CN101252342A - 单芯片射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种单芯片射频功率放大器，其在单芯片上集成有：工作在A类且用于放大输入信号的输入级、工作在AB类且通过耦合电容与所述输入级相连接、用于将所述输入级输出的信号再次放大的推动级、及工作在C类且通过耦合电容与所述推动级相连接、用于将所述推动级输出的信号放大输出的输出级，同时还设置有与所述输入级相连接的信号输入焊盘、第一栅偏置电压输入焊盘及第一接地焊盘、与所述推动级相连接的第二栅偏置电压输入焊盘及第二接地焊盘、与所述输出级相连接的信号输出焊盘、第三栅偏置电压输入焊盘及第三接地焊盘，如此三级级联结构，即可提高放大器的总体功率增益及稳定性，又能提高放大器的效率。

Description

单芯片射频功率放大器

技术领域

本发明涉及一种单芯片射频功率放大器。

背景技术

随着无线技术的发展，用户倾向于选择面积更小，价格更便宜的移动设备，射频IC的设计也向这两个方向不断进步。

现有的对讲机应用中，射频功率放大器一直都是用分立的元器件在印刷电路板上实现，这种解决方案主要有以下不足：

1：占用印刷电路板的面积比较大；2：调试十分麻烦，而且很容易振荡；3：如果要实现4W甚至更高的输出功率，还需要购买昂贵的射频功率放大器模块，成本相对较高；4：在商用的射频功率放大器芯片市场中，可以用在对讲机频段的不多，并且增益不高，一般在25dB到30dB，需要增加额外的增益放大驱动级才能应用在对讲机中。

此外，现有采用砷化镓，锗硅等较昂贵的工艺实现的功率放大芯片，虽然性能上有一定优势，但价格限制了应用范围。

因此，如何解决现有功率放大器存在的诸多缺点，实现在单一芯片上集成射频功率放大器的元器件实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高增益，高效率的单芯片射频功率放大器。

为了达到上述目的，本发明提供的单芯片射频功率放大器，在单芯片上集成有如下部件：工作在A类且用于放大输入信号的输入级，所述输入级包含用作电压偏置的偏置电阻；工作在AB类且通过耦合电容与所述输入级相连接、用于将所述输入级输出的信号再次放大的推动级，所述推动级也包含用作电压偏置的偏置电阻；工作在C类且通过耦合电容与所述推动级相连接、用于将所述推动级输出的信号放大输出的输出级；与所述输入级相连接的信号输入焊盘、向输入级的偏置电阻提供电压的第一栅偏置电压输入焊盘及第一接地焊盘；向推动级的偏置电阻提供电压的第二栅偏置电压输入焊盘及第二接地焊盘；与所述输出级相连接的信号输出焊盘、向输出级的偏置电阻提供电压的第三栅偏置电压输入焊盘及第三接地焊盘；其中，所述输出级包含的放大管的尺寸根据其连接的负载所确定，进而根据所述输出级的饱和输入功率确定所述推动级所包含的放大管的尺寸。

较佳地，所述输入级、推动级及输出级各自包含的放大管都为采用LDMOS工艺制作的场效应管。

较佳地，在所述单芯片上还集成有电阻电容串联的并联电压负反馈电路，所述并联电压反馈电路连接在所述推动级包含的场效应管的漏极和栅极之间。

较佳地，所述信号输入焊盘和信号输出焊盘分别位于所述单芯片的相对两侧。

较佳地，所述信号输出焊盘为4个。

较佳地，所述第一栅偏置电压焊盘、第二栅偏置电压焊盘及第三栅偏置电压焊盘与地之间分别连接有防静电保护二极管。

较佳地，在所述芯片上具有单独的接地焊盘及单独的电源焊盘的防静电保护电路。

较佳地，所述第一接地焊盘、第二接地焊盘及第三接地焊盘都采用Downbond结构。

较佳地，所述单芯片射频功率放大器为用于对讲机的射频功率放大器。

综上所述，本发明的单芯片射频功率放大器采用三级放大的结构，且三级放大的功率增益逐级减小，而输出功率却逐级增大，如此可有效提高放大器的总体功率增益及稳定性，同时其输出级工作在C类，可有效提高放大器的整体效率。

附图说明

图1为本发明的单芯片射频功率放大器的电路结构示意图。

图2为本发明的单芯片射频功率放大器的芯片结构示意图。

具体实施方式

本发明的单芯片射频功率放大器可为用于对讲机的射频功率放大器，其可工作在130MHz-550MHz频段，此外，其也可作为对讲手机或数据通讯用的射频功率放大器。

请参阅图1及图2，所述单芯片射频功率放大器在单芯片上集成的部件包括：输入级、推动级、输出级、与所述输入级相连接的信号输入焊盘、第一栅偏置电压输入焊盘及第一接地焊盘、与所述推动级相连接的第二栅偏置电压输入焊盘及第二接地焊盘、及与所述输出级相连接的信号输出焊盘、第三栅偏置电压输入焊盘及第三接地焊盘，此外，在所述芯片上还具有单独的接地焊盘及单独的电源焊盘的防静电保护电路。

所述输入级工作在A类，用于线性地放大输入信号，其包括采用LDMOS工艺形成的场效应管M1、作为电压偏置电路的电阻R1、及设置在芯片外的漏级负载，其中，所述场效应管M1作为线性放大级，其尺寸偏小，且其栅极接有两个信号输入焊盘2和3(RF IN)，其漏栅极之间接有向偏置电路R1提供电压的第一栅偏置电压输入焊盘1和5(即漏极电压VDD1和栅极电压VGS1)，所述第一接地焊盘4采用Downbond结构，即连接到所述防静电保护电路的接地焊盘上。连接到相应芯片防静电保护电路圈的地上(GND)，电源焊盘8(VDDA)连接到防静电保护电路圈的电源上。

所述推动级工作在AB类，且通过耦合电容(即电容C1)与所述输入级相连接，用于将所述输入级输出的信号再次放大，以便为后一级能够工作在饱和状态提供足够的输入功率，并且本身也提供增益，其包括采用LDMOS工艺形成的场效应管M2、作为电压偏置电路的电阻R2、及设置在芯片外的漏极负载，为了提高电路稳定性，在所述推动级上还加入有电阻电容串联(即R3和C3串联)的并联电压负反馈电路，所述并联电压反馈电路连接在所述推动级包含的场效应管的漏极和栅极之间，可有效抑制振荡，并使整体性能不受较大影响，且能提高功率放大电路的稳定性。所述场效应管M2的栅极设有向偏置电阻R2提供电压的的第二栅偏置电压输入焊盘15和16(即VDD2和VGS2)，其源极设有第二接地焊盘7(即GND)。

所述输出级工作在C类，且通过耦合电容(即电容C2)与所述推动级相连接，用于放大所述推动级输出的信号，其包括采用LDMOS工艺形成的场效应管M3、作为电压偏置电路的电阻R4、及设置在芯片外的漏级负载，所述场效应管M3的尺寸根据其连接的负载所确定，由此根据所述输出级的饱和输入功率即可确定所述推动级所包含的放大管M2的尺寸，且所述场效应管M3的漏极设有4个信号输出焊盘9、10、11及12(即RF OUT)，且设有向栅偏置电路提供电压的的第二栅偏置电压输入焊盘14(即VGS3)，其源极设有第二接地焊盘(即GND)，且其也采用Downbond结构。需注意的是，信号输出焊盘也可根据实际需要来设定，例如，设定6个信号输出焊盘等。

此外，为保证射频功率放大器的高性能，本实施例中的信号输入焊盘2和3都设置在芯片的左侧，信号输出焊盘9、10、11、及12都设置在芯片的右侧，使输入输出的耦合减小，提高了稳定性，输出级焊盘需要承受较大电流，本发明中用了四个焊盘输出信号。再有，为了实现较好的防静电保护(ESD)性能，所述第一栅偏置电压输入焊盘1和5、第二栅偏置电压输入焊盘15和16及第三栅偏置电压输入焊盘14与地之间分别连接有静电放电保护二极管，而为了减少了源级寄生电感，所述第一接地焊盘4、第二接地焊盘6及第三接地焊盘7都采用部分Downbond结构。此外，图2中所示的焊盘6和13为空置焊盘(即NC焊盘)。

综上所述，本发明的单芯片射频功率放大器采用三级放大的结构，且三级放大的功率增益逐级减小，而输出功率逐级增大，此种结构具有以下优点：

1、用不同的电路级实现增益和功率输出，可以同时实现高的功率增益和功率输出。

2、有助于提高整体稳定性，通常输出功率越大的一级越容易产生振荡现象，在本发明中，功率输出较大的部分增益比较小，有效的抑制了振荡。

3、功率输出级可以提供较小的增益，可以工作在C类，提高了整体效率。

同时，本发明的单芯片射频功率放大器各级之间连接的耦合电容可和设置在芯片外的电路形成谐振及滤波电路，进而形成一个带通的特性，使所需要的频段信号能通过，同时抑制寄生振荡，使整个电路在较宽的频带上稳定工作，并保持高增益高效率的整体性能。

此外，本发明的单芯片射频功率放大器还设置有反馈电路，并对信号输入焊盘和信号输出焊盘的布局进行了优化，同时在直流电压输入的焊盘上都加了防静电保护二级管，使整个芯片的偏置电压和地之间加入箝位电路以实现良好的防静电保护性能，且功放的每一级地都采用Downbond结构，减少了源级寄生电感，如此可有效提高功率放大电路的稳定性。

再者，本发明的单芯片射频功率放大器可满足从3.0V到7.0V单电源供电，其工作频域宽在130MHz-550MHz之间，其功率增益可高达41dB，并有60％的高附加功率功效，其可广泛应用于双模对讲机，数据传输，便携式电池供电装置，远程遥控和其它一些商用以及消费类***。

Claims (9)

1.一种单芯片射频功率放大器，其特征在于在单芯片上集成有如下部件：

工作在A类且用于放大输入信号的输入级，所述输入级包含用作电压偏置的偏置电阻；

工作在AB类且通过耦合电容与所述输入级相连接、用于将所述输入级输出的信号再次放大的推动级，所述推动级也包含用作电压偏置的偏置电阻；

工作在C类且通过耦合电容与所述推动级相连接、用于将所述推动级输出的信号放大输出的输出级；

与所述输入级相连接的信号输入焊盘、向输入级的偏置电阻提供电压的第一栅偏置电压输入焊盘及第一接地焊盘；

向推动级的偏置电阻提供偏置的第二栅偏置电压输入焊盘及第二接地焊盘；

与所述输出级相连接的信号输出焊盘、向输出级的偏置电阻提供电压的第三栅偏置电压输入焊盘及第三接地焊盘；

其中，所述输出级包含的放大管的尺寸根据其连接的负载所确定，进而根据所述输出级的饱和输入功率确定所述推动级所包含的放大管的尺寸。

2.如权利要求1所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述输入级、推动级及输出级各自包含的放大管都为采用LDMOS工艺制作的场效应管。

3.如权利要求2所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：在所述单芯片上还集成有电阻电容串联的并联电压负反馈电路，所述并联电压反馈电路连接在所述推动级包含的场效应管的漏极和栅极之间。

4.如权利要求1所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述信号输入焊盘和信号输出焊盘分别位于所述单芯片的相对两侧。

5.如权利要求1或4所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述信号输出焊盘为4个。

6.如权利要求1所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述第一栅偏置电压焊盘、第二栅偏置电压焊盘及第三栅偏置电压焊盘与地之间分别连接有防静电保护二极管。

7.如权利要求1所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于还包括：在所述芯片上具有单独的接地焊盘及单独的电源焊盘的防静电保护电路。

8.如权利要求7所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述第一接地焊盘、第二接地焊盘及第三接地焊盘都采用Downbond结构，即各接地焊盘都连接到所述防静电保护电路路的接地焊盘上。

9.如权利要求1所述的单芯片射频功率放大器，其特征在于：所述单芯片射频功率放大器为用于对讲机、对讲手机或数据通讯的射频功率放大器。

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