CN108933573B - 一种集成前置滤波器的射频放大器及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种集成前置滤波器的放大器电路及其封装方法，将一个高阶的LC带通滤波器拆分成三个滤波器单元，并且分别置于封装基板，放大器前端及放大器级间内部，其综合频率响应近似于一个较为理想的高阶带通滤波器响应，而其插损较小，可以满足目前移动通信内的滤波处理要求。更进一步的，本发明滤波器的设计中充分吸收了放大器原先分布的电感组件，包括输入串联电感、源极电感等，进一步节约了器件面积和成本。
Description
技术领域
本发明涉及信号放大处理领域，尤其涉及一种集成前置滤波器的射频放大器及其封装方法。
背景技术
传统的声表面波滤波器(SAW)是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电石英晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器，是一种采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的滤波专用器件。其频谱响应类似于高阶LC带通滤波器响应。
存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声表面滤波器的“电动机”及“发电机”。当对这种晶体施以电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低，无论电/机还是机/电能量转换，效率都可高达99.99％。在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行导限以产生极高品质因数(Q值可达数千)的驻波(standing waves)。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。
在图1所示的基础SAW滤波器结构中，电输入信号通过间插的金属交指型换能器(IDT)转换为声波，这种IDT是在诸如石英、钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)等压电基板上形成的。在一款非常小设备内，IDT的低速特性非常适合众多波长通过。但SAW滤波器有局限性：高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz，其使用仅限于对性能要求不高的应用。此外，SAW器件易受温度变化的影响，也是应用中的一个难题：当温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。
在接收系统中，由于外界越来越复杂的杂散干扰，往往在天线进入低噪声放大器之前，放置滤除带外干扰的SAW滤波器，同时在低噪声放大器之后会再放置一级滤波器，我们分别称之为前置滤波器和后置滤波器。低噪声放大器连同前置后置滤波器的接收结构，可以在接收灵敏度和带外干扰抑制之间达到一个比较好的平衡。
但由于SAW滤波器采用特殊的MEMS工艺，主要是利用材料的物理或声学特性来实现带外干扰抑制。而低噪声放大器一般为CMOS或者BiCMOS工艺，它是一种有源器件工艺，核心是利用晶体管的放大特性来做到高增益和低噪声。两种工艺有着本质的不同，使得SAW滤波器与目前广泛商用的CMOS工艺之间的兼容性很差。因而目前高集成度的射频前端产品通常采用双晶圆甚至三晶圆来实现。
图2示出了美国Skyworks公司的SKY65713芯片的原理图，从图中可以看出它是一颗集成前置滤波器和低噪声放大器的高集成度射频前端芯片，其内部采用两颗晶圆片，其中前置滤波器是单独一颗，低噪声放大器连同偏置电路和输出匹配是另外一颗，从前置滤波器的输出到低噪声放大器的输入需要一颗片外的电感，因此，该方案的成本较高，用户使用起来较为复杂。
由上可知，现有SAW滤波器成本较高，且难以与CMOS工艺的射频放大器相兼容；而传统的片上低阶LC又无法实现高品质因子的谐振腔，会造成严重的插损(insertionloss)，导致灵敏度的严重恶化。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种集成高阶滤波器的射频放大器电路及其相应的封装方法，通过替换高昂且兼容性差的SAW滤波器以及采用创造性的封装结构来实现高性能低成本的射频放大器产品。
本发明提供了一种集成前置滤波器的放大器电路，其特征在于：所述放大器电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容，第一晶体管和第二晶体管，源极负反馈组件以及负载；
其中，第一晶体管的源极经由源极负反馈组件接地，第一晶体管的栅极连接第一电感和第一电容的串联支路；第二晶体管的栅极接偏置电压，第二晶体管的漏极通过负载连接到电源电压输入端，同时还耦合：连接到信号输出端；第二晶体管的源极还通过第六电感连接到第一晶体管的漏极；第二电感与第二电容并联，第二电感的第一端作为信号输入端，其第二端经由第一电感和第一电容所在的串联支路将输入信号传送到第一晶体管的栅极；第二电感的第二端还经由依次串联的第三电感和第三电容接地；第六电感上并联有第四电容，第六电感的第一端经由依次串联的第四电感和第五电容接地，第六电感的第二端经由依次串联的第五电感和第六电容接地；
所述第一晶体管和第二晶体管、源极负反馈组件、负载构成了低噪声放大单元；所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容实现了高阶带通滤波器单元。
进一步的，所述负载为一电感器，或电感与电容的并联组件，或电感与电阻的并联组件，或电感与电阻的串联组件，或者电感、电容、电阻的并联组件。所述源极负反馈组件为一感抗性组件，例如可以是一源极衰减电感。
进一步的，将源极负反馈组件的电感成分吸收进滤波器的设计中以提供滤波器所需的部分电感，根据源极负反馈组件对滤波器的参数进行化，使得第四电感、第五电感、第六电感的电感数值会因此而减小。
本发明还提供了一种基于上述放大器电路的封装方法，其特征在于：将第二电感和第三电感封装于基板内部；而第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容，第一电感、第四电感、第五电感、第六电感被封装于晶圆上。
进一步的，所述基板与所述晶圆之间是通过金线相连，金线本身也会被吸收进滤波器的设计，进行滤波器优化。
进一步的，所述滤波器单元中，第四电容、第五电容、第六电容、第四电感、第五电感、第六电感被置于所述第一晶体管和第二晶体管之间。进一步的，置于所述第一晶体管和第二晶体管之间的滤波器元件经过一定的阻抗变换，可以和其余滤波器元件形成理想的滤波响应。
进一步的，所述晶圆被封装为一独立的晶圆，或者，所述晶圆与放大器电路中的第一晶体管、第二晶体管集成在同一个晶圆中。进一步的，所述基板为单层或多层PCB基板。
本发明的技术方案，是将一个高阶的LC带通滤波器拆分成三个滤波器单元，并且分别置于封装基板，放大器前端及放大器内部，其综合频率响应近似于一个较为理想的高阶带通滤波器响应，而其插损较小，可以满足目前移动通信内的滤波处理要求，例如对于GPS带外抑制以及带内插损的要求。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案摒除了高昂的SAW滤波器设计成本，放大器的前置滤波器采用高阶滤波器，并且将高阶滤波器拆成若干单元，分别用封装基板，晶圆内置无源元件，级间滤波单元来实现，可以等效实现高阶滤波器并跟低噪声放大器很好的结合在一起；更进一步的，本发明滤波器的设计中充分吸收了放大器原先分布的电感组件，包括输入串联电感、源极电感等，进一步节约了器件面积和成本。通过以上的手段，本发明实现了高集成度、低噪声系数、低插损、高带外抑制、低成本等优点，经过实际产品验证，完全可以替代一部分市场中SAW滤波器和低噪声放大器的分立方案。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中具体阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为现有技术中一基础SAW滤波器结构；
图2为美国Skyworks公司的SKY65713芯片的原理图；
图3为一典型的基于LC结构的七阶带通滤波器的电路图；
图4为根据一示例性实施例示出的集成前置滤波器的射频放大器电路图；
图5为根据一示例性实施例示出的基板封装设计图；
图6为根据一示例性实施例示出的晶圆封装设计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图3所示是一个典型的LC结构的七阶带通滤波器。通过器件参数的调整可以优化所述七阶带通滤波器的频谱响应，可使其充分满足移动通信终端对于GPS前置滤波器的带外抑制要求。
为了克服SAW滤波器成本高、兼容性差的缺点，本发明实施例中将诸如图3所示的高阶滤波器应用于射频放大器的前端滤波，并且采用了独创性的封装架构。具体的，本发明是通过将一个完整的高阶滤波器拆分成三部分，结合图3，其中：对插损最为重要的第一部分放置于放大器前端，优选地，可以放置于封装基板内；第二部分也是放置在放大器的前端，但是是在CMOS晶圆上实现；第三部分放置在放大器内部，优选地，放在放大器级间来实现。
第一部分基板的设计：利用单层或多层基板，采用封装基板上的电感来实现，将高品质因子的电感集成在基板空间内，由于晶圆内电容的品质因子足够高，因此第一部分的电容转移集成在晶圆内。第二部分和第三部分的滤波器设计在晶圆上，晶圆上集成有所述放大器前端部分和放大器内部电路。
图4示出了本发明一实施例中集成前置滤波器的射频放大器的具体设计，其中，晶体管M1和M2、电感L2和L3，电容C1、C2和C3，构成了一低噪声放大器；而电感Lf1、Lf2、Lf3、Lf4、Lf5、L1和电容C1、C4、C5、C6、C7、C8组成了高阶带通滤波器。元器件之间的具体连接如图4所示，N型CMOS晶体管M1作为主晶体管，提供放大器的有效跨导以及放大增益，其和层叠晶体管M2共同构成共源共栅结构晶体管，主要作用是提供较高的输出阻抗同时提供较高的隔离度；晶体管M1的源极经由源极衰减电感L2接地，电感L2作为源极负反馈组件，在提供输入阻抗匹配的同时进一步降低输入等效噪声，可以采用包含感抗成分的其他形式；晶体管M1的栅极连接输入电感L1和耦合电容C1的串联支路，电感L1提供足够的无源传输增益以降低噪声系数同时提供部分的输入匹配；放大器的负载部分由电感L3、电容C2和C3组成；晶体管M2的栅极接偏置电压，漏极与负载电感L3相连，同时经由电容C2连接到输出端，输出端还布置有接地电容C3，L3的作用是提供足够高的负载阻抗，C2和C3的作用是提供输出匹配；晶体管M2的源极通过电感Lf5接晶体管M1的漏极。
高阶带通滤波器的分布如下：射频输入端经由电感Lf1连接到电感L1的输入端，电感Lf1上并联有电容C4，电感Lf1和电感L1的连接点经由依次串联的电感Lf2和电容C8接地，电感Lf5上并联有电容C7，电感Lf5的第一端经由依次串联的电感Lf3和电容C5接地，电感Lf5的第二端经由依次串联的电感Lf4和电容C6接地。在该射频前端的设计中，低噪声放大器的前置电感L1，被吸收进了带通滤波器设计，这样可以节省一个电感的面积，节约了成本。
在滤波器的封装结构上，电感Lf1和电感Lf2被封装于基板内部(将高品质因子的电感集成在基板空间内)；而电容C1、C4、C5、C6、C7、C8，电感L1、Lf3、Lf4、Lf5被封装于晶圆上(由于晶圆内电容的品质因子足够高，因此第一部分的电容C1、C4、C8转移集成在晶圆内)，其可以集成为独立的晶圆，也可以与放大器的其余元件集成为一个晶圆。其中，基板上的第一部分滤波器单元(Lf1和Lf2)和晶圆上的第二部分滤波器单元(L1、C1、C4、C8)是通过金线相连，金线本身也会被吸收进滤波器的设计，进行参数优化调整；而第三部分滤波器单元(Lf3、Lf4、Lf5、C5、C6、C7)放在了晶体管M1和M2之间，这是由于如果把所有滤波器单元都放在放大器前端，电感本身的插损会严重恶化射频前端的噪声系数，而放在放大器级间，M1的放大作用可以很大程度上压制插损，而M2的源极阻抗较低，线性度较高，这样放在级间可以很好的在噪声系数和线性度之间实现最优平衡。在设计的时候需要考虑晶体管M1和电感L2的阻抗变换特点，并且电感L2在进行源极负反馈的同时，也提供滤波器所需的电抗成分，电感Lf3、Lf4、Lf5和电容C5、C6、C7根据电感L2的参数值做一个数值上的优化设计，可以将Lf3、Lf4、Lf5的部分感抗转移由电感L2进行提供，级间的电感数值会因此而大幅减小。
作为示例性的，图5示出了基板的一示例性封装设计图，多层基板内部集成了上述两个电感Lf1和Lf2，图6示出了晶圆的一示例性封装设计图，晶圆上包括四个电感L1、Lf3、Lf4、Lf5和若干电容。
本发明采用前置高阶滤波器替换前置SAW滤波器，用于与射频放大器配合工作；并且将高阶滤波器拆成若干部分，其中前置部分分别采用封装基板无源元件设计和晶圆内部无源元件设计，剩余的部分放置在共源晶体管M1和共栅晶体管M2之间，很好的在噪声系数和线性度之间实现最优化设计。更进一步的，本发明的方案还将放大器输入端的输入串联电感考虑进滤波器的设计中，将该输入串联电感作为滤波器的电抗提供组件，节省了一个电感的面积和设计成本。另外，晶体管M1及其源极电感具有阻抗变换作用，放大器级间所需的电感数值会因此而大幅减小，这样进一步节约了面积和成本。
本发明可以广泛应用于各类电子产品的射频放大处理中，包括但不限于智能手表、智能手环、无线耳机、智能手机等，亦可迁移应用于各类通信产品的信号处理中。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (4)
1.一种集成前置滤波器的放大器电路，其特征在于：所述放大器包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容，第一晶体管和第二晶体管，源极负反馈组件以及负载；其中，第一晶体管的源极经由源极负反馈组件接地，第一晶体管的栅极连接第一电感和第一电容的串联支路；第二晶体管的栅极接偏置电压，第二晶体管的漏极通过负载连接到电源电压输入端，同时耦合连接到信号输出端；第二晶体管的源极还通过第六电感连接到第一晶体管的漏极；第二电感与第二电容并联，第二电感的第一端作为信号输入端，其第二端经由第一电感和第一电容所在的串联支路将输入信号传送到第一晶体管的栅极；第二电感的第二端还经由依次串联的第三电感和第三电容接地；第六电感上并联有第四电容，第六电感的第一端经由依次串联的第四电感和第五电容接地，第六电感的第二端经由依次串联的第五电感和第六电容接地；所述第一晶体管和第二晶体管、源极负反馈组件、负载构成了低噪声放大单元；所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容实现了高阶带通滤波器单元；
通过上述连接，将源极负反馈组件的电感成分吸收进高阶带通滤波器的设计中以提供高阶带通滤波器所需的部分电感，根据源极负反馈组件对高阶带通滤波器的参数进行优化，使得第四电感、第五电感、第六电感的电感数值会因此而减小。
2.一种基于如权利要求1所述的放大器电路的封装方法，其特征在于：将第二电感和第三电感封装于基板内部；而第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容，第一电感、第四电感、第五电感、第六电感被封装于晶圆上。
3.如权利要求2所述的放大器封装方法，其特征在于：所述基板与所述晶圆之间是通过金线相连，金线本身也会被吸收进高阶带通滤波器的设计，进行高阶带通滤波器优化。
4.如权利要求2所述的放大器封装方法，其特征在于：所述基板为单层或多层基板。
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