CN109245734A - 一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络；所述前级增益放大电路、后级功率放大电路均包括SiGe BiCMOS；所述前级增益放大电路、后级功率放大电路的输入端分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路。采用二级放大，且采用SiGe BiCMOS作为放大管，能够满足在较高的效率下实现足够的增益和输出功率，解决CMOS性能差，III‑V族半导体成本高、体积大等问题，而且其具有比较高的特征频率和噪声特性，更利于集成。
Description
技术领域
本发明涉及射频功率放大器领域，具体涉及一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器。
背景技术
射频功率放大器是无线发射机中不可或缺的重要组成部分，它主要用于将无线通信中的发射机的已调信号进行功率放大，以满足无线通信射频信号的功率需求，其工作带宽、输出功率、附加效率等性能严重影响无线通信***的质量。
如图1所述，现有的射频功率放大器采用NM0S器件实现，即采用CMOS工艺就能实现。随着CMOS工艺的进步，CMOS器件的高频性能得到了改善，这也使采用CMOS工艺实现的射频功率放大器的高频性能得到了改善。但同时也给射频功率放大器带来了一些困难，如CMOS器件的氧化层击穿电压过低，电流驱动能力差，衬底耦合严重等。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异质结双极型晶体管来实现，GaAs HBT虽然性能较好，但是无法与硅工艺集成；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GaAs由于无法实现也硅工艺的集成，故成本很高。
针对通信***对Ka波段毫米波功放等通用模块的急切需求，一方面现有的业界普遍采用的基于III-V族半导体工艺的毫米波功放芯片价格昂贵，限制了其大规模的使用。与此同时，III-V族芯片存在体积大、工序繁杂和不易于集成等不利因素。而锗硅半导体工艺成本相对较低，在大批量的情况下将大幅减小芯片的成本。此外，锗硅半导体工艺具有多层金属，利于集成和芯片的小型化设计。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器。
本发明通过下述技术方案实现：
一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络；
所述前级增益放大电路、后级功率放大电路均包括SiGe BiCMOS；
所述前级增益放大电路、后级功率放大电路的输入端分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路。SiGe晶体管具有功率密度和增益高、相位噪声低、线性度好、芯片面积小和价格性能比低等特点。本方案采用二级放大，且采用SiGe BiCMOS作为放大管，能够满足在较高的效率下实现足够的增益和输出功率，解决CMOS性能差，III-V族半导体成本高、体积大等问题，而且其具有比较高的特征频率和噪声特性，更利于集成。由于作为功率放大器组件的晶体管自身要有一定的功率消耗，并且各种电路元件要消耗一定的功率，譬如电阻、电感、电容等，为了评估功率放大器的效率，有三种常用的定义：漏极效率、功率附加效率和整体转换效率。由于本发明中的晶体管采用的是具有宽带隙的发射区的异质结结构SiGe晶体管，大大提高了发射结的载流子注入效率，从而使漏极效率、功率附加效率和整体转换效率均得到了提高，使得本发明满足所需的增益和输出功率。
作为优选，所述输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络的电路结构相同。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的结构，其不仅可提高一致性，且可保证电路的稳定性。
进一步的，所述输入匹配网络包括串联在输入端的第一电感和第一电容、连接在输入端且另一端接地的第二电容。输入匹配网络采用集总原件匹配网络，第一电容起隔直作用，使偏置电流不受来自输入端的影响，很好地提高了前级增益放大电路的线性度。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的电路结构，级间匹配网络和阻抗变换网络采用上述电路结构，即在前级增益放大电路、后级功率放大电路之间采用级间共轭匹配的方式进行连接，使前级增益放大电路放大后的信号可顺利的流入后级功率放大电路。
在上述方案上进一步的，所述第一电容的容值为1425pF至1575pF。第一电容与第一电感相串联，第一电容主要起隔直作用，但是，在该电路中，合理的选择电容大小，使该电容既具备阻抗变换的作用，也具有隔直作用，提高级间匹配度。
在上述方案上进一步为了如提高级间匹配度，所述第一电容的容值为1500.1pF。
作为优选，所述第一偏置电路包括第二电感，所述第二电感的两端分别连接在前级增益放大电路的输入端和电源上。
作为优选，所述第二偏置电路包括相串联后一端连接在电源上且另一端连接在后级功率放大电路的输入端的第二电阻和第五电感。第二偏置电路相比于第一偏置电路添加了一个电阻，使之与电感串联后组成偏置网络，视为了提高电路的稳定性。同时降低电路对温度变化的敏感性。
作为优选，所述前级增益放大电路还包括依次连接在SiGe BiCMOS集电极上的第三电感、第一电阻，所述第一电阻的另一端连接在电源上，前级增益放大电路SiGe BiCMOS的发射极接地。
作为优选，所述后级功率放大电路还包括第六电感，所述第六电感的一端连接在电源上且另一端与SiGe BiCMOS集电极相连，后级功率放大电路SiGe BiCMOS的发射极接地。
在上述方案上进一步的，所述地为芯片的最高层金属。工艺里芯片有金属层和介质层，其交替设置，一共7层，将芯片的最高层的金属层作为地，减小寄生电阻，提高无源器件之间的隔离，同时减小通孔的使用，减小寄生电感和寄生电阻，提高电路的Q值。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用二级放大，且采用SiGe BiCMOS作为放大管，能够满足在较高的效率下实现足够的增益和输出功率，解决CMOS性能差，III-V族半导体成本高、体积大等问题，而且其具有比较高的特征频率和噪声特性，更利于集成。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有射频功率放大器的电路原理图。
图2为本发明的原理框图。
图3为本发明的射频功率放大器的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其应用于全集成射频电路、通信SOC等领域，包括输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络，其依次相连；
所述前级增益放大电路、后级功率放大电路均包括SiGe BiCMOS；
所述前级增益放大电路、后级功率放大电路的输入端分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路。
上述电路通过两级不同侧重点的方式，能够有很好的功率输出和增益。又因为SiGe晶体管具有宽带隙的发射区的异质结结构，大大提高了发射结的载流子注入效率，加速载流子在基区的漂移运动，提高了特征频率，从而可以减小噪声，具有很好的线性度。
实施例2
本实施例在上述实施例的基础上做了优化，即所述输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络的电路结构相同。三个电路采用相同的电路结构，其不仅可提高一致性，且可保证电路的稳定性。具体的，如图3所示，其可采用下述结构，即包括串联在输入端的第一电感和第一电容、连接在输入端且另一端接地的第二电容。
如图1所示，输入匹配网络包括电感L11、电容C1、电容C11，级间匹配网络包括电感L22、电容C2、电容C22，阻抗变换网络包括电感L33、电容C3、电容33。阻抗变换网络包括电感L33、电容C3、电容33，可通过变换其参数使得负载阻抗变换到一个目标值。
为了提高电路的级间匹配度，第一电容的容值为1500.1pF。该值是一个最优值，但是，在实际设计过程中，第一电容的容值为1425pF至1575pF，即在最优值的左右一定范围内均可。
实施例3
在上述实施例的基础上，如图3所示，前级增益放大电路、后级功率放大电路、第一偏置电路、第二偏置电路可采用如下结构。
第一偏置电路包括第二电感L1，所述第二电感的两端分别连接在前级增益放大电路的输入端和电源上。
第二偏置电路包括相串联后一端连接在电源上且另一端连接在后级功率放大电路的输入端的第二电阻R2和第五电感L3。采用本结构的偏置电路，偏置电路中的电感均参与匹配以及阻抗变换，能够有效减少原件的使用，降低成本，缩小面积，性能可靠。
前级增益放大电路还包括依次连接在SiGe BiCMOS集电极上的第三电感L2、第一电阻R1，所述第一电阻的另一端连接在电源上，前级增益放大电路SiGe BiCMOS Q1的发射极接地。
后级功率放大电路还包括第六电感L4，所述第六电感的一端连接在电源上且另一端与SiGe BiCMOS集电极相连，后级功率放大电路SiGe BiCMOS Q2的发射极接地。
本方案通过简单的两级共源结构，能达到比较高的增益、效率和输出功率，电路结构简单，实用性强，芯片面积小、成本低，易于集成。
电阻R1和电阻R2除了稳定电路，还起到了利用温度负反馈技术来提高偏置电路6的温度稳定性的作用。
地为芯片的最高层金属。
本实施例的射频功率放大器的工作中心频率在33～37GHz。前级增益放大电路为了增益考虑采用尺寸小的SiGe HBT三极管、后级功率放大电路为了输出功率考虑采用并联两尺寸大的SiGe HBT三极管。本发明采用的SiGe BiCOMS工艺能够克服CMOS性能差和III-V族芯片存在的体积大、工序繁杂和不易于集成等问题，同时还具有以下优点：
1、前级增益放大电路、后级功率放大电路均采用SiGe HBT三极管，由于SiGe HBT具有良好的频率特性，所以能够大大提高电路的整体性能。同时SiGe HBT还能实现大的电压摆幅和大的工作电流，能提高电路的增益、电流驱动能力和最大输出功率。
2、前级增益放大电路、后级功率放大电路均采用SiGe HBT三极管，可通过SiGeBiCOMS工艺实现集成于同一芯片中，输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路、阻抗变换网络、第一偏置电路、第二偏置电路都能在片上实现，电路结构简单，电路面积小，从而实现电路的高集成度和小型化。
本实施例的个元器件及其参数可采用表1所例器件，该表仅做为一个具体实施例，并不是对本方案的限定。
表1
| 器件名 | 规格 | 器件名 | 规格 |
| 电容C11 | 65pF | 电感L22 | 72pH |
| 电容C1 | 1500.1pF | 电感L3 | 428pH |
| 电容C22 | 60pF | 电感L4 | 1.103nH |
| 电容C2 | 150pF | 电感L33 | 72pH |
| 电容C3 | 1500.1pF | 电阻R1 | 23.4Ohm |
| 电容C33 | 78pF | 电阻R2 | 56.9Ohm |
| 电感L11 | 123pH | 晶体管Q1 | 0.12μm*6μm*1 |
| 电感L1 | 443pH | 晶体管Q2 | 0.12μm*12μm*2 |
| 电感L2 | 1.103nH |
采用上述电路结构和上述元器件，能够良好的工作与Ka波段的33～37GHz无线频段中，通过对本发明实施例电路在该频段的仿真结果可以得到，增益达18dB，最大输出功率达10dBm，此时的功率附加效率超过21％，S参数也在良好的范围里。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络；所述前级增益放大电路、后级功率放大电路均包括SiGe BiCMOS；
所述前级增益放大电路、后级功率放大电路的输入端分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络的电路结构相同。
3.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括串联在输入端的第一电感和第一电容、连接在输入端且另一端接地的第二电容。
4.根据权利要求3所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述第一电容的容值为1425pF至1575pF。
5.根据权利要求3所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述第一电容的容值为1500.1pF。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述第一偏置电路包括第二电感，所述第二电感的两端分别连接在前级增益放大电路的输入端和电源上。
7.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述第二偏置电路包括相串联后一端连接在电源上且另一端连接在后级功率放大电路的输入端的第二电阻和第五电感。
8.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述前级增益放大电路还包括依次连接在SiGe BiCMOS集电极上的第三电感、第一电阻，所述第一电阻的另一端连接在电源上，前级增益放大电路SiGe BiCMOS的发射极接地。
9.根据权利要求1所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述后级功率放大电路还包括第六电感，所述第六电感的一端连接在电源上且另一端与SiGeBiCMOS集电极相连，后级功率放大电路SiGe BiCMOS的发射极接地。
10.根据权利要求8或者9所述的一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，其特征在于，所述地为芯片的最高层金属。
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