CN108649912A - 一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器 - Google Patents

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张晓明
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刘林盛
周杨
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Tianjin Chengjian University
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Abstract

本发明公开了一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，包括分布式反馈型三级达林顿管放大网络、反馈型三级达林顿管输入分配网络、反馈型三级达林顿管输出合成网络，本发明核心架构采用分布式反馈型三级达林顿管放大网络，该放大网络至少由三个分布式反馈型三级达林顿管组成，同时，本发明考虑了反馈型三级达林顿管对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器
技术领域
本发明涉及异质结双极性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高效率、高输出功率、高增益的分布式功率放大器。
背景技术
随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有超宽带、高输出功率、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。
然而，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：
(1)高功率高效率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的特征频率越来越高，由此带来了低击穿电压从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，因此高功率、高效率能力较差。
(2)超宽带高功率放大能力受限：为满足高功率指标就需要多个晶体管功率合成，但是多路合成的负载阻抗大大降低，从而导致了很高的阻抗变换比；在高阻抗变换比下，实现宽带特性是极大的挑战。
常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统分布式放大器，但是，传统分布式放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：
①在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单晶体管采用分布式放大排列的方式实现，由于单晶体管受到寄生参数的影响，随着工作频率升高时，其功率增益会显著降低、同时功率特性等也会显著恶化，因此为了获得超宽带平坦的放大结构，必须要牺牲低频增益来均衡高频损耗，导致传统分布式放大器的超宽带增益很低；
②为了提高放大器增益提高隔离度的影响，也有采用Cascode双晶体管分布式放大结构，但是Cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法抑制增益随频率显著恶化的趋势，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。
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：超宽带下高功率输出难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，结合了反馈型三级达林顿晶体管和分布式放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性，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：一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，包括分布式反馈型三级达林顿管放大网络、反馈型三级达林顿管输入分配网络、反馈型三级达林顿管输出合成网络，分布式反馈型三级达林顿管放大网络由k个二晶体管堆叠结构的反馈型三级达林顿管结构组成，其中k大于等于3。反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输入端连接；反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输出端连接。
本发明的有益效果是：本发明核心架构采用一种分布式反馈型三级达林顿管放大网络，该放大网络至少由三个反馈型三级达林顿管组成，同时，本发明考虑了反馈型三级达林顿管对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，提高电路的稳定性与可靠性。
一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，包括分布式反馈型三级达林顿管放大网络、反馈型三级达林顿管输入分配网络、反馈型三级达林顿管输出合成网络，所述分布式反馈型三级达林顿管放大网络由k个反馈型三级达林顿管组成，其中k大于等于3，
进一步地，反馈型三级达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感Lg1、Lg2至Lgk+1、隔直电容Cgload和负载电阻Rgload，负载电阻Rgload一端与隔直电容Cgload连接同时另一端接地,电感Lg1一端与Lg2连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端，电感Lgj与Lgj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输出端，其中j＝1,2…k。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的反馈型三级达林顿管输入分配网络除了能实现输入射频信号的分布式功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。
进一步地，分布式反馈型三级达林顿管放大网络包含k个反馈型三级达林顿管；第j个反馈型三级达林顿管中包含了第一级晶体管Mij、第二级晶体管Mmj、第三级晶体管Muj，其中j＝1,2…k，晶体管Mij的漏极和晶体管Mmj的漏极之间通过传输线Lmj连接，晶体管Mmj的漏极和晶体管Muj的漏极之间通过传输线Lnj连接，反馈型三级达林顿管的输入端和晶体管Mij的栅极通过隔直电容Cij连接，晶体管Mij的源极和晶体管Mmj的栅极之间通过隔直电容Cmj连接，晶体管Mmj的源极和晶体管Muj的栅极之间通过隔直电容Cuj连接，晶体管Muj的漏极与反馈型三级达林顿管的输出端连接；第一级晶体管Mij的栅极和隔直电容Cij的连接节点，与偏置电压Vg1之间通过偏置电阻Rij连接，晶体管Mij的栅极和源极之间通过第一串联RC电路连接，第一串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrfj和反馈电容Crfj，晶体管Mij源极和地之间通过自偏置电阻Rsj连接；第二级晶体管Mmj的栅极与偏置电压Vg2之间通过偏置电阻Rbj连接，晶体管Mmj的栅极和源极之间通过第二串联RC电路连接，第二串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrj和反馈电容Ccj，晶体管Mmj源极和地之间通过自偏置电阻Rtj连接；第三级晶体管Muj栅极与偏置电压Vg3之间通过偏置电阻Ruj连接，晶体管Muj源极接地。
上述进一步方案的有益效果是：反馈型三级达林顿管可以实现较宽的频带宽带和较高的增益，同时抑制低频不稳定性并且获得良好的增益平坦度。
进一步地，反馈型三级达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻Rdload、隔直电容Cdload、电感Ld1、Ld2至Ldk+1、隔直电容Cd，负载电阻Rdload一端与隔直电容Cdload连接同时另一端接地，隔直电容Cd一端与Ldk+1连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端，电感Ldj与Ldj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输入端，其中j＝1,2…k，电感Ld1和Ld2的连接节点上还并联有馈电电感Ldd，馈电电感Ldd的另一端接偏置电压Vdd。
上述进一步方案的有益效果是：反馈型三级达林顿管对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度。
附图说明
图1为本发明功率放大器原理框图；
图2为本发明功率放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，如图1所示，包括分布式反馈型三级达林顿管放大网络、反馈型三级达林顿管输入分配网络、反馈型三级达林顿管输出合成网络，分布式反馈型三级达林顿管放大网络由k个二晶体管堆叠结构的反馈型三级达林顿管结构组成，其中k大于等于3。反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输入端连接；反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输出端连接。
如图2所示，反馈型三级达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感Lg1、Lg2至Lgk+1、隔直电容Cgload和负载电阻Rgload，所述负载电阻Rgload一端与隔直电容Cgload连接同时另一端接地,所述电感Lg1一端与Lg2连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端，所述电感Lgj与Lgj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输出端，其中j＝1,2…k。
进一步地，分布式反馈型三级达林顿管放大网络包含k个反馈型三级达林顿管；第j个反馈型三级达林顿管中包含了第一级晶体管Mij、第二级晶体管Mmj、第三级晶体管Muj，其中j＝1,2…k，晶体管Mij的漏极和晶体管Mmj的漏极之间通过传输线Lmj连接，晶体管Mmj的漏极和晶体管Muj的漏极之间通过传输线Lnj连接，反馈型三级达林顿管的输入端和晶体管Mij的栅极通过隔直电容Cij连接，晶体管Mij的源极和晶体管Mmj的栅极之间通过隔直电容Cmj连接，晶体管Mmj的源极和晶体管Muj的栅极之间通过隔直电容Cuj连接，晶体管Muj的漏极与反馈型三级达林顿管的输出端连接；第一级晶体管Mij的栅极和隔直电容Cij的连接节点，与偏置电压Vg1之间通过偏置电阻Rij连接，晶体管Mij的栅极和源极之间通过第一串联RC电路连接，第一串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrfj和反馈电容Crfj，晶体管Mij源极和地之间通过自偏置电阻Rsj连接；第二级晶体管Mmj的栅极与偏置电压Vg2之间通过偏置电阻Rbj连接，晶体管Mmj的栅极和源极之间通过第二串联RC电路连接，第二串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrj和反馈电容Ccj，晶体管Mmj源极和地之间通过自偏置电阻Rtj连接；第三级晶体管Muj栅极与偏置电压Vg3之间通过偏置电阻Ruj连接，晶体管Muj源极接地。
反馈型三级达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻Rdload、隔直电容Cdload、电感Ld1、Ld2至Ldk+1、隔直电容Cd，负载电阻Rdload一端与隔直电容Cdload连接同时另一端接地，隔直电容Cd一端与Ldk+1连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端，电感Ldj与Ldj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输入端，其中j＝1,2…k，电感Ld1和Ld2的连接节点上还并联有馈电电感Ldd，馈电电感Ldd的另一端接偏置电压Vdd。
本发明电路中用于求解该功率放大器中的关键电路参数的方法为：
(1)反馈型三级达林顿管的等效晶体管端输入电容Cink：
(2)反馈型三级达林顿管的等效晶体管端输出电容Coutk：
(6)反馈型三级达林顿管输入和输出网络中人工传输线电感Ldi和Lgi：
上述公式中，k为整数，k≥3；Z0为微带的特征阻抗,在第k个反馈型三级达林顿管中，Cdsnk为第n级晶体管的漏源电容，Cgsnk为第n级晶体管的栅源电容，单位均为pF，其中n＝1,2,3，。
基于上述电路参数求解方法，通过综合调整晶体管Mi1-Mik、Mm1-Mmk和Mu1-Muk的尺寸大小，人工传输线电感Lg1-Lg(k+1)和Ld1-Ld(k+1)的大小，反馈电阻Rrf1-Rrfk和反馈电容Crf1-Crfk等的大小，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。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号通过输入端IN进入电路，以电流分布式的方式进入栅极人工传输线Lg1至Lgk+1实现功率分配,其中第j路信号，j＝1,2…k，通过输入隔直耦合电容Cij进入第一级晶体管Mij的栅极，然后经Mij放大后从Mij漏极输出，通过输入隔直耦合电容Cmj进入第二级晶体管Mmj的栅极，然后经Mmj放大后从Mmj漏极输出，通过输入隔直耦合电容Cuj进入第三级晶体管Muj的栅极，然后经Muj放大后从Muj漏极输出，k路信号最后以电流分布式的方式进入漏极人工传输线Ld1至Ldk+1实现功率合成，通过漏极隔直耦合电容Cd从输出端OUT输出。
在整个基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、隔直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 (4)

1.一种基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，包括分布式反馈型三级达林顿管放大网络、反馈型三级达林顿管输入分配网络和反馈型三级达林顿管输出合成网络，所述分布式反馈型三级达林顿管放大网络由k个反馈型三级达林顿管组成，其中k大于等于3；
所述反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输入端，其k个输出端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输入端连接；
所述反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端为整个所述基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器的输出端，其k个输入端分别与分布式反馈型三级达林顿管放大网络中的k个反馈型三级达林顿管的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，所述反馈型三级达林顿管输入分配网络包括依次串联的电感Lg1、Lg2至Lgk+1、隔直电容Cgload和负载电阻Rgload，所述负载电阻Rgload一端与隔直电容Cgload连接同时另一端接地,所述电感Lg1一端与Lg2连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输入端，所述电感Lgj与Lgj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输入分配网络的输出端，其中j＝1,2…k。
3.根据权利要求1所述的基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，所述分布式反馈型三级达林顿管放大网络包括k个反馈型三级达林顿管；
所述第j个反馈型三级达林顿管包括第一级晶体管Mij、第二级晶体管Mmj、第三级晶体管Muj，其中j＝1,2…k，晶体管Mij的漏极和晶体管Mmj的漏极之间通过传输线Lmj连接，晶体管Mmj的漏极和晶体管Muj的漏极之间通过传输线Lnj连接，所述反馈型三级达林顿管的输入端和晶体管Mij的栅极通过隔直电容Cij连接，晶体管Mij的源极和晶体管Mmj的栅极之间通过隔直电容Cmj连接，晶体管Mmj的源极和晶体管Muj的栅极之间通过隔直电容Cuj连接，晶体管Muj的漏极与所述反馈型三级达林顿管的输出端连接；
所述第一级晶体管Mij的栅极和隔直电容Cij的连接节点，与偏置电压Vg1之间通过偏置电阻Rij连接，晶体管Mij的栅极和源极之间通过第一串联RC电路连接，所述第一串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrfj和反馈电容Crfj，晶体管Mij源极和地之间通过自偏置电阻Rsj连接；
所述第二级晶体管Mmj的栅极与偏置电压Vg2之间通过偏置电阻Rbj连接，晶体管Mmj的栅极和源极之间通过第二串联RC电路连接，所述第二串联RC电路包含串联的反馈电阻Rrj和反馈电容Ccj，晶体管Mmj源极和地之间通过自偏置电阻Rtj连接；
所述第三级晶体管Muj的栅极与偏置电压Vg3之间通过偏置电阻Ruj连接，晶体管Muj源极接地。
4.根据权利要求1所述的基于反馈型三级达林顿管的分布式功率放大器，其特征在于，所述反馈型三级达林顿管输出合成网络包括依次串联的负载电阻Rdload、隔直电容Cdload、电感Ld1、Ld2至Ldk+1、隔直电容Cd，所述负载电阻Rdload一端与隔直电容Cdload连接同时另一端接地，所述隔直电容Cd一端与Ldk+1连接同时另一端为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输出端，所述电感Ldj与Ldj+1的连接节点均为反馈型三级达林顿管输出合成网络的输入端，其中j＝1,2…k，所述电感Ld1和Ld2的连接节点上还并联有馈电电感Ldd，馈电电感Ldd的另一端接偏置电压Vdd。
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