CN1701613B - 具有rf旁路/输出匹配网络的封装rf功率晶体管 - Google Patents

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Abstract

通过在晶体管管壳中包括并直接连接到该晶体管的输出匹配电路和集成的偏置/RF双工器以及RF和视频旁路电容器网络，提高了宽带RF功率晶体管放大器的线性度。通过在该管壳内放置RF和视频旁路电源电路并接近于该晶体管，能够将输入阻抗谐振从接近50MHz增加到超出125MHz，从而减少了输出信号中的AM/PM失真。

Description

具有RF旁路/输出匹配网络的封装RF功率晶体管
                      发明背景
本发明通常涉及RF功率晶体管，并且更特别地，本发明涉及将输出匹配和RF及视频旁路电路组合到一个封装RF功率晶体管中。
如在图1A中通常以10以及在图1B中示意性所示，提供10瓦特或更大功率的RF功率晶体管被典型地封装为分立器件。该封装的晶体管(FET或双极性)通常包括一个连接输入引线14至FET栅极(或双极性晶体管的基极)的输入匹配电路12，和一个连接输出引线18至FET漏极(或双极性晶体管的集电极或发射极)的输出匹配电路16。通常该FET的源极接地。
如图2所示，该封装的晶体管典型地被安装在印刷电路板20上。而且，匹配电路22、24和偏置/RF双工器26也安装在该印刷电路板上，它们将晶体管输出连接到RF输出。DC电源通过偏置线路RF和视频旁路电路28、双工器26和匹配电路22连接到晶体管输出引线。印刷电路板电路的该双重功能提供了在载波频率处想要的阻抗变换，并提供了一种通过该双工器将DC偏置电流注入到所述设备中的方法。该电路还必须正确地旁路在RF和视频频率处的电源连接。该电路与封装晶体管的距离在该传统解决方法中是一种限制。这种分离引入了严重的电延迟，并且在印刷电路板电路中使用的电容器的内在特性也导致了偏置电路视频带宽中不可避免的限制。
发明内容
根据本发明，输出匹配电路和双工器与RF和视频旁路网络一起与该功率晶体管集成到晶体管管壳中。这将该电路放置更接近于该晶体管，并增加了电源旁路视频带宽。而且，相对用于宽带信号的传统设备，提高了功率晶体管电路的线性度(保真度)。
在实现本发明中，RF和视频旁路网络的离散多层电容器能够与输出匹配电路的电容器(在载波频率处具有最佳特性)并联成与具有提供该电路的感性元件的引线接合(wire bonding)的一种完整的装置。典型地，设置引线接合(wirebond)以提供和晶体管寄生输出电容的电抗相同和相反的旁路感抗。还能够提供用于RF输出的附加电容与提供偏置输入或者具有单独偏置输入机能的RF输出。
从以下结合附图详细描述的说明书和独立权利要求中，本发明及其目的和特征将会更加显而易见。
附图说明
图1A是封装RF功率晶体管的透视图，以及图1B是封装RF功率晶体管的功能方框图。
图2是根据现有技术的图1中封装RF晶体管的功能方框图，该晶体管与用于DC电源的匹配电路和偏置线路RF旁路电路一起安装在印刷电路板上。
图3是根据本发明的一个实施例具有匹配和旁路电路的封装RF功率晶体管的功能方框图。
图4是根据本发明的另一个实施例具有匹配和旁路电路的封装RF功率晶体管的功能方框图。
图5A、5B是根据本发明一个实施例的RF功率晶体管的物理和电气示意图。
图6A、6B是根据本发明另一个实施例的RF功率晶体管的物理和电气示意图。
图7A、7B是根据本发明另一个实施例的RF功率晶体管的物理和电气示意图。
图8A、8B是根据本发明另一个实施例的RF功率晶体管的物理和电气示意图。
图9是用于传统RF功率晶体管和根据本发明一个实施例的RF功率晶体管的阻抗相对频率的曲线。
图10针对在图9中所使用的晶体管在史密斯圆图(Smith Chart)上示例了复数阻抗。
图11是针对传统RF功率晶体管和根据本发明另一个实施例的RF功率晶体管的阻抗相对频率的曲线。
图12针对在图11中所使用的晶体管在史密斯圆图上示例了复数阻抗。
具体实施方式
图3和4是根据本发明两个实施例的具有匹配和旁路电路的封装RF功率晶体管的功能方框图。两个图中类似的元件都是相同的。在图3中，RF功率晶体管30被安装在管壳31中。示例了FET晶体管，但是如上所述，该功率晶体管能够是双极性的。而且，能够在管壳中安装不止一个晶体管，并且它们能够并联。如在现有技术中，FET 30的栅极通过输入匹配电路32与输入引线34连接，但是漏极通过输出匹配电路加上集成的偏置/RF双工器36与输出引线38和给该晶体管提供DC偏置电流的偏置引线42连接。在现有技术的电路(如图2所示例)中，电路36和40以与该晶体管一定的距离被安装在印刷电路板上的管壳的外部。如上所述，在该管壳内部提供输出匹配电路、偏置/RF双工器、和RF及视频旁路网络增加了电源旁路视频带宽并且增加了用于宽带信号的功率晶体管电路的线性度。除了输出引线38同时用作偏置引线之外，图4的功能方框图类似于图3的电路。
图5A、5B分别是本发明的其中一个实施例的物理和电气示意图，其中将引线接合应用为感性元件，以及在输出匹配和旁路网络中应用离散的多层电容器。在图5A中，图3的输入匹配电路32包括通过引线接合46与RF输入34连接以及通过引线接合48与晶体管30的基极连接的旁路电容器44。输出匹配和旁路网络包括与电容器50(该电容器50在载波RF频率处拥有最佳的特性)并联的离散的多层电容器54、56，并且这些电容器通过引线接合52、58和60的方式与晶体管30的漏极和偏置输入引线42连接。在一个典型的实施例中，引线接合52包括特定值的电感，该值为与晶体管寄生输出电容谐振所需的值。该小值支持了最佳的视频旁路。同理，RF输出引线38借助引线接合62与该漏极连接。
图5B是图5A电路的电气示意图，其中引线接合在集总元件示意图中示例为感性元件。
图6A、6B是与图5A、5B的实施例相类似的本发明另一个实施例的物理和电气示意图，除了旁路RF输出引线38和晶体管30的漏极以使其接地的离散的电容器64和在输出匹配网络中用作感性元件的引线接合62、66以外。
图7A、7B是与图5A、5B的实施例相类似的物理和电气示意图，但是其中不应用单独的偏置输入引线42。RF输出引线38还用作该偏置输入。同理，图8A、8B对应于图6A、6B的实施例，但是仍不提供单独的偏置输入并且RF输出38用作该偏置输入。
图9是针对以70所示的传统设备和以72所示的根据本发明的设备在晶体管漏极之处所看的低频相对工作频率的阻抗曲线。在利用数字通信信号的正常功率放大器应用期间，从该晶体管流动的电流包含RF(或微波)频率分量以及视频频率分量。在理想的情况下，将给漏极提供一种理想的电源，或理想的RF旁路电源，其在视频频率范围内具有零阻抗。普通的连接高电流电源到漏极的方法是使用导体或高阻抗传输线，有时在载波频率处选择1/4波长，其在电源端或连接具有电容旁路阵列。电容器的这种阵列旨在用于近似理想的电容，但是，实际的物理旁路电容器具有固有的内电阻和内电感。因此，该典型的旁路电容器阵列在最接近该晶体管的载波频率处插入具有极佳特性的小电容器，并且(在低的视频频率处具有最佳性能的)较大的电容器较为接近于该电源。
在旁路电容之间必须存在有限的距离，短的电气连接还具有电感特性。利用实际的物理电容，在RF旁路电容器阵列中不可避免地存在谐振。尽管希望低的视频频率阻抗(典型为1欧姆)，但是在谐振频率处它常常增加到几十欧姆。本发明增加了第一重要谐振的频率，同时不会恶化该电路的载波频率特性，如图9所示例。这里，用于传统电路的第一谐振大约是50MHz，而根据本发明的电路却将该第一谐振增加到接近于125MHz。由于功率放大器应用到现代数字通信需要非常低的几十MHz的偏置电路阻抗，这些电路中的谐振必须为100MHz的频率或更高，因为这些电路的阻抗显示出在1/4第一谐振频率处的显著增加。
图10在史密斯圆图上示出传统电路与根据本发明电路的复数阻抗。可以清楚看出，对于传统的电路来说，具有全部的显著寄生效应的电路模型的第一谐振是52MHz，而对于根据本发明电路的第一谐振是127MHz。在因子二之上的这种改进对于正在出现的和未来的数字通信应用特别的重要，其中传统电路的低谐振将在所述输出信号中引入AM/PM失真和AM/AM失真。这些有害的影响损害了对于这些新系统关键的放大器线性增强技术诸如预失真的能力。但是，本发明将在这些新技术中实践RF功率放大器。
图11是用于RF功率放大器实施例的阻抗相对频率的曲线，其中偏置引线不是单独的引线，而是包括有RF输出引线。这里，存在两个能够引入不想要的额外谐振的RF旁路电容器网络(管壳的内部及其外部)。正如图11所示，附加的谐振74在阻抗曲线72中被引入为弓起，在图12中为以史密斯圆图表示的额外的圆。从图12可以看出，该额外谐振被引入超过100MHz，但是该单个引线替换优于在52MHz处有谐振的传统设计。而且，在较低频率处减少了阻抗大小，这是因为存在更大的组合旁路电容。
已经示出了RF功率放大器的若干实施例，在这些实施例中电源视频旁路电容器网络与传统功率晶体管输出匹配电路中存在的现有RF旁路电容相集成。因此，通过使用在RF和视频频率处工作的多个电容器网络，则相对于现有技术而言使旁路谐振元件的总电容增加了至少为10的系数。正如所述，本发明可以应用于都是硅和III-V材料的FET和双极性晶体管，以及本发明还可应用于单个晶体管或在单个管壳内并行工作的多个晶体管。
尽管已经参考具体实施例描述了本发明，但是该说明仅仅是本发明的示例，并不作为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员来说可以进行各种其他应用和修改，而不偏离附属权利要求所定义的本发明的真正的精神和范围。

Claims (12)

1.一种封装的RF功率设备，包括
a)至少一个晶体管，
b)与所述晶体管耦合的RF信号输入引线，
c)与所述晶体管耦合的接地端，
d)与所述晶体管耦合的RF信号输出引线，
e)与所述RF信号输出引线耦合的输出匹配电路和RF及视频旁路电路，其中所述输出匹配电路包括第一电容器，所述RF及视频旁路电路包括与第一电容器并联连接的多个分立多层电容器，和
f)用于容纳元件a)和e)的管壳，其中元件b)、c)和d)自所述管壳延伸。
2.根据权利要求1所述的封装的RF功率设备，还包括：
g)偏置引线，用于通过所述RF及视频旁路电路向所述晶体管施加DC偏置电压。
3.根据权利要求2所述的封装的RF功率设备，其中所述RF信号输出引线与偏置引线是相同的引线。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的封装的RF功率设备，其中，所述RF及视频旁路电路还包括将所述多个分立多层电容器耦合至所述晶体管的引线接合，所述引线接合在RF及视频旁路电路中提供电感。
5.根据权利要求4所述的封装的RF功率设备，其中，所述输出匹配电路还包括感性元件，其中所述第一电容器串联连接到地，并且所述多个分立多层电容器通过引线接合与第一电容器并联连接。
6.根据权利要求1所述的封装的RF功率设备，其中，所述至少一个晶体管包括FET。
7.根据权利要求1所述的封装的RF功率设备，其中，所述至少一个晶体管包括双极性晶体管。
8.一种提高宽带RF功率晶体管设备中的线性度的方法，包括以下步骤：
a)在外壳中提供至少一个RF功率晶体管，
b)提供延伸通过所述外壳并电耦合至所述RF功率晶体管的RF信号输入引线和RF信号输出引线，
c)在所述外壳中提供与所述输出引线耦合的输出匹配电路，所述输出匹配电路包括第一电容器，和
d)在所述外壳中提供与所述输出匹配电路连接的RF及视频旁路电路，所述RF及视频旁路电路包括与所述第一电容器并联连接的多个分立多层电容器并且防止当向所述RF功率晶体管提供DC功率时RF及视频电流流向DC电源。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
e)提供延伸通过所述外壳的偏置引线以用于向所述晶体管提供DC功率，所述RF及视频旁路电路与所述偏置引线相连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述RF信号输出引线与偏置引线被使用相同的引线而提供。
11.根据权利要求8-10中任何一项所述的方法，其中步骤d)的所述RF及视频旁路电路还包括将所述多个分立多层电容器耦合至所述晶体管的引线接合，所述引线接合在RF及视频旁路电路中提供电感。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤c)的输出匹配电路还包括感性元件，其中所述第一电容器串联连接到地，并且所述多个分立多层电容器通过引线接合与所述第一电容器并联连接。
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