CN109450389A - 一种基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠型三阶达林顿管、第二堆叠型三阶达林顿管、第三堆叠型三阶达林顿管、第四堆叠型三阶达林顿管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络，本发明核心架构采用第一至第四堆叠型三阶达林顿管组成的矩阵放大网络，利用三阶达林顿管良好的高截止频率特性，同时利用堆叠晶体管高功率容量特性，与二阶矩阵功率放大器超宽带频响特性相结合，使得整个功率放大器获得了良好的宽带高增益和高功率输出能力。
Description
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基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器。
背景技术
随着扩频技术、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等的快速发展，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)宽带高增益放大能力受限：传统单晶体管收到增益带宽积的影响，需要牺牲增益才能获得超宽带放大能力，因此，宽带高增益放大能力受到严重的限制。
(2)宽带高功率放大能力受限：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，电路无法满足低功耗或者绿色通信需求。
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堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，结合了晶体管堆叠技术、三阶达林顿管合成技术和矩阵放大器的优点，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：一种基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠型三阶达林顿管、第二堆叠型三阶达林顿管、第三堆叠型三阶达林顿管、第四堆叠型三阶达林顿管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络。
二阶矩阵输入分配网络的输入端为整个超宽带放大器的输入端，其第一输出端与第一堆叠型三阶达林顿管的输入端连接，其第二输出端与第二堆叠型三阶达林顿管的输入端连接；
二阶矩阵级间平衡网络的第一端口与馈电网络的第一输出端连接，二阶矩阵级间平衡网络的第二端口与第一堆叠型三阶达林顿管的输出端、第三堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第三端口与第二堆叠型三阶达林顿管的输出端、第四堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接。
二阶矩阵输出合成网络的输出端为整个超宽带放大器的输出端，其第一输入端与馈电网络的第二输出端连接，其第二输入端与第三堆叠型三阶达林顿管的输出端连接，其第三输入端与第四堆叠型三阶达林顿管的输出端连接；
馈电网络的输入端与供电电压Vdd连接；所述第一、第二、第三、第四堆叠型三阶达林顿管的馈电端与供电电压Vg连接。
进一步的，二阶矩阵输入分配网络包括从超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感Lb1、Lb2、Lb3、隔直电容Cload1和负载电阻Rload1,电感Lb1与Lb2的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第一输出端，电感Lb2与Lb3的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的二阶矩阵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。
进一步的，第N堆叠型三阶达林顿管的输入端连接电容Cij，电容Cij的另一端连接场效应晶体管Mij的栅极，Mij的栅极还连接了馈电电阻Rfj,Rfj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Mij的源极连接电阻Rsj，电阻Rsj的另一端接地。场效应晶体管Mij的源极和Mmj的栅极通过电容Cmj相连，Mmj的栅极还连接了馈电电阻Rbj,Rbj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Mmj的源极连接电阻Rtj,电阻Rtj的另一端接地。场效应晶体管Mmj的源极和场效应晶体管Muj的栅极通过电容Cuj相连，Muj的栅极还连接了馈电电阻Ruj,Ruj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Muj的源极接地。场效应晶体管Muj的漏极与场效应晶体管Mvj的源极相连，场效应晶体管Mvj的栅极连接电容Ctj和电阻Rpj,电容Ctj的另一端接地，电阻Rpj的另一端连接电阻Roj和Rqj,电阻Roj的另一端接地,电阻Rqj的另一端与场效应晶体管Mij的漏极、场效应晶体管Mmj的漏极、场效应晶体管Mvj的漏极连接,此节点为第N堆叠型三阶达林顿管的输出端，其中，N为一、二、三、四，j＝1,2，3,4。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的堆叠型三阶达林顿管可以显著提升达林顿放大器的增益以及功率容量，同时降低等效输出电容拓展放大器带宽,同时堆叠型三阶达林顿管同传统双晶体管堆叠结构，以及传统二阶达林顿管相比,具有更高频段的特征频率,因此也可以提高放大器的最高工作频率。
进一步的，二阶矩阵级间平衡网络包括依次串联的电阻Rload2、电容Cload2、电感Lm1、Lm2、Lm3、电容Cload3、电阻Rload3，并且Rload2和Rload3的另一端均同时接地，电容Cload2与电感Lm1相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第一端口，电感Lm1与电感Lm2相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第二端口，电感Lm2与电感Lm3相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第三端口。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的二阶矩阵级间平衡网络除了能实现级间射频信号的分布式功率分配外，还能对射频级间信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。
进一步的，二阶矩阵输出合成网路包括依次串联的电阻Rload4、电容Cload4、电感Lc1、Lc2、Lc3、电容Cout,电阻Rload4的另一端接地，电容Cout的另一端为二阶矩阵输出合成网络的输出端，电容Cload4与电感Lc1相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第一输入端，电感Lc1与电感Lc2相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第二输入端，电感Lc2与电感Lc3相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第三输入端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的二阶矩阵输出合成网路除了能实现输出射频信号的分布式功率合成外，还能对射频输出信号进行阻抗匹配并提高电路的效率。
进一步的，馈电网络的输入端同时连接接地电容Cvdd、馈电电感Lvdd1和Lvdd2，馈电电感Lvdd1的另一端为所述馈电网络的第一输出端，馈电电感Lvdd2的另一端为所述馈电网络的第二输出端。
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堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠型三阶达林顿管、第二堆叠型三阶达林顿管、第三堆叠型三阶达林顿管、第四堆叠型三阶达林顿管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络。
如图1所示，二阶矩阵输入分配网络的输入端为整个基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器的输入端，其第一输出端与第一堆叠型三阶达林顿管的输入端连接，其第二输出端与第二堆叠型三阶达林顿管的输入端连接；
二阶矩阵级间平衡网络的第一端口与馈电网络的第一输出端连接，二阶矩阵级间平衡网络的第二端口与第一堆叠型三阶达林顿管的输出端、第三堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第三端口与第二堆叠型三阶达林顿管的输出端、第四堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接；
二阶矩阵输出合成网络的输出端为整个基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器的输出端，其第一输入端与馈电网络的第二输出端连接，其第二输入端与第三堆叠型三阶达林顿管的输出端连接,其第三输入端与第四堆叠型三阶达林顿管的输出端连接；
馈电网络的输入端与供电电压Vdd连接；第一、第二、第三、第四堆叠型三阶达林顿管的馈电端与供电电压Vg连接。
如图2所示，二阶矩阵输入分配网络包括从基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器输入端到地依次串接的电感Lb1、Lb2、Lb3、隔直电容Cload1和负载电阻Rload1,电感Lb1与Lb2的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第一输出端，电感Lb2与Lb3的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第二输出端。
第N堆叠型三阶达林顿管的输入端连接电容Cij，电容Cij的另一端连接场效应晶体管Mij的栅极，Mij的栅极还连接了馈电电阻Rfj,Rfj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Mij的源极连接电阻Rsj，电阻Rsj的另一端接地。场效应晶体管Mij的源极和Mmj的栅极通过电容Cmj相连，Mmj的栅极还连接了馈电电阻Rbj,Rbj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Mmj的源极连接电阻Rtj,电阻Rtj的另一端接地。场效应晶体管Mmj的源极和场效应晶体管Muj的栅极通过电容Cuj相连，Muj的栅极还连接了馈电电阻Ruj,Ruj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，场效应晶体管Muj的源极接地。场效应晶体管Muj的漏极与场效应晶体管Mvj的源极相连，场效应晶体管Mvj的栅极连接电容Ctj和电阻Rpj,电容Ctj的另一端接地，电阻Rpj的另一端连接电阻Roj和Rqj,电阻Roj的另一端接地,电阻Rqj的另一端与场效应晶体管Mij的漏极、场效应晶体管Mmj的漏极、场效应晶体管Mvj的漏极连接,此节点为第N堆叠型三阶达林顿管的输出端，其中，N为一、二、三、四，j＝1,2，3,4。
二阶矩阵级间平衡网络包括依次串联的电阻Rload2、电容Cload2、电感Lm1、Lm2、Lm3、电容Cload3、电阻Rload3，并且Rload2和Rload3的另一端均同时接地，电容Cload2与电感Lm1相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第一端口，电感Lm1与电感Lm2相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第二端口，电感Lm2与电感Lm3相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第三端口。
二阶矩阵输出合成网路包括依次串联的电阻Rload4、电容Cload4、电感Lc1、Lc2、Lc3、电容Cout,电阻Rload4的另一端接地，电容Cout的另一端为二阶矩阵输出合成网络的输出端，电容Cload4与电感Lc1相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第一输入端，电感Lc1与电感Lc2相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第二输入端，电感Lc2与电感Lc3相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第三输入端。
馈电网络的输入端同时连接接地电容Cvdd、馈电电感Lvdd1和Lvdd2，馈电电感Lvdd1的另一端为馈电网络的第一输出端，馈电电感Lvdd2的另一端为馈电网络的第二输出端。
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二阶矩阵输入分配网络的电感Lb1、Lb2、Lb3，有效信号通过输入隔直耦合电容Ci1和Ci2进入场效应晶体管Mi1和Mi2的栅极，其反射信号通过隔直电容Cload1进入输入吸收负载Rload1，有效信号再以电流分布式从场效应晶体管Mi1、Mm1、Mv1和Mi2、Mm2、Mv2的漏极输出，然后以电流分布式的方式进入二阶矩阵级间平衡网络Lm1、Lm2、Lm3，有效信号通过输入隔直耦合电容Ci3和Ci4进入场效应晶体管Mi3和Mi4的栅极，其反射信号通过隔直电容Cload2、Cload3进入级间吸收负载Rload2、Rload3，最后有效信号以电流分布式的方式进入二阶矩阵输出合成网络Lc1、Lc2、Lc3，通过集电极隔直耦合电容Cout从输出端OUT输出,其反射信号通过隔直电容Cload4进入输入吸收负载Rload4。
基于上述电路分析，本发明提出的一种基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带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堆叠型三阶达林顿管放大网络：
堆叠型三阶达林顿管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；
堆叠型三阶达林顿管与Cascode晶体管的不同之处在于：Cascode晶体管的共栅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，而堆叠型三阶达林顿管中的堆叠结构的共栅管的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。
堆叠型三阶达林顿管同传统双晶体管堆叠结构以及传统二阶达林顿管相比,具有更高频段的特征频率,因此可以提高放大器的最高工作频率,同时获得较大的功率容量及功率增益。
在整个基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器电路中，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。
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 (6)
1.一种基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠型三阶达林顿管、第二堆叠型三阶达林顿管、第三堆叠型三阶达林顿管、第四堆叠型三阶达林顿管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络；
所述二阶矩阵输入分配网络的输入端为整个所述超宽带放大器的输入端，其第一输出端与所述第一堆叠型三阶达林顿管的输入端连接，其第二输出端与所述第二堆叠型三阶达林顿管的输入端连接；
所述二阶矩阵级间平衡网络的第一端口与所述馈电网络的第一输出端连接，所述二阶矩阵级间平衡网络的第二端口与所述第一堆叠型三阶达林顿管的输出端、第三堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接，所述二阶矩阵级间平衡网络的第三端口与所述第二堆叠型三阶达林顿管的输出端、第四堆叠型三阶达林顿管的输入端同时连接；
所述二阶矩阵输出合成网络的输出端为整个所述超宽带放大器的输出端，其第一输入端与所述馈电网络的第二输出端连接，其第二输入端与所述第三堆叠型三阶达林顿管的输出端连接，其第三输入端与所述第四堆叠型三阶达林顿管的输出端连接；
所述馈电网络的输入端与供电电压Vdd连接；所述第一、第二、第三、第四堆叠型三阶达林顿管的馈电端与供电电压Vg连接。
2.根据权利要求1所述的基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，所述二阶矩阵输入分配网络包括从所述超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感Lb1、Lb2、Lb3、隔直电容Cload1和负载电阻Rload1,所述电感Lb1与Lb2的连接节点为所述二阶矩阵输入分配网络的第一输出端，所述电感Lb2与Lb3的连接节点为所述二阶矩阵输入分配网络的第二输出端。
3.根据权利要求1所述的基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，所述第N堆叠型三阶达林顿管)的输入端连接电容Cij，电容Cij的另一端连接场效应晶体管Mij的栅极，Mij的栅极还连接了馈电电阻Rfj,Rfj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，所述场效应晶体管Mij的源极连接电阻Rsj，电阻Rsj的另一端接地。场效应晶体管Mij的源极和Mmj的栅极通过电容Cmj相连，Mmj的栅极还连接了馈电电阻Rbj,Rbj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，所述场效应晶体管Mmj的源极连接电阻Rtj,电阻Rtj的另一端接地。所述场效应晶体管Mmj的源极和场效应晶体管Muj的栅极通过电容Cuj相连，Muj的栅极还连接了馈电电阻Ruj,Ruj的另一端连接第N堆叠型三阶达林顿管的馈电端，所述场效应晶体管Muj的源极接地。场效应晶体管Muj的漏极与场效应晶体管Mvj的源极相连，所述场效应晶体管Mvj的栅极连接电容Ctj和电阻Rpj,电容Ctj的另一端接地，电阻Rpj的另一端连接电阻Roj和Rqj,电阻Roj的另一端接地,电阻Rqj的另一端与场效应晶体管Mij的漏极、场效应晶体管Mmj的漏极、场效应晶体管Mvj的漏极连接,此节点为所述第N堆叠型三阶达林顿管的输出端，其中，N为一、二、三、四，j＝1,2，3,4。
4.根据权利要求1所述的基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，所述二阶矩阵级间平衡网络包括依次串联的电阻Rload2、电容Cload2、电感Lm1、Lm2、Lm3、电容Cload3、电阻Rload3，并且Rload2和Rload3的另一端均同时接地，电容Cload2与电感Lm1相连的节点为所述二阶矩阵级间平衡网络的第一端口，电感Lm1与电感Lm2相连的节点为所述二阶矩阵级间平衡网络的第二端口，电感Lm2与电感Lm3相连的节点为所述二阶矩阵级间平衡网络的第三端口。
5.根据权利要求1所述的基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，所述二阶矩阵输出合成网路包括依次串联的电阻Rload4、电容Cload4、电感Lc1、Lc2、Lc3、电容Cout,电阻Rload4的另一端接地，电容Cout的另一端为所述二阶矩阵输出合成网络的输出端，电容Cload4与电感Lc1相连的节点为所述二阶矩阵输出合成网路的第一输入端，电感Lc1与电感Lc2相连的节点为所述二阶矩阵输出合成网路的第二输入端，电感Lc2与电感Lc3相连的节点为所述二阶矩阵输出合成网路的第三输入端。
6.根据权利要求1所述的基于堆叠型三阶达林顿管的超宽带放大器，其特征在于，所述馈电网络的输入端同时连接接地电容Cvdd、馈电电感Lvdd1和Lvdd2，馈电电感Lvdd1的另一端为所述馈电网络的第一输出端，馈电电感Lvdd2的另一端为所述馈电网络的第二输出端。
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| GR01 | Patent grant | ||
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