CN112332884A - 一种氮化镓基射频收发前端结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基射频收发前端结构，涉及5G集成电路领域。针对芯片中央无法打绑定线导致放大器不能实现双侧偏置的问题提出本方案。衬底在间隙设置若干接地通孔，接地通孔沿间隙延伸方向分布；间隙内接地通孔与第一放大器之间设有同向延伸的第一电源总线、接地通孔与第二放大器之间设有同向延伸的第二电源总线；第一放大器靠近间隙的直流偏置端与第一电源总线连接，第二放大器靠近间隙的直流偏置端与第二电源总线连接；第一电源总线和第二电源总线的一端分别延伸至所在芯片的外侧焊盘。优点在于，解决芯片中央不能打绑定线的问题，实现片上并行的放大器都能做到双侧直流偏置，有效提高芯片性能以及稳定性。

Description

一种氮化镓基射频收发前端结构
技术领域
本发明涉及5G集成电路结构，具体涉及一种氮化镓基射频收发前端结构。
背景技术
基于氮化镓工艺的毫米波射频前端是5G通信芯片中最重要的模块之一，广泛应用于汽车雷达、飞机雷达、精确制导和星载通信等。目前，基于氮化镓工艺的毫米波射频前端芯片已经成为各国高科技产业的重点研究内容，其中功率放大器PA常采用功分式结构来获得更高的输出功率，而低噪声放大器LNA通常采用单端式、平衡式或差分式结构。毫米波的频率范围是26.5～300GHz，在该频段所设计的射频收发前端芯片由于频率高，电磁耦合严重，常面临着版图设计复杂，模块间互相干扰的电磁兼容问题，并进一步造成芯片成品性能恶化甚至失效等问题。传统的射频收发前端的布局如图1所示，芯片的衬底上侧设置PA，下侧设置LNA，在所述PA和LNA的右侧设置收发开关T/R SW。PA上端的焊盘通过对应的绑定线(bonding wire)外接直流偏置电路。类似的，LNA下端的焊盘通过对应的绑定线外接直流偏置电路。由于芯片中央无法打上直流偏置的绑定线，PA与LNA互相临近的焊盘悬空。PA和LNA只能采用单侧直流偏置，造成性能下降，稳定性差等问题。因此，对毫米波射频收发前端的版图进行优化变得至关重要。
发明内容
本发明目的在于提供一种氮化镓基射频收发前端结构，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述的一种氮化镓基射频收发前端结构，包括设置在衬底上的第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器相互临近且之间留有间隙；其特征在于，衬底在所述间隙设置若干接地通孔，接地通孔沿间隙延伸方向分布；间隙内接地通孔与第一放大器之间设有同向延伸的第一电源总线、接地通孔与第二放大器之间设有同向延伸的第二电源总线；第一放大器靠近间隙的直流偏置端与第一电源总线连接，第二放大器靠近间隙的直流偏置端与第二电源总线连接；所述第一电源总线和第二电源总线的一端分别延伸至所在芯片的外侧焊盘。
间隙内设有接地金属线连接全部所述接地通孔。所述接地金属线与第一电源总线和/或第二电源总线之间并联若干去耦电容。任一去耦电容取值在[1pF，3pF]。
所述的第一放大器是功率放大器或低噪声放大器。所述的第二放大器是功率放大器或低噪声放大器。
所述接地金属线宽度在50um～100um之间。
本发明所述的一种氮化镓基射频收发前端结构，其优点在于，解决芯片中央不能打绑定线的问题，实现片上并行的放大器都能做到双侧直流偏置，有效提高芯片性能以及稳定性。接地通孔的设计还可以提高放大器之间的隔离度，去耦电容可以有效过滤偏置电路中的交流成分，进一步提升芯片的各种性能。本发明所述结构尤其适用于毫米波级别的芯片使用。
附图说明
图1是现有技术中氮化镓基射频收发前端结构的结构示意图。
图2是本发明所述氮化镓基射频收发前端结构的结构示意图。
图3是若干接地通孔的等效电路图。
图4是双侧直流偏置的电路原理图。
图5是有/无接地通孔对应的仿真结果曲线图。
附图标记：A1-第一放大器、A2-第二放大器；Sub-衬底、BIAS-直流偏置、gnd via-接地通孔、G0-接地金属线、A1 Vdd-第一电源总线、A2 Vdd-第二电源总线、T/R SW-收发开关、PA-功率放大器、LNA-低噪声放大器。
具体实施方式
如图2所示，本发明所述的一种氮化镓基射频收发前端结构包括设置在同一芯片衬底上的收发开关、第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器相互临近且之间留有间隙。衬底在所述间隙设置若干接地通孔，接地通孔沿间隙延伸方向分布。间隙内设有较宽的接地金属线连接全部所述接地通孔，所述接地金属线宽度在50um～100um之间，同时起到接地和衬底隔离的作用。
间隙内接地通孔与第一放大器之间设有同向延伸的第一电源总线、接地通孔与第二放大器之间设有同向延伸的第二电源总线。第一放大器靠近间隙的直流偏置端与第一电源总线连接，第二放大器靠近间隙的直流偏置端与第二电源总线连接。所述第一电源总线和第二电源总线远离收发开关的端部分别延伸至所在芯片的外侧焊盘，用于打上绑定线外接偏置电路，解决了芯片中央不能打线的问题，实现放大器双侧直流偏置。
所述接地金属线与第一电源总线和/或第二电源总线之间并联大量去耦电容，任一去耦电容取值在[1pF，3pF]，各去耦电容的容值可以各不相同或部分相同或全部相同，理想设置是在取值区间内均匀分布各容值的数量。去耦电容可以屏蔽电源线的寄生电感，使交流信号无法进入电源总线，以形成理想电源总线，同时防止各级放大器之间互相干扰。
所述的第一放大器是功率放大器或低噪声放大器。所述的第二放大器是功率放大器或低噪声放大器。本实施例中以第一放大器是功率放大器，第二放大器是低噪声放大器为例，但不影响本领域技术人员对放大器种类挑选的影响。
本发明所述的一种氮化镓基射频收发前端结构原理说明：
①隔离原理：接地通孔是将芯片某个区域的表面和背面进行打孔连接，由于芯片背面是接地的，该区域(即所述间隙对应位置)的衬底将被接地，从而起到衬底隔离作用。一排接地通孔并联的等效电路图如图3所示，其中每个接地通孔可等效为寄生电感和寄生电阻的串联，在多个接地通孔并联后，可实现极低的接地阻抗。当泄露到衬底的高频噪声接触到接地通孔时，将被短路到接地平面，从而实现PA和LNA间的衬底隔离。
②电源去耦原理：并联到地线的去耦电容能够提供低阻抗的接地路径，不同大小的去耦电容可以将电源线中不同频率的交流信号短路到地。使得电源线的寄生电感和寄生电阻被屏蔽，获得更理想的电源线，也防止了各放大器通过电源线寄生电阻和电感互耦干扰。
③双侧偏置优势：功分式PA进行双侧直流偏置后，电流将更均匀地在对称放大器中分布，从而提高功分式PA的性能和稳定性。图4为双侧偏置PA两路功率合成输出端的直流等效电路图，其中电阻R1、电阻R2、电阻R3分别为微带线寄生电阻，由于电阻R3包含电源总线的寄生电阻，因此电阻R3通常大于电阻R1。Id为晶体管漏极直流电流。I1和I3分别为上、下偏置线中流过的直流电流。I2为功率合成微带线中流过的直流电流。
在单侧偏置的情况下，I1＝2Id，I2＝Id。微带线将流入较大直电流，从而需要更大宽度的微带线。此外，单侧偏置会使得放大器对称性变差，从而恶化性能。
在双侧偏置情况下，根据基尔霍夫定律可得，流入功率合成微带线的直流电流为
Figure BDA0002787118030000031
由公式可知，当R1＝R3时，I2＝0，即流入功率合成网络的电流为0，两侧偏置线流过的直流电流为Id，此时直流对称性最高，稳定性最好。此外，由于功率合成网络没有直流电流流过，其微带线宽度也可以缩减，以达到优化版图面积的作用。因此在设计电源总线时，应尽量增大宽度来降低其寄生电阻R3。
对于平衡式和差分式LNA，单侧偏置是无法工作的，采用电源总线双侧偏置后可实现平衡式或差分式LNA的设计，提高芯片设计空间和灵活性。
本发明所述的一种氮化镓基射频收发前端结构仿真与验证：在ANSYS HFSS中对是否加入接地通孔进行隔离度仿真，仿真结果如图所示。由仿真结果可知，在加入接地通孔后，衬底隔离度大幅度提升，而且隔离效果受输入频率变化的影响明显变小。
其他技术拓展以及对其他在后技术方案的启示：①对于功分式PA，电源总线应尽可能宽，或者进行挖槽，以降低寄生电阻。过大的寄生电阻将使得放大器无法从电源总线中抽取电流，导致双侧偏置失效。②去耦电容应尽可能多，以防止交流信号进入电源线。③接地通孔应尽可能多，以提高衬底隔离区域的密度，从而获得更好的衬底隔离效果以及更理想的地线。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氮化镓基射频收发前端结构，包括设置在衬底上的第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器相互临近且之间留有间隙；其特征在于，衬底在所述间隙设置若干接地通孔，接地通孔沿间隙延伸方向分布；间隙内接地通孔与第一放大器之间设有同向延伸的第一电源总线、接地通孔与第二放大器之间设有同向延伸的第二电源总线；第一放大器靠近间隙的直流偏置端与第一电源总线连接，第二放大器靠近间隙的直流偏置端与第二电源总线连接；所述第一电源总线和第二电源总线的一端分别延伸至所在芯片的外侧焊盘。
2.根据权利要求1所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，间隙内设有接地金属线连接全部所述接地通孔。
3.根据权利要求2所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，所述接地金属线与第一电源总线和/或第二电源总线之间并联若干去耦电容。
4.根据权利要求3所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，任一去耦电容取值在[1pF，3pF]。
5.根据权利要求1所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，所述的第一放大器是功率放大器或低噪声放大器。
6.根据权利要求1所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，所述的第二放大器是功率放大器或低噪声放大器。
7.根据权利要求1所述氮化镓基射频收发前端结构，其特征在于，所述接地金属线宽度在50um～100um之间。
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