CN110365297A - 一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，包括输入分布变压耦合匹配网络、第一达林顿功率放大网络、第二达林顿功率放大网络、第三达林顿功率放大网络、第四达林顿功率放大网络以及输出分布变压耦合均衡网络，本发明采用异质结双极晶体管利用自偏结构不需要额外的基级馈电，大大减少了放大器应用中的复杂外围电路。其核心架构采用第一至第四达林顿功率放大网络，可以获得高功率并获得较高的高频增益，同时利用差分放大器在微波频段的良好的寄生参数抑制性，与分布式变压器网络良好的功率合成特性相结合，使得整个功率放大器获得了良好的高频、高增益、高效率和高功率输出能力。

Description

一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器
技术领域
本发明涉及半导体功率放大器和集成电路领域，特别是针对射频微波收发机末端的发射模块应用的一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器。
背景技术
随着无线通信系统和射频微波电路的快速发展，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高输出功率、高增益、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、高效率能力受限：传统功率放大器采用多路并联合成结构，或者是分布式结构，这两种结构的合成效率有限，导致一部分功率损耗在合成网络中，限制了高功率、高效率能力。
(2)低功耗、高增益放大能力受限：传统单端共源晶体管的功率放大器受到晶体管寄生参数的影响，在高频工作时增益较低，同时功率能力大大受限，实现低功耗的难度较大。
常见的高增益、高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是多级、多路合成单端功率放大器，但是，传统多级、多路合成单端功率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)传统多级、多路合成单端功率放大器采用多路并联合成结构时的输出阻抗较低，因此输出合成网络需要实现高阻抗变换比的阻抗匹配，这样往往需要牺牲放大器的增益、降低功率，因此限制了高功率、高效率能力。
(2)传统基于有源变压器合成网络的放大器中，放大器单元往往采用单级共源放大器或者Cascode放大器，但是这两种放大器的增益较为有限，输出功率受到单管的限制也比较低。
由此可以看出，基于集成电路工艺的高增益、高功率放大器设计难点为：高功率、高效率输出难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的多路合成结构在基于有源变压器合成网络的放大器中存在很多局限性。除此之外，采用耗尽型的场效应晶体管往往需要额外的供电负压，这也将增加电路的复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，结合了达林顿功率放大技术、差分放大器技术、分布式变压器合成技术的优点，具有在微波频段高功率、高增益且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，包括输入分布变压耦合匹配网络、第一达林顿功率放大网络、第二达林顿功率放大网络、第三达林顿功率放大网络、第四达林顿功率放大网络以及输出分布变压耦合均衡网络。
输入分布变压耦合匹配网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述第一达林顿功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与所述第二达林顿功率放大网络的输入端连接，其第三输出端与所述第三达林顿功率放大网络的输入端连接，其第四输出端与所述第四达林顿功率放大网络的输入端连接；
第一达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端连接；所述第二达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第二输入端连接；所述第三达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端连接；所述第四达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第四输入端连接；
输出分布变压耦合均衡网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
进一步的，输入分布变压耦合匹配网络的输入端连接电感L1,电感L1的另一端连接电感L2和接地电容C1，电感L2的另一端连接变压器T1的初级线圈的同名端，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的第一初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第一输出端和第二输出端，变压器T1的第二初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第三输出端和第四输出端，变压器T1的第一初级线圈和第二初级线圈的中间抽头点接地。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入功率分配匹配网络除了能实现输入射频信号的功率分配外，还能对射频输入信号进行单端转差分信号的变换，并且实现阻抗匹配及相位调节，保证差分信号的相位差。
进一步的，第N达林顿功率放大网络的输入端连接电容Cqj,电容Cqj的另一端连接三极管Qqj的基极、电阻Roj和接地电阻Rgj，电阻Roj的另一端连接电阻Rpj和电感Lpj，电阻Rpj的另一端连接三极管Qpj的集电极，三极管Qqj的集电极连接三极管Qpj的发射极，三极管Qqj的发射极连接微带线TLgj和接地电阻Rgj,微带线TLgj的另一端连接三极管Qsj的基极，三极管Qpj的集电极还连接其基极，电感Lpj的一端已经与电阻Rpj相连，其另一端连接电阻Rmj、Rrj和接地电阻Rtj,电阻Rmj的另一端连接微带线TLqj和三极管Qtj的集电极，微带线TLqj的另一端连接第N达林顿功率放大网络的输出端，电阻Rrj的另一端连接电感Ltj和三极管Qtj的基极，电感Ltj的另一端连接接地电容Ctj,三极管Qtj的发射极连接三极管Qsj的集电极，三极管Qsj的发射极接地，其中，N为一、二、三和四，j＝1,2，3和4。
上述进一步方案的有益效果是：本发明第N达林顿功率放大网络中采用的核心电路是基于异质结双极晶体管的二堆叠达林顿管，可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时采用自适应偏置结构可改善放大器的线性度指标。
进一步的，输出分布变压耦合均衡网络包括变压器T2等元件，变压器T2的第一次级线圈的非同名端和变压器T2的第二次级线圈的同名端通过电容Cout1连接，变压器T2的第一次级线圈的同名端和变压器T2的第二次级线圈的非同名端通过电容Cout2连接，变压器T2的第一次级线圈的中间抽头点连接电感Ld1,电感Ld1的另一端连接接地电容Cd1和偏置电压Vd；变压器T2的第二次级线圈的中间抽头点连接电感Ld2,电感Ld2的另一端连接接地电容Cd2和偏置电压Vd；变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接输出分布变压耦合均衡网络的输出端，变压器T2的第一次级线圈的同名端和非同名端分别连接输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端和第二输入端，变压器T2的第二次级线圈的非同名端和同名端分别连接输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端和第四输入端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输出分布变压耦合均衡网络除了能实现四路差分射频信号的功率合成外，还能将四路差分信号转换为单端信号，引入的插损较小，同时保障了所述放大器的输出功率和效率。
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高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，包括输入分布变压耦合匹配网络、第一达林顿功率放大网络、第二达林顿功率放大网络、第三达林顿功率放大网络、第四达林顿功率放大网络以及输出分布变压耦合均衡网络。
如图1所示，输入分布变压耦合匹配网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述第一达林顿功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与所述第二达林顿功率放大网络的输入端连接，其第三输出端与所述第三达林顿功率放大网络的输入端连接，其第四输出端与所述第四达林顿功率放大网络的输入端连接；
第一达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端连接；所述第二达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第二输入端连接；所述第三达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端连接；所述第四达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第四输入端连接；
输出分布变压耦合均衡网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
如图2所示，输入分布变压耦合匹配网络的输入端连接电感L1,电感L1的另一端连接电感L2和接地电容C1，电感L2的另一端连接变压器T1的初级线圈的同名端，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的第一初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第一、第二输出端，变压器T1的第二初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第三、第四输出端，变压器T1的第一初级线圈和第二初级线圈的中间抽头点接地。
第N达林顿功率放大网络的输入端连接电容Cqj,电容Cqj的另一端连接三极管Qqj的基极、电阻Roj和接地电阻Rgj，电阻Roj的另一端连接电阻Rpj和电感Lpj，电阻Rpj的另一端连接三极管Qpj的集电极，三极管Qqj的集电极连接三极管Qpj的发射极，三极管Qqj的发射极连接微带线TLgj和接地电阻Rgj,微带线TLgj的另一端连接三极管Qsj的基极，三极管Qpj的集电极还连接其基极，电感Lpj的一端已经与电阻Rpj相连，其另一端连接电阻Rmj、Rrj和接地电阻Rtj,电阻Rmj的另一端连接微带线TLqj和三极管Qtj的集电极，微带线TLqj的另一端连接第N达林顿功率放大网络的输出端，电阻Rrj的另一端连接电感Ltj和三极管Qtj的基极，电感Ltj的另一端连接接地电容Ctj,三极管Qtj的发射极连接三极管Qsj的集电极，三极管Qsj的发射极接地，其中，N为一、二、三和四，j＝1,2，3和4。
输出分布变压耦合均衡网络包括变压器T2等元件，变压器T2的第一次级线圈的非同名端和变压器T2的第二次级线圈的同名端通过电容Cout1连接，变压器T2的第一次级线圈的同名端和变压器T2的第二次级线圈的非同名端通过电容Cout2连接，变压器T2的第一次级线圈的中间抽头点连接电感Ld1,电感Ld1的另一端连接接地电容Cd1和偏置电压Vd；变压器T2的第二次级线圈的中间抽头点连接电感Ld2,电感Ld2的另一端连接接地电容Cd2和偏置电压Vd；变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接输出分布变压耦合均衡网络的输出端，变压器T2的第一次级线圈的同名端和非同名端分别连接输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端、第二输入端，变压器T2的第二次级线圈的非同名端和同名端分别连接输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端、第四输入端。
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RFin进入电路，通过输入分布变压耦合匹配网络进行阻抗变换匹配后，以差分信号的形式同时进入第一至第四达林顿功率放大网络的输入端，通过达林顿功率放大网络进行功率放大后，以差分信号的形式同时从第一至第四达林顿功率放大网络的输出端输出，再经过输出分布变压耦合均衡网络后，将四路信号合成为一路单端信号从输出端RFOUT输出。
基于上述电路分析，本发明提出的一种高频高功率异质结双极晶体管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差分信号的达林顿功率放大器：
基于异质结双极晶体管的二堆叠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；
基于异质结双极晶体管的二堆叠达林顿管差分与Cascode达林顿管的不同之处在于：Cascode晶体管的共栅管的堆叠基极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地，而二堆叠达林顿管采用的堆叠基极补偿电容是容值较小的电容，用于实现二堆叠达林顿管的基极动态电压的同步摆动，减少电路击穿风险，实现良好的堆叠晶体管级间阻抗匹配。
在整个高频高功率异质结双极晶体管功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、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 (4)

1.一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，其特征在于，包括输入分布变压耦合匹配网络、第一达林顿功率放大网络、第二达林顿功率放大网络、第三达林顿功率放大网络、第四达林顿功率放大网络以及输出分布变压耦合均衡网络；
所述输入分布变压耦合匹配网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端与所述第一达林顿功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与所述第二达林顿功率放大网络的输入端连接，其第三输出端与所述第三达林顿功率放大网络的输入端连接，其第四输出端与所述第四达林顿功率放大网络的输入端连接；
所述第一达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端连接；所述第二达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第二输入端连接；所述第三达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端连接；所述第四达林顿功率放大网络的输出端与所述输出分布变压耦合均衡网络的第四输入端连接；
所述输出分布变压耦合均衡网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，其特征在于，所述输入分布变压耦合匹配网络的输入端连接电感L1,电感L1的另一端连接电感L2和接地电容C1，电感L2的另一端连接变压器T1的初级线圈的同名端，变压器T1的初级线圈的非同名端接地；变压器T1的第一初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第一输出端和第二输出端，变压器T1的第二初级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输入分布变压耦合匹配网络的第三输出端和第四输出端，变压器T1的第一初级线圈和第二初级线圈的中间抽头点接地。
3.根据权利要求1所述的一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，其特征在于，所述第N达林顿功率放大网络的输入端连接电容Cqj,电容Cqj的另一端连接三极管Qqj的基极、电阻Roj和接地电阻Rgj，电阻Roj的另一端连接电阻Rpj和电感Lpj，电阻Rpj的另一端连接三极管Qpj的集电极，三极管Qqj的集电极连接三极管Qpj的发射极，三极管Qqj的发射极连接微带线TLgj和接地电阻Rgj,微带线TLgj的另一端连接三极管Qsj的基极，三极管Qpj的集电极还连接其基极，电感Lpj的一端已经与电阻Rpj相连，其另一端连接电阻Rmj、Rrj和接地电阻Rtj,电阻Rmj的另一端连接微带线TLqj和三极管Qtj的集电极，微带线TLqj的另一端连接所述第N达林顿功率放大网络的输出端，电阻Rrj的另一端连接电感Ltj和三极管Qtj的基极，电感Ltj的另一端连接接地电容Ctj,三极管Qtj的发射极连接三极管Qsj的集电极，三极管Qsj的发射极接地，其中，N为一、二、三和四，j＝1,2，3和4。
4.根据权利要求1所述的一种高频高功率异质结双极晶体管功率放大器，其特征在于，所述输出分布变压耦合均衡网络包括变压器T2等元件，变压器T2的第一次级线圈的非同名端和变压器T2的第二次级线圈的同名端通过电容Cout1连接，变压器T2的第一次级线圈的同名端和变压器T2的第二次级线圈的非同名端通过电容Cout2连接，变压器T2的第一次级线圈的中间抽头点连接电感Ld1,电感Ld1的另一端连接接地电容Cd1和偏置电压Vd；变压器T2的第二次级线圈的中间抽头点连接电感Ld2,电感Ld2的另一端连接接地电容Cd2和偏置电压Vd；变压器T2的初级线圈的非同名端接地，变压器T2的初级线圈的同名端连接所述输出分布变压耦合均衡网络的输出端，变压器T2的第一次级线圈的同名端和非同名端分别连接所述输出分布变压耦合均衡网络的第一输入端和第二输入端，变压器T2的第二次级线圈的非同名端和同名端分别连接所述输出分布变压耦合均衡网络的第三输入端和第四输入端。
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