CN1263215C - 加强稳定性之多级功率放大器 - Google Patents

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Abstract

一种多级功率放大器电路，其系在增益电路级间具有优越隔离，这种多级功率放大器电路系提供来自个别增益电路级组件之各种共享引线电流路径，藉以改善其稳定性及操作效能。

Description

加强稳定性之多级功率放大器
〔技术领域〕
本发明系有关于高增益、高频率的射频(RF)多级功率放大器，举例来说，其可以应用在无线通信系统。
〔背景技术〕
电子功率装置(举例来说，功率晶体管)的主要特征乃是必须要操作在高电流及/或高电压的条件下。由于高电流及高电压的关系，这些功率装置的物理设计及与系统的整合亦必须要加入特殊的考量。特别是，当这些功率装置的功率愈高时，电子引线组件(lead element)，亦即：电路绕线及连接的固有电阻及电抗特性，对于装置效能的影响便会愈大。举例来说，这些功率装置所承载的高电流可能会指向共享地路径(common ground path)，其可能会因此影响到这些功率装置的物理排列，藉以确保正确电路操作及电路稳定性的适当接地。一般而言，将这些功率装置连接至参考地的电子路径的电阻愈低时，电路操作的精确性及稳定性便会愈高。
对于高增益、高频率的应用而言，在多级放大器中，增益级的形成最好能够采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管。横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管会具有共享组件(源极)端，形成在这个晶体管晶粒(或芯片)的下侧。如此，这些晶体管源极端便可以直接连接至一共享参考引线(例如：一导电金属层(诸如：金))，其系形成在一基底(诸如：一钨或陶磁热槽(thermal sink))表面，且这个晶体管芯片系利用已知的晶粒附着技术，附着在这个基底表面。另外，这个横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管的输入(栅极)及输出(漏极)端会放置在这个晶体管芯片的上侧、并利用焊线(bond wire)共享连接至这个放大器的其它电路组件。
在一多级放大器中，流经个别晶体管源极的电流会在这个共享参考引线中组合，进而形成”共享参考引线电流”。这个共享参考引线电流路径会具备固有的(寄生的)电阻及电抗组件，其可能会影响一传统多级放大器的稳定性及操作效能。由于相对较高的共享参考引线电流，这个共享参考引线的固有电阻及电抗亦可能会相当程度地影响一多级放大器的操作效能及稳定性，即使这个共享参考引线的固有电阻及电抗已经相当微小。
在多级放大器中，零件晶体管源极共享的共享参考引线可能会在增益电路级间造成隔离减低的问题。近年来，普遍的趋势均是希望能够电子装置(诸如：行动电话)制作得愈小愈好。因此，在这些电子装置中，多级功率放大器的增益电路级便会靠得愈来愈近。组合这个共享参考引线的固有电阻及电抗组件以后，一回馈电压便可能会产生。有鉴于此，这个多级放大器的增益电路级间将会出现整体隔离减低的问题，进而影响其稳定性并降低其操作效能。
为方便说明，第1图系表示一传统多级放大器100的物理封装，其乃是利用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管以做为个别增益电路级、并同时表示个别共享参考引线电流路径。第2图系这个放大器100的电路示意图，其乃是表示这个共享参考引线的固有电阻及电抗，藉以将增益电路级晶体管的各个源极端连接至参考地。
这个放大器100会具有一热导基底140，其可以同时做为一热槽及一支撑结构。这个基底140会覆盖一导电材料(诸如：金)，藉以形成一导电层130。另外，一对横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管芯片110及120会直接附着在这个导电层130上面，其中，这些晶体管系利用个别的下面源极端，直接与这个导电层130进行连接。这些晶体管110及120乃是彼此串联地电性连接，其中，这个晶体管110乃是表示第一增益电路级、而这个晶体管120则是表示第二增益电路级。虽然第2图所示的晶体管110及120均表示为单一晶体管，但是，本领域普通技术人员应当了解：各个晶体管110及120实际上亦可能会具有两个或更多个并联操作的物理隔离功率晶体管。
在第一增益电路级的晶体管110上侧，栅极端会利用单一或多个焊线170连接至一栅极引线165。这个栅极引线165会附着在(或形成在)这个基底140上面，并与这个导电层130电性隔离。另外，这个栅极引线165亦会连接至一电源产生器180。这个电源产生器180乃是位于这个放大器装置100的外部，并且会在这个栅极引线165及这个底部地150间形成一电路。另外，在第1图中，这个电源产生器180的电阻乃是利用电阻器132表示。
另外，在这个晶体管110上侧，漏极端亦会利用单一或多个焊线174连接至第二增益电路级的晶体管120上侧的栅极端。这个晶体管120的上侧漏极端乃是利用单一或多个焊线172连接至一漏极引线163。这个漏极引线163会附着在(或形成在)这个基底上面，并与这个导电层130电性隔离。另外，这个漏极引线163会连接至一负载，其乃是利用一电阻器182表示。这个电阻器182亦是位于这个放大器装置100的外部。
再者，这个基底140的下面乃是附着在一地平面(例如：一底部地/热槽150)，且这个导电层130亦会与这个底部地150直接接触。利用这种方式，这个导电层130便可以做为晶体管110及120的源极端的共享参考引线，进而提供个别晶体管的源极端至底部地的电流路径。
特别是，来自个别晶体管的源极端的电流会组合形成一共享参考引线电流(如箭头190所示)，其必须要处理这个导电层130(共享参考引线)中固有的(寄生的)电阻及电抗。因此，这个放大器100通常会有不稳定的问题、并且亦会在其增益电路级间遭遇隔离降低的问题，其主要乃是因为这些晶体管110及120的紧密排列、及这个导电层130的固有电阻及电抗特性。另外，电阻器150、152、154、156、158及160乃是分别表示这个共享参考引线电流路径的固有电阻，而电感器151、153、155、157、159及161则是分别表示这个共享参考引线电流路径的电感电抗，其中，这个共享参考引线电流路径乃是用来将这些晶体管源极端连接至参考地。另外，这些晶体管110及120的个别源极端会经由这个共享参考引线电流路径的个别固有电阻器152、154、156、158及个别电感器153、155、157、159而彼此电性连接。需要注意的是，这些电感器乃是与这些电阻器并联，并且，这些电感电抗亦会在任何给定频率下至少等于这个导电层130的表面电阻。
虽然这些固有的电阻及电抗组件可能仅仅表示非常微小的数值，不过，这些电阻及电抗组件还是可能会因为个别电路级的增益，进而造成严重的效能变动。另外，这个导电层的电阻及电抗特性亦可能会使某一个晶体管的源极端的电流流经另一个晶体管的源极端。基于上述这些因素，第1图及第2图所示的传统多级放大器将可能会导致不稳定的后果、并遭受增益电路级的隔离降低。
有鉴于上述及其它目的，各种方法乃纷纷提出，藉以改善增益电路级的隔离效果、并改善多级放大器的稳定性。其中，一种方法乃是移动这些主动装置(亦即：功率晶体管)，使其更靠近地端(亦即：底部地)，进而降低其回馈电压。举例来说，当功率晶体管，诸如：横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管，放置在支撑或热导材料表面以做为部分功率放大电路的时候，填满或被覆导电材料的穿孔便可以形成在这个支撑或热导材料中。这些穿孔可以提供这个共享参考引线至这个地(或底部地)额外电流路径，其通常会放置在这个支撑或热导材料的背侧。利用这种方法，这个地与这些主动装置的物理距离便会更加靠近，进而降低这些固有(寄生)组件的效应。不幸的是，这种方法亦具有几项优缺，举例来说，这种放大器封装将会导致相对较高的机械及可靠性成本。
另一种方法则是利用这些增益电路级的电阻”消耗(dissipative)”负载。然而，利用消耗负载的缺点却是放大器装置的增益及效率损失。因此，本发明的主要目的便是提供另一种方法，藉以提供一种既具备可靠性、且符合成本效益的功率放大装置。〔发明内容〕
一种多级放大器，具有两个或更多个晶体管，其系架构以提供至少一晶体管源极之地地电流路径，藉以在增益电路级间提供优越隔离，进而改善该放大器之稳定性及操作效能。
在一较佳实施例中，两功率晶体管系附着于一共享固定基底上面、并在一多级增益架构中进行电性串连。这些晶体管可以形成于相同的(或隔离的)半导体芯片表面，其系附着于这个基底上面。这个基底会覆盖一导电材料层(诸如：金)，藉以做为一共享参考引线。另外，一电源产生器会附着于这个基底的一端、并连接至一第一晶体管的输入端。这个第一晶体管的输出端会连接至一第二晶体管的输入端。这个第二晶体管的输出端则会连接至一负载电阻，藉以完成这个放大器电路。
根据本发明，这个第一晶体管的共享组件端会与这个导电层的直接电性连接(共享组件引线)隔离、并利用单一或多个接合引线以通过这个晶体管上面，进而连接到这个导电层的一个位置，其中，这个位置系接近这个电源产生器的输入、并且远离这个第二晶体管。另外，这个第二晶体管的共享组件端会利用传统方式，直接连接至这个晶体管下面的导电层(共享参考引线)。
在这些共享参考引线上，连接相对远离的个别晶体管共享组件端可以使各个晶体管具有不同的地地电流路径，进而在这个共享组件引线的任何一点降低其整体电流。并且，这个降低的整体电流亦可以增加各个增益电路级间的交互电阻及电感电抗，进而增加这个放大器装置的稳定性。
本发明的上述及其它优点将会配合所附图式，利用较佳实施例详细说明如下。
〔附图说明〕
图1表示一传统多级放大器之物理封装，其个别增益电路级乃是利用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管、并同时表示共享参考引线电流路径。
图2表示第1图放大器之电路示意图，其乃是表示此共享参考引线之固有电阻及电感电抗，藉以将增益电路级晶体管之各个源极端连接至参考地。
图3表示根据本发明架构之一多级放大器之较佳实施例。
图4表示图3放大器的电路示意图。
〔具体实施方式〕
本发明乃是在个别增益电路级间提供较佳的隔离，藉以提供一种更稳定的多级放大器。为达到上述目的，本发明乃是在零件晶体管的一个或更多个源极端及地或底部地间提供一替代电流路径。在一较佳实施例中，一多级放大器的增益电路级隔离乃是将一增益电路级的源极端，由其正常连接点移至电源产生器输入的共享参考引线。
请参考第3图，其乃是表示二级放大器封装的较佳实施例的立体透视图，其中，共享参考引线电流路径、电阻负载、及放大器电路的电源产生器全部放置在这个立体透视图的上面。如同习知技术的放大器100，这个放大器300会具有一热导基底340，其系同时做为一热槽或支撑结构。这个基底340会覆盖一导电材料(诸如：金)，藉以形成一导电层330。另外，一对横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管芯片310及320则会附着在这个基底340上面、并进行电性串联以形成第一增益电路级及第二增益电路级。
这个第一增益电路级晶体管310的上侧栅极端乃是利用单一或多个接合引线370以连接至一栅极引线365。这个栅极引线365会附着在(或形成在)这个基底340上面，藉以与这个导电层330电性隔离。另外，这个栅极引线365亦会连接至一电源产生器380。这个电源产生器380的输入端会电性连接至这个导电层330，藉以利用这个栅极引线365完成一电路。另外，这个晶体管310的上侧漏极端会利用单一或多个接合引线374以连接至这个第二增益电路级晶体管320的上侧栅极端。这个晶体管320的上侧漏极端则会连接至一漏极引线363。这个漏极引线363乃是附着在(或形成在)这个基底340上面，藉以与这个导电层330电性隔离。另外，这个漏极引线363亦会连接至一负载，其乃是利用一外部电阻器382表示。
不同于第1图及第2图的习知技术放大器，这个第一增益电路级晶体管310的下面源极端会与这个导电层330的附着点隔离、并利用单一或多个上侧接合引线376以连接至这个共享组件引线(亦即：导电层330)，而非经由这个晶体管(或晶体管芯片)310的底部直接连接。非常重要的是，这些接合引线376会在这个电源产生器380的输入附近(在这种例子中，位于这个第二增益电路级晶体管320下面)，连接至这个共享参考引线(导电层)330，藉以使这两个晶体管分别具有流经这个共享组件引线330的不同地流路径(如箭头390A及390B所示)。在另一较佳实施例中，这些接合引线376亦可以利用其它类型的导电组件取代，藉以与这个共享参考引线330电性隔离。
特别是，藉由这个第一增益电路级晶体管的源极电流路径(如第3图的箭头390A所示)的调整，这个电流便会远离这个第二增益电路级晶体管的源极电流方向、且任何一点的共享参考引线电流亦会大致消减。如此，在这个共享参考引线330中，固有电阻及电感电抗的影响便可以降低，且这个第一增益电路级及这个第二增益电路级间亦可以得到优越的隔离效应，进而改善放大器装置的稳定性及操作效能。
第4图系表示第3图放大器封装的等效电路示意图。需要注意的是，这个第一增益电路级晶体管310的源极端必须与这个第一增益电路级晶体管310下面的导电层电性隔离。由于这个源极端已经不再需要经由这个晶体管芯片的底部进行连接，因此，横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管，或在这个晶体管芯片底部具有共享组件端的其它类型晶体管芯片，亦不再需要，这个第一增益电路级放大器的例子。因此，这个第一增益电路级将可以使用任何类型的晶体管，只要其能够提供类似功能、并将共享组件端经由这个晶体管(举例来说，金属氧化物场效应半导体晶体管(MOSFET))上侧，耦接至这个共享参考引线即可。
另外，将这个第一增益电路级晶体管的源极端连接至这个电源产生器地的电性连接亦可以连接至这个电源产生器地以外的位置。最重要的是，本发明必须要为流经这个第一增益电路级晶体管的源极电流提供另一电流路径，藉以使这个第一增益电路级晶体管的源极电流能够与这个第二增益电路级晶体管的源极电流”隔离”，反之亦然。藉由将某个增益电路级晶体管的源极电流的电流路径重新指向这个电源产生器的输入，这些源极间的交互电阻及电抗便可以增加。由于这个共享参考引线会具备固有电阻及电性特性，因此这些增益电路级间的交互电阻及电抗便可以借着增加下列两连接点的距离而增加，亦即：这个第一增益电路级的晶体管源极端连接至这个共享参考引线的连接点、及这个第二增益电路级的晶体管源极端连接至这个共享参考引线的连接点。如此，藉由增加两源极连接点间的距离，各个增益电路级间的隔离效果便可以改善，进行得到优越的稳定性及操作效能。
另外，虽然本发明的较佳实施例中，这个第一增益电路级的晶体管源极会远离这个第二增益电路源的晶体管源极的电性连接，但是，本发明亦可能使用完全相反的方法。举例来说，在另一较佳实施例中，第一增益电路级的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管的源极端亦可能会利用传统方法直接连接至这个导电层、而第二增益电路级的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管的源极端则会经由隔离导电体，连接至远离第一增益电路级的晶体管源极端的连接点。另外，举例来说，第二增益级的晶体管源极亦可能会电性连接至这个共享参考引线，其系位于这个负载电路的参考地返回连接点附近。
本领域普通技术人员应该了解，第一及第二增益电路级的功率放大器可以共享放置在相同的芯片表面。另外，即使本发明的较佳实施例仅仅说明二级放大器的例子，本发明的教导亦可以应用在不止具有两电路级的多级放大器中。另外，这个放大器电路亦可能是混合电路的部分，其中，这个多级放大器装置的部分零件可能不见得会完全放置在单一集成电路(IC)中。
虽然本发明已利用较佳实施例详细说明如上，但是，本领域普通技术人员，在不违背本发明构思及范围的前提下，亦可以对本发明的各个较佳实施例进行各种调整及变动。因此，本发明的保护范围将不必限定在特定的较佳实施例，而是以下列权利要求为准。

Claims (6)

1.一种多级功率放大器，其包括：
一基底，在该基底具有在其表面上形成的一共享参考引线；
一被附着于该基底的第一晶体管和第二晶体管，该第一晶体管和第二晶体管进行电串联以形成第一增益电路级之晶体管和第二增益电路级之晶体管；
-该第一增益电路级之晶体管具有一共享组件端，该共享组件端与所述第一增益电路级之晶体管的附着点处的共享参考引线的直接连接电绝缘，该共享组件端被电连接至所述共享参考引线，其利用一个或多个接合引线以从该第一增益电路级晶体管的顶侧到远离该第二晶体管的第一位置处的该共享参考引线；以及
一第二增益电路级之晶体管，具有一共享组件端，该共享组件端在所述晶体管底部的一第二位置上直接电连接至该共享参考引线，
其中，该共享参考引线之该第一及该第二位置彼此相距必须充分远，藉以使该第一及该第二增益电路级之晶体管形成通过该共享参考引线之隔离之地电流路径。
2.如权利要求1所述之放大器，其中，该第一及该第二增益电路级之晶体管是横向扩散金属氧化物半导体晶体管。
3.如权利要求1所述之放大器，其中该接合引线具有一部分，其系与该共享参考引线电性隔离。
4.如权利要求1所述之放大器，其中，该第一位置系一外部电源产生器的参考地连接。
5.如权利要求1所述之放大器，其中，该第二位置系一负载电阻的参考地连接。
6.如权利要求1所述之放大器，其中，该放大器具有三级或更多级的增益电路级。
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