CN108292652B - 高功率分布式放大器单片微波集成电路mmic芯片的芯片外分布式漏极偏置 - Google Patents

高功率分布式放大器单片微波集成电路mmic芯片的芯片外分布式漏极偏置 Download PDF

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Abstract

芯片外分布式漏极偏置增加了高功率分布式放大器MMIC的输出功率和效率。芯片外偏置电路具有用于接收DC偏置电流的公共输入端以及多个并联连接的偏置扼流器，其中DC偏置电流在所述多个并联连接的偏置扼流器之间被划分。扼流器连接到不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子，以在沿着输出传输线的不同位置处提供DC偏置电流。芯片外分布式漏极偏置增加了可供放大器使用的DC偏置电流的水平，并将电感添加到所选的FET放大器级(通常是较早的级)，以修改在漏极端子处看到的负载阻抗，从而更好地匹配放大器级来改进功率和效率。

Description

高功率分布式放大器单片微波集成电路MMIC芯片的芯片外分 布式漏极偏置
技术领域
本发明涉及分布式放大器单片微波集成电路(MMIC)的偏置，并且更具体地涉及用于高功率分布式放大器MMIC的分布式漏极偏置的芯片外DC偏置电路。
背景技术
单片微波集成电路，或MMIC，是一种在微波频率(300MHz至300GHz)操作的集成电路(IC)器件。这些器件通常执行诸如微波混合、功率放大、低噪声放大和高频切换的功能。MMIC器件上的输入端和输出端常常与50欧姆的特征阻抗相匹配。这使得它们更易于使用，因为MMIC的级联就不需要外部匹配网络。此外，大多数微波测试装备被设计为在50欧姆的环境中操作。
MMIC尺寸小(从大约1mm2到20mm2)并且可以批量生产，这已经允许了高频设备(诸如蜂窝电话)的普及。MMIC最初使用砷化镓(GaAs)(一种III-V族化合物半导体)制造。它与作为用于IC实现的传统材料的硅(Si)相比具有两个基本优势：器件(晶体管)速度和半绝缘基板。这两个因素都有助于高频电路功能的设计。但是，随着晶体管特征尺寸的减小，基于Si的技术的速度已经逐渐提高，并且现在MMIC也可以用Si技术制造。诸如磷化铟(InP)、硅锗(SiGe)和氮化镓(GaN)的其它技术也是MMIC的选择。最初，MMIC使用金属半导体场效应晶体管(MESFET)作为有源器件。最近，高电子迁移率晶体管(HEMT)、假晶HEMT(PseudomorphicHEMT)和异质结双极型晶体管已经变得普遍。
DC偏置电路系统通常占总芯片面积的大约15％至20％。DC偏置电路系统既可以用作到晶体管的DC电源路径又可以用作RF阻隔(“偏置扼流器(bias choke)”)。在诸如MMIC的高功率应用中，DC偏置电路系统通常采用宽传输线来适应流向晶体管的大电流。芯片上电容器被配置为提供RF扼流器(choke)。高阻抗传输线充当对RF信号的虚拟开路，并且芯片上电容器被配置为将剩余RF信号短路到接地。
于2004年9月28日发布的标题为“Monolithic Microwave Integrated Circuitwith Bondwire and Landing Zone Bias”的美国专利6,798,313公开了一种用于将DC偏置电路系统移到芯片外使得可以减少和/或消除芯片上偏置电路系统的方法。在多级RF功率放大器(其在例如中心频率的10％的窄带上放大RF信号)的实施例中，接合线附连在位于MMIC上的合适位置处以供给偏置电流的着陆(landing)区与芯片外电容器之间。接合线可以被配置为提供RF阻抗，该RF阻抗过去由芯片上偏置电路系统提供。接合线可以被配置为具有任何合适的长度，以创建虚拟开路。然后接合线长度可以适当地依赖于被阻隔的频率。例如，接合线可以被选择为四分之一波接合线。对于30GHz的信号，示例性接合线的长度可以是大约100密耳。在这种情况下，接合线的长度可以具有例如加或减30密耳的容差。因此芯片外偏置馈电系统可以被配置为通过将高RF阻抗接合线与低RF阻抗匹配结构并列放置而不显著影响系统的整体RF阻抗。
另一类MMIC放大器是分布式放大器，与多级功率放大器相比，其以较小的增益在宽得多的带宽(例如，中心频率的至少120％)上放大RF信号，以获得更大的增益带宽积。分布式放大器使用传输线暂时拆分信号并分开地放大每个部分，以获得比单个放大器可能实现的带宽更高的带宽。每一级的输出在输出传输线中组合。分布式放大器包括独立连接若干有源器件(例如，FET)的输入端和输出端的具有特征阻抗Z0的一对传输线。RF信号因此被供给到连接到第一器件的输入端的传输线的区段。当输入信号沿着输入线向下传播时，各个器件通过感应输出线上的放大的互补前向行进波来响应前向行进输入波。这假设通过选择两条线的传播常数和长度而使得输入和输出线的延迟相等，并且因此来自每个单独的器件的输出信号同相求和。端接电阻器Zg和Zd被放置成使破坏性反射最小化。每个器件的跨导增益为gm，并且每个晶体管看到的输出阻抗是传输线的特征阻抗的一半。因此总的电压增益是：Av＝n·gm·Z0，其中n是级数。忽略损耗，增益表现出对器件(级)的数量的线性依赖。与常规放大器的级联的倍增本质不同，分布式放大器表现出加性特性。这种架构的协同特性使其能够在超过单独的级的单位增益频率的频率的频率处提供增益。在实践中，级的数量受限于由于输入线路上的衰减导致的输入信号减小。
用于MMIC分布式放大器芯片的DC偏置电路系统被配置为在最后一个晶体管(级)的漏极连接处提供DC偏置电流。高功率放大器使用锥形漏极线。第1级FET连接到细线(高阻抗)并且每个随后的级有更宽的线连接它。最后一个FET级具有最宽的线和最低的阻抗，这为放置高阻抗扼流器提供了良好的位置以将DC电流引入放大器。线宽最大，因此线的载流能力最大，并且在此处电路受到扼流器干扰最小。偏置电流根据需要通过输出线供给到所有的晶体管(级)。
DC偏置电路系统包括连接到接地的电容器C的串联电感器L。电感器L提供阻隔信号被分流到偏置电路系统的RF开路和允许偏置电流流到芯片的DC短路。电容器提供阻隔DC电流分流到接地的DC开路和允许RF从偏置电路系统流到接地以避免将RF噪声注入放大器的RF短路。
对于低功率分布式放大器，DC偏置电路系统可以设置在芯片上，或者对于高功率放大器，DC偏置电路系统可以设置在芯片外。芯片上电感器是关键设计元素并倾向于设置频带边缘处的性能。在带的低端的电感性的线倾向于在高端看起来是电容性的并滚降(roll off)RF性能。适合带的高端的偏置线损害低端处的性能。由于处理较高DC电流所需的线宽增加，较高功率的放大器倾向于使芯片上偏置扼流器难以或不可能实现。芯片外电感器(例如，线绕电感器)允许物理上较小的MMIC并且可以提供较高功率分布式放大器所需的电感。
发明内容
以下是发明内容，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。本发明内容不是要标识本发明的关键或重要元素，也不是要描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细的描述和限定的权利要求的序言。
本发明提供用于高功率分布式放大器MMIC以增加输出功率和放大器效率的分布式漏极偏置。
这是用没有芯片上漏极偏置电路系统的分布式放大器MMIC芯片实现的。芯片外偏置电路包括用于接收DC偏置电流的公共输入端和多个并联连接的偏置扼流器，在所述多个并联连接的偏置扼流器之间所供给的DC偏置电流被划分。每个偏置扼流器包括连接到接地的电容器C的串联电感器L。多个连接(例如，接合线或倒装芯片接触件)将多个串联电感器电连接且物理连接到在不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子，以在沿着输出传输线的不同位置处供给DC偏置电流。每个串联电感器L具有足够的阻抗以在整个带宽上阻隔RF能量到达公共输入端。
在不同的实施例中，在现有的解决方案中，单个芯片外偏置扼流器能够供给最大DC偏置电流，该最大DC偏置电流受形成线绕串联电感器L的导线的直径的限制。分布式漏极偏置能够提供比单个芯片外偏置扼流器能够提供的更大的总DC偏置电流能力，这是较高功率放大器的必要条件。
在不同的实施例中，每个串联电感器L的电感值被配置为将与其连接的FET放大器级的负载阻抗修改为接近目标电感，以改进放大器功率和效率。
在不同的实施例中，FET放大器级中的一个或多个各自在其漏极端子处看到在至少带宽的下端上为电容性的负载阻抗。偏置扼流器的串联电感器L提供足够的电感来修改FET放大器级的负载阻抗，使得负载阻抗在整个带宽上是电感性的。
在不同的实施例中，串联电感器L的阻抗被选择以修改在对应的FET放大器级的漏极处看到的负载阻抗，使得多个放大器级的输出阻抗更接近地匹配。这产生更高的输出功率和改进的放大器效率。扼流器的数量及其相对于分布式放大器的每一级的位置被选择，以使得放大器的效率和功率最大化。通常，分布式放大器的前几级对于由芯片外偏置网络供给的附加的电感的放置和值最敏感。
从下面结合附图对优选实施例的详细描述中，本发明的这些及其它特征和优点对于本领域技术人员将是清楚的，其中：
附图说明
图1和图2分别是具有前3级的芯片外分布式漏极偏置的实施例高功率5级分布式放大器MMIC芯片的示意图和电路实现；
图3是前3个放大器级的小信号模型和在漏极端子处看到的负载阻抗的示意图；
图4是分布式漏极偏置和常规的单个漏极偏置(无损和有损)的在分布式放大器的带宽上的输出功率与频率的图；以及
图5是分布式漏极偏置和常规的单个漏极偏置的分布式放大器的带宽上的功率增加效率(PAE)与频率的图以及分布式漏极偏置和无损的单个漏极偏置的前3个放大器级的负载阻抗的史密斯圆图。
具体实施方式
本发明提供用于高功率分布式放大器MMIC以增加输出功率和放大器效率的芯片外分布式漏极偏置。芯片外分布式漏极偏置增加能够供给到放大器的DC偏置电流的水平。此外，分布式漏极偏置能够对所选择的FET放大器级(通常是较早的级)增加电感，以修改在漏极端子处看到的负载阻抗从而更好地匹配放大器级来改进功率和效率。
现在参考图1和2，分布式放大器10的实施例包括分布式放大器MMIC芯片12。例如，分布式放大器MMIC芯片12包括多个级联的放大器级14、16、18、20和22。每个放大器级14-22包括晶体管，该晶体管可以是以共源极配置连接的FET、MESFET或HEMT(为了简单起见，在下文中被称为FET 25a-25e)。FET的栅极端子23a-23e中的所有连接在一起，形成由DC电压源Vgate 26供给的输入传输线24。芯片外的接地的电容器52提供低频稳定性。类似地，FET的漏极端子28a-28e中的所有连接在一起，形成输出传输线30。源极端子连接到接地。FET中的每个的输入和输出电容与例如由微带线形成的集总电感器32、34、36、38、40、42、44、46和48组合，以形成分布式阻抗，由此形成人工输入传输线24和输出传输线30。将微带线用于集总电感器使得拓扑结构适合被制造成MMIC。输入信号RFin经由DC阻隔电容器50耦接到输入传输线24，并且输出信号RFout经由DC阻隔电容器52从输出传输线30输出。
人工传输线通过FET的跨导耦接在一起。类似地，栅极线人工传输线24终止于由串联连接的电阻器54和电容器56形成的栅极线终端阻抗，该栅极线终端阻抗被选择为匹配栅极线24的特征阻抗。已知许多因素影响这种分布式放大器的性能，诸如所选FET的截止频率、人工传输线的截止频率以及所选FET的跨导。甚至在调谐每个部件以优化性能之后，一些在先的FET放大器级在至少带宽的较低端还可以是电容性的。这降低了输出功率和效率两者。
分布式放大器10还包括位于印刷电路板61上的芯片外偏置电路60，其被配置为在沿着输出传输线30的不同位置处的不同放大器级的漏极端子处供给DC偏置电流Id1，Id2...。在无损于一般性的情况下，这个实施例具有五个FET放大器级和三个偏置扼流器。一般而言，选择FET放大器级的数量、可以等于或者小于FET放大器级的数量的偏置扼流器的数量、偏置扼流器的位置以及电感，以针对给定的应用使功率和效率最大化。
芯片外偏置电路60具有用于接收来自DC电压源Vdrain 64的DC偏置电流ID的公共输入端62，以及多个并联连接的偏置扼流器66a-66c，在所述多个并联连接的偏置扼流器66a-66c之中DC偏置电流大致相等地划分成Idl、Id2和Id3。偏置扼流器66a-66c分别包括连接到接地的电容器C 70a-70c的串联电感器L 68a-68c。串联电感L提供阻隔在带宽上的信号被分流到偏置电路系统的RF开路以及允许DC偏置电流流向MMIC的DC短路。电容器提供阻隔DC偏置电流被分流到接地的DC开路以及允许来自偏置电路系统的RF流到接地以避免将RF噪声注入到放大器中的RF短路。
多个连接72a-72c(例如，接合线或倒装芯片连接)将串联电感器L 68a-68c电连接和物理连接到不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子26，以在沿着输出传输线30的不同位置处供给DC偏置电流Id1、Id2和Id3 28a-28c。连接提供了最小电感水平，通常小于供给偏置电流并在分布式放大器的宽带宽上阻抗匹配放大器级所需的电感的15-20％。例如，扼流器可以需要15nH(纳亨利)的电感。接合线将提供可能几nH。为了提供必要的电感，通常至少3nH，串联电感器L适当地是线绕电感器。
在现有解决方案中，单个芯片外偏置扼流器可以提供受形成线绕串联电感器L的导线的直径限制的最大DC偏置电流。较大规格的线可以处理较高的电流水平，但改变线圈的RF电感。分布式漏极偏置可以提供比由单个偏置扼流器可实现的更大的总DC偏置电流能力，这是更高功率放大器所需要的。此外，与单个较大的芯片外扼流器相比，分布式漏极偏置增加了最小损耗。
图3分别绘出了FET放大器级14、16和18的简化的小信号模型80以及在它们的漏极端子28a、28b和28c处看到的负载阻抗Zin1、Zin2和Zin3。对于我们的目的，小信号模型的重要参数是FET的寄生漏极电容82a-82c。分布式放大器的输出传输线30与每个晶体管的寄生漏极电容一起形成允许放大器实现宽带增益/功率响应的人工传输线。
为了使放大器的输出功率和效率响应最大化，每个晶体管需要在该晶体管的电流源处看到使其功率传送最大化的阻抗。对于FET来说，这是通过在其漏极端子处放置适当的负载阻抗来实现的。由分布式放大器的每个FET放大器级看到的负载阻抗(Zin1、Zin2、Zin3)明显不同，并且不可能精确地匹配峰功率负载。分布式放大器的前几级通常具有在较低操作频率处为电容性的负载阻抗，而本质上期望的峰功率负载是电感性的。由FET看到的负载阻抗与期望的峰功率负载的这种不匹配导致输出功率和效率的损失。
芯片外电感器偏置电路60可以被配置为在沿着输出传输线30的多处提供额外的电感，以将负载阻抗(Zin1、Zin2、Zin3)从在至少带宽的下端上的电容性负载修改为在整个带宽上的期望的电感性负载，从而增加放大器的功率和效率两者。更特别地，每个FET放大器级具有用于负载阻抗以优化性能的目标电感。每个串联电感器L的电感值被选择，以将负载阻抗修改为更紧密地接近目标电感。通过设计，用于不同的串联电感器L的电感值将很可能不同。用于实现偏置电路的电感器的选择会受到来自线圈制造商的可用性的限制。通过配置偏置电路以将扼流器连接到其负载阻抗在至少带宽的下端处为电容性的每个FET放大器级，FET放大器级中的所有都会看到电感性的负载阻抗以优化性能。
现在参考图4和5，对于已知的芯片外有损和理想的无损偏置器(Bias Tee)扼流器与本发明的芯片外分布式漏极偏置(DDB)，对5级分布式放大器MMIC的输出功率90和PAE 92(Pout-Pin)/Pdc进行比较。有损偏置器具有比分布式漏极偏置大约低5个点的PAE和少0.5dB的功率。分布式漏极偏置示出甚至超过无损偏置器的改进。这是由于由偏置扼流器的电感性负载提供的改进的低频匹配。
史密斯圆图(Smith chart)100和102分别对无损偏置器和DDB绘出了前三个FET放大器级的漏极端子处看到的负载阻抗g01、g02和g03。在史密斯圆图中，赤道线104上方的阻抗是电感性的，而线下方的阻抗是电容性的。如圆图100中所看到的，用于无损偏置器的至少第一和第二放大器级的负载阻抗在带宽的下端是电容性的。如圆图102中所看到的，用于分布式漏极偏置的第一、第二和第三放大器级中的每一个的负载阻抗在整个带宽上都是电感性的。
虽然已经示出并描述了本发明的若干例示性实施例，但是本领域技术人员将想到许多变化和替代实施例。这些变化和替代实施例是预期的，并且可以在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下做出。
在作为“专利合作条约”(PCT)受理局的美国专利和商标局。

Claims (20)

1.一种分布式放大器，包括：
分布式放大器单片微波集成电路(MMIC)芯片，所述芯片包括：被配置为接收沿输入传输线向下传播的RF信号的RF输入端，多个并联连接的FET放大器级，以及连接FET放大器级的漏极端子的输出传输线，所述FET放大器级在最后一个FET放大器级的RF输出端处产生在带宽上的放大的RF信号；
芯片外偏置电路，包括用于接收来自DC电源的DC偏置电流的公共输入端以及多个并联连接的偏置扼流器，在所述多个并联连接的偏置扼流器之间所述DC偏置电流被划分，每个偏置扼流器包括连接到接地的电容器C的串联电感器L，所述串联电感器L具有足够的阻抗以在整个带宽上阻隔RF能量到达所述公共输入端；以及
多个连接，将所述多个串联电感器L并联地电连接和物理连接到在不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子，以在沿着所述输出传输线的不同位置处供给DC偏置电流。
2.如权利要求1所述的分布式放大器，其中所述带宽是中心RF频率的至少120％。
3.如权利要求1所述的分布式放大器，其中所述输入传输线具有大约50欧姆的特征阻抗Z0。
4.如权利要求1所述的分布式放大器，其中单个偏置扼流器能够供给最大DC偏置电流，该最大DC偏置电流受到形成串联电感器L的导线的直径的限制，其中所述多个并联连接的偏置扼流器提供大于单个偏置扼流器的所述最大DC偏置电流的DC偏置电流能力。
5.如权利要求1所述的分布式放大器，其中每个所述偏置扼流器供给大致相同量的DC偏置电流。
6.如权利要求1所述的分布式放大器，其中每个所述串联电感器L具有至少3nH的电感。
7.如权利要求1所述的分布式放大器，其中每个所述串联电感器L是线绕电感器。
8.如权利要求1所述的分布式放大器，其中每个所述FET放大器级在其漏极端子处看到负载阻抗，其中每个串联电感器L的电感值被配置为将与其连接的FET放大器级的负载阻抗修改为接近目标电感。
9.如权利要求1所述的分布式放大器，其中FET放大器级中的至少一个FET放大器级在其漏极端子处看到在没有芯片外偏置电路的情况下在至少所述带宽的下端上是电容性的负载阻抗，其中所述芯片外偏置电路包括连接到该FET放大器级的漏极端子的一个所述偏置扼流器，所述偏置扼流器的串联电感器L提供足够的电感以修改该FET放大器级的负载阻抗，使得所述负载阻抗在整个带宽上是电感性的。
10.如权利要求1所述的分布式放大器，其中多个FET放大器级各自在其漏极端子处看到在没有芯片外偏置电路的情况下在至少所述带宽的下端上是电容性的负载阻抗，其中所述芯片外偏置电路包括连接到那些FET放大器级的漏极端子的多个所述偏置扼流器，所述偏置扼流器的串联电感器L提供足够的电感以修改FET放大器级的负载阻抗，使得所述负载阻抗在整个带宽上是电感性的。
11.如权利要求10所述的分布式放大器，其中所有的FET放大器级都看到在整个带宽上是电感性的负载阻抗。
12.如权利要求10所述的分布式放大器，其中串联电感器L中的至少两个串联电感器L具有不同的电感值。
13.如权利要求1所述的分布式放大器，其中，与扼流器串联电感器L相比，所述连接提供可忽略的电感，在没有芯片外串联电感器L的情况下该电感不足以在所述带宽上阻隔RF能量。
14.一种分布式放大器，包括：
分布式放大器单片微波集成电路(MMIC)芯片，所述芯片包括：被配置为接收沿输入传输线向下传播的RF信号的RF输入端，多个并联连接的FET放大器级，以及连接FET放大器级的漏极端子的输出传输线，所述FET放大器级在最后一个FET放大器级的RF输出端处产生在带宽上的放大的RF信号，至少一个所述放大器级在其漏极端子处看到在至少所述带宽的下端上为电容性的负载阻抗；
芯片外偏置电路，包括用于接收来自DC电源的DC偏置电流的公共输入端以及多个并联连接的偏置扼流器，在所述多个并联连接的偏置扼流器之间所述DC偏置电流被划分，每个偏置扼流器包括连接到接地的电容器C的串联电感器L，所述串联电感器L具有足够的阻抗以在整个带宽上阻隔RF能量到达所述公共输入端；以及
多个连接，将多个串联电感器L并联地电连接且物理连接到在不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子，以在沿着所述输出传输线的不同位置处供给DC偏置电流，
其中所述多个偏置扼流器中的一个偏置扼流器被连接到看到电容性负载阻抗的所述至少一个所述放大器级中的每个，所述串联电感器L提供足够的电感以修改FET放大器级的负载阻抗，使得所述负载阻抗在整个带宽上是电感性的。
15.一种放大器单片微波集成电路(MMIC)芯片的芯片外偏置的方法，所述芯片包括：被配置为接收沿输入传输线向下传播的RF信号的RF输入端，多个并联连接的FET放大器级以及连接FET放大器级的漏极端子的输出传输线，所述FET放大器级在最后一个FET放大器级的RF输出端处产生在带宽上的放大的RF信号，所述方法包括：
提供包括公共输入端和多个并联连接的偏置扼流器的芯片外偏置电路，每个偏置扼流器包括连接到接地的电容器C的串联电感器L；
将所述公共输入端连接到DC电源，以汲取DC偏置电流；
将多个串联电感器L并联连接到在不同的FET放大器级处的相同多个的漏极端子，以在偏置扼流器之间划分所述DC偏置电流并在沿着所述输出传输线的不同位置处供给所述DC偏置电流的部分，
其中所述串联电感器L具有足够的阻抗，以在整个带宽上阻隔RF能量到达所述公共输入端。
16.如权利要求15所述的方法，其中单个偏置扼流器能够供给最大DC偏置电流，该最大DC偏置电流受到形成串联电感器L的导线的直径的限制，其中所述多个并联连接的偏置扼流器提供比所述最大DC偏置电流更大的DC偏置电流能力。
17.如权利要求15所述的方法，其中在没有芯片外偏置电路的情况下，至少一个所述放大器级在其漏极端子处看到在至少所述带宽的下端上为电容性的负载阻抗，其中所述多个偏置扼流器中的一个偏置扼流器连接到看到电容性负载阻抗的所述至少一个所述放大器级中的每个，所述串联电感器L提供足够的电感以修改FET放大器级的负载阻抗，使得所述负载阻抗在整个带宽上是电感性的。
18.如权利要求17所述的方法，其中所有FET放大器级都看到在整个带宽上是电感性的负载阻抗。
19.如权利要求17所述的方法，其中串联电感器L中的至少两个串联电感器L具有不同的电感值。
20.如权利要求17所述的方法，其中每个所述FET放大器级在其漏极端子处看到负载阻抗，其中每个串联电感器L的电感值被配置为将与其连接的FET放大器级的负载阻抗修改为接近目标电感。
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