CN210246697U

CN210246697U - 一种基于共源共基复合管的宽带放大器

Info

Publication number: CN210246697U
Application number: CN201921271981.8U
Authority: CN
Inventors: Qian Lin; 林倩; Haifeng Wu; 邬海峰; Linsheng Liu; 刘林盛; Siwei Chen; 陈思维; Shanji Chen; 陈善继; Xiaoming Zhang; 张晓明
Original assignee: Chengdu Dopler Technology Co ltd; Qinghai Nationalities University
Current assignee: Chengdu Dopler Technology Co ltd; Qinghai Nationalities University
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2029-08-07

Abstract

本实用新型公开了一种基于共源共基复合管的宽带放大器，包括三阶输入分配网络、三阶级间平衡网络、三阶输出合成网络、第一堆叠管、第二堆叠管、第三堆叠管、第四堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管,与三阶级间平衡网络和三阶输出合成网络相连的集电极馈电网络和与第一至第六堆叠管相连的自适应基极馈电网络、栅极馈电网络，本实用新型核心架构采用共源共基型堆叠晶体管构成的三阶矩阵放大网络，结合了三阶矩阵放大器超宽带频响特性，同时结合了自适应基极馈电网络改善放大器电路的温度敏感度及线性度，从而使得整个功率放大器获得了良好的宽带高增益、高功率输出能力以及良好的线性度指标。

Description

一种基于共源共基复合管的宽带放大器

技术领域

本实用新型涉及异质结双极性晶体管以及高电子迁移率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基于共源共基复合管的宽带放大器。

背景技术

随着扩频技术、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等的快速发展，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芯片具有超宽带、高输出功率、高增益、良好线性度等性能。

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)宽带高增益放大能力受限：传统单晶体管收到增益带宽积的影响，需要牺牲增益才能获得超宽带放大能力，因此，宽带高增益放大能力受到严重的限制。

(2)宽带高功率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的特征频率越来越高，由此带来了低击穿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，电路无法满足低功耗或者绿色通信需求。

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在传统的分布式或者矩阵型功率放大器中，核心放大电路是多个单晶体管采用分布式放大排列或者矩阵型放大器排列的方式实现，由于单晶体管受到寄生参数的影响，随着工作频率升高时，其功率增益会显著降低、同时功率特性等也会显著恶化，因此为了获得超宽带平坦的放大结构，必须要牺牲低频增益来均衡高频损耗，导致传统分布式放大器或者矩阵型放大器的增益很低；

②为了提高放大器增益提高隔离度的影响，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，却无法增益随频率显著恶化的趋势，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。

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难度较大；传统单个晶体管结构或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基于共源共基复合管的宽带放大器，结合了基于共源共基型晶体管堆叠技术和矩阵放大器的优点，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、良好的线性度，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：一种基于共源共基复合管的宽带放大器，包括三阶输入分配网络、三阶级间平衡网络、三阶输出合成网络、第一堆叠管、第二堆叠管、第三堆叠管、第四堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管,与三阶级间平衡网络和三阶输出合成网络相连的集电极馈电网络和与第一至第六堆叠管相连的自适应基极馈电网络、栅极馈电网络；

三阶级间平衡网络的第一端口与集电极馈电网络的第一输出端以及栅极馈电网络的输入端连接，三阶级间平衡网络的第二端口与第一堆叠管的输出端、第四堆叠管的输入端连接，三阶级间平衡网络的第三端口与第二堆叠管的输出端、第五堆叠管的输入端连接，三阶级间平衡网络的第四端口与第三堆叠管的输出端、第六堆叠管的输入端连接；

三阶输出合成网络的输出端为整个一种基于共源共基复合管的宽带放大器的输出端，其第一输入端与集电极馈电网络的第二输出端、自适应基极馈电网络的输入端连接，三阶输出合成网络的第二输入端与第四堆叠管的输出端连接，三阶输出合成网络的第三输入端与第五堆叠管的输出端连接，三阶输出合成网络的第四输入端与第六堆叠管的输出端连接；

集电极馈电网络的输入端与供电电压Vcc连接；

栅极馈电网络的输入端与集电极馈电网络的第一输出端和三阶级间平衡网络的第一端口同时连接，栅极馈电网络的第二输出端与第一至第六堆叠管的栅极馈电端连接；

自适应基极馈电网络的输入端与集电极馈电网络的第二输出端和所述三阶输出合成网络的第一输出端连接，自适应基极馈电网络的输出端与第一至第六堆叠管的基极馈电端连接

进一步的，三阶输入分配网络包括从超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感L_b1、L_b2、L_b3、L_b4、隔直电容C_load1和负载电阻R_load1,电感L_b1与L_b2的连接节点为三阶输入分配网络的第一输出端，电感L_b2与L_b3的连接节点为三阶输入分配网络的第二输出端，电感L_b3与L_b4的连接节点为三阶输入分配网络的第三输出端；

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的三阶输入分配网络除了能实现输入射频信号的分布式功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。

进一步的，第N堆叠管的输入端连接电容C_bj，电容C_bj的另一端连接场效应晶体管M_sj的栅极,场效应晶体管M_sj的源极接地,漏极与共射管Q_tj的发射极连接，Q_tj的基极连接馈电电阻R_tj，馈电电阻R_tj另一端分别与电阻R_rj和电容C_tj相连，电容C_tj的另一端接地，电阻R_rj的另一端为第N堆叠管的基极馈电端，共射管Q_tj的集电极为第N堆叠管的输出端，其中，N为一、二、三、四、五、六，j＝1,2,3,4,5,6。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的共源共基堆叠型晶体管是采用共源极(CS)的高电子迁移率晶体管堆叠共基极(CB)异质结双极性晶体管构成的，用于改善高频管间失配特性，同时共源共基堆叠型晶体管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，防止晶体管击穿，可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时改善常规CSCG堆叠型晶体管的级间失配特性，降低等效输出电容拓展放大器带宽。

进一步的，三阶级间平衡网络包括依次串联的电阻R_load2、电容C_load2、电感L_m1、L_m2、L_m3、L_m4、电容C_load3、电阻R_load3，并且R_load2和R_load3的另一端均同时接地，电容C_load2与电感L_m1相连的节点为三阶级间平衡网络的第一端口，电感L_m1与电感L_m2相连的节点为三阶级间平衡网络的第二端口，电感L_m2与电感L_m3相连的节点为三阶级间平衡网络的第三输出端口，电感L_m3与电感L_m4相连的节点为三阶级间平衡网络的第四输出端口；

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的三阶级间平衡网络除了能实现级间射频信号的分布式功率分配外，还能对射频级间信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。

进一步的，三阶输出合成网路包括依次串联的电阻R_load4、电容C_load4、电感L_c1、L_c2、L_c3、L_c4、电容C_out,电阻R_load4的另一端接地，电容C_out的另一端为三阶输出合成网络的输出端，电容C_load4与电感L_c1相连的节点为三阶输出合成网路的第一输入端，电感L_c1与电感L_c2相连的节点为三阶输出合成网路的第二输入端，电感L_c2与电感L_c3相连的节点为三阶输出合成网路的第三输入端，电感L_c3与电感L_c4相连的节点为三阶输出合成网路的第四输入端；

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的三阶输出合成网路除了能实现输出射频信号的分布式功率合成外，还能对射频输出信号进行阻抗匹配并提高电路的效率。

进一步的，集电极馈电网络的输入端同时连接接地电容C_vcc、馈电电感L_vcc1和L_vcc2，馈电电感L_vcc1的另一端为集电极馈电网络的第一输出端，馈电电感L_vcc2的另一端为集电极馈电网络的第二输出端；

进一步的，自适应基极馈电网络的输入端连接电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极，电阻R_c2的另一端分别与共射管Q_d2的基极及集电极连接、与馈电电容C_c2连接、与共射管Q_f2的基极连接，共射管Q_d2的发射极与共射管Q_b2的基极及集电极连接，共射管Q_b2的发射极端接地，馈电电容C_c2的另一端接地，共射管Q_f2的发射极与电阻R_e2连接，R_e2的另一端接地，Q_f2的发射极与电阻R_e2连接节点同时与第一至第N堆叠管的基极馈电端，电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极连接点为自适应基极馈电网络的输出端；

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的自适应基极馈电网络用自偏短接的三极管作为二极管预失真电路，可以在放大器工作在大信号状态下自适应调节CB放大器的偏置电流，同时采用馈电调节内匹配电容抑制射频信号的泄露，从而改善放大器的线性度指标。

附图说明

图1为本实用新型功率放大器原理框图；

图2为本实用新型功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种基于共源共基复合管的宽带放大器，一种基于共源共基复合管的宽带放大器，包括三阶输入分配网络、三阶级间平衡网络、三阶输出合成网络、第一堆叠管、第二堆叠管、第三堆叠管、第四堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管、第五堆叠管、第六堆叠管,与三阶级间平衡网络和三阶输出合成网络相连的集电极馈电网络和与第一至第六堆叠管相连的自适应基极馈电网络、栅极馈电网络。

如图1所示，三阶级间平衡网络的第一端口与集电极馈电网络的第一输出端以及栅极馈电网络的输入端连接，三阶级间平衡网络的第二端口与第一堆叠管的输出端、第四堆叠管的输入端连接，三阶级间平衡网络的第三端口与第二堆叠管的输出端、第五堆叠管的输入端连接，三阶级间平衡网络的第四端口与第三堆叠管的输出端、第六堆叠管的输入端连接；

集电极馈电网络的输入端与供电电压Vcc连接；

自适应基极馈电网络的输入端与集电极馈电网络的第二输出端和所述三阶输出合成网络的第一输出端连接，自适应基极馈电网络的输出端与第一至第六堆叠管的基极馈电端连接。

如图2所示，三阶输入分配网络包括从超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感L_b1、L_b2、L_b3、L_b4、隔直电容C_load1和负载电阻R_load1,电感L_b1与L_b2的连接节点为三阶输入分配网络的第一输出端，电感L_b2与L_b3的连接节点为三阶输入分配网络的第二输出端，电感L_b3与L_b4的连接节点为三阶输入分配网络的第三输出端；

第N堆叠管的输入端连接电容C_bj，电容C_bj的另一端连接场效应晶体管M_sj的栅极,场效应晶体管M_sj的源极接地,漏极与共射管Q_tj的发射极连接，Q_tj的基极连接馈电电阻R_tj，馈电电阻R_tj另一端分别与电阻R_rj和电容C_tj相连，电容C_tj的另一端接地，电阻R_rj的另一端为第N堆叠管的基极馈电端，共射管Q_tj的集电极为第N堆叠管的输出端，其中，N为一、二、三、四、五、六，j＝1,2,3,4,5,6；

三阶级间平衡网络包括依次串联的电阻R_load2、电容C_load2、电感L_m1、L_m2、L_m3、L_m4、电容C_load3、电阻R_load3，并且R_load2和R_load3的另一端均同时接地，电容C_load2与电感L_m1相连的节点为三阶级间平衡网络的第一端口，电感L_m1与电感L_m2相连的节点为三阶级间平衡网络的第二端口，电感L_m2与电感L_m3相连的节点为三阶级间平衡网络的第三输出端口，电感L_m3与电感L_m4相连的节点为三阶级间平衡网络的第四输出端口；

三阶输出合成网路包括依次串联的电阻R_load4、电容C_load4、电感L_c1、L_c2、L_c3、L_c4、电容C_out,电阻R_load4的另一端接地，电容C_out的另一端为三阶输出合成网络的输出端，电容C_load4与电感L_c1相连的节点为三阶输出合成网路的第一输入端，电感L_c1与电感L_c2相连的节点为三阶输出合成网路的第二输入端，电感L_c2与电感L_c3相连的节点为三阶输出合成网路的第三输入端，电感L_c3与电感L_c4相连的节点为三阶输出合成网路的第四输入端；

集电极馈电网络的输入端同时连接接地电容C_vcc、馈电电感L_vcc1和L_vcc2，馈电电感L_vcc1的另一端为集电极馈电网络的第一输出端，馈电电感L_vcc2的另一端为集电极馈电网络的第二输出；

自适应基极馈电网络的输入端连接电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极，电阻R_c2的另一端分别与共射管Q_d2的基极及集电极连接、与馈电电容C_c2连接、与共射管Q_f2的基极连接，共射管Q_d2的发射极与共射管Q_b2的基极及集电极连接，共射管Q_b2的发射极端接地，馈电电容C_c2的另一端接地，共射管Q_f2的发射极与电阻R_e2连接，R_e2的另一端接地，Q_f2的发射极与电阻R_e2连接节点同时与第一至第N堆叠管的基极馈电端，电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极连接点为自适应基极馈电网络的输出端；

下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端IN进入电路，以电流分布式的方式进入三阶输入分配网络的电感L_b1、L_b2、L_b3、L_b4，有效信号通过输入隔直耦合电容C_b1、C_b2和C_b3，进入场效应晶体管M_s1、M_s2和M_s3的栅极，其反射信号通过隔直电容C_load1进入输入吸收负载R_load1，有效信号再以电流分布式从场效应晶体管M_s1、M_s2和M_s3的漏极输入共射管Q_t1、Q_t2和Q_t3的发射极，从共射管Q_t1、Q_t2和Q_t3的集电极输出，然后以电流分布式的方式进入三阶级间平衡网络L_m1、L_m2、L_m3、L_m4，有效信号通过输入隔直耦合电容C_b4、C_b5和C_b6进入场效应晶体M_s4、M_s5和M_s6的栅极，然后输入共射管Q_t4、Q_t5和Q_t6的发射极，从共射管Q_t4、Q_t5和Q_t6的集电极输出，其反射信号通过隔直电容C_load2、C_load3进入级间吸收负载R_load2、R_load3，最后有效信号以电流分布式的方式进入三阶输出合成网络L_c1、L_c2、L_c3、L_c4，通过集电极隔直耦合电容C_out从输出端OUT输出,其反射入射信号通过隔直电容C_load4进入输入吸收负载R_load4。

基于上述电路分析，本实用新型提出的一种基于共源共基复合管的宽带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核心架构采用矩阵堆叠管放大网络：

共源共基堆叠型晶体管管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；

共源共基堆叠型晶体管与Cascode晶体管的不同之处在于：共源共基堆叠型晶体管是采用共源极(CS)的高电子迁移率晶体管堆叠共基极(CB)异质结双极性晶体管构成的，用于改善高频管间失配特性，同时共源共基堆叠型晶体管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，防止晶体管击穿，而Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现基极的交流接地，两者工作原理不同。

在整个一种基于共源共基复合管的宽带放大器电路中，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。

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

1.一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，包括三阶输入分配网络、三阶级间平衡网络、三阶输出合成网络、第一堆叠管、第二堆叠管、第三堆叠管、第四堆叠管、第五堆叠管和第六堆叠管,与三阶级间平衡网络和三阶输出合成网络相连的集电极馈电网络，以及与第一至第六堆叠管相连的自适应基极馈电网络和栅极馈电网络；

所述三阶输入分配网络的输入端为整个所述超宽带放大器的输入端，其第一输出端与所述第一堆叠管的输入端连接，其第二输出端与所述第二堆叠管的输入端连接，其第三输出端与所述第三堆叠管的输入端连接；

所述三阶级间平衡网络的第一端口与所述集电极馈电网络的第一输出端以及所述栅极馈电网络的输入端连接，所述三阶级间平衡网络的第二端口与所述第一堆叠管的输出端、第四堆叠管的输入端连接，所述三阶级间平衡网络的第三端口与所述第二堆叠管的输出端、第五堆叠管的输入端连接，所述三阶级间平衡网络的第四端口与所述第三堆叠管的输出端、第六堆叠管的输入端连接；

所述三阶输出合成网络的输出端为整个所述超宽带放大器的输出端，其第一输入端与所述集电极馈电网络的第二输出端、自适应基极馈电网络的输入端连接，所述三阶输出合成网络的第二输入端与所述第四堆叠管的输出端连接，所述三阶输出合成网络的第三输入端与所述第五堆叠管的输出端连接，所述三阶输出合成网络的第四输入端与所述第六堆叠管的输出端连接；

所述集电极馈电网络的输入端与供电电压Vcc连接；

所述栅极馈电网络的输入端与集电极馈电网络的第一输出端和三阶级间平衡网络的第一端口同时连接，所述栅极馈电网络的第二输出端与所述第一至第六堆叠管的栅极馈电端连接；

所述自适应基极馈电网络的输入端与所述集电极馈电网络的第二输出端和所述三阶输出合成网络的第一输出连接，所述自适应基极馈电网络的输出端与所述第一至第六堆叠管的基极馈电端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述三阶输入分配网络包括从所述超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感L_b1、L_b2、L_b3、L_b4、隔直电容C_load1和负载电阻R_load1,所述电感L_b1与L_b2的连接节点为所述三阶输入分配网络的第一输出端，所述电感L_b2与L_b3的连接节点为所述三阶输入分配网络的第二输出端，所述电感L_b3与L_b4的连接节点为所述三阶输入分配网络的第三输出端。

3.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述第N堆叠管的输入端连接电容C_bj，电容C_bj的另一端连接场效应晶体管M_sj的栅极,所述场效应晶体管M_sj的源极接地,漏极与共射管Q_tj的发射极连接，Q_tj的基极连接馈电电阻R_tj，馈电电阻R_tj另一端分别与电阻R_rj和电容C_tj相连，所述电容C_tj的另一端接地，所述电阻R_rj的另一端为所述第N堆叠管的基极馈电端，所述共射管Q_tj的集电极为第N堆叠管的输出端，其中，N为一、二、三、四、五和六，j＝1,2,3,4,5和6。

4.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述三阶级间平衡网络包括依次串联的电阻R_load2、电容C_load2、电感L_m1、L_m2、L_m3、L_m4、电容C_load3和电阻R_load3，并且R_load2和R_load3的另一端均同时接地，电容C_load2与电感L_m1相连的节点为所述三阶级间平衡网络的第一端口，电感L_m1与电感L_m2相连的节点为所述三阶级间平衡网络的第二端口，电感L_m2与电感L_m3相连的节点为所述三阶级间平衡网络的第三输出端口，电感L_m3与电感L_m4相连的节点为所述三阶级间平衡网络的第四输出端口。

5.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述三阶输出合成网路包括依次串联的电阻R_load4、电容C_load4、电感L_c1、L_c2、L_c3、L_c4和电容C_out,电阻R_load4的另一端接地，电容C_out的另一端为所述三阶输出合成网络的输出端，电容C_load4与电感L_c1相连的节点为所述三阶输出合成网路的第一输入端，电感L_c1与电感L_c2相连的节点为所述三阶输出合成网路的第二输入端，电感L_c2与电感L_c3相连的节点为所述三阶输出合成网路的第三输入端，电感L_c3与电感L_c4相连的节点为所述三阶输出合成网路的第四输入端。

6.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述集电极馈电网络的输入端同时连接接地电容C_vcc、馈电电感L_vcc1和L_vcc2，馈电电感L_vcc1的另一端为所述集电极馈电网络的第一输出端，馈电电感L_vcc2的另一端为所述集电极馈电网络的第二输出端。

7.根据权利要求1所述的一种基于共源共基复合管的宽带放大器，其特征在于，所述自适应基极馈电网络的输入端连接电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极，电阻R_c2的另一端分别与共射管Q_d2的基极及集电极连接、与馈电电容C_c2连接、与共射管Q_f2的基极连接，所述共射管Q_d2的发射极与共射管Q_b2的基极及集电极连接，共射管Q_b2的发射极端接地，馈电电容C_c2的另一端接地，所述共射管Q_f2的发射极与电阻R_e2连接，R_e2的另一端接地，Q_f2的发射极与电阻R_e2连接节点同时与第一至第六堆叠管的基极馈电端，电阻R_c2和共射管Q_f2的集电极连接点为自适应基极馈电网络的输出端。