CN108683410A - 一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，包括分布式堆叠型达林顿管放大网络、堆叠型达林顿管输入分配网络、堆叠型达林顿管输出合成网络，本发明核心架构采用分布式堆叠型达林顿管放大网络，该放大网络至少由三个基于堆叠技术的分布式堆叠型达林顿管组成，同时，本发明考虑了二晶体管堆叠结构的堆叠型达林顿管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，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，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器

技术领域

本发明涉及异质结双极性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特征频率越来越高，由此带来了低击穿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晶体管采用分布式放大排列的方式实现，由于单晶体管受到寄生参数的影响，随着工作频率升高时，其功率增益会显著降低、同时功率特性等也会显著恶化，因此为了获得超宽带平坦的放大结构，必须要牺牲低频增益来均衡高频损耗，导致传统分布式放大器的超宽带增益很低；

②为了提高放大器增益提高隔离度的影响，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，却无法增益随频率显著恶化的趋势，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基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，结合了基于三极管堆叠技术的达林顿晶体管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：一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，其特征在于，包括分布式堆叠型达林顿管放大网络、堆叠型达林顿管输入分配网络、堆叠型达林顿管输出合成网络，分布式堆叠型达林顿管放大网络由k个二晶体管堆叠结构的堆叠型达林顿管结构组成，其中k大于等于3。堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输入端连接；堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输出端连接。

本发明的有益效果是：本发明核心架构采用分布式基于堆叠技术的堆叠型达林顿管放大网络，该放大网络至少由三个堆叠型达林顿管组成，堆叠型达林顿管按照单个共射晶体管复合二堆叠晶体管的结构构成，同时，本发明考虑了基于堆叠技术的堆叠型达林顿管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。

进一步地，堆叠型达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感L_b1、L_b2至L_bk+1、隔直电容C_bload和负载电阻R_bload，负载电阻R_bload一端与隔直电容C_bload连接同时另一端接地,电感L_b1一端与L_b2连接同时另一端为堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端，电感L_bj与L_bj+1的k个连接节点为堆叠型达林顿管输入分配网络的k个输出端，其中j＝1,2…k。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的堆叠型达林顿管输入分配网络除了能实现输入射频信号的分布式功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。

进一步地，分布式堆叠型达林顿管放大网络包含k个堆叠型达林顿管，第j个堆叠型达林顿管中隔直电容C_ij串联共射管Q_fj的基极，其中j＝1,2…k，C_ij一端与Q_fj基极连接同时另一端为所述第j个堆叠型达林顿管的输入端，共射管Q_fj的发射极串联电阻R_bj后连接到地，Q_fj的发射极与串联电阻R_bj的连接节点上还连接了晶体管Q_sj的基极，Q_fj的集电极连接自偏三极管Q_mj的发射极，自偏三极管Q_mj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻R_mj，R_mj一端与自偏三极管Q_mj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1，共射管Q_fj的基极与隔直电容C_ij的连接节点上还并联了偏置电阻R_uj和R_dj，R_uj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1，R_dj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到地；二堆叠晶体管Q_sj与Q_tj按照Q_sj集电极连接Q_tj发射极的堆叠形式构成，Q_sj的发射极接地，Q_tj的集电极作为第j个堆叠型达林顿管的输出端，Q_tj的基极还串联了补偿RC网络，补偿RC网络由稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj串联构成，堆叠匹配电容C_tj另一端接地，稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj的连接节点还连接自偏三极管Q_rj的发射极，自偏三极管Q_rj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻Rrj，Rrj一端与自偏三极管Q_rj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1。

上述进一步方案的有益效果是：堆叠型达林顿管中二堆叠晶体管结构的基极补偿电容是容值较小的电容，用于实现基极电压的同步摆动，可以提高输出功率，改善隔离特性，实现二堆叠晶体管间的阻抗匹配，同时获得良好的高频特性并稳定电路。

进一步地，堆叠型达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻R_cload、隔直电容C_cload、电感L_c1、L_c2至L_ck+1、隔直电容C_c，负载电阻R_cload一端与隔直电容C_cload连接同时另一端接地，隔直电容C_c一端与L_ck+1连接同时另一端为堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端，电感L_cj与L_cj+1的k个连接节点为堆叠型达林顿管输出合成网络的k个输入端，电感L_c1和L_c2的连接节点上还并联有馈电电感L_cc，馈电电感L_cc的另一端接偏置电压V_CC2。

上述进一步方案的有益效果是：考虑了基于堆叠技术的堆叠型达林顿管对于输出合成网络的等效电容的影响，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。

附图说明

图1为本发明功率放大器原理框图；

图2为本发明功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，如图1所示，包括分布式堆叠型达林顿管放大网络、堆叠型达林顿管输入分配网络、堆叠型达林顿管输出合成网络，分布式堆叠型达林顿管放大网络由k个二晶体管堆叠结构的堆叠型达林顿管结构组成，其中k大于等于3。堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输入端连接；堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输出端连接。

如图2所示，堆叠型达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感L_b1、L_b2至L_bk+1、隔直电容C_bload和负载电阻R_bload，负载电阻R_bload一端与隔直电容C_bload连接同时另一端接地,电感L_b1一端与L_b2连接同时另一端为堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端，电感L_bj与L_bj+1的k个连接节点为堆叠型达林顿管输入分配网络的k个输出端。

分布式堆叠型达林顿管放大网络包含k个堆叠型达林顿管，第j个堆叠型达林顿管中隔直电容C_ij串联共射管Q_fj的基极，其中j＝1,2…k，C_ij一端与Q_fj基极连接同时另一端为所述第j个堆叠型达林顿管的输入端，共射管Q_fj的发射极串联电阻R_bj后连接到地，Q_fj的发射极与串联电阻R_bj的连接节点上还连接了晶体管Q_sj的基极，Q_fj的集电极连接自偏三极管Q_mj的发射极，自偏三极管Q_mj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻R_mj，R_mj一端与自偏三极管Q_mj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1，共射管Q_fj的基极与隔直电容C_ij的连接节点上还并联了偏置电阻R_uj和R_dj，R_uj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1，R_dj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到地；二堆叠晶体管Q_sj与Q_tj按照Q_sj集电极连接Q_tj发射极的堆叠形式构成，Q_sj的发射极接地，Q_tj的集电极作为第j个堆叠型达林顿管的输出端，Q_tj的基极还串联了补偿RC网络，补偿RC网络由稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj串联构成，堆叠匹配电容C_tj另一端接地，稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj的连接节点还连接自偏三极管Q_rj的发射极，自偏三极管Q_rj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻R_rj，R_rj一端与自偏三极管Q_rj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1。

堆叠型达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻R_cload、隔直电容C_cload、电感L_c1、L_c2至L_ck+1、隔直电容C_c，负载电阻R_cload一端与隔直电容C_cload连接同时另一端接地，隔直电容C_c一端与L_ck+1连接同时另一端为堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端，电感L_cj与L_cj+1的k个连接节点为堆叠型达林顿管输出合成网络的k个输入端，电感L_c1和L_c2的连接节点上还并联有馈电电感L_cc，馈电电感L_cc的另一端接偏置电压V_CC2。

本发明电路中用于求解该功率放大器中的关键电路参数的方法为：

(1)堆叠型达林顿管的等效晶体管端输入电容C_ink：

(2)堆叠型达林顿管的等效晶体管端输出电容C_outk：

(6)堆叠型达林顿管输入和输出人工传输线电感L_di和L_gi：

上述公式中，k为整数，k≥3；Z₀为微带的特征阻抗,在第k个堆叠型达林顿管中，C_be为三极管的基极射极等效输入电容，C_ce为三极管的集电极射极等效输出电容，单位均为pF，下标“fk,sk,tk”分别代表所属的第k个堆叠型达林顿管中的共射管Q_fk、堆叠管Q_sk、堆叠管Q_tk。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端IN进入电路，以电流分布式的方式进入基极人工传输线L_bj、L_b(j+1),其中j＝1,2…k，通过输入隔直耦合电容C_ij进入共射管Q_fj的基极，然后以电流分布式进入三晶体管堆叠放大网络的最底层的晶体管Q_sj的基极，再以电流分布式从晶体管Q_tj的集电极输出，最后以电流分布式的方式进入集电极人工传输线L_cj、L_c(j+1)，通过集电极隔直耦合电容C_c从输出端OUT输出。

基于上述电路分析，本发明提出的基于三极管堆叠技术的达林顿分布式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核心架构采用分布式堆叠型达林顿管放大网络：

堆叠型达林顿管与传统单一晶体管及Cascode晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；

堆叠型达林顿管与传统达林顿管的不同之处在于：传统达林顿管中第二级为单一晶体管或者是Cascode晶体管，堆叠型达林顿管的基极补偿电容是容值较小的电容，用于实现基极电压的同步摆动，而Cascode晶体管的堆叠基极补偿电容是容值较大的电容，用于实现基极的交流接地。

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 (4)

1.一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，其特征在于，包括分布式堆叠型达林顿管放大网络、堆叠型达林顿管输入分配网络和堆叠型达林顿管输出合成网络，所述分布式堆叠型达林顿管放大网络由k个堆叠型达林顿管组成，其中k大于等于3；

所述堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输入端连接；

所述堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式堆叠型达林顿管放大网络中的k个堆叠型达林顿管的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，其特征在于，所述堆叠型达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感L_b1、L_b2至L_bk+1、隔直电容C_bload和负载电阻R_bload，所述负载电阻R_bload一端与隔直电容C_bload连接同时另一端接地,所述电感L_b1一端与L_b2连接同时另一端为堆叠型达林顿管输入分配网络的输入端，所述电感L_bj与L_bj+1之间的连接节点均为堆叠型达林顿管输入分配网络的输出端，其中j＝1,2…k。

3.根据权利要求1所述的基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，其特征在于，所述分布式堆叠型达林顿管放大网络包含k个堆叠型达林顿管；

所述第j个堆叠型达林顿管中隔直电容C_ij串联共射管Q_fj的基极，其中j＝1,2…k，C_ij与Q_fj基极连接的另一端为所述第j个堆叠型达林顿管的输入端，所述共射管Q_fj的发射极串联电阻R_bj后连接到地，Q_fj的发射极与串联电阻R_bj的连接节点上还连接了晶体管Q_sj的基极，Q_fj的集电极连接自偏三极管Q_mj的发射极，所述自偏三极管Q_mj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻R_mj，R_mj与自偏三极管Q_mj连接的另一端连接到偏置电压V_CC1，所述共射管Q_fj的基极与隔直电容C_ij的连接节点上还并联了偏置电阻R_uj和R_dj，R_uj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1，R_dj一端与共射管Q_fj连接同时另一端连接到地；

所述二堆叠晶体管Q_sj与Q_tj按照Q_sj集电极连接Q_tj发射极的堆叠形式构成，Q_sj的发射极接地，Q_tj的集电极作为所述第j个堆叠型达林顿管的输出端，Q_tj的基极还串联了补偿RC网络，补偿RC网络由稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj串联构成，堆叠匹配电容C_tj另一端接地，稳定电阻R_tj和堆叠匹配电容C_tj的连接节点还连接自偏三极管Q_rj的发射极，所述自偏三极管Q_rj的基极与集电极连接后，串联馈电电阻R_rj，R_rj一端与自偏三极管Q_rj连接同时另一端连接到偏置电压V_CC1。

4.根据权利要求1所述的基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，其特征在于，所述堆叠型达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻R_cload、隔直电容C_cload、电感L_c1、L_c2至L_ck+1、隔直电容C_c，所述负载电阻R_cload一端与隔直电容C_cload连接同时另一端接地，所述隔直电容C_c一端与L_ck+1连接同时另一端为堆叠型达林顿管输出合成网络的输出端，所述电感L_cj与L_cj+1的k个连接节点为堆叠型达林顿管输出合成网络的k个输入端，其中j＝1,2…k，所述电感L_c1和L_c2的连接节点上还并联有馈电电感L_cc，馈电电感L_cc的另一端接偏置电压V_CC2。