CN106487338A

CN106487338A - 一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器

Info

Publication number: CN106487338A
Application number: CN201610937581.0A
Authority: CN
Inventors: 邬海峰; 滑育楠; 陈依军; 廖学介; 吕继平; 胡柳林; 童伟; 叶珍
Original assignee: CHENGDU GANIDE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU GANIDE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2036-10-24
Also published as: CN106487338B

Abstract

本发明公开了一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，本发明核心架构采用分布式三堆叠放大网络，分布式三堆叠放大网络至少由三个三晶体管堆叠结构组成，同时，本发明考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器

技术领域

本发明涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对超宽带收发机末端的发射模块应用的一种高效率、高输出功率、高增益的分布式功率放大器。

背景技术

随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有超宽带、高输出功率、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。

然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：

(1)高功率高效率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的栅长越来越短，由此带来了低击穿电压和高膝点电压，从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，因此高功率、高效率能力较差。

(2)超宽带高功率放大能力受限：为满足高功率指标就需要多个晶体管功率合成，但是多路合成的负载阻抗大大降低，从而导致了很高的阻抗变换比；在高阻抗变换比下，实现宽带特性是极大的挑战。

常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统分布式放大器，但是，传统分布式放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：

①在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单一场效应晶体管FET(field-effect transistor)采用分布式放大排列的方式实现，由于单一场效应晶体管其功率增益较低、最佳阻抗偏低、隔离度较差、因此也导致反射特性恶化，从而降低了合成效率；

②传统分布式放大器的设计中为了分析简单，往往忽略了密勒电容对于电路的影响，从而导致电路结构设计完后需要大量的工作进行电路调试，耗费了大量的人力物力，降低了电路设计效率；

③此外，为了降低了密勒效应对于电路的影响，也有采用Cascode双晶体管分布式放大结构，但是Cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法改善功率增益等指标，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。

由此可以看出，基于集成电路工艺的超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出、高功率增益难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，结合了单个晶体管结构放大器和分布式放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性，且成本低等优点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络由k个三晶体管堆叠结构组成，其中k大于等于3，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线，

所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极通过馈电电阻连接到所述第一偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；

所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述第二偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

本发明的有益效果是：本发明核心架构采用分布式三堆叠放大网络，分布式三堆叠放大网络至少由三个三晶体管堆叠结构组成，三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，同时，本发明考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述中间层的晶体管及最上层的晶体管的栅极补偿电路均由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成。

采用上述进一步方案的有益效果，三晶体管堆叠结构的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，可以提高输出功率，改善隔离特性，实现三堆叠晶体管间的阻抗匹配，同时获得良好的高频特性；稳定电路。

进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成；所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。

采用上述进一步方案的有益效果是考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度。

进一步，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极补偿电容为C_ggk：

其中，C_gs为晶体管栅源电容，C_gd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；g_m为晶体管跨导，单位为mS,Z_opt＝R_opt+jX_opt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω。

进一步，所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极补偿电容为C_gggk：

进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效输入电容为C_intk：

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

所述考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效输出电容为C_outk：

C_outk≈C_ds/3

其中,A＝ω²C_gd ²-ω(B₀+ω(C_gd+C_ds))(C_gs+C_gd),，B＝(C_gs+C_gd)Y₀+C_gdg_m

Y_opt＝Y₀+jB₀＝1/Z_opt，C_gs为晶体管栅源电容，C_gd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；g_m为晶体管跨导，单位为mS；Z_opt＝R_opt+jX_opt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω；ω为基波角频率，单位为rad/s；C_ds为晶体管漏源电容。

进一步，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接的并联RC稳定电路中的输入耦合电容为C_gk：

其中，C_intk为考虑密勒效应的栅极人工传输线的栅极传输线等效电容，C_outk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。

进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电感及考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电感分别为L_gk和L_dk

其中，k为整数，k≥3；Z₀为微带线的特征阻抗，一般为50Ω；C_outk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。

进一步，所述分布式三堆叠放大网络为有源放大网络,考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线为无源网络。

采用上述进一步方案的有益效果，提高设计精度，缩短设计周期。

附图说明

图1为本发明功率放大器原理框图；

图2为本发明中三晶体管堆叠结构原理框图；

图3为本发明功率放大器电路图；

图4本发明中对应于三晶体管堆叠结构的电路原理图；

图5为本发明晶体管简化小信号等效模型的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2所示，本发明提供了一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器,是一种采用分布式三堆叠放大网络为核心的超宽带射频功率放大器，采用集成电路工艺进行设计，该分布式三堆叠放大网络为有源网络，考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线为无源网络。

该功率放大器，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络至少由三个三晶体管堆叠结构组成，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路C_gk和R_gk连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线，

所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极通过馈电电阻R_gbk连接到所述第一偏置电压V_gg，同时，所述栅极连接由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路C_ggk和R_ggk；

所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻R_ggbk连接到所述第二偏置电压V_ggg，同时，所述栅极连接由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路C_gggk和R_gggk；漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

如图3、图4所示，本发明的分布式三堆叠放大网络是基于3×k个场效应晶体管，k一般大于等于3，三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，将k个三晶体管堆叠结构组成分布式三堆叠放大网络，保证整个电路能有较大的超宽带功率输出，实现射频信号的放大。

所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载R_gload、栅极隔直电容C_gload和C_g、栅极馈电电感L_g、k+1个栅极传输线等效电感L_gk和k个栅极传输线等效电容C_ink构成，用以实现放大器的栅极人工传输线的匹配、偏置等功能；所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载R_dload、漏极隔直电容C_dload和C_d、漏极馈电电感L_d、k+1个漏极传输线等效电感L_dk和k个漏极传输线等效电容C_outk构成，用以实现放大器的漏极人工传输线的匹配、偏置等功能。

如图5所示为本发明电路中考虑了密勒效应的晶体管简化小信号模型，该小信号模型用于分析求解该功率放大器中的关键电路参数，具体的求解方法为：

所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极补偿电容为C_ggk：

所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极补偿电容为C_gggk：

所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效输入电容为C_intk：

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

C_outk≈C_ds/3

其中,A＝ω²C_gd ²-ω(B₀+ω(C_gd+C_ds))(C_gs+C_gd)，B＝(C_gs+C_gd)Y₀+C_gdg_m

所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接的并联RC稳定电路中的输入耦合电容为C_gk：

所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电感及考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电感分别为L_gk和L_dk

基于上述电路参数求解方法，通过综合调整晶体管Md₁～Md_k、Mm₁～Mm_k和Mu₁～Mu_k的尺寸大小，人工传输线电感Lg₁～Lg_(k+1)和Ld₁～Ld_(k+1)的大小，补偿电容Cgg₁～Cgg_k和Cggg₁～Cggg_k的大小等，可以使本发明的整个放大器电路在超宽带内实现输入及输出良好的阻抗匹配、高功率增益、良好的功率增益平坦度。

本发明的工作过程为：射频输入信号通过输入端IN进入电路，通过输入隔直耦合电容Cg，以电压分布式的方式进入栅极人工传输线Lg_k、Lg_(k+1)和C_ink，然后进入Cg_k和Rg_k构成的栅极RC稳定网络，然后以电压分布式进入三晶体管堆叠放大网络的最底层的晶体管Md_k的栅极，然后分布式形式从晶体管Md_k的漏极输出，进入晶体管Mm_k的源极，然后从中间层的晶体管Mm_k的漏极输出，再进入最上层的晶体管Mu_k的源极，然后从晶体管Mu_k的漏极输出，以电压分布式的方式进入漏极人工传输线Ld_k、Ld_(k+1)和C_outk，然后通过输出隔直耦合电容Cd，进入输出端OUT完成信号功率放大。

基于上述电路分析，本发明提出的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于：

1.核心架构采用分布式三堆叠放大网络：

三晶体管堆叠与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；同时三晶体管堆叠与新型双栅极晶体管等构成的分布式放大器也有不同，三晶体管堆叠结构是三个晶体管及其他元件构成的复杂网络，而双栅晶体管是单一元器件。

三晶体管堆叠与传统Cascode晶体管的不同之处有两点：(1)晶体管的连接结构上，三晶体管堆叠是三个晶体管漏极源极顺次串接，而Cascode结构是两个晶体管串接；(2)堆叠的栅极补偿电容上，三晶体管堆叠的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，而传统Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地。

2.考虑密勒效应的栅极与漏极人工传输线：

以往设计方法往往忽略密勒效应，直接将晶体管的栅源电容Cgs和漏源电容Cds视为人工传输线的等效电容，这样处理往往过低估计了等效电容，从而导致电路设计后期需要大量人力进行电路调试；本发明考虑了三晶体管堆叠的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度。

在整个基于晶体管堆叠技术的分布式功率放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在超宽带条件下的高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络由k个三晶体管堆叠结构组成，其中k大于等于3，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

2.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述中间层的晶体管及最上层的晶体管的栅极补偿电路均由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成。

3.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成；所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。

4.根据权利要求2所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极补偿电容为C_ggk：

C_{g g k} = \frac{(C_{g s} + C_{g d} (1 + g_{m} R_{o p t}))}{g_{m} R_{o p t} - 1}

5.根据权利要求2所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极补偿电容为C_gggk：

C_{g g g k} = \frac{(C_{g s} + C_{g d} (1 + g_{m} R_{o p t}))}{2 g_{m} R_{o p t} - 1}

6.根据权利要求3所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

C_outk≈C_ds/3

7.根据权利要求6所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接的并联RC稳定电路中的输入耦合电容为C_gk：

C_{g k} \approx \frac{C_{int k} C_{o u t k}}{C_{int k} - C_{o u t k}}

8.根据权利要求3所述的考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电感及考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电感分别为L_gk和L_dk

L_{g 1} = \frac{1}{2} L_{g 2} = \frac{1}{2} L_{g 3} = ... = \frac{1}{2} L_{g k} = L_{g (k + 1)} = {Z_{0}}^{2} C_{o u t k}

L_{d 1} = \frac{1}{2} L_{d 2} = \frac{1}{2} L_{d 3} = ... = \frac{1}{2} L_{d k} = L_{d (k + 1)} = {Z_{0}}^{2} C_{o u t k}

其中，k为整数，k≥3；Z0为微带线的特征阻抗，一般为50Ω，单位为Ω；Coutk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。

9.根据权利要求1至8任一项所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述分布式三堆叠放大网络为有源放大网络,考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线为无源网络。