶体管放大器，4-输出匹配及功率合成电路，5-三极管，6-三级RC滤波电路，7-功分及匹配电路，8-奇模电阻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如附图1、附图2所示，本实施例的单芯片功率放大器，其在单芯片1上集成有输入匹配电路2，输入匹配电路2的输入端连接外部信号输入源，其输出端顺次串接四级晶体管放大器3、输出匹配及功率合成电路4后向外输出，所述四级晶体管放大器3包括依次级联的第一级晶体管放大器3.1、第二级晶体管放大器3.2、第三级晶体管放大器3.3、第四级晶体管放大器3.4，第一级晶体管放大器3.1与第二级晶体管放大器3.2通过匹配电路级联，第二级、第三级、第四级晶体管放大器通过一体化的中间级功分及匹配电路7依次级联，所述第一级晶体管放大器3.1、第二级晶体管放大器3.2、第三级晶体管放大器3.3、第四级晶体管放大器3.4分别包括三极管5、三级RC滤波电路6，所述三极管5的集电极和基极分别通过三级RC滤波电路6与供电端连接，所述第一级晶体管放大器3.1和第二级晶体管放大器3.2分别包括一个三极管5，第三级晶体管放大器3.3包括两个并联的三极管5，第四级晶体管放大器3.4包括四个并联的三极管5，所述第三级晶体管放大器3.3中两个并联三极管的基极之间连接有奇模电阻8，两个并联三极管的集电极之间也连接有奇模电阻8；第四级晶体管放大器3.4中四个并联三极管的基极之间连接有奇模电阻8，四个并联三极管的集电极之间也连接有奇模电阻8。
本实施例采用MMIC工艺制造，单芯片功率放大器实际应用中与MMIC工艺完全兼容，单芯片中的四级晶体管放大器3，通过外围供电电路控制Vd、Vg电压，各级晶体管放大器的Vd1~Vd4和Vg1~Vg4供电均采用三级RC滤波电路6，分别针对80~100GHz、30~90GHz、10~40GHz进行逐级滤波，再配以片外芯片电容，保证芯片的全频段稳定，从而可以有效抑制在W波段低噪声放大器中常见的低频振荡，提高了W波段功率放大器的稳定性和宽带性能。该芯片中采用了四级pHEMT晶体管放大器，各级晶体管放大器采用不同数量的三极管，第二级、第三级、第四级晶体管放大器中的三极管以1:2的比例推动，且晶体管之间连接有一体化的中间级功分及匹配电路7，能够使输出阻抗匹配及功率合成电路一体化实现，有效降低芯片面积并减小损耗，实现芯片高功率输出。
本实施例可广泛用于W_波段各类有源雷达组件及毫米波通信系统领域，其工作频段在88GHz~95GHz内，且性能稳定，有效减小了芯片面积并降低损耗，实现芯片高功率输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.单芯片功率放大器，其在单芯片上集成有输入匹配电路，输入匹配电路的输入端连接外部信号输入源，其输出端顺次级联四级晶体管放大器、输出匹配及功率合成电路后向外输出，其特征在于：所述四级晶体管放大器包括第一级晶体管放大器、第二级晶体管放大器、第三级晶体管放大器、第四级晶体管放大器，各级晶体管放大器通过匹配电路依次级联，各级晶体管放大器分别包括三极管、三级滤波电路，所述三极管的集电极和基极通过三级滤波电路与供电端连接，所述第一级和第二级晶体管放大器分别包括一个三极管，第三级晶体管放大器包括两个并联的三极管，第四级晶体管放大器包括四个并联的三极管。
2.根据权利要求1所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述各级晶体管放大器中并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻。
3.根据权利要求2所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述第三级晶体管放大器中两个并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻；第四级晶体管放大器中四个并联三极管的基极之间连接有电阻，集电极之间也连接有电阻。
4.根据权利要求2或3所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述电阻为奇模电阻。
5.根据权利要求1所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述第二级、第三级、第四级晶体管放大器之间的匹配电路为一体化的功分及匹配电路。
6.根据权利要求1所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述单芯片功率放大器采用MMIC工艺制造。
7.根据权利要求1所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述四级晶体管放大器为四级pHEMT晶体管放大器。
8.根据权利要求1所述的单芯片功率放大器，其特征在于：所述三级滤波电路为三级RC滤波电路。
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