CN206259911U - 一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，包括分布式二堆叠HiFET放大网络、偏置电压、考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线，本实用新型核心架构采用分布式二堆叠HiFET放大网络,分布式二堆叠HiFET放大网络至少由三个二堆叠HiFET结构组成；同时，本实用新型考虑了二晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器

技术领域

本实用新型涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对超宽带收发机末端的发射模块应用的一种高效率、高输出功率、高增益的分布式功率放大器。

背景技术

随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，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超宽带、高输出功率、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)高功率高效率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的栅长越来越短，由此带来了低击穿电压和高膝点电压，从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，因此高功率、高效率能力较差。

(2)超宽带高功率放大能力受限：为满足高功率指标就需要多个晶体管功率合成，但是多路合成的负载阻抗大大降低，从而导致了很高的阻抗变换比；在高阻抗变换比下，实现宽带特性是极大的挑战。

常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统分布式放大器，但是，传统分布式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在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单一场效应晶体管FET(field-effect transistor)采用分布式放大排列的方式实现，由于单一场效应晶体管其功率增益较低、最佳阻抗偏低、隔离度较差、因此也导致反射特性恶化，从而降低了合成效率；

②传统分布式放大器的设计中为了分析简单，往往忽略了密勒电容对于电路的影响，从而导致电路结构设计完后需要大量的工作进行电路调试，耗费了大量的人力物力，降低了电路设计效率；

③此外，为了降低了密勒效应对于电路的影响，也有采用Cascode双晶体管分布式放大结构，但是Cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法改善功率增益等指标，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。

目前，有人提出一种堆叠功率放大器，核心放大电路是一个多晶体管堆叠形成的高阻抗高电压场效应晶体管HiFET(High-Impedance,High-Voltage field-effecttransistor)，这种HiFET中，也是采用晶体管源极和漏极顺次串联的结构，来实现高电压摆幅和高输出负载阻抗，从而克服低击穿电压限制并具有极佳的宽带输出特性。此外，它的高输出阻抗可以直接被设计为50Ω的标准负载阻抗，从而避免采用电感或者变压器等设计的输出匹配电路，大大降低了芯片面积。然而，尽管输出功率较高，但是现有的堆叠结构的放大器往往均采用单个HiFET结构实现，其带宽特性同传统的单晶体管分布式放大器相比，仍然有较大的差距。

由此可以看出，基于集成电路工艺的超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出、高功率增益难度较大；单个HiFET结构或Cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，结合了单个HiFET结构放大器和分布式放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性且成本低等优点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，包括分布式二堆叠HiFET放大网络、偏置电压、考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线，所述分布式二堆叠HiFET放大网络由k个二堆叠HiFET结构组成，其中k值大于等于3；所述二堆叠HiFET结构由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

所述二堆叠HiFET结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线；

所述二堆叠HiFET结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述偏置电压，同时，所述栅极连接由栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路，漏极和源极之间并联高频补偿电容，漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

本实用新型的有益效果是：本实用新型核心架构采用分布式二堆叠HiFET放大网络,分布式二堆叠HiFET放大网络至少由三个二堆叠HiFET结构组成，所述二堆叠HiFET结构由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，二堆叠HiFET结构的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动,二堆叠HiFET的漏源端并联高频补偿电容，用于补偿栅源之间的信号泄露，采用分布式二堆叠HiFET放大网络，可以提高输出功率，改善隔离特性，实现二堆叠晶体管间的阻抗匹配，同时获得良好的高频特性；同时，本实用新型考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述补偿电路的栅极补偿电容还串接一栅极补偿电阻。

采用上述进一步方案的有益效果是栅极补偿电阻起到稳定电路的作用。

进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成。

采用上述进一步方案的有益效果是考虑了二堆叠HiFET结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度。

进一步，所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。

采用上述进一步方案的有益效果是考虑了二堆叠HiFET结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了设计精度，降低了电路后期调试的难度，缩短了设计周期。

进一步，所述分布式二堆叠HiFET放大网络为为有源放大网络，考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线均为无源网络。

采用上述进一步方案的有益效果，考虑了二堆叠HiFET结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了设计精度，降低了电路后期调试的难度，缩短了设计周期。

附图说明

图1为本实用新型功率放大器原理框图；

图2为本实用新型中二晶体管堆叠结构原理框图；

图3为本实用新型功率放大器电路图；

图4为本实用新型中对应于二晶体管堆叠结构的电路原理图；

图5为本实用新型晶体管简化小信号等效模型的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1、图2所示，本发明提供了一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器,是一种采用分布式二堆叠HiFET放大网络为核心的超宽带射频功率放大器，采用集成电路工艺进行设计，该分布式二堆叠HiFET放大网络为有源网络，考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线为无源网络。

该分布式功率放大器包括一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，包括分布式二堆叠HiFET放大网络、偏置电压、考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线，所述分布式二堆叠HiFET放大网络至少由三个二堆叠HiFET结构组成，所述二堆叠HiFET结构由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

所述二堆叠HiFET结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路C_gk和R_gk连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线；

所述二堆叠HiFET结构的最上层的晶体管的栅极通过馈电电阻R_gbk连接到所述偏置电压，同时，所述栅极连接由栅极补偿电阻与栅极补偿电容C_ggk连接接地组成的补偿电路，漏极和源极之间并联高频补偿电容C_ddk，漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

如图3、图4所示，本发明的分布式二堆叠HiFET放大网络是基于2×k个场效应晶体管，k为整数，大于等于3，二堆叠HiFET结构由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，将k个二堆叠HiFET结构组成分布式二堆叠HiFET放大网络，保证整个电路能有较大的超宽带功率输出，实现射频信号的放大。

考虑密勒效应的栅极人工传输线由一个栅极吸收负载R_gload、栅极隔直电容C_g和C_gload、栅极馈电电感L_g、k+1个栅极传输线等效电感L_gk和k个栅极传输线等效电容C_ink构成，用以实现放大器的栅极人工传输线的匹配、偏置等功能；考虑密勒效应的漏极人工传输线由一个漏极吸收负载R_dload、漏极隔直电容C_d和C_dload、漏极馈电电感L_d、k+1个漏极传输线等效电感L_dk和k个漏极传输线等效电容C_outk构成，用以实现放大器的漏极人工传输线的匹配、偏置等功能。

如图5所示为本实用新型电路中考虑了密勒效应的晶体管简化小信号模型，该小信号模型用于分析求解该功率放大器中的关键电路参数，具体的求解方法为：

二堆叠HiFET结构的最上层的晶体管的栅极连接的栅极补偿电容为C_ggk：

漏极和源极之间并联的高频补偿电容为C_ddk：

其中，C_gs为晶体管栅源电容，C_gd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；g_m为晶体管跨导，单位为mS,Z_opt＝R_opt+jX_opt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω。

考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电容为C_intk：

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

所述考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电容为C_outk：

其中，A＝ω²C_gd ²-ω(B₀+ω(C_gd+C_ds))(C_gs+C_gd)，B＝(C_gs+C_gd)Y₀+C_gdg_m

Y_opt＝Y₀+jB₀＝1/Z_opt，C_gs为晶体管栅源电容，C_gd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；g_m为晶体管跨导，单位为mS；Z_opt＝R_opt+jX_opt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω；ω为基波角频率，单位为rad/s；C_ds为晶体管漏源电容；C_ddk为漏极和源极之间并联高频补偿电容。

二堆叠HiFET结构的最底层的晶体管的栅极连接的并联RC稳定电路中的输入耦合电容为C_gk：

其中，C_intk为考虑密勒效应的栅极人工传输线的栅极传输线等效电容，C_outk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。

考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电感及考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电感分别为L_gk和L_dk

其中，k为整数，k≥3；Z₀为微带线的特征阻抗，一般为50Ω；C_outk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。

基于上述的电路参数求解方法，通过综合调整晶体管Md₁～Md_k和Mu₁～Mu_k的尺寸大小，人工传输线电感Lg₁～Lg_(k+1)和Ld₁～Ld_(k+1)的大小，补偿电容Cgg₁～Cgg_k的大小等，可以使本实用新型的整个放大器电路在超宽带内实现输入及输出良好的阻抗匹配、高功率增益、良好的功率增益平坦度。

本实用新型的工作过程为：射频输入信号通过输入端IN进入电路，通过输入隔直耦合电容C_g，以电压分布式的方式进入栅极人工传输线Lg_k、Lg_(k+1)和C_ink，然后进入Cg_k和Rg_k构成的栅极RC稳定电路，然后以电压分布式进入二堆叠HiFET放大网络的晶体管Md_k的栅极，然后分布式形式从晶体管Md_k的漏极输出，进入晶体管Mu_k的源极，然后从晶体管Mu_k的漏极输出，以电压分布式的方式进入漏极人工传输线Ld_k、Ld_(k+1)和Cout_k，然后通过输出隔直耦合电容C_d，进入输出端OUT完成信号功率放大。

基于以上电路分析，本实用新型提出的考虑密勒效应的分布式二堆叠HiFET结构的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：

1.核心架构采用分布式二堆叠HiFET放大网络。

二堆叠HiFET与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；同时二堆叠HiFET与新型双栅极晶体管构成的分布式放大器也有不同，二堆叠HiFET结构是两个晶体管及其他元件构成的复杂网络，而双栅晶体管是单一元器件。

二堆叠HiFET与传统Cascode晶体管的不同之处有两点，(1)堆叠的栅极补偿电容上，二堆叠HiFET的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，而传统Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地；(2)二堆叠HiFET的堆叠晶体管的漏源端并联有高频补偿电容，用于补偿栅源之间的信号泄露，而传统Cascode晶体管无此结构。

2.考虑密勒效应的栅极人工传输线与漏极人工传输线：

以往设计方法往往忽略密勒效应，直接将晶体管的栅源电容Cgs和漏源电容Cds视为人工传输线的等效电容，这样处理往往过低估计了等效电容，从而导致电路设计后期需要大量人力进行电路调试；本实用新型考虑了二堆叠HiFET结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，缩短了设计周期。

在整个基于晶体管堆叠技术的分布式功率放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿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，实现在超宽带条件下的高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，包括分布式二堆叠HiFET放大网络、偏置电压、考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线，所述分布式二堆叠HiFET放大网络由k个二堆叠HiFET结构组成，其中k大于等于3；所述二堆叠HiFET结构由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，

所述二堆叠HiFET结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线；

所述二堆叠HiFET结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述偏置电压，同时，所述栅极连接由栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路，漏极和源极之间并联高频补偿电容，漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

2.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述补偿电路的栅极补偿电容还串接一栅极补偿电阻。

3.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成。

4.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的考虑密勒效应的分布式二堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述分布式二堆叠HiFET放大网络为有源放大网络，考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线均为无源网络。