CN106487342A - 一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、功率分配网络、堆叠矩阵放大网络、功率合成网络和输出匹配网络，以及分别与所述堆叠矩阵放大网络对称连接的第一偏置电路和第二偏置电路。本发明所实现的功率放大器芯片电路，带宽宽、输出功率高、功率增益高、面积小。

Description

一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器
技术领域
本发明涉及场效应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晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器。
背景技术
随着超宽带通信、软件无线电、无线局域网(WLAN)等无线通信市场的快速发展，射频前端收发器也要求随之向高集成、低功耗、结构紧凑、价格低廉的方向发展。
射频与微波功率放大器作为发射机的重要模块，是整个发射机中耗能最多的电路，其输出功率要求比较高，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，主要体现在以下几方面：
(1)高功率高效率放大能力受限：随着半导体工艺的发展和晶体管尺寸等比例缩小的趋势，晶体管的栅长越来越短，导致了击穿电压的降低和膝点电压的升高，从而限制了晶体管漏极输出电压摆幅，进而限制了单一晶体管的功率容量。目前，典型的解决方案为将多个晶体管(8至32个)平行排列进行功率合成，以提高功率容限，但是，这种解决方案却因此增加了栅源电容，降低了输入阻抗，增大了输入电路的阻抗匹配的设计难度，同时，采用此结构的晶体管放大器的最佳输出负载阻抗非常小，需要通过额外的输出阻抗匹配网络进行输出电路的阻抗匹配设计，因此，也增大了输出电路的阻抗匹配设计难度，同时，采用多个晶体管平行排列合成结构将占用很大的芯片面积，从而大大增加了芯片生产成本。
(2)超宽带高功率放大能力受限：在射频功率放大器的设计过程中，受晶体管增益带宽积的影响，设计者总是要在功放带宽和功率增益这两个指标间进行折中。同时，集成电路中采用的多个晶体管(8至32个)平行排列进行功率合成的结构，在很宽的频带内实现8至32个放大支路的低插损的功率合成，以及每个分支的最佳负载阻抗的宽带匹配，其设计难度非常大。
目前，常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，如多路合成放大器，平衡放大器、以及分布式放大器等，要想同时满足各项参数的要求十分困难，通常，其阻抗匹配的实现是以降低线性度，或增加功耗或芯片面积等为代价来获得的。
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：(1)超宽带下高功率输出难度较大；(2)超宽带条件下的高功率增益难度较大；(3)超宽带下的传统方法的芯片面积较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于晶体管堆叠技术的矩阵功率放大器，具有高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、功率分配网络、堆叠矩阵放大网络、功率合成网络和输出匹配网络，以及分别与所述堆叠矩阵放大网络对称连接的第一偏置电路和第二偏置电路。
本发明的有益效果是：采用晶体管堆叠矩阵放大网络，节省了芯片的面积，同时实现了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述堆叠矩阵放大网络包括至少两路并行的堆叠结构，所述堆叠结构至少由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成；
所述每路堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接两并联电阻后均分别连接到所述第一偏置电路的栅极旁路电容和所述第二偏置电路的栅极旁路电容，所述最底层晶体管的源极接地，且所述最底层晶体管的栅极通过所述功率分配网络连接到所述输入匹配网络；
所述每路堆叠结构的其余层的晶体管的栅极通过电阻均分别连接到所述第一偏置电路的栅极分压电阻和第二偏置电路的栅极分压电阻，且所述其余层的晶体管的栅极分别连接两路由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路；
所述每路堆叠结构的最上层的晶体管的漏极通过所述功率合成网络分别连接到所述输出匹配网络与所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感。
采用上述进一步方案的有益效果是保证功率放大器得到最大的输出功率，可以大大节省芯片的面积。
进一步，所述每路堆叠结构在相邻的栅极节点上的补偿电路通过栅极隔离电阻串接。
采用上述进一步方案的有益效果是：使矩阵功率放大器稳定性效果更好。
进一步，所述堆叠矩阵放大网络的每层中堆叠的晶体管的偏置电压不等分，最底层晶体管的偏置电压最低，最上层晶体管的偏置电压最高，其余晶体管的偏置电压介于两者之间。
进一步，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路均由栅极旁路电容、栅极分压电阻、漏极馈电电感和漏极旁路电容构成。
采用上述进一步方案的有益效果是：用于实现所述功率放大器栅极和漏极馈电及杂散信号的旁路功能。
进一步，所述堆叠矩阵放大网络包括四路并行的堆叠结构，所述堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成。
进一步，低压偏置电源分别连接到所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的栅极旁路电容上；高压偏置电源分别连接到所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感和漏极旁路电容上。
进一步，所述输入匹配网络与输出匹配网络均由隔直电容、匹配电容和匹配电感构成。
采用上述进一步方案的有益效果是：用于实现所述矩阵功率放大器的输入阻抗的匹配和隔直功能以及输出阻抗匹配和隔直功能。
进一步，所述功率分配网络与功率合成网络均由六段微带线结构构成。
采用上述进一步方案的有益效果是：用于分别实现输入信号的分配功能与输出信号的合成功能。
进一步，所述堆叠矩阵放大网络为有源放大网络，所述输入匹配网络、功率分配网络、功率合成网络和输出匹配网络均为无源网络。
附图说明
图1为本发明矩阵功率放大器原理框图；
图2为本发明矩阵功率放大器电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明提供的一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，是一种采用晶体管堆叠矩阵放大网络结构的超宽带射频功率放大器，采用集成电路工艺进行设计，包括依次连接的输入匹配网络、功率分配网络、堆叠矩阵放大网络、功率合成网络和输出匹配网络，以及分别与堆叠矩阵放大网络对称连接的第一偏置电路和第二偏置电路，其中，堆叠矩阵放大网络为有源放大网络，输入匹配网络、功率分配网络、功率合成网络、输出匹配网络、第一偏置电路和第二偏置电路为无源网络。
其中，堆叠矩阵放大网络包括至少两路并行的堆叠结构，堆叠结构至少由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成；每路堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接两并联电阻后均分别连接到第一偏置电路的栅极旁路电容和第二偏置电路的栅极旁路电容，最底层晶体管的源极接地，且最底层晶体管的栅极通过功率分配网络连接到输入匹配网络；
每路堆叠结构的其余层的晶体管的栅极通过电阻均分别连接到第一偏置电路的栅极分压电阻和第二偏置电路的栅极分压电阻，且其余层的晶体管的栅极分别连接两路由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路，且补偿电路通过栅极隔离电阻串接；
每路堆叠结构的最上层的晶体管的漏极通过所述功率合成网络分别连接到所述输出匹配网络与所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感。
输入匹配网络与输出匹配网络均由隔直电容、匹配电容和匹配电感构成，用于实现所述矩阵功率放大器的输入阻抗与输出阻抗匹配和隔直功能。
功率分配网络与功率合成网络均由六段微带线结构构成，用于分别实现输入信号与输出信号的分配功能与合成功能。
第一偏置电路和第二偏置电路均由栅极旁路电容、三个栅极分压电阻、漏极馈电电感和漏极旁路电容构成，用于实现所述功率放大器栅极和漏极馈电及杂散信号的旁路功能。
将低压偏置电源分别连接到第一偏置电路和第二偏置电路的栅极旁路电容上；高压偏置电源分别连接到第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感和漏极旁路电容上，堆叠矩阵放大网络的每层中堆叠的晶体管的偏置电压不等分，最上底层晶体管的偏置电压最低，最下上层晶体管的偏置电压最高，其余晶体管的偏置电压介于两者之间。
为保证功率放大器得到最大的输出功率，需要更大的电压输出摆幅，所以该矩阵功率放大器核心为堆叠矩阵放大网络，采用3晶体管堆叠的4路并行放大的方式，形成3×4的晶体管堆叠矩阵放大网络，通过多级电阻分压式结构进行直流馈电。与采用变压器的分布式超宽带功放结构相比，3×4的晶体管堆叠矩阵放大网络可以大大节省芯片的面积。
其中，在堆叠矩阵放大网络中，其关键电路参数的求解方法如下：
(1)堆叠结构的栅极补偿电容C9～C16＝Cgg：
(2)堆叠结构的栅极补偿电容C17～C24＝Cggg：
上述公式中，Zopt为晶体管最佳负载实阻抗，单位均为Ω；Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；gm为晶体管跨导，单位为mS。
(3)堆叠结构的栅极补偿电阻R13、R14、R16、R17、R19、R20、R22、R23取值为3～5Ω；
(4)堆叠结构的栅极补偿电阻R28、R29、R31、R32、R34、R35、R37、R38取值为5～10Ω；
(5)4路并行放大结构的栅极隔离电阻R15、R18、R21、R30、R33、R36取值为50～100Ω；
基于上述公式，并通过综合调整晶体管M1～M12的尺寸大小，偏置及反馈电阻R1～R42的电阻值大小，补偿及匹配电容C1～C24的大小，偏置及匹配电感L1～L4的大小，功率合成与分配网络TL1～TL12的大小，可以使本发明的整个放大器电路在超宽带内实现输入及输出良好的阻抗匹配、高功率增益、良好的功率增益平坦度，且整个功放电路面积很小、成本低。
本发明的工作过程为：射频输入信号通过输入端IN进入电路，通过输入隔直耦合电容C1，进入匹配电容C2和匹配电感L1构成的L枝节的输入匹配网络，然后进入微带线TL1～TL6构成的功率分配网络，然后进入4路并行的3晶体管堆叠功率放大器的最底层晶体管M1～M4的栅极，然后从M1～M4的漏极并行输出，再并行进入3晶体管堆叠放大器的第二级晶体管M5～M8的源极，然后从M5～M8的漏极并行输出，再并行进入3晶体管堆叠放大器的第三级晶体管M9～M12的源极，然后从M9～M12的漏极并行输出，进入微带线TL7～TL12构成的功率合成网络，然后进入匹配电感L2和匹配电容C3构成的L枝节的输出匹配网络，进入输出隔直耦合电容C4，最后通过输出端OUT到达输出端，完成功率放大。
在整个基于晶体管堆叠技术的矩阵功率放大器电路中，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、芯片面积小且成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配网络、功率分配网络、堆叠矩阵放大网络、功率合成网络和输出匹配网络，以及分别与所述堆叠矩阵放大网络对称连接的第一偏置电路和第二偏置电路。
2.根据权利要求1所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述堆叠矩阵放大网络包括至少两路并行的堆叠结构，所述堆叠结构至少由两个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成；
所述每路堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接两并联电阻后均分别连接到所述第一偏置电路的栅极旁路电容和所述第二偏置电路的栅极旁路电容，所述最底层晶体管的源极接地，且所述最底层晶体管的栅极通过所述功率分配网络连接到所述输入匹配网络；
所述每路堆叠结构的其余层的晶体管的栅极通过电阻均分别连接到所述第一偏置电路的栅极分压电阻和第二偏置电路的栅极分压电阻，且所述其余层的晶体管的栅极分别连接两路由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成的补偿电路；
所述每路堆叠结构的最上层的晶体管的漏极通过所述功率合成网络分别连接到所述输出匹配网络与所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感。
3.根据权利要求2所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述每路堆叠结构在相邻的栅极节点上的补偿电路通过栅极隔离电阻串接。
4.根据权利要求2所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述堆叠矩阵放大网络的每层中堆叠的晶体管的偏置电压不等分，最底层晶体管的偏置电压最低，最上层晶体管的偏置电压最高，其余晶体管的偏置电压介于两者之间。
5.根据权利要求2所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述第一偏置电路和所述第二偏置电路均由栅极旁路电容、栅极分压电阻、漏极馈电电感和漏极旁路电容构成。
6.根据权利要求2所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述堆叠矩阵放大网络包括四路并行的堆叠结构，所述堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成。
7.根据权利要求5所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，低压偏置电源分别连接到所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的栅极旁路电容上；高压偏置电源分别连接到所述第一偏置电路和所述第二偏置电路的漏极馈电电感和漏极旁路电容上。
8.根据权利要求1所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络与输出匹配网络均由隔直电容、匹配电容和匹配电感构成。
9.根据权利要求1所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述功率分配网络与功率合成网络均由六段微带线结构构成。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于晶体管堆叠结构的矩阵功率放大器，其特征在于，所述堆叠矩阵放大网络为有源放大网络，所述输入匹配网络、功率分配网络、功率合成网络和输出匹配网络均为无源网络。
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