CN105743450A - 射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频功率放大器，集成于同一芯片上，包括：输入匹配网络、第一级放大电路、级间匹配网络、第二级放大电路、输出匹配网络、第一偏置电路和第二偏置电路；两级放大电路都采用共射极连接的SiGe HBT。本发明能实现全片集成从而提高集成度、降低成本并使应用简化，能提高电路的电压摆幅和工作电流大小，能提高电路的增益和最大输出功率，能提高器件的频率性能；SiGe HBT能采用高压管，具有较高耐压，故能提高电路的耐压能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种射频功率放大器。
背景技术
在无线通讯***中，需要用到射频功率放大器对无线信号进行接收并进行功率放大。如图1所示，是现有射频功率放大器的电路图，包括：
由NMOS管M101组成的单级放大器，NMOS管M101的源极接地，NMOS管M101的栅极通过直流电压偏置并接收输入信号VIN，输入信号VIN和NMOS管M101的栅极之间可以接一个输入匹配网络。NMOS管M101的漏极通过扼流电感L101连接电源电压VDD。
电容C101的第一端连接NMOS管M102的漏极，电容C101的第二端输出输出信号VOUT，电感L102和电容C102并联在电容C101和地之间，电阻R101也连接在电容C101的第二端和地之间。电容C101、电感L102和电容C102和电阻R101实现对NMOS管M102的漏极输出信号进行隔直和阻抗匹配。
图1所示的结构中，单级放大器采用CMOS工艺实现，对于CMOS工艺而言，特征尺寸减小使得晶体管耐压急剧下降，造成低击穿电压，低输出功率和增益。另外，片上无源器件性能差，尤其片上电感的Q值过低，严重影响了功率放大器性能，因此电感等元件往往采用片外方式，即现有CMOS工艺实现的射频功率放大器的无源器件如电感和有源器件如CMOS器件往往不能形成于同一芯片上，即不能实现整个射频功率放大器的全片集成。由于电感需要采用片外制造，故相对于所有组成部件都集成于同一芯片上的全片集成的射频功率放大器，现有射频功率放大器的成本会很高，应用也不方便。
除了如图1所示的现有CMOS工艺实现的射频功率放大器外，现有射频功率放大器还有采用砷化镓(GaAs)异质结双极型晶体管(HBT)来实现，GaAsHBT虽然性能较好，但是无法与硅(Si)工艺集成；在半导体制造领域中，只有硅基器件才能实现大规模的制造，而GaAsHBT由于无法实现也硅工艺的集成，故成本很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种射频功率放大器，能实现全片集成从而提高集成度、降低成本并使应用简化，能提高电路的电压摆幅和工作电流大小，能提高电路的增益和最大输出功率，能提高器件的频率性能；能提高电路的耐压能力。
为解决上述技术问题，本发明提供的射频功率放大器集成于同一芯片上，所述射频功率放大器包括：输入匹配网络、第一级放大电路、级间匹配网络、第二级放大电路、输出匹配网络、第一偏置电路和第二偏置电路。
所述输入匹配网络连接于射频信号输入端和所述第一级放大电路的输入端之间；所述级间匹配网络连接于所述第一级放大电路的输出端和所述第二级放大电路的输入端之间；所述输出匹配网络连接于所述第二级放大电路的输出端和射频信号输出端之间。
所述第一级放大电路包括共射极连接的第一锗硅(SiGe)异质结双极型晶体管(HBT)，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的集电极和电源电压之间连接有第一扼流电感，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极作为所述第一级放大电路的输入端，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的集电极作为所述第一级放大电路的输出端；所述第一偏置电路提供偏置电压到所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极。
所述第二级放大电路包括共射极连接的第二锗硅异质结双极型晶体管，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的集电极和电源电压之间连接有第二扼流电感，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的基极作为所述第二级放大电路的输入端，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的集电极作为所述第二级放大电路的输出端；所述第二偏置电路提供偏置电压到所述第二锗硅异质结双极型晶体管的基极。
进一步的改进是，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路都采用相同结构自适应偏置电路，该自适应偏置电路包括：第三锗硅异质结双极型晶体管、第四锗硅异质结双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容。
所述第三锗硅异质结双极型晶体管的集电极连接电源电压，所述第一电阻连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管的集电极和基极之间，所述第二电阻连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管的发射极和所述第四锗硅异质结双极型晶体管的基极之间。
所述第一电容连接于所述第四锗硅异质结双极型晶体管的集电极和发射极之间，所述第四锗硅异质结双极型晶体管的集电极和所述第三锗硅异质结双极型晶体管的基极连接，所述第四锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地。
所述第三电阻的第一端连接所述第三锗硅异质结双极型晶体管的发射极，所述第三电阻的第二端为偏置电压的输出端。
进一步的改进是，在所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极和集电极之间串联有第四电阻和第二电容。
进一步的改进是，所述输入匹配网络为T型匹配网络。
进一步的改进是，所述输出匹配网络为T型匹配网络。
进一步的改进是，所述级间匹配网络为T型匹配网络。
进一步的改进是，在所述射频信号输入端和所述输入匹配网络之间设置有隔直电容且为所述输入匹配网络一部分。
进一步的改进是，在所述输出匹配网络和所述射频信号输出端之间设置有隔直电容且为所述输出匹配网络的一部分。
进一步的改进是，所述第一锗硅异质结双极型晶体管和所述第二锗硅异质结双极型晶体管都为多插指发射极结构，用于提高所述第一锗硅异质结双极型晶体管和所述第二锗硅异质结双极型晶体管的电流处理能力。
本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明两级放大电路都采用SiGeHBT形成的放大器，由于SiGeHBT具有良好的频率性能，所以能够大大改善电路的频率特性；同时SiGeHBT还能实现大的电压摆幅和大的工作电流大小，能提高电路的增益、电流驱动能力和最大输出功率。
2、本发明的两级放大电路能够通过SiGeBiCMOS工艺实现集成于同一芯片中，电路中的偏置电路、匹配网络以及扼流电感都能通过在片实现，从而能实现电路的全片集成，能大大提高电路的集成度、降低成本并使应用简化。
3、本发明的两级放大电路的偏置电路结构相同且都采用自适应偏置电路，具有自适应调整和温度稳定性的特点，能够提高两级放大电路的偏置电压的稳定性,提高电路的线性度和温度稳定性。
4、本发明第一和二锗硅异质结双极型晶体管能采用高压管，相对于MOS晶体管和其它低压管，本发明第一和二锗硅异质结双极型晶体管具有更高的耐压能力，从而使电路可耐高压。另外，本发明第一和二锗硅异质结双极型晶体管采用多插指发射极结构能够提高晶体管的电流处理能力，从而能进一步提高电路性能。
5、本发明电路能够良好的应用于900MHz的射频放大。
附图说明
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：
图1是现有射频功率放大器的电路图；
图2是本发明实施例射频功率放大器的电路图；
图3是本发明实施例的自适应偏置电路的电路图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例射频功率放大器的电路图；如图3所示，是本发明实施例的自适应偏置电路的电路图。本发明实施例射频功率放大器集成于同一芯片上，所述射频功率放大器包括：输入匹配网络、第一级放大电路、级间匹配网络、第二级放大电路、输出匹配网络、第一偏置电路1a和第二偏置电路1b。
所述输入匹配网络连接于射频信号输入端和所述第一级放大电路的输入端之间；所述级间匹配网络连接于所述第一级放大电路的输出端和所述第二级放大电路的输入端之间；所述输出匹配网络连接于所述第二级放大电路的输出端和射频信号输出端之间。
所述第一级放大电路包括共射极连接的第一锗硅异质结双极型晶体管Q1，所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的发射极接地，所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的集电极和电源电压VC之间连接有第一扼流电感L1，所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极作为所述第一级放大电路的输入端，所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的集电极作为所述第一级放大电路的输出端；所述第一偏置电路1a提供偏置电压到所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极。
所述第二级放大电路包括共射极连接的第二锗硅异质结双极型晶体管Q2，所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的发射极接地，所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的集电极和电源电压VC之间连接有第二扼流电感L2，所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的基极作为所述第二级放大电路的输入端，所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的集电极作为所述第二级放大电路的输出端；所述第二偏置电路1b提供偏置电压到所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的基极。
所述第一偏置电路1a和所述第二偏置电路1b都采用相同结构自适应偏置电路。以所述第一偏置电路1a为例说明所述自适应偏置电路，如图3所示，是本发明实施例的自适应偏置电路的电路图，该自适应偏置电路包括：第三锗硅异质结双极型晶体管Q3、第四锗硅异质结双极型晶体管Q4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C8。
所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的集电极连接电源电压VC，所述第一电阻R1连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的集电极和基极之间，所述第二电阻R2连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的发射极和所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的基极之间。
所述第一电容C8连接于所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的集电极和发射极之间，所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的集电极和所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基极连接，所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的发射极接地。
所述第三电阻R3的第一端连接所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的发射极，所述第三电阻R3的第二端为偏置电压的输出端。
所述第一偏置电路1a中，所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4与所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1为镜像电流源电路，为所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1提供基极偏置。
所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3、所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4和所述第三电阻R3能提高温度稳定性：当所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基极电流由于温度升高而增加时，其发射级电流增大，导致所述第三电阻R3的压降增加，所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的基极和发射极之间电压Vbe4增加，所述第四锗硅异质结双极型晶体管Q4的集电极电流增大，所述第一电阻R1上的压降增加，所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基极和发射极之间电压Vbe3下降，从而使所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基极电流减小，补偿了由于温度增加而造成的基极电流增大。
所述第一电容C8为旁路电容能提高所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极和发射极之间电压Vbe1的稳定性。当输入射频大信号增加时，Vbe1有所下降，此时有部分射频大信号渗透到偏置电路，并通过所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基射PN结和C8耦合到地。因此，所述第三锗硅异质结双极型晶体管Q3的基极电流会增加，从而造成Vbe3下降，补偿了Vbe1的下降，使所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极偏置电压保持恒定。所述第二电阻R2作为平衡电阻能提高Vbe1的稳定性。
在所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极和集电极之间串联有第四电阻R4和第二电容C7。
所述输入匹配网络为T型匹配网络。在所述射频信号输入端和所述输入匹配网络之间设置有隔直电容且为所述输入匹配网络的T型匹配网络的一部分。由图2中所示可知，射频输入信号RFIN通过电容C1隔直后在经过由电容C1及电容C2和电感L3组成的输入匹配网络进行阻抗匹配，最后将隔直和阻抗匹配好的射频输入信号RFIN输入到所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的基极。
所述输出匹配网络为T型匹配网络。由图2中所示可知，由电容C3和C4以及电感L4组成T型匹配网络实现所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1的集电极到所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的基极之间的阻抗匹配。
所述级间匹配网络为T型匹配网络。在所述输出匹配网络和所述射频信号输出端之间设置有隔直电容且为所述级间匹配网络的T型匹配网络的一部分。由图2中所示可知，所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2的集电极通过由电容C5、C6和电感L5组成的输出匹配网络进行阻抗匹配后再经过电容C6隔直后实现射频输出信号RFOUT的输出。
所述第一锗硅异质结双极型晶体管Q1和所述第二锗硅异质结双极型晶体管Q2都为多插指发射极结构；也即发射极由多指交叉形成，能够提高晶体管的耐压能力。
本发明实施例能够良好的工作于900MHz无线频段中，对本发明实施例电路在900MHz时具有良好的仿真结果。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种射频功率放大器，其特征在于：射频功率放大器集成于同一芯片上，所述射频功率放大器包括：输入匹配网络、第一级放大电路、级间匹配网络、第二级放大电路、输出匹配网络、第一偏置电路和第二偏置电路；
所述输入匹配网络连接于射频信号输入端和所述第一级放大电路的输入端之间；所述级间匹配网络连接于所述第一级放大电路的输出端和所述第二级放大电路的输入端之间；所述输出匹配网络连接于所述第二级放大电路的输出端和射频信号输出端之间；
所述第一级放大电路包括共射极连接的第一锗硅异质结双极型晶体管，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的集电极和电源电压之间连接有第一扼流电感，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极作为所述第一级放大电路的输入端，所述第一锗硅异质结双极型晶体管的集电极作为所述第一级放大电路的输出端；所述第一偏置电路提供偏置电压到所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极；
所述第二级放大电路包括共射极连接的第二锗硅异质结双极型晶体管，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的集电极和电源电压之间连接有第二扼流电感，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的基极作为所述第二级放大电路的输入端，所述第二锗硅异质结双极型晶体管的集电极作为所述第二级放大电路的输出端；所述第二偏置电路提供偏置电压到所述第二锗硅异质结双极型晶体管的基极。
2.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述第一偏置电路和所述第二偏置电路都采用相同结构自适应偏置电路，该自适应偏置电路包括：第三锗硅异质结双极型晶体管、第四锗硅异质结双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容；
所述第三锗硅异质结双极型晶体管的集电极连接电源电压，所述第一电阻连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管的集电极和基极之间，所述第二电阻连接于所述第三锗硅异质结双极型晶体管的发射极和所述第四锗硅异质结双极型晶体管的基极之间；
所述第一电容连接于所述第四锗硅异质结双极型晶体管的集电极和发射极之间，所述第四锗硅异质结双极型晶体管的集电极和所述第三锗硅异质结双极型晶体管的基极连接，所述第四锗硅异质结双极型晶体管的发射极接地；
所述第三电阻的第一端连接所述第三锗硅异质结双极型晶体管的发射极，所述第三电阻的第二端为偏置电压的输出端。
3.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：在所述第一锗硅异质结双极型晶体管的基极和集电极之间串联有第四电阻和第二电容。
4.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述输入匹配网络为T型匹配网络。
5.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述输出匹配网络为T型匹配网络。
6.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述级间匹配网络为T型匹配网络。
7.如权利要求1或4所述的射频功率放大器，其特征在于：在所述射频信号输入端和所述输入匹配网络之间设置有隔直电容且为所述输入匹配网络一部分。
8.如权利要求1或5所述的射频功率放大器，其特征在于：在所述输出匹配网络和所述射频信号输出端之间设置有隔直电容且为所述输出匹配网络的一部分。
9.如权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述第一锗硅异质结双极型晶体管和所述第二锗硅异质结双极型晶体管都为多插指发射极结构，用于提高所述第一锗硅异质结双极型晶体管和所述第二锗硅异质结双极型晶体管的电流处理能力。
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