CN104378071B - 一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片及放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片及放大器，包括芯片衬底上串联连接第一放大电路和第二放大电路，芯片衬底设有按照顺序设置的第一芯片工作电压接口、微动射频开关、第一副控接口、控制信号输入端口、恒定电压接口、第一放大电路开关、第二芯片工作电压接口、第一放大电路输入接口、第一放大电路地线接口、第一放大电路输出接口、第二放大电路地线接口、第二放大电路输入接口、第二副控接口、第二放大电路输出接口、总副控开关和第二放大电路开关。芯片设有自适应偏置电路和负反馈电路。本发明解决了单片集成射频功率放大器芯片线性度低、效率差的问题，同时提高了芯片的输出功率和效率。

Description

一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片及放大器
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片及放大器。
背景技术
现有技术中，随着现代通信技术的迅速发展，3G成为主流，4G已开始使用，5G正在加紧研发。射频集成功率放大器是实现射频前端的重要组成部分。当下，电信运营商采用了不同的无线通信系统，不同的无线通信系统使用的频率和工作模式要求不同。高功率宽带单片集成射频功率放大器芯片应运而生。
现有集成射频功率放大器芯片常采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs工艺。CMOS工艺成本最低，但因其低的击穿电压和热载流子效应很难制造出高效率和高功率的集成射频功率放大器。GaAs工艺性能最好，但是制造成本昂贵。SiGe BiCMOS工艺与CMOS工艺完全兼容，而且具有较高击穿电压和截止频率而越来越受到重视。常用线性化技术包括预失真、自适应偏置等。自适应偏置技术因其结构简单，提高线性度明显，功耗低等特点被普遍采用。补偿射频功率放大器的am-pm调制技术能进一步提高功率放大器的线性度。
现有集成射频功率放大器芯片工作在AB类状态，兼顾效率和线性度。单片集成射频功率放大器芯片电路结构有采用单级电路结构的，也有多级电路结构的，两级电路结构最为常见。单片集成射频功率放大器芯片普遍存在的问题是线性度不够高和功耗较大。
现有集成射频功率放大器芯片在工作带宽上，有窄带、宽带、超宽带之分。随着器件性能的提升，单片集成射频功率放大器工作的频带越来越宽，输出功率和效率越来越高。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种全集成、高线性度、宽频带、低成本、小型化的射频功率放大器芯片。使用SiGe BiCMOS工艺设计的宽带射频功率放大器芯片解决了普遍存在的问题是线性度不够高。获得了高线性度和更好地兼顾不同电信运营商的无线通信频段。本发明提供的宽带功率放大器属于全集成单片芯片，提高了输出功率，可以广泛应用于雷达、通信、WLAN等领域。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片，所述芯片包括芯片衬底，所述芯片衬底上串联连接第一放大电路和第二放大电路，所述芯片衬底设有按照顺序设置的第一芯片工作电压接口、微动射频开关、第一副控接口、控制信号输入端口、恒定电压接口、第一放大电路开关、第二芯片工作电压接口、第一放大电路输入接口、第一放大电路地线接口、第一放大电路输出接口、第二放大电路地线接口、第二放大电路输入接口、第二副控接口、第二放大电路输出接口、总副控开关和第二放大电路开关。
进一步地，所述芯片设有自适应偏置电路和负反馈电路。
进一步地，所述自适应偏置电路包括按照顺序串联连接的偏置电阻、第六三极管、第四三极管和第五三极管，第四电阻一端与第二芯片工作电压接口连接，所述第四电阻的另一端与偏置电容连接，所述第四电阻和偏置电容之间与所述第六三极管基极连接。
进一步地，所述负反馈电路包括串联连接的负反馈电阻、负反馈回路晶体管和隔直电容,所述隔直电容与第二三极管的集电极连接，所述负反馈回路晶体管的基极按顺序与第五电阻和单线协议接口串联连接，所述负反馈电阻与功率输入端口连接。
进一步地，所述第一放大电路输入接口与第一应用电路连接，所述第二放大电路输出接口与第二应用电路连接，所述第一放大电路输出接口和第二放大电路输入接口分别连接第三应用电路的输入端和输出端。
进一步地，所述第一应用电路包括顺序串联连接的第一应用电路信号输入端口、第一应用电路的第一振荡线圈、第一应用电路的第一电容、第一应用电路的第二电容和所述第一放大电路输入接口，所述第一应用电路的第一电容和第一应用电路的第二电容之间连接接地的第一应用电路的第二振荡线圈。
进一步地，所述第二应用电路包括与所述第二放大电路输出接口串联连接的第二应用电路的第一电容、第二应用电路的第二电容、第二应用电路的第二振荡线圈和第二应用电路信号输出端口；所述第二放大电路输出接口和第二应用电路的第一电容之间连接有由第二应用电路的第一振荡线圈和第二应用电路的第三电容构成的振荡电路；所述第二应用电路的第一电容和第二应用电路的第二电容之间连接有接地的第二应用电路的第三振荡线圈。
进一步地，所述第三应用电路包括和第一放大电路输出接口顺序连接的第三应用电路的第一电容和第二放大电路输入接口连接电路，所述第一放大电路输出接口和第三应用电路的第一电容电路之间连接有并联连接的第三应用电路的第一振荡线圈、第三应用电路的第二电容和第三应用电路的第一电阻。
进一步地，本发明还提供了一种用于雷达系统宽带功率放大器，所述放大器安装了所述任何一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片。
与现有技术相比，优越效果在于：本发明解决了单片集成射频功率放大器芯片线性度低、效率差的问题，将一种自适应偏置结构及补偿射频功率放大器的am-pm调制方法应用到了雷达系统宽带功率放大器芯片设计中，提高了芯片的输出功率和效率。
附图说明
图1为本发明所述宽带功率放大器芯片电路简化示意图；
图2为本发明所述宽带功率放大器芯片电路示意图；
图3为本发明所述宽带功率放大器芯片的管脚图；
图4为本发明所述宽带功率放大器芯片应用电路图。
附图标记如下：
1-信号输入端口，2-第一放大电路，3-第二放大电路，4-信号输出端口，5-自适应偏置电路，6-负反馈电路，7-第一工作电压接口，8-镜像电路接口，9-控制信号输入端，10-功率输入端口，11-负反馈使能开关，12-功率输出端口，13-第二工作电压接口，14-芯片衬底，14-1-第一芯片工作电压接口，14-2-微动射频开关，14-3-第一副控接口，14-4-控制信号输入端口，14-5-恒定电压接口，14-6-第一放大电路开关，14-7-第二芯片工作电压接口，14-8-第一放大电路输入接口，14-9-第一放大电路地线接口，14-10-第一放大电路输出接口，14-11-第二放大电路地线接口，14-12-第二放大电路输入接口，14-13-第二副控开关，14-14-第二放大电路输出接口，14-15-总副控接口，14-16-第二放大电路开关，15-第一应用电路，15-1-第一应用电路信号输入端口，15-L1-第一应用电路的第一振荡线圈，15-L2-第一应用电路的第二振荡线圈，15-C1-第一应用电路的第一电容，15-C2-第一应用电路的第二电容；16-第二应用电路，16-1第二应用电路信号输出端口，16-2-第二应用电路工作电压端口，16-C1-第二应用电路的第一电容，16-C2-第二应用电路的第二电容，16-C3-第二应用电路的第三电容，16-L1-第二应用电路的第一振荡线圈，16-L2-第二应用电路的第二振荡线圈，16-L3-第二应用电路的第三振荡线圈；17-第三应用电路，17-1第三应用电路工作电压端口，17-C1第三应用电路的第一电容，17-C2第三应用电路的第二电容，17-L1第三应用电路的第一振荡线圈，17-R1第三应用电路的第一电阻；Rb-偏置电阻，Rf-负反馈电阻，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻；Q1-第一三极管，Q2-第二三极管，Q3-第三三极管，Q4-第四三极管，Q5-第五三极管，Q6-第六三极管；Cb-偏置电容，Cf-隔直电容，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，C4-第四电容；L1-第一振荡线圈，L2-第二振荡线圈，L3-第三振荡线圈，L4-第四振荡线圈，L5-第五振荡线圈，Mf-负反馈回路晶体管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
结合说明书附图1-4所示,具体说明本发明，本发明提供了一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片，所述芯片包括芯片衬底14，本实施例提供的一种用于雷达系统宽带功率放大器芯片采用两级放大的电路结构。两级电路结构是一样的，只是器件参数不一样，第一级SiGe HBT功率晶体管的发射极面积为230.4um2(20个HBT单元，每个HBT单元包含2个发射结，每个发射结的长和宽分别为6.4um和0.9um)，第二级SiGe HBT功率晶体管的发射极面积为792.72um2(30个HBT单元，每个HBT单元包含4个发射结，每个发射结的长和宽分别为7.34um和0.9um)。本实施例提供的芯片典型电压增益为14dB，Op1dB为24dBm，PAE为20％，噪声系数3.5dB，采用3.3V单电源供电，消耗总电流100mA，芯片面积0.84×0.73mm2。本技术方案在达到同等高线性度条件下降低了功耗，同时芯片面积小，提供了效率，降低了成本，实用频带宽，领域广。为了解决单片集成射频功率放大器芯片线性度低、效率差等问题，将一种自适应偏置结构及补偿射频功率放大器的am-pm调制方法应用到了雷达系统宽带功率放大器芯片设计中，提高了芯片的输出功率和效率。如图1所示，该图是省去了输入、输出及级间匹配的简化示意图，包括所述芯片衬底14上串联连接信号输入端口1、第一放大电路2、第二放大电路3和信号输送端口4。如图3所示，所述芯片衬底14设有按照顺序设置的第一芯片工作电压接口14-1、微动射频开关14-2、第一副控接口14-3、控制信号输入端口14-4、恒定电压接口14-5、第一放大电路开关14-6、第二芯片工作电压接口14-7、第一放大电路输入接口14-8、第一放大电路地线接口14-9、第一放大电路输出接口14-10、第二放大电路地线接口14-11、第二放大电路输入接口14-12、第二副控接口14-13、第二放大电路输出接口14-14、总副控开关14-15和第二放大电路开关14-16。本发明所述芯片中还设有自适应偏置电路5和负反馈电路6。如图2所示，图中虚线框的一个结构为自适应偏置电路5，另一个为负反馈结构6，自适应偏置电路5为了增加功率放大器的线性度。如图2所示，本发明的电路分别包括第一工作电压接口7、控制信号输入端9、功率输入端口10、功率输出端口12和第二工作电压接口13，本实施例采用了两种偏置电路结构：镜像电路接口8(IREF)由恒定电压电路(BandGap)提供镜像偏置电流，为第二三级管Q2的基极提供偏置电压；如图2中虚线框中的自适应偏置电路5，它与镜像偏置电路一起设定第二三级管Q2的直流工作电流。镜像偏置电路中第一电容C1的作用是对偏置电流进行滤波，以降低偏置引入的噪声，降低功率放大器的噪声系数。当输入信号增大时，第六三极管Q6的基极电压升高，第六三极管Q6的发射极注入到第二三级管Q2基极的电流变大，因此第二三级管Q2的动态工作电流会变大，线性度会提高。自适应偏置电路5对功率放大器的线性度提高明显，通常可以提高3-5dBm，而且其静态工作电流较小，PA的效率会提高。该宽带功率放大器芯片的频带为700M-2700M。就产品而言，NXP(恩智浦半导体)公司产品BGA7124采用单级硅工艺成功制造了0.25W的宽带高线性度集成功率放大器，其静态工作电流超过130mA；RFMD公司采用SiGe HBT工艺的宽带集成功率放大器产品SGA9089Z输出1dB压缩点典型值达到了23.7dBm，其静态工作电流超过了200mA。自适应偏置电路5包括按照顺序串联连接的偏置电阻Rb、第六三极管Q6、第四三极管Q4和第五三极管Q5，所述第四电阻R4一端与第二芯片工作电压接口13连接，所述第四电阻R4的另一端与偏置电容Cb连接，所述第四电阻R4和所述偏置电容Cb之间与所述第六三极管Q6基极连接。所述负反馈电路6包括串联连接的负反馈电阻Rf、负反馈回路晶体管Mf和隔直电容Cf,所述隔直电容Cf与第二三极管Q2的集电极连接，所述负反馈回路晶体管Mf的基极按顺序与第五电阻R5和负反馈使能开关11串联连接，所述负反馈电阻Rf与功率输入端口10连接提高功率放大器线性度，负反馈回路晶体管Mf可以补偿PA的am-pm调制，提高了射频功率放大器的线性度。如图4所示，芯片外元件数值是应用于S波段无线雷达系统的元件值，可以通过更换片外元件以满足不同领域和不同频段的应用要求。所述第一放大电路输入接口14-8与第一应用电路15连接，所述第二放大电路输出接口14-14与第二应用电路16连接，所述第一放大电路输出接口14-10和第二放大电路输入接口14-12分别连接第三应用电路17的输入端和输出端。所述第一应用电路15包括顺序串联连接的第一应用电路信号输入端口15-1、第一应用电路的第一振荡线圈15-L1取值为2nH、第一应用电路的第一电容15-C1取值为1.8pF、第一应用电路信号的第二电容15-C2取值为1.8pF和所述第一放大电路输入接口14-8，所述第一应用电路的第一电容15-C1和第一应用电路的第二电容15-C2之间连接接地的第一应用电路的第二振荡线圈15-L2取值为4.5nH。所述第二应用电路16包括与所述第二放大电路输出接口14-14串联连接的第二应用电路的第一电容16-C1取值为1.5pF、第二应用电路的第二电容16-C2取值为1.5pF、第二应用电路的第二振荡线圈16-L2取值为2.2nH和第二应用电路的信号输出端口16-1；所述第二放大电路输出接口14-14和第二应用电路的第一电容16-C1之间连接有由第二应用电路的第一振荡线圈16-L1取值为7nH和第二应用电路的第三电容16-C3构成的振荡电路,第二应用电路的第一电容16-C1取值为1.5pF；所述第二应用电路的第一电容16-C1和第二应用电路的第二电容16-C2之间连接有接地的第二应用电路的第三振荡线圈16-L3取值为2.8nH,第三电容16-C3取值为1pF。所述第三应用电路17包括和第一放大电路输出接口14-10顺序连接的第三应用电路的第一电容17-C1和第二放大电路输入接口14-12连接电路，第三应用电路的第一电容17-C1取值为2Pf,所述第一放大电路输出接口14-10和第三应用电路的第一电容17-C1电路之间连接有并联连接的第三应用电路的第一振荡线圈17-L1、第三应用电路的第二电容17-C2和第三应用电路的第一电阻17-R1,第三应用电路的第二电容17-C2取值为1Pf,第三应用电路的第一电阻17-R1取值100欧姆，第三应用电路的第一振荡线圈17-L1取值为10nH。
如图2所示，第二三级管Q2是功率放大器的大尺寸放大晶体管，虚线框中的负反馈电路6中的隔直电容Cf和晶体管Rf组成并联的电阻负反馈结构用于提高射频功率放大器的线性度，Cf是隔直电容，晶体管Mf工作时的动态寄生电容还可以补偿功率放大器的am-pm调制，进一步提高射频功率放大器的线性度。SWP为负反馈使能开关。功率放大器采用集电极开路输出，通过芯片外的负载电感接电源电压，以使第二三级管Q2正常工作，同时通过芯片外匹配网络完成50欧姆负载阻抗的最大功率匹配。
本发明中提供的芯片电路采用了两种偏置电路结构：镜像电路接口8(IREF)由恒定电压电路(BandGap)提供镜像偏置电流，为第二三级管Q2的基极提供偏置电压；如图2中虚线框中的自适应偏置电路5，它与镜像偏置电路一起设定第二三级管Q2的直流工作电流。镜像偏置电路中第一电容C1的作用是对偏置电流进行滤波，以降低偏置引入的噪声，降低功率放大器的噪声系数。当输入信号增大时，第六三极管Q6的基极电压升高，第六三极管Q6的发射极注入到第二三级管Q2基极的电流变大，因此第二三级管Q2的动态工作电流会变大，线性度会提高。自适应偏置电路5能够提高功率放大器的线性度，通常可以提高3-5dBm，而且降低了其静态工作电流，PA的效率会提高。
本发明还提供了一种用于雷达系统宽带功率放大器，所述放大器安装了上述用于雷达系统的宽带功率放大器芯片。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (5)

1.一种用于雷达系统的宽带功率放大器芯片,其特征在于，所述芯片包括芯片衬底(14)，所述芯片衬底(14)上串联连接第一放大电路(2)和第二放大电路(3)，所述芯片衬底(14)设有按照顺序设置的第一芯片工作电压接口(14-1)、微动射频开关(14-2)、第一副控接口(14-3)、控制信号输入端口(14-4)、恒定电压接口(14-5)、第一放大电路开关(14-6)、第二芯片工作电压接口(14-7)、第一放大电路输入接口(14-8)、第一放大电路地线接口(14-9)、第一放大电路输出接口(14-10)、第二放大电路地线接口(14-11)、第二放大电路输入接口(14-12)、第二副控接口(14-13)、第二放大电路输出接口(14-14)、总副控开关(14-15)和第二放大电路开关(14-16)；
所述第一放大电路输入接口(14-8)与第一应用电路(15)连接，所述第二放大电路输出接口(14-14)与第二应用电路(16)连接，所述第一放大电路输出接口(14-10)和第二放大电路输入接口(14-12)分别连接第三应用电路(17)的输入端和输出端；
所述第一应用电路(15)包括顺序串联连接的第一应用电路信号输入端口(15-1)、第一应用电路的第一振荡线圈(15-L1)、第一应用电路的第一电容(15-C1)、第一应用电路的第二电容(15-C2)和所述第一放大电路输入接口(14-8)，所述第一应用电路的第一电容(15-C1)和第一应用电路的第二电容(15-C2)之间连接接地的第一应用电路的第二振荡线圈(15-L2)；
所述第二应用电路(16)包括与所述第二放大电路输出接口(14-14)串联连接的第二应用电路的第一电容(16-C1)、第二应用电路的第二电容(16-C2)、第二应用电路的第二振荡线圈(16-L2)和第二应用电路信号输出端口(16-1)；所述第二放大电路输出接口(14-14)和第二应用电路的第一电容(16-C1)之间连接有由第二应用电路的第一振荡线圈(16-L1)和第二应用电路的第三电容(16-C3)构成的振荡电路；所述第二应用电路的第一电容(16-C1)和第二应用电路的第二电容(16-C2)之间连接有接地的第二应用电路的第三振荡线圈(16-L3)；
所述第三应用电路(17)包括和第一放大电路输出接口(14-10)顺序连接的第三应用电路的第一电容(17-C1)和第二放大电路输入接口(14-12)连接电路，所述第一放大电路输出接口(14-10)和第三应用电路的第一电容(17-C1)电路之间连接有并联连接的第三应用电路的第一振荡线圈(17-L1)、第三应用电路的第二电容(17-C2)和第三应用电路的第一电阻(17-R1)。
2.根据权利要求1所述用于雷达系统的宽带功率放大器芯片，其特征在于，所述芯片设有自适应偏置电路(5)和负反馈电路(6)。
3.根据权利要求2所述用于雷达系统的宽带功率放大器芯片，其特征在于，所述自适应偏置电路(5)包括按照顺序串联连接的偏置电阻(Rb)、第六三极管(Q6)、第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)，第四电阻(R4)一端与第二芯片工作电压接口(13)连接，所述第四电阻(R4)的另一端与偏置电容(Cb)连接，所述第四电阻(R4)和偏置电容(Cb)之间与所述第六三极管(Q6)基极连接。
4.根据权利要求2所述用于雷达系统的宽带功率放大器芯片，其特征在于，所述负反馈电路(6)包括串联连接的负反馈电阻(Rf)、负反馈回路晶体管(Mf)和隔直电容(Cf),所述隔直电容(Cf)与第二三极管(Q2)的集电极连接，所述负反馈回路晶体管(Mf)的基极按顺序与第五电阻(R5)和单线协议接口(11)串联连接，所述负反馈电阻(Rf)与功率输入端口(10)连接。
5.一种用于雷达系统宽带功率放大器，其特征在于，所述放大器安装了根据权利要求1-4任一所述用于雷达系统的宽带功率放大器芯片。
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