CN102347737A - 宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于其包括第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和匹配电路；所述第一级功率放大电路经匹配电路接第二级功率放大电路。本发明开发的产品的带宽为2GHz-6GHz，芯片面积3.5*2.5mm2，饱和输出功率43dBm，单位面积输出功率为2.29W/mm2。和同样衬底的放大器相比，拥有更高的单位面积功率输出效率。在***面积资源紧张以及供能***简约的大趋势下，面积的缩小可以使***简化；同时可以使芯片的性能起伏性减小，提高成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基新型材料微波单片集成电路，尤其是一种宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器。
背景技术
CREE公司的产品CMPA0060002F和CMPA0060025F的工作频率为20MHz-6GHz，芯片面积为3.5*3.7 mm2和4.2*3.7 mm2，饱和输出功率分别为37dBm和44dBm，CMPA2560025F的工作频率为2.5GHz-6GHz，饱和输出功率分别为44dBm，芯片面积为4*3.7 mm2；三款单片放大器均采用氮化镓基材料作为基片。
2000年第二届国际微波毫米波南京电子器件研究所报道的2-6GHz GaAs功率MMIC饱和输出功率32dBm，芯片面积2.6*2.7mm2；2008年M/A-COM公司的 Inder J. Bahl报道了2–8 GHzGaAs功率MMIC饱和输出功率39dBm，芯片面积5*6.3mm2；2-6GHz GaAs的产品MAAPGM0078-DIE的饱和输出功率41dBm，芯片面积5*6.3mm2。三款单片放大器均采用采用砷化镓基材料作为基片。
其中，CMPA0060002F的单位面积输出功率0.39W/mm2；CMPA0060025F的单位面积输出功率2.05W/mm2；CMPA2560025F的单位面积输出功率2.16W/mm2；2-6GHz GaAs功率MMIC的单位面积输出功率0.23W/mm2；2–8 GHzGaAs功率MMIC的单位面积输出功率0.25W/mm2；2-6GHz GaAs的产品MAAPGM0078-DIE的单位面积输出功率0.38W/mm2。
以上产品的单位面积输出功率偏小，导致要么带宽太宽，为50MHz-6GHz，要么太窄，为2.5 GHz-6GHz，作为一个2GHz-6GHz的标准频段而言，都是不合适的。若带宽不够，满足不了工程应用要求；若带宽太宽，则容易带外信息错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种增大单位面积输出功率的宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于其包括第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和匹配电路；所述第一级功率放大电路的输出端经匹配电路接第二级功率放大电路的输入端；
所述第一级功率放大电路由场效应管T1-T2、电感L11-L16、电容C1-C2组成；所述电感L11的一端为信号输入端Pin，其另一端经所述电容C1分别接所述场效应管T1和T2的栅极；所述电感L11与所述电容C1的节点经所述电感L12接地；所述场效应管T1的栅极经所述电感L15接电源Vg；所述电容C2接在电源Vg与地之间；所述场效应管T1和T2的漏极分别经所述电感L13和电感L14接所述第一级功率放大电路的输出端A点，其源极分别接地；
所述匹配电路由电容C3、电感L17-L23组成；所述电感L17的一端与经所述电容C3接A点，其另一端一路依次经所述电感L18、L19接所述第二级功率放大电路的输入端B点，另一路经所述电感L21、L22接所述第二级功率放大电路的输入端C点；所述电感L20接在所述电感L18和L19的节点与地之间；所述电感L23接在所述电感L21和L22的节点与地之间；
所述第二级功率放大电路由场效应管T3-T6、电感L24-L33、电容C4-C10组成；所述场效应管T3和T4的栅极分别经接所述所述电容C5和C6接所述B点，其源极接地；所述场效应管T3的漏极依次经所述电感L25、L30、L31、电容C11接信号输出端Pout；所述电感L24一端接所述场效应管T3、T4、T5、T6的栅极,其另一端接电源Vg；所述电感L26一端接所述场效应管T4的漏极，其另一端接和所述电感L25和L30的节点；所述电感L29接在所述电感L25和L30的节点与电源Vd之间；所述电容C9接在所述电感L30和L31的节点与地之间；所述场效应管T5和T6的栅极分别经接所述所述电容C7和C8接所述C点，其源极接地；所述场效应管T5的漏极依次经所述电感L27、L32、L33接所述电感L31与电容C11的节点；所述电感L28一端接所述场效应管T6的漏极，其另一端接所述电感L27和L28的节点；所述电容C10接在所述电感L32和L33的节点与地之间。
所述宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器集成在单片晶圆上。
所述宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器的晶圆采用氮化镓基材料作为基片。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、匹配电路结构引入级间反射波复用结构，使信号重复利用。
2、现有结构通常采用一个串联电容进行隔直，对工作电压小的GaAs是合适的，但对工作电压高的GaN器件而言，容易造成击穿；而本发明中C3分别和C5、C6、C7、C8在信号通路上构成两个串联的隔直电容，每个电容承受的电压减半，提高了耐受电压。由于抗高电压能力增加，所以可以工作在更高电压，从而可以输出更大功率。本发明的饱和输出功率为43dBm。
3、GaN基材料是非常昂贵的材料，充分利用材料的面积是非常必要的。本发明的匹配电路结构采用了两个串联电容和一个并联电感，只需较小的串联电感就可实现需要的匹配特性，缩小了串联电感的占用面积。由于面积减小，同样的晶圆上，有效单元的数量增加，使得同等芯片面积下的输出输出功率大大增加，或者使芯片单位芯片面积下的功率密度增加。本发明开发的产品的带宽为2GHz-6GHz，芯片面积3.5*2.5mm2，单位面积输出功率2.29W/mm2。和同样衬底的放大器相比，拥有更高的单位面积功率输出效率。在***面积资源紧张以及供能***简约的大趋势下，面积的缩小可以使***简化。同时可以使芯片的起伏性减小，提高成品率。
4、本发明的匹配电路结构的偏置电路采用多组管体管一个偏置LC网络的加电结构，保持不自激；由于不容易自激，所以减小了偏置网络带来的不均匀性，成品率进一步提高。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2 是本发明的性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于其包括第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和匹配电路；所述第一级功率放大电路的输出端经匹配电路接第二级功率放大电路的输入端；
所述第一级功率放大电路由场效应管T1-T2、电感L11-L16、电容C1-C2组成；所述电感L11的一端为信号输入端Pin，其另一端经所述电容C1分别接所述场效应管T1和T2的栅极；所述电感L11与所述电容C1的节点经所述电感L12接地；所述场效应管T1的栅极经所述电感L15接电源Vg；所述电容C2接在电源Vg与地之间；所述场效应管T1和T2的漏极分别经所述电感L13和电感L14接所述第一级功率放大电路的输出端A点，其源极分别接地；
所述匹配电路由电容C3、电感L17-L23组成；所述电感L17的一端与经所述电容C3接A点，其另一端一路依次经所述电感L18、L19接所述第二级功率放大电路的输入端B点，另一路经所述电感L21、L22接所述第二级功率放大电路的输入端C点；所述电感L20接在所述电感L18和L19的节点与地之间；所述电感L23接在所述电感L21和L22的节点与地之间；
所述第二级功率放大电路由场效应管T3-T6、电感L24-L33、电容C4-C10组成；所述场效应管T3和T4的栅极分别经接所述所述电容C5和C6接所述B点，其源极接地；所述场效应管T3的漏极依次经所述电感L25、L30、L31、电容C11接信号输出端Pout；所述电感L24一端接所述场效应管T3、T4、T5、T6的栅极,其另一端接电源Vg；所述电感L26一端接所述场效应管T4的漏极，其另一端接和所述电感L25和L30的节点；所述电感L29接在所述电感L25和L30的节点与电源Vd之间；所述电容C9接在所述电感L30和L31的节点与地之间；所述场效应管T5和T6的栅极分别经接所述所述电容C7和C8接所述C点，其源极接地；所述场效应管T5的漏极依次经所述电感L27、L32、L33接所述电感L31与电容C11的节点；所述电感L28一端接所述场效应管T6的漏极，其另一端接所述电感L27和L28的节点；所述电容C10接在所述电感L32和L33的节点与地之间。
所述宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器集成在单片晶圆上。
所述宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器的晶圆采用氮化镓基材料作为基片。
电路中，电感L15、L16、 L24、L29是扼流电感，防止射频信号泄漏到电源；L12、L20、L23实现射频信号的二次反射；其余电感实现匹配。电容C2、C4实现滤波，滤除电源中的纹波；C1、C3、C5-C8、C11实现直流信号的隔离，防止直流信号进入信号端口。
放大器的信号流向是单向的，从Pin到Pout。放大器本身的工作原理非常简单，通过Vg、Vd将场效应晶体管固定在可以放大的状态，信号经过两级功率放大电路实现放大。信号到达第一级功率放大电路输入端时，大部分信号进入到场效应晶体管实现放大后输出，小部分信号被反射，反射信号被L12再次反射后进入场效应晶体管T1、T2，实现信号的二次利用；第一级功率放大电路输出信号经匹配电路到达第二级功率放大电路输入端时，大部分信号进入场效应晶体管T3-T6实现放大后输出，小部分信号被反射，反射信号被L20、L23再次反射后进入场效应晶体管T3-T6的输入端，实现信号的二次利用，也就是提高了效率。
Claims (3)
1.一种宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于其包括第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和匹配电路；所述第一级功率放大电路的输出端经匹配电路接第二级功率放大电路的输入端；
所述第一级功率放大电路由场效应管T1-T2、电感L11-L16、电容C1-C2组成；所述电感L11的一端为信号输入端Pin，其另一端经所述电容C1分别接所述场效应管T1和T2的栅极；所述电感L11与所述电容C1的节点经所述电感L12接地；所述场效应管T1的栅极经所述电感L15接电源Vg；所述电容C2接在电源Vg与地之间；所述场效应管T1和T2的漏极分别经所述电感L13和电感L14接所述第一级功率放大电路的输出端A点，其源极分别接地；
所述匹配电路由电容C3、电感L17-L23组成；所述电感L17的一端与经所述电容C3接A点，其另一端一路依次经所述电感L18、L19接所述第二级功率放大电路的输入端B点，另一路经所述电感L21、L22接所述第二级功率放大电路的输入端C点；所述电感L20接在所述电感L18和L19的节点与地之间；所述电感L23接在所述电感L21和L22的节点与地之间；
所述第二级功率放大电路由场效应管T3-T6、电感L24-L33、电容C4-C10组成；所述场效应管T3和T4的栅极分别经接所述所述电容C5和C6接所述B点，其源极接地；所述场效应管T3的漏极依次经所述电感L25、L30、L31、电容C11接信号输出端Pout；所述电感L24一端接所述场效应管T3、T4、T5、T6的栅极,其另一端接电源Vg；所述电感L26一端接所述场效应管T4的漏极，其另一端接和所述电感L25和L30的节点；所述电感L29接在所述电感L25和L30的节点与电源Vd之间；所述电容C9接在所述电感L30和L31的节点与地之间；所述场效应管T5和T6的栅极分别经接所述所述电容C7和C8接所述C点，其源极接地；所述场效应管T5的漏极依次经所述电感L27、L32、L33接所述电感L31与电容C11的节点；所述电感L28一端接所述场效应管T6的漏极，其另一端接所述电感L27和L28的节点；所述电容C10接在所述电感L32和L33的节点与地之间。
2.基于权利要求1所述的宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于所述电路集成在单片晶圆上。
3.基于权利要求1所述的宽带氮化镓基微波大功率单片集成功率放大器，其特征在于所述晶圆采用氮化镓基材料作为基片。
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