CN108322194A - 一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，电路使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）堆叠结构，由4层HBT的集电极发射极相连堆叠组成，每个HBT均偏置在AB类，供电电压VCC通过串联的电阻为每层堆叠的HBT提供合适的静态工作点；堆叠结构中使用电流复用结构，上层HBT的基极通过串联的共面波导（CPW）与电容连接到底层HBT的集电极，并且上层HBT的发射极与底层HBT的集电极通过串联的CPW相连，这种电路结构在降低电路复杂程度、节省电路成本的同时提高了功率放大器的输出功率以及增益。

Description

一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信功率放大器技术领域，尤其是涉及射频功率放大器和集成电路领域的一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器。
背景技术
如今，通信产业对于无线收发机的性能要求越来越高，射频功率放大器作为无线发射机中的核心模块，其设计尤为关键。为实现无线通信系统的远距离信号传输，射频功率放大器需要具有更高的增益以及输出功率。为了设计高性能的射频功率放大器，目前国内外常采用的是三五族化合物工艺以及硅基工艺。使用三五族化合物工艺设计的功率放大器虽然能实现更高的输出功率，但是其工艺成本较高并且产品良率低，不利于大规模生产和与CMOS工艺集成。传统的CMOS工艺虽然具有成本低、集成度高的优点，但是基于CMOS工艺的射频功率放大器的高频特性较差。在较高的工作频率下，基于CMOS工艺的晶体管击穿电压低、功耗高、线性度差，很难在较高频率下实现高增益以及高输出功率[1]。相比之下，基于SiGe工艺的功率放大器高频特性更好，有利于设计更高工作频率的功率放大器。SiGe工艺相比于传统的三五族化合物工艺在集成度上具有优势，使整个发射机集成在单个芯片上（SOC或者SiP）成为了可能。
目前，由于基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）存在击穿电压、最大电流密度等条件的缺陷[2]，在设计高功率放大器时存在一定困难。针对片上功率放大器的高功率输出问题，常采用功率合成的方式，但此方法存在电路较为复杂、芯片面积较大的劣势。
[1] Jong-Wook Lee, “A 27 GHz, 14 dBm CMOS Power Amplifier Using 0.18um Common-Source MOSFETs, ” IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol. 18, no. 11, pp. 755 - 757, Nov. 2008。
[2] Michael Chang, “A 26 to 40GHz Wideband SiGe Balanced PowerAmplifier IC ,” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium,Honolulu, pp. 729 - 732, 3-5 June 2007。
[3] David Fritsche, Robert Wolf, and Frank Ellinger, “Analysis andDesign of a Stacked Power Amplifier With Very High Bandwidth,” IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, vol.60, no.10, pp. 3223 -3231, Oct. 2012。
发明内容
为了解决SiGe工艺击穿电压低、最大电流密度小的限制，本发明提供一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，这种电路结构在降低电路复杂程度、节省电路成本的同时提高了功率放大器的输出功率以及增益。
一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，电路使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）堆叠结构，由4层HBT的集电极发射极相连堆叠组成，每个HBT均偏置在AB类，供电电压VCC通过串联的电阻为每层堆叠的HBT提供合适的静态工作点；堆叠结构中使用电流复用结构，上层HBT的基极通过串联的共面波导（CPW）与电容连接到底层HBT的集电极，并且上层HBT的发射极与底层HBT的集电极通过串联的CPW相连。
所述晶体管堆叠结构，将4层HBT串联排列，继而将整体功率放大器的最佳负载阻抗升高。通过使用串联的电阻进行分压，为每一层HBT提供基极偏置电压，使每一层HBT偏置在AB类，此方法在实际的版图中起到节省直流供电焊盘数目、减小芯片面积的作用。每一层HBT的基极连接一个外置电容，通过调整外置电容来调整整个功率放大器的输入阻抗，优化功率放大器集电极的最优负载阻抗。基极的外置电容与它对HBT小信号发射极阻抗的影响如公式（1）所示：
由公式（1）可以看出，通过改变HBT的基极外置电容可以改变发射极的阻抗，从而改变堆叠结构中下层HBT集电极的最优负载阻抗。同时，外置电容还用于调节堆叠结构的集电极输出电压的相位，保证每一层HBT的输出电压相位一致，使最上层HBT的集电极输出电压摆幅最大，从而实现高功率输出。
所述电流复用结构由共面波导和电容实现，串联的共面波导TLs和电容Cs构成了一个低阻抗通路，将晶体管Q1的集电极的输出信号耦合到晶体管Q2的基极输入端，而共面波导TLc提供了一个高阻抗通路，阻止所需频段内的信号通过。使用电流复用结构之后会使输入信号增强，并且传输线与电容串联组成的低阻抗通路具有窄带的特性，可使频带内较高频率处的增益明显提升。使用电流复用结构与未使用电流复用结构相比，部分直流信号被重新利用，使信号从堆叠结构的底层HBT的集电极耦合到上层HBT的基极，从而使功率放大器的增益有显著提升，同时提高输出功率。由于所使用的电流复用结构具有窄带特性，为了平衡功率放大器的带宽以及增益，本发明通过电路设计使所使用的三部分电流复用结构的高增益点错开，使功率放大器在整个频带内都能够具有高增益、高输出功率。
由于片上难以实现作为扼流圈的大电感，本发明中采用四分之一波长的短路共面波导代替一般电路中常用的大电感，将其与直流电源相连接，达到通直流阻交流的效果，使电路能够在芯片上完全集成。
本发明的优势在于使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）进行射频功率放大器设计，适用于较高的工作频率。通过使用基于电流复用技术的晶体管堆叠结构，实现了高输出功率、高增益的功率放大器。本发明所采用的电路结构简单，有效减小了芯片面积，节省电路成本，便于在更大程度、更广范围中应用。
附图说明
图1是电流复用结构的局部原理图；
图2是采用电流复用技术的功率放大器的电路原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明中所使用的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图2所示，本发明的功率放大器使用堆叠结构，由四层基于SiGe工艺的HBT Q3、Q4、Q5、Q6组成，每层HBT的直流偏置都偏置在AB类，R1、R2、R3分别为Q4、Q5、Q6的基极偏置电阻。三层HBT Q4、Q5、Q6的基极分别连接了三个外置电容C5、C6、C7，这三个外置电容C5、C6、C7分别用于调整三层HBT Q4、Q5、Q6的集电极电压相位与Q3的集电极电压相位的一致性。
电容C2、共面波导TL2与共面波导TL5组成了其中一个电流复用的结构，同理，电容C3、共面波导TL3与共面波导TL6，电容C4、共面波导TL4与传共面波导TL7均构成了电流复用结构。在电容和共面波导的选取过程中，为了平衡功率放大器的增益以及带宽，将每个电流复用结构的高增益点分散开，使功率放大器的带宽性能更好。
Vb1、Vb2、Vb3、Vb4分别为HBT Q3、Q4、Q5、Q6提供直流偏置电压。其中，Vb1通过共面波导TL1为Q3提供基极偏置电压，TL1为四分之一波长的共面波导，信号经过电容C1从Q3的基极输入。VCC通过四分之一波长的共面波导TL8为整个电路供电，信号从Q6的集电极经过电容C8输出。

Claims (4)

1.一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于：电路使用基于SiGe工艺的异质结双极晶体管（HBT）堆叠结构，由4层HBT的集电极发射极相连堆叠组成，每个HBT均偏置在AB类，供电电压VCC通过串联的电阻为每层堆叠的HBT提供合适的静态工作点；堆叠结构中使用电流复用结构，上层HBT的基极通过串联的共面波导（CPW）与电容连接到底层HBT的集电极，并且上层HBT的发射极与底层HBT的集电极通过串联的CPW相连。
2.根据权利要求1所述一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于：所述晶体管堆叠结构，将4层HBT串联排列，继而将整体功率放大器的最佳负载阻抗升高，通过使用串联的电阻进行分压，为每一层HBT提供基极偏置电压，使每一层HBT偏置在AB类；此方法在实际的版图中起到节省直流供电焊盘数目、减小芯片面积的作用；每一层HBT的基极连接一个外置电容，通过调整外置电容来调整整个功率放大器的输入阻抗，优化功率放大器集电极的最优负载阻抗。
3.根据权利要求1所述一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于：所述电流复用结构由共面波导和电容实现，串联的共面波导TLs和电容Cs构成了一个低阻抗通路，将晶体管Q1的集电极的输出信号耦合到晶体管Q2的基极输入端，而共面波导TLc提供了一个高阻抗通路，阻止所需频段内的信号通过。
4.根据权利要求1所述一种基于电流复用技术的高输出功率高增益的功率放大器，其特征在于：采用四分之一波长的短路共面波导代替一般电路中常用的大电感，将其与直流电源相连接，达到通直流阻交流的效果，使电路能够在芯片上完全集成。
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