CN1244982C - 热分布式达林顿放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种达林顿放大器，包括第一级(110)和第二级(112)。第一级(110)通常包括一个或多个第一晶体管(Q1a，Q1b)，用来响应一个输入信号(RF_in)，产生第一信号(A)和第二信号(B)。第二级(112)通常包括一个或多个第二晶体管(Q2a，Q2b)，用来响应第一信号(A)和第二信号(B)，产生一个输出信号(RF_out)。达林顿放大器可以用来实现第一晶体管(Q1a，Q1b)的热发射极镇流。

Description

热分布式达林顿放大器

技术领域

本发明通常涉及一种用于实现放大器的方法和/或结构，尤其涉及大功率达林顿反馈放大器。

背景技术

由于常规达林顿反馈放大电路布局的较高功率带宽特性，其用途已经非常广泛。但是，达林顿布局不能用于使输入晶体管的热发射极镇流，而同时又无显著的RF性能的损失。

参见图1，示出了常规达林顿反馈放大器10。在功率应用中，为了提供给定的发送器应用所需要的电流和电压震荡，需要多个并联的输入输出晶体管。图中所示的放大器10没有提供输入晶体管热镇流。由于这种布图技术的存在，晶体管Q1A和Q1B本身通常容易被热击穿。放大器10允许通过输出级晶体管Q2A、Q2B的电阻RE2A，RE2B实现各个发射极的负反馈。但是，输入晶体管Q1A和Q1B馈电至输出级晶体管Q2A、Q2B的共基端A，不能实现发射极镇流。由于输入晶体管Q1A和Q1B的发射极都连接于共同的节点A，所以电阻RE1A和RE1B不能对输入晶体管Q1A和Q1B进行有效的镇流。放大器10可以实现输入晶体管Q1A和Q1B的基极和发射极局部镇流，但是，这样的基极和发射极镇流是以牺牲系统性能(即，增益和干扰)为代价的。输出晶体管Q2A和Q2B通常设置有发射极负反馈，以提供RF反馈和发射极镇流。这种设置可以防止输出级热击穿。

参见图2，图中的红外热扫描图20示出了一个举例说明的GaAsHBT半导体芯片上的实际元件的相对温度和绝对温度。扫描图20说明，输入晶体管(即六个并联的HBT元件)出现热击穿，由于存在着正热电反馈，其中的两个晶体管随着偏流表现出明显的“热击穿”。扫描图20所示的热击穿说明，常规达林顿反馈放大电路10的输入晶体管具有热不稳定性，这使它不能应用输入级晶体管Q1A和Q1B上的热镇流。发射极负反馈或串联反馈通常用在输出晶体管Q2A和Q2B上，以实现输出装置的热稳定性。输出晶体管Q2A和Q2B通常会采用发射极镇流，这将实现稳定的热特性。达林顿放大器10通常会具有输出晶体管Q2A和Q2B的发射极负反馈，而发射极负反馈不会应用在输入晶体管Q1A和Q1B上。

参见图3，示出常规的基极镇流的达林顿放大器30。放大器30采用了独立的晶体管Q1A和Q1B基极镇流。当基极镇流可以部分应用于输入晶体管Q1A和Q1B上时，基极镇流电阻RBA和RBB的值通常为β×N，N是适合的热发射极镇流所需的电阻值。基极镇流电阻值在50-200欧姆之间，这将大大减少带宽。这样的镇流范围还在放大器30的输入端产生热干扰。基极镇流的实现以增加输入端的热干扰和随温度变化的较高的放大器干扰指数灵敏性为代价。热干扰(对温度变化非常敏感)的增加，可在诸如GSM或者CATV的无线发射机应用中消除基极镇流。GSM是欧洲移动电话标准，使用恒定的包络调制(envelope modulation)。蜂窝移动电话标准通常具有关于功率放大器器件的干扰性能规范。CATV是指社区访问电视(community access TV)，同样要求高功率低发送干扰特性。

参见图4，示出了常规的发射极镇流达林顿放大器40。通过电阻REEA和REEB，发射极镇流被应用在输入晶体管Q1A和Q1B上。在驱动节点A之前，放大器40采用通过用于输入晶体管Q1A和Q1B的REEA和REEB的发射极镇流。这种实现方式改善了输入晶体管Q1A和Q1B的热稳定性，但由于发射极镇流电阻REEA和REEB以及偏压电阻RE1A和RE1B的存在，该稳定性是以降低电压增益为代价的。

美国专利No.3,813,588，由Ring提出，名称为“高效功率达林顿装置结构(Efficient Power Darlington Device Configuration)”。该专利涉及一种达林顿装置的布局结构，有效地实现了半导体区，从而构建了一种达林顿三端装置。该装置结合了输出晶体管发射极镇流。但是该专利并未明确提到Ring在输入晶体管上应用了发射极镇流。Ring仅间接地指出，发射极镇流电阻“位于与第一行中的每一个发射极分区相邻近的位置”，这很像放大器40的发射极镇流装置。Ring的588号专利提到了一种达林顿装置结构，即该装置可以被当作一个单独工作元件晶体管。

美国专利No.5,541,439，由Mojaradi等人提出，名称为“高电压的达林顿双晶体管的布局(Layout For A High Voltage DarlingtonPair)”。该专利应用一种达林顿装置环形布局结构，以在紧凑区域内得到高电压达林顿晶体管。Mojaradi等人提出一种元器件定向式布局，与晶体管热分布式和物理分布式电路布局相反。Mojaradi等人并未提到以发射极镇流来控制达林顿装置的输入晶体管的热击穿。

美国专利No.5,661,431，由Ueno等人提出，名称为“达林顿结构中的输出电路(Output Circuit In Darlington Configuration)”。文中提到一种没有使用整体镇流的输出级结构。Ueno等人提出，通过应用有源结构(active topology)可以避免输出电路的损失特性。除Ueno运用PMOS器件来控制达林顿双晶体管的动态工作之外，Ueno等人的理论不适用于热击穿问题。

美国专利No.5,883,542，由Eriksson提出，名称为“降低和稳定达林顿耦合输出极的放大系数的电路(Arrangement For ReducingAnd Stabilizing The Amplification Of A Darlington-Coupled OutputStage)”，文中提到，通过提供负反馈的有源装置，来稳定达林顿装置的偏压。Eriksson的电路可以稳定击穿的输入元件，但并不适用于输入装置具有并联的元器件(finger)的情况。

通常，达林顿放大器一直被用作宽带增益方块。初始的达林顿放大器系列的Avantek布局，MSAs，表明没有对输入晶体管元器件进行镇流。不需要镇流的原因在于那些部件的低功率特性，以及硅的使用，硅具有比GaAs更强的热传导性能。采用局部的发射极和基极镇流技术的传统方法显然是能够和达林顿放大器的输入级晶体管一起使用的技术。

因此，需要提供一种热分布式达林顿布局结构，解决与诸如GaAs HBTs等较差热传导技术相关联的热控制问题。此外，还需要这种布局结构能够进行很好的热镇流，但又不会对电性能造成负面影响。而且，还需要这种布局结构提供一种可以进行发射极镇流的放大器，用于在热量方面和空间方面分散单个输入晶体管的元器件高温点。还需要一种实现这样的分布的电路布局结构。

发明内容

本发明涉及一种达林顿放大器，其包括第一放大级和第二放大级。第一放大级通常包括一个或多个第一晶体管，用于响应输入信号，产生第一信号和第二信号。第二放大级通常包括一个或者多个第二晶体管，用于响应所述第一信号和第二信号，产生输出信号。这种达林顿放大器可用于提供第一晶体管的热发射极镇流。

本发明的目的，特征和优点包括提供了一种方法和/或结构，用于实现大功率达林顿反馈放大器，这种放大器可以：

(i)获得热稳定性而无需损失电性能；(ii)保持干扰指数特性不受温度影响；和/或(iii)维持增益带宽效果。

附图说明

通过以下详细说明和所附的权利要求及附图，本发明的这些以及其它目的、特征、和优点将更加明显。其中：

图1是不具有输入晶体管热镇流的常规达林顿放大器的示意图；

图2是常规达林顿放大器的红外热扫描图片；

图3是具有输入级基极镇流的常规达林顿放大器的示意图；

图4是具有输入级发射极镇流的常规达林顿放大器的示意图；

图5是根据本发明的优选实施例的一种热分布式达林顿反馈放大器的示意图；

图6a是常规达林顿放大器的示意图；

图6b是分布式达林顿放大器的示意图；

图7a至图7b是曲线图，用来说明常规达林顿放大器的S参数与频率响应关系的操作以及分布式达林顿的S参数与频率响应关系的操作；

图8a至图8b是曲线图，用来说明常规达林顿放大器的输出功率和增益与输入功率关系的操作，以及分布式达林顿放大器的输出功率和增益与输入功率关系的操作；

图9a至图9b是曲线图，用来说明常规达林顿放大器的IP3特性的操作和分布式达林顿放大器的IP3特性的操作；

图10是本发明的一个实施例的示意图；以及

图11是本发明另一可选实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种达林顿反馈放大器的输入级的热镇流发射极的实现方法和装置，并且，不影响原来的达林顿反馈放大器布局的干扰和功率带宽特性。为了实现输入晶体管的热镇流，本发明采用了一种热分布布局，允许输入晶体管的发射极镇流，而不对电学性能产生负面影响。

本发明可将达林顿双晶体管结构用于大功率应用中。这种功率应用要求第一级和第二级的周边电路足够大，以能够处理高功率所需的大电流。因此，输入级与输出级都可以采用大量元器件。输入和输出元器件可以采用并联的双极元器件结构(例如：基极、发射极、和集电极被连接起来)。

参看图5，示出了根据本发明的一个优选实施例提出的电路100的方块图。电路100主要包括第一方块(或者电路)102、第二方块(或者电路)104、以及第三方块(或者电路)106。第一部分102可采用一个电阻(例如RFB)和另一个电阻(例如RBIAS)的形式。第二部分104包括部分110和部分112。部分110可使用一个晶体管Q1A、一个晶体管Q1B、一个电阻RE1A、以及一个电阻RE1B。部分112可采用一个晶体管Q2A、一个晶体管Q2B、一个电阻RE2A、以及一个电阻RE2B。晶体管Q1B的发射极与晶体管Q2A的基极相连，形成节点A。同样，晶体管Q1A的发射极通常和晶体管Q2B的基极相连，形成节点B。电路106通常包括一个电容(例如，BYPASS)、一个电阻(例如RDC)、以及一个感应器(例如CHOKE)。通常，输入一个输入信号(例如RE_IN)到电路102，通过电路104，接着通过电路106得到一个输出信号(例如，RF_OUT)。在一个实施例中，电路100可采用一种热分布式大功率达林顿放大器的结构。

晶体管Q1A、Q1B、Q2A、和Q2B的集电极通常直接与输出端RF_OUT相连。输入晶体管Q1A和Q1B的基极接线端通常与输入信号RF_IN直接相连，而各个发射极分别与第二放大级晶体管Q2A、Q2B的各个基极端相连接。这种结构允许输入晶体管Q1A和Q1B具有独立的发射极镇流，而不会牺牲放大器100的电特性。输入和输出元件可以是分布式的，这样，每个输入元件都带有一个发射极电阻(例如，RE1A和RE1B)，通过这种热分布式布局，可以实现镇流。

另外，如果功率器件较大或者在高频下工作，输入器件和输出器件应隔开较大距离，例如：在一定工作频率(例如10Ghz)下，该距离为四分之一波长的1/10。从晶体管Q1A和Q1B的发射极到晶体管Q2A和Q2B的基极的传输线(结合图11和图10进行详细的描述)具有同样的长度，以提供使在晶体管Q2A和Q2B的输出集电极合并的信号相等的相位匹配。而且，针对那些有问题的具体工作频率，可对该传输线的阻抗进行优化。此外，为使在输出端合并的信号相位平衡，分别用来将晶体管Q1A、Q1B的集电极连接到Q2A、Q2B的其它传输线的长度应该匹配。同时，也可以优化阻抗特性或带宽特性，从而实现最大的功率传输。

电路100可以防止第一级晶体管Q1A和Q1B的热击穿，而不用牺牲如图3中的基极镇流的达林顿放大器30的干扰指数特性，或者如图4中的发射极镇流的达林顿放大器40的增益带宽特性。本发明的技术可以扩展到多个第一级和第二级晶体管中。应当理解，该发明并不局限于在第一级晶体管和第二级晶体管之间的一一对应。特别指出：第一级晶体管发射极的各种连线方式都可以被连接到第二级晶体管的不同基极端或基极端组。

图6a至图6b中示出了两个工作图。图6a是常规的达林顿放大器的模拟示意图。在图6a中的常规放大器中，两个大器件D1和D2表示输入级晶体管和输出级晶体管。在图6b中的热分布式达林顿放大器中，四个输入晶体管I1-I4中的每一个都分别被进行发射极镇流，并且驱动三个输出晶体管(例如：晶体管I1驱动输出晶体管O1、O2、以及O3)。图6a和图6b的示意图被用来模拟IP3、P1DB、以及小的信号增益响应。结果(未示出)表明，由于采用了分布式布局，RF的特性没有明显的改变。

参看图7a至图7b，示出了两个工作曲线。图7a和图7b分别示出了在常规设计和热分布式设计之间的宽带S-参数的模拟比较。图7a至图7b可以模拟大于10GHz的带宽。图7a和图7b表明，由于应用了分布式达林顿放大器布局，宽带的增益响应通常不会减弱。实际上，当工作频率增加时，由于不同的传输线使两种结构中的寄生电阻相连接，性能上会有显著差别。通过使用分布式的传输线元件，分布式的达林顿结构可以更加灵活地优化高频的电学性能。因此，本发明的电学性能会优于传统方法的电学性能。交错的发射极的布局(如图5、图10、以及图11中所示的输入晶体管的布局)采用相对于X轴相同方位的晶体管Q1A和Q1C和相对方位的晶体管Q1B和Q1D。这样的方位有助于发散电阻RE1A、RE1B、RE1C、和RE1D产生的热量。

参见图8a至图8b，图中显示了两种工作曲线。图8a和图8b分别说明了在常规的设计和热分布式的设计之间的模拟对比。图8a和图8b表明，由于应用了热分布式达林顿放大器结构，基本输出功率和增益压缩特性没有下降。图8a说明了常规的达林顿放大器的输出功率和增益与输入功率的关系。图8b说明了分布式达林顿放大器的输出功率和增益与输入功率的关系。图8a和图8b示出的情况均在约P1dB＝24dBm下进行。

图7b和图8b是本发明的工作曲线图。本发明考虑了晶体管、电阻的热分布、以及达林顿输入晶体管的热镇流。为了将输入晶体管和输出晶体管结合在一起，通常采用这样一个结构，该结构考虑了适当的相位平衡，采用分布式传输线，以实现最佳功率传输。

图9a至图9b是两种工作曲线图。图9a和图9b分别示出了在常规设计和热分布设计之间的模拟IP3特性比较。图9a和图9b表明，由于采用了热分布式达林顿布局，IP3特性没有显著的降低。图9a说明了常规的达林顿IP3特性，图9b说明了分布式的达林顿IP3特性。

参见图10，示出了电路100’的详细电路图。电路100’说明了输入晶体管的另一种用法，这些输入晶体管被相互交错但方位对称地布置，并且具有共用电阻RFB和RBIAS。电路100’与电路100具有相似的特性，除了增加了一个传输线方块111和一个传输线方块113。电路100’说明，为了减少电阻和晶体管之间共同承受的热量，输入晶体管Q1A、Q1B、Q1C、和Q1D具有发射极镇流布局。电路100’可相对X轴对称，从而优化在输出端合并的相位功率。成对的传输线TLIN1A/TLIN1 C和TLIN1B/TLIN1D通常具有相等的长度，从而维持最佳的电路组合，实现最大的功率操作。输出传输线TLIN2AC和TLIN2BD可在长度上匹配。同样，输出传输线TLIN1BD和TLIN1AC也可在长度上匹配。可对称分布RBIAS和RFB的值，以分布电路工作的热功耗。

参看图11，示出了电路图100”的详细电路图，该图为本发明的另一可选实施例。电路100”可与电路100’相似。电路100”可采用分别具有发射极镇流的输入晶体管Q1A、Q1B、Q1C、和Q1D，组成一个相对X轴对称的并行布局结构。电路100”的结构可以相对X轴对称，以优化在输出端合并的相位功率。成对的传输线TLIN1A、TLIN1B、TLIN1C、以及TLIN1D长度可相同，从而维持最佳的相位功率合并，获取最大的功率操作。输出传输线TLIN1BD、TLIN1AC、TLIN2AC、和TLIN2BD可具有相等的长度。电阻RBIAS和RFB可以不进行分布，以为整个热分布式达林顿放大器100”提供一个全局反馈路径。

电路100可有广泛的应用，可以应用到广泛的增益方块和功率放大器件中。电路100还可应用到许多(例如超过50％)现有的标准增益方块产品中，并对将来潜在的宽带大功率应用，如CATV、无线、以及有线基础设施等，有着深远的影响。电路100可以实现热稳定性，而同时不牺牲电学特性，可以保持干扰指数特性不受温度影响，保持增益带宽效果。

本发明已结合优选实施例详细示出和说明。本领域技术人员应当理解，该发明在形式和细节方面可以有诸多的改变，而不脱离本

发明的范围和精神。

Claims (31)

1.一种达林顿放大器，包括：

第一级，包括多个工作在微波频率的第一晶体管，响应于输入信号，产生多个信号；以及

第二级，(i)所述第二级与所述第一级之间有可减少热共享的物理间距，(ii)包括多个第二晶体管，响应于所述多个信号，产生输出信号；从而实现所述第一晶体管的热发射极镇流。

2.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中所述达林顿放大器的布局可工作于高功率应用。

3.根据权利要求2所述的达林顿放大器，其中所述第一晶体管的外围电路能够处理所述高功率应用所需要的大电流，所述第二晶体管的外围电路能够处理所述大电流。

4.根据权利要求2所述的达林顿放大器，其中所述第一晶体管包括具有共基极的并联双极性器件，所述第二晶体管包括具有共集电极的并联双极性器件。

5.根据权利要求1所述的达林顿放大器，还包括：

输入电路，用来接收所述输入信号，并产生提供给所述第一级的偏压信号。

6.根据权利要求5所述的达林顿放大器，其中所述输入电路还用来接收所述输出信号的反馈，所述偏压信号被耦合到所述第一晶体管中的每个的基极。

7.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中所述达林顿放大器还用于提供所述热发射极镇流，而不牺牲噪声或功率带宽特性。

8.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中所述物理间距是所述输入信号的四分之一波长的至少十分之一。

9.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中所述多个第一晶体管和所述多个第二晶体管的集电极被连接至输出端，所述输出端用来输出所述输出信号。

10.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中所述多个第一晶体管的基极被直接连接至输入端，所述输入端用来接收所述输入信号。

11.根据权利要求10所述的达林顿放大器，其中每个所述第一晶体管的发射极都连接至所述第二晶体管的基极。

12.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中：

所述第一级还包括多个第一电阻，每个第一电阻都与所述多个第一晶体管中的至少一个串联；以及

所述第二级还包括多个第二电阻，每个第二电阻都与所述多个第二晶体管中的至少一个串联。

13.根据权利要求1所述的达林顿放大器，还包括：

输出电路，用来控制所述输出信号。

14.一种达林顿放大器，包括：

利用多个工作在微波频率的第一晶体管，响应于输入信号产生多个信号的装置；以及

用于利用多个第二晶体管，响应于所述多个信号，产生输出信号的装置，所述第二晶体管与所述第一晶体管之间有可减少热共享的物理间距；

从而实现所述第一晶体管的热发射极镇流。

15.一种提供热分布式达林顿放大器双晶体管结构的方法，包括以下步骤：

(A)利用多个工作在微波频率的第一晶体管，响应于输入信号，产生多个信号；

(B)利用多个第二晶体管，响应于所述多个信号，产生输出信号；以及

(C)通过物理间隔减少所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的热共享；

(D)从而实现所述第一晶体管的热发射极镇流。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述达林顿放大器双晶体管结构被配置以在高功率应用中工作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

步骤(A)还包括使用所述第一晶体管，处理所述大功率应用所需的大电流；以及

步骤(B)还包括处理所述大电流。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一晶体管包括具有共基极的并联双极性器件，所述第二晶体管包括具有共集电极的并联双极性器件。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，步骤(C)还包括：

提供所述热发射极镇流，而不牺牲噪声或功率带宽特性。

20.根据权利要求15所述的方法，其中：

步骤(A)还包括将多个第一电阻与所述第一晶体管串联；以及

步骤(B)还包括将多个第二电阻与所述第二晶体管串联。

21.一种电路，包括：

多个具有共基极的第一晶体管，被配置以响应于输入信号，产生多个信号；

多个第二晶体管，所述多个第二晶体管具有至少一个共集电极，所述第二晶体管与所述第一晶体管之间有可减少热共享的物理间距，被配置以响应于所述多个信号产生输出信号；以及

多个电阻，每个电阻都串联在所述第一晶体管和所述第二晶体管的节点和发射极之间。

22.根据权利要求21所述的电路，其中，所述节点直接接地。

23.根据权利要求21所述的电路，还包括：

多条传输线，设置在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间。

24.根据权利要求23所述的电路，其中，所述传输线中的至少一条连接在所述第一晶体管的至少一个发射极和所述第二晶体管的至少一个基极之间。

25.根据权利要求21所述的电路，还包括：

多条传输线，设置在所述第二晶体管和用于传送所述输出信号的输出节点之间。

26.根据权利要求21所述的电路，其中，所述第二晶体管的数量多于所述第一晶体管的数量。

27.根据权利要求21所述的电路，其中，所述多个电阻相对于一个轴对称设置。

28.根据权利要求27所述的电路，其中，所述多个电阻中的至少两个电阻沿着所述轴交错设置。

29.根据权利要求27所述的电路，其中，所述第一晶体管位于所述轴上。

30.根据权利要求21所述的电路，还包括：

多个反馈通路，连接到所述第一晶体管的所述共基极。

31.根据权利要求1所述的达林顿放大器，其中，所述多个第一晶体管彼此之间的物理间距可以减少热共享。

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