CN103023448B - 具有补偿性谐振器匹配拓扑的rf器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有补偿性谐振器匹配拓扑的RF器件。一种放大器电路包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器。RF晶体管具有输入、输出和本征输出电容。并联谐振器被连接到RF晶体管的输出，并且包括与RF晶体管的本征输出电容并联连接的第一电感部件。串联谐振器将RF晶体管的输出连接到输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件。串联谐振器能够操作以补偿并联谐振器的阻抗在频率上的变化。
Description
技术领域
本申请涉及RF器件、特别是具有本征输出电容的RF晶体管。
背景技术
常规的高功率、高频RF器件通常包括用于使器件本征输出电容谐振并且允许器件的更容易的外部匹配的内部并联电感匹配网络。然而，因为该结构的固有谐振性质，所以这种LC网络具有频率限制。另外，高功率RF器件封装使用用于将信号从管芯载送到封装边缘的接合线。这些接合线向LC匹配网络引入不希望有的串联电感，从而迫使比可能期望的更高的Q匹配。通过使用后面是LC低通匹配结构的内部集总并联电感器，可以在封装处减小Q。然而，由于在最后一个电容器和器件输出端子之间提供了电感接合线，所以这种方法不允许在封装处给出理想的实阻抗。这种方法还提供阻抗变换，并且因此对于负载调制而言不是透明的。
发明内容
在这里描述的实施例提供一种串联谐振器，该串联谐振器具有通常被连接到RF晶体管的输出的并联谐振器的反向特性，使得串联谐振器补偿并联谐振器在频率上的响应。RF晶体管能够被制作成在中心频率处显示出实际上理想的负载轮廓布置，其由于这两个谐振器的补偿性质而在宽的带宽上具有最小变化。这允许利用宽带结构（例如Klopfenstein渐变线）设计放大器，并且除了其他应用之外，还允许宽带多赫蒂（Doherty）组合网络的使用。在这里描述的实施例还为固定负载应用提供增强的带宽。
根据放大器电路的一个实施例，该电路包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器。RF晶体管具有输入、输出和本征输出电容。并联谐振器被连接到RF晶体管的输出，并且包括与RF晶体管的本征输出电容并联耦合的第一电感部件。串联谐振器将RF晶体管的输出连接到输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件。串联谐振器能够操作以补偿并联谐振器的阻抗在频率上的变化。
根据操作放大器电路的方法的一个实施例，该方法包括：放大输入到还具有输出和本征输出电容的RF晶体管的信号；将第一电感部件与RF晶体管的本征输出电容并联耦合以形成被耦合到RF晶体管的输出的并联谐振器；经由串联谐振器将RF晶体管的输出耦合到输出端子，该串联谐振器包括与电容部件串联连接的第二电感部件；以及经由串联谐振器补偿并联谐振器的阻抗在频率上的变化。
根据放大器电路的另一实施例，该电路包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器。RF晶体管具有输入、输出和本征输出电容。RF晶体管能够操作以在负载调制模式中在第一负载阻抗下和在全功率模式中在第二较低负载阻抗下工作。并联谐振器被连接到RF晶体管的输出，并且包括与RF晶体管的本征输出电容并联连接的第一电感部件。串联谐振器将RF晶体管的输出连接到输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件。与并联谐振器相结合的串联谐振器能够操作以对于相同频率而言在负载调制模式和全功率模式这二者中为RF晶体管维持实负载阻抗。
根据多赫蒂放大器电路的一个实施例，该电路包括第一输出端子、第二输出端子、主放大器、峰值放大器、并联谐振器和串联谐振器。主放大器被偏置在B或AB类模式，并且具有输入、输出和本征输出电容。主放大器能够操作以在负载调制模式中在第一负载阻抗下和在全功率模式中在第二较低负载阻抗下工作。峰值放大器被偏置在C类模式，并且被电连接到第二输出端子。并联谐振器被连接到主放大器的输出，并且包括与主放大器的本征输出电容并联连接的第一电感部件。串联谐振器将主放大器的输出连接到第一输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件。与并联谐振器相结合的串联谐振器能够操作以对于相同频率而言在负载调制模式和全功率模式这二者中为主放大器维持实负载阻抗。
一阅读后面的详细描述并且一查看附图，本领域技术人员就将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图的元件相对于彼此不一定是按比例的。类似的附图标记表示对应的类似部分。各种示出的实施例的特征能够被组合，除非它们相互排斥。实施例在附图中被描绘，并且在后面的描述中被详述。
图1示出包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器的放大器电路的电路图。
图2示出图1所示的并联谐振器和串联谐振器的各个阻抗的史密斯圆图。
图3示出图1所示的并联谐振器和串联谐振器的组合阻抗的史密斯圆图。
图4示出用于固定负载阻抗的、包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器的放大器电路的电抗元件的带宽响应的曲线图。
图5示出用于经调制负载阻抗的、包括RF晶体管、并联谐振器和串联谐振器的放大器电路的电抗元件的带宽响应的曲线图。
图6示出包括具有并联谐振器和串联谐振器的主放大器的多赫蒂放大器电路的电路图。
图7示出图6所示的主放大器电路的负载阻抗的史密斯圆图。
具体实施方式
图1示出包括RF晶体管100、并联谐振器110和串联谐振器120的放大器电路的一个实施例。RF晶体管100具有输入102、输出104和本征输出电容（CDS）。RF晶体管100放大在晶体管输入102处提供的信号。RF晶体管100可以在其中在晶体管上的负载阻抗保持恒定的固定负载应用中操作。RF晶体管100还可以在其中在晶体管100上的负载阻抗在低功率设置下更高以提高效率并且在全功率下较低的负载调制应用中操作。在一个实施例中，RF晶体管100是LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）晶体管，其中LDMOS晶体管的栅极（G）是输入102，漏极（D）是输出104，并且在晶体管100的漏极和源极（S）106之间标注（reference）本征输出电容。在另一实施例中，RF晶体管100是GaNMESFET（金属半导体场效应晶体管）、GaAsHBT（异质结双极晶体管）、PHEMT（伪高电子迁移率晶体管）、或者其他类型的晶体管。与硅技术相比，对于可比的功率器件，GaN具有固有地更低的寄生输出电容。GaNMESFET（象LDMOS晶体管）具有作为输入102的栅极（G）、作为输出104的漏极（D），并且在漏极和源极之间标注本征输出电容。晶体管源极106可以被连接到地或某一其他电位。可以代之以使用晶体管的其他类型或配置，举例来说，例如异质结双极晶体管或者任何其他类型的RF功率晶体管。
在所有情况下，并联谐振器110被连接到RF晶体管100的输出104（图1中的漏极）。并联谐振器110包括与RF晶体管100的本征输出电容CDS并联耦合的电感部件112。图1所示的晶体管100是LDMOS或GaNMESFET晶体管，并且因此并联谐振器110的电感部件112与在漏极和地之间的本征输出电容并联耦合。在一个实施例中，并联谐振器110的电感部件112是调谐接合线，并且DC阻塞电容器（CDC）与调谐接合线串联连接以防止在晶体管输出104处到地的、不希望有的DC路径。
串联谐振器120也被连接到RF晶体管100的输出104。串联谐振器120将晶体管输出104连接到放大器电路的输出端子130（例如在包括放大器电路的封装的边缘处）。串联谐振器120包括与电容部件124串联连接的电感部件122。在一个实施例中，串联谐振器120的电感部件122是将RF晶体管100的输出104耦合到能够是RFMOS电容器的电容部件124的接合线。串联谐振器120补偿并联谐振器110的阻抗在频率上的变化。虽然串联谐振器120不减小并联谐振器110的Q，但是串联谐振器120的确使得能够将“实”最佳负载阻抗用于RF晶体管100，因为漏极接合线的寄生电感被吸收到串联谐振器120的电感部件122中。因此，RF晶体管100能够基本上具有理想的“实”阻抗负载轮廓，并且在封装器件级提供低得多的Q。串联谐振器120还对于在大的RF功率器件中存在的并联谐振器110提供在频率上的补偿，从而使得能够实现宽的带宽。
图2示出对于特定的器件参数集合的、在2000MHz的频率扫描上并联谐振器110和串联谐振器120的各个阻抗的史密斯圆图。在图2中，并联谐振器110的阻抗由标记为“并联谐振器”的曲线代表，并且串联谐振器120的阻抗由标记为“串联谐振器”的曲线代表。并联谐振器110随着频率增加变得电感性更低，并且最终在足够高的频率下变得是电容性的，如由沿着在图2中标记为“并联谐振器”的曲线包括的总体面向下的箭头所指示的那样（向下箭头指示增加频率）。为了补偿并联谐振器110的这种响应（如果保持未缓和的，其否则将不利地影响带宽），串联谐振器120随着频率增加变得电感性更高，如由沿着在图2中标记为“串联谐振器”的曲线包括的总体面向上的箭头所指示的那样。当频率降低时，相反的响应发生，也就是，并联谐振器110变得电感性更高并且串联谐振器120变得电感性更低。串联谐振器120因此被设计成平衡、补偿或者以其他方式至少部分地抵消并联谐振器110的电感性在频率上的变化。
图3示出在如在图2中一样的频率扫描上并且对于相同的器件参数集合的两个谐振器110、120的组合阻抗的史密斯圆图。串联谐振器120对于并联谐振器110的阻抗在频率上的补偿影响对于RF晶体管100导致组合负载阻抗，与不具有串联谐振器120的相同电路相比，该组合负载阻抗在更宽频率范围上朝着实轴内折（foldin）。这种折叠响应增强了放大器电路的带宽，从而使其很好地适合于宽带应用。各种仿真显示，与不具有串联谐振器120相比，具有串联谐振器120的放大器电路的带宽是至少1.5X大。
图4对于达到固定的最佳负载阻抗的具有30pF本征输出电容的示例性LDMOS晶体管管芯示出在频率上的回程损耗（单位dB）。在这个固定负载阻抗实例中，示例性LDMOS晶体管在具有在电路中包括的串联谐振器120的情况下提供大约1142MHz的带宽，以及在不具有串联谐振器120的情况下提供大约仅仅639MHz的带宽（在该实例中在-15dB回程损耗点处测量带宽）。在这个示例性电路中包括串联谐振器120产生1.8X带宽增强。带宽增强保持大约1.8X（具有串联谐振器），而与管芯尺寸和寄生/管芯周边无关。
图5对于如上所述的、但是处于负载调制应用中的相同的示例性90mmLDMOS晶体管管芯示出在频率上的回程损耗（单位dB）。示例性LDMOS晶体管在该实例中被优化以用于2：1负载调制（例如6Ω负载调制模式和3Ω全功率模式）。在这种操作条件下，对于高阻抗负载调制模式和低阻抗全功率模式这二者，在具有在电路中包括的串联谐振器120的情况下，示例性LDMOS晶体管具有大约545MHz的带宽（在该实例中在-15dB回程损耗点处测量带宽）。在不具有串联谐振器120的情况下，示例性LDMOS晶体管在高阻抗负载调制模式中仅仅具有大约319MHz的带宽，从而在具有串联谐振器120情况下产生1.7X带宽增强。带宽增强保持大约1.7X，而与管芯尺寸和寄生/管芯面积无关。
在一个负载调制实施例中，图1的放大器电路可以是多赫蒂放大器电路，并且RF晶体管100是多赫蒂放大器电路的主放大器。RF晶体管100在负载调制模式中在第一（较高）负载阻抗下以及在全功率模式中在第二（较低）负载阻抗下工作。如在这里先前所描述的那样，并联谐振器110被连接到RF晶体管100的输出104，并且包括与RF晶体管100的本征输出电容CDS并联连接的电感部件112。也如在这里先前所描述的那样，串联谐振器120将RF晶体管100的输出104连接到主放大器的输出端子130。对于相同频率而言在负载调制和全功率这两种模式中，与并联谐振器110相结合的串联谐振器120对于RF晶体管100（在该实施例中的主放大器）维持实负载阻抗。与并联谐振器110相结合的串联谐振器120还能够在负载调制和全功率模式中为放大器电路维持相同的带宽。
图6示出用在负载调制应用中的多赫蒂放大器电路的一个实施例。多赫蒂放大器电路包括主放大器200、用于主放大器200的输出端子202、峰值放大器210、以及用于峰值放大器210的输出端子212。主放大器200被偏置在B或AB类模式，并且具有输入204、输出206和本征输出电容（CDS）。峰值放大器210被偏置在C类模式，并且经由例如接合线220被电连接到输出端子212。放大器200、210这二者具有被连接到各自的放大器200、210的输出的并联谐振器230、240。每个并联谐振器230、240具有与对应的放大器200、210的本征输出电容CDS并联连接的电感部件232、242，例如调谐接合线。DC阻塞电容器（CDC）可以与每条各自的调谐接合线232、242串联连接。
多赫蒂放大器电路还包括将主放大器200的输出206连接到用于主放大器200的输出端子202的串联谐振器250。串联谐振器250包括与电容部件254（例如RFMOS电容器）串联连接的电感部件252（例如接合线）。
主放大器200在负载调制模式中在第一（更高）负载阻抗下以及在全功率模式中在第二较低负载阻抗下工作。在低功率电平，仅仅主放大器200是操作的。主放大器200的效率随着功率电平增加而增加。主放大器200最终随着功率电平继续升高而达到最大效率点。在这个功率电平，峰值放大器210开启。对于高于这个点的功率电平，峰值放大器210的效率类似地增加。能够提供一个或多个附加的峰值放大器。与主放大器200的并联谐振器230相结合的串联谐振器250对于相同频率而言在负载调制模式和全功率模式这二者中为主放大器200维持实负载阻抗。如在这里先前所解释的那样，如果期望的话，与并联谐振器230相结合的串联谐振器250还能够在负载调制模式和全功率模式中为多赫蒂放大器电路维持相同的带宽。
放大器输出端子202、212在封装边界处，这意味着产生到这些端子202、212的外部连接。在一些应用中能够是宽带组合器的多赫蒂组合网络260能够被连接到放大器输出端子202、212以用于将多赫蒂放大器电路连接到负载270。多赫蒂组合网络260组合或者对放大器200、210的负载电流求和，从而通过将负载电流的总和乘以负载阻抗来确定多赫蒂放大器电路的输出电压。例如，多赫蒂组合网络260能够具有被连接到主放大器输出端子202的输出匹配电路262和被连接到峰值放大器输出端子212的另一输出匹配电路264。第一功率组合器266将第一输出匹配电路262连接到阻抗变换器269，并且第二功率组合器268将第二输出匹配电路264连接到阻抗变换器269的相同节点。阻抗变换器269的另一节点被连接到负载270。阻抗组合器269可以具有渐缩形状，其具有被耦合到功率组合器266、268的较宽端和被连接到负载270的较窄端，或者反过来。例如在操作期间，阻抗变换器269能够将在一个端子处的负载阻抗转换为在另一端子处的经转换阻抗，经转换阻抗匹配（即相同地或者几乎相同地）第一和第二功率组合器266、268的阻抗。可替换地，能够使用其他类型的多赫蒂组合网络。
图7示出在400MHz的频率扫描上被耦合到主放大器200的并联和串联谐振器230、250的组合负载阻抗的史密斯圆图。在图7中，在负载调制模式中用于主放大器200的组合负载阻抗由标记为“负载调制”的曲线代表，并且在全功率模式中用于主放大器200的组合负载阻抗由标记为“全功率”的曲线代表。对于相同的中心频率，在负载调制模式和全功率模式这二者中，用于主放大器200的组合负载阻抗落在实轴上。在图7中，这个频率是2000MHz，并且实阻抗在负载调制模式中是6Ω以及在全功率模式中是3Ω。在不具有串联谐振器250的情况下，主放大器负载阻抗将总是因为漏极接合线电感而落入史密斯圆图的电容性区域中。当被包括在电路中时，串联谐振器250吸收这个接合线电感。这使得能够使用宽带阻抗变换器（例如Klopfenstein渐变线（taper））获得最佳性能。
诸如“第一”、“第二”等等之类的术语被用来描述各种元件、区域、部分等等，并且不意图进行限制。类似的术语在整个描述中指代类似的元件。
如在这里所使用的术语“具有”、“包含”、“包括”、“包括”等等是开放式术语，其指示所述元件或特征的存在，但不排除附加的元件或特征。冠词“一个”、“一”、“所述”意图包括复数以及单数，除非上下文另有清楚地指示。
应当理解，在这里所描述的各种实施例的特征可以彼此组合，除非另有专门地说明。
虽然在这里已经示出并描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，在不背离本发明的范围的情况下可以用多种替换的和/或等同的实施来替代所示出并描述的特定实施例。本申请意图覆盖在这里所讨论的特定实施例的任何适配或变型。因此，本发明意图仅由权利要求书及其等同物来限定。
Claims (20)
1.一种放大器电路，包括：
RF晶体管，其具有输入、输出和本征输出电容；
并联谐振器，其被连接到所述RF晶体管的输出，并且包括与所述RF晶体管的本征输出电容并联连接的第一电感部件；以及
串联谐振器，其将所述RF晶体管的输出连接到输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件，其中所述串联谐振器具有所述并联谐振器的反向特性，并且所述串联谐振器能够操作以补偿所述并联谐振器的阻抗在频率上的变化。
2.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，所述第一电感部件是将所述RF晶体管的输出连接到DC阻塞电容器的调谐接合线，并且所述第二电感部件是将所述RF晶体管的输出连接到RFMOS电容器的接合线，所述RFMOS电容器形成所述串联谐振器的所述电容部件。
3.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，所述RF晶体管是LDMOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，所述RF晶体管是GaNMESFET、GaAsHBT或PHEMT。
5.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，随着频率增加，所述并联谐振器能够操作以变得电感性更低并且所述串联谐振器能够操作以变得电感性更高，以及随着频率降低，所述并联谐振器能够操作以变得电感性更高并且所述串联谐振器能够操作以变得电感性更低。
6.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，与不具有所述串联谐振器相比，具有所述串联谐振器的所述放大器电路的带宽是至少1.5倍大。
7.根据权利要求6所述的放大器电路，其中，与不具有所述串联谐振器相比，具有所述串联谐振器的所述放大器电路的带宽是至少1.7倍大。
8.根据权利要求1所述的放大器电路，其中，所述放大器电路是多赫蒂放大器电路，并且所述RF晶体管是所述多赫蒂放大器电路的主放大器。
9.一种操作放大器电路的方法，包括：
放大输入到还具有输出和本征输出电容的RF晶体管的信号；
将第一电感部件与所述RF晶体管的本征输出电容并联连接以形成被连接到所述RF晶体管的输出的并联谐振器；
经由串联谐振器将所述RF晶体管的输出连接到输出端子，所述串联谐振器包括与电容部件串联连接的第二电感部件，其中所述串联谐振器具有所述并联谐振器的反向特性；以及
经由所述串联谐振器补偿所述并联谐振器的阻抗在频率上的变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，经由所述串联谐振器补偿所述并联谐振器的阻抗在频率上的变化是通过：
随着频率增加，降低所述并联谐振器的电感性并且增加所述串联谐振器的电感性；以及
随着频率降低，增加所述并联谐振器的电感性并且降低所述串联谐振器的电感性。
11.一种放大器电路，包括：
RF晶体管，其具有输入、输出和本征输出电容，所述RF晶体管能够操作以在负载调制模式中在第一负载阻抗下以及在全功率模式中在第二较低负载阻抗下工作；
并联谐振器，其被连接到所述RF晶体管的输出，并且包括与所述RF晶体管的本征输出电容并联连接的第一电感部件；以及
串联谐振器，其将所述RF晶体管的输出连接到输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件，其中所述串联谐振器具有所述并联谐振器的反向特性，并且与所述并联谐振器相结合的所述串联谐振器能够操作以对于相同频率而言在所述负载调制模式和所述全功率模式这二者中为所述RF晶体管维持实负载阻抗。
12.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，与所述并联谐振器相结合的所述串联谐振器能够操作以在所述负载调制模式和所述全功率模式中为所述放大器电路维持相同的带宽。
13.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，所述放大器电路是多赫蒂放大器电路，并且所述RF晶体管是所述多赫蒂放大器电路的主放大器。
14.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，所述第一电感部件是将所述RF晶体管的输出连接到DC阻塞电容器的调谐接合线，并且所述第二电感部件是将所述RF晶体管的输出连接到RFMOS电容器的接合线，所述RFMOS电容器形成所述串联谐振器的所述电容部件。
15.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，所述RF晶体管是LDMOS晶体管。
16.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，所述RF晶体管是GaNMESFET、GaAsHBT或PHEMT。
17.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，随着频率增加，所述并联谐振器能够操作以变得电感性更低并且所述串联谐振器能够操作以变得电感性更高，以及随着频率降低，所述并联谐振器能够操作以变得电感性更高并且所述串联谐振器能够操作以变得电感性更低。
18.根据权利要求11所述的放大器电路，其中，与不具有所述串联谐振器相比，具有所述串联谐振器的所述放大器电路的带宽是至少1.5倍大。
19.一种多赫蒂放大器电路，包括：
第一输出端子；
第二输出端子；
主放大器，其被偏置在B或AB类模式，并且具有输入、输出和本征输出电容，所述主放大器能够操作以在负载调制模式中在第一负载阻抗下以及在全功率模式中在第二较低负载阻抗下工作；
峰值放大器，其被偏置在C类模式，并且被电连接到所述第二输出端子；
并联谐振器，其被连接到所述主放大器的输出，并且包括与所述主放大器的本征输出电容并联耦合的第一电感部件；以及
串联谐振器，其将所述主放大器的输出连接到所述第一输出端子，并且包括与电容部件串联连接的第二电感部件，其中所述串联谐振器具有所述并联谐振器的反向特性，并且与所述并联谐振器相结合的所述串联谐振器能够操作以对于相同频率而言在所述负载调制模式和所述全功率模式这二者中为所述主放大器维持实负载阻抗。
20.根据权利要求19所述的多赫蒂放大器电路，其中，与所述并联谐振器相结合的所述串联谐振器能够操作以在所述负载调制模式和所述全功率模式中为所述多赫蒂放大器电路维持相同的带宽。
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