CN112260652A - 一种选择功率晶体管尺寸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种选择功率晶体管尺寸的方法，步骤包括：根据工作频率和输出功率大小，基于PDK工艺，仿真晶体管在一定偏置下的S参数，绘制MAXGAIN曲线和K参数曲线；根据MAXGAIN曲线和K参数的关联，在确保晶体管增益的条件下，选择K参数位于0.8～1之间的不稳定区域；借助放大器必不可少的匹配网络的固有损耗，包括输入匹配、输出匹配和级间匹配等，将K值调整至1以上，从而快速确定晶体管尺寸。本发明通过晶体管的MAXGAIN曲线和稳定性K曲线，综合考虑匹配损耗，选择合适尺寸的晶体管，本方法快速、准确且有效，避免盲目选择，提高设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体射频微波技术领域，尤其涉及一种选择功率晶体管尺寸的方法。
背景技术
射频微波放大器是信息技术的硬件中的核心构成部件，尤其是功率放大器，更是嵌在射频前端头上的璀璨明珠，起到举足轻重的作用。通常功率放大器的末级采用多胞晶体管，其单胞晶体管尺寸很是关键，其大小关系到整个功率放大器的工作频率、增益和稳定性。如何快速、有效选择功率晶体管尺寸是设计功率放大器的关键。
针对此问题，本发明提出了一种有效选择功率晶体管尺寸的设计思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择功率晶体管尺寸的方法，通过晶体管的MAXGAIN曲线和稳定性K曲线，综合考虑匹配损耗，选择合适的晶体管，本方法快速、准确且有效，避免盲目选择，提高设计效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种选择功率晶体管尺寸的方法，包括如下步骤：
步骤一，根据工作频率和输出功率大小，基于PDK工艺，仿真晶体管在一定偏置下的S参数，绘制MAXGAIN曲线和K参数曲线；
步骤二，根据MAXGAIN曲线和K参数的关联，在确保晶体管增益的条件下，选择K参数位于0.8～1之间的不稳定区域；
步骤三，借助匹配网络的损耗，选择适当的匹配结构和匹配损耗，调整晶体管的输入匹配、输出匹配以及级间匹配，将K值调整至1以上，从而快速确定晶体管尺寸。
进一步地，步骤三中K值调整至1.03～1.1。
进一步地，所述晶体管的栅极连接输入匹配网络，漏极连接输出匹配网络，输入匹配网络有兼有扼流作用的电感及电阻，输出匹配网络有兼有扼流作用的电感，有利于提升晶体管稳定性。
进一步地，所述输入匹配网络BMATCH包括由电感L1和电容C1构成高通、由电感L2和电容C2构成低通和电阻R1，所述电感L1一端接地，另一端连接电容C1正极，电容C1负极分别连接电容C2正极和电感L2，电阻R1与电感L3串联后与电感L2连接，电感L1至电感L3是兼有扼流作用的电感。
7.进一步地，所述输出匹配网络CMATCH包括电感L4、电感L5、电容C3和电容C4，所述电容C3与电感L4相连构成低通匹配，用于抑制高频增益，所述电感L5与电容C4相连，电感L5用于加电VDC，兼有扼流作用，电容C4为隔直电容。
进一步地，步骤一中晶体管的工艺制程为硅基SiCMOS/BIMOS工艺、或砷化镓GaAs基pHEMT/HBT工艺和氮化镓GaN基HEMT的多种不同衬底、不同栅长的工艺制程。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：根据根据工作频率，选择K位于0.8～1之间的区域，确保晶体管具有足够高的增益，同时处于不稳定区域；最后，借助匹配电路微带线的寄生电阻，使得晶体管的K值提升至1.03～1.1之间，获取高增益和带内稳定。通过此种可快速准确选择合适的晶体管尺寸，实现较高的增益，同时不必要在匹配电路中设置阻性器件，实现晶体管的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。其中：
图1是本发明实施例晶体管在偏置条件下S参数测试电路；
图2是本发明实施例晶体管在特定偏置条件下的MAXGAIN曲线图；
图3是本发明实施例晶体管在特定偏置条件下的K参数曲线图；
图4是本发明实施例晶体管加入输入、输出匹配网络电路图；
图5是本发明实施例输入匹配网络BMATCH电路图；
图6是本发明实施例输入匹配网络CMATCH电路图；
图7是本发明实施例晶体管匹配增益曲线与没有匹配增益曲线的比较图；
图8是本发明实施例晶体管匹配稳定性因子与没有匹配稳定性因子的比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例一种选择功率晶体管尺寸的方法，包括如下步骤：
步骤一，根据工作频率和输出功率大小，基于PDK工艺，仿真晶体管在一定偏置下的S参数，绘制MAXGAIN曲线和K参数曲线；
步骤二，根据MAXGAIN曲线和K参数的关联，在确保晶体管增益的条件下，选择K参数位于0.8～1之间的不稳定区域；
步骤三，借助匹配网络的损耗，选择适当的匹配结构和匹配损耗，调整晶体管的输入匹配和输出匹配，将K值调整至1以上，从而快速得到晶体管尺寸。
作为本发明的一实施例，选用工作频点为14GHz放大器，具体实施方式如下：
根据放大器功率指标和工作频段，选择合适的晶体管工艺制程，为硅基SiCMOS/BIMOS工艺、或砷化镓GaAs基pHEMT/HBT工艺和氮化镓GaN基HEMT等多种不同衬底、不同栅长的工艺制程。
构建如图1所示的电路，为晶体管PA1设置适当的偏置电压，即漏极电压V-DC SRC2＝28V和栅极电压V-DCSRC1＝-2.2V，理想的隔直电容DC_BLOCK和电感DC_FEED辅助实现隔直和扼流，测试晶体管的S参数，然后根据S参数，利用公式(1)计算并绘制出晶体管如图2所示的最大增益MAXGAIN曲线和如图3所示的稳定性K参数曲线；
可知，MAXGAIN和K参数之间的关联性，当K＝1时，
此点是晶体管稳定区域和不稳定区域的分割点，对应图2的m3和图3的m2,俗称拐点。
图2为MAXGAIN随频率变化曲线，拐点M3的频率为15.50GHz，对应的最大增益为14.567，选择拐点m3之的前区域，同时根据图3选择K值，使得K值略小于1，以0.8-1区域为宜，基于这个设计原则选择功率晶体管。
图3为K值随频率变化曲线，拐点M2的频率为15.60GHz，对应的K值为1.006，当0.8≤K≤1时，尽管晶体管处于不稳定状态，但由图3可知该区间具有较高的增益。当晶体管确定后，在其输入和输出端口，设置输入匹配网络和输出匹配网络，将晶体管匹配到50欧姆，其电路图如图4所示，在晶体管PA1前后分别设置输入匹配网络BMATCH和输出匹配网络CMATCH。晶体管的栅极连接输入匹配网络BMATCH，漏极连接输出匹配网络CMATCH，输入匹配网络BMATCH设有扼流电感及电阻，输出匹配网络CMATCH设有扼流电感，均用于提升晶体管稳定性。
图5示出本发明实施例输入匹配网络BMATCH的电路示意图，包括电感L1至电感L3、电容C1、电容C2、电阻R1,其中，电感L1和电容C1构成高通，电感L2和电容C2构成低通，二者组合成带通匹配结构，所述电感L1一端接地，另一端连接电容C1正极，电容C1负极分别连接电容C2正极和电感L2，电阻R1与电感L3串联后与电感L2连接，电阻R1起稳定性作用，电感L3采用微带线结构实现扼流，可以参与匹配也可不参与匹配。上述无源器件，尤其是电阻R1和微带线的寄生电阻产生的损耗，起到对晶体管稳定性的提升。
图6示出本发明实施例输出匹配网络CMATCH的电路示意图，包括电感L4至电感L5、电容C3至电容C4，所述电容C3与电感L4相连，构成低通匹配，用于抑制高频增益；电感L5与电容C4相连，电感L5实现对加电VDC的扼流，可以参与匹配也可不参与匹配，通常电感L5具有寄生电阻，导致其品质因素Q值不会很高，进而对稳定性由提升，电感L4(微带线)和C3实现低通匹配，抑制高频增益，由于微带线的寄生电阻，也会提升稳定性，C4起到隔离作用。
其中，输入匹配网络BMATCH和输出匹配网络CMATCH中电感微带线的损耗基于半导体衬底材料计算微带线的相关参数，包括衬底厚度，磁导率，导电率、损耗角和金属厚度以及表面粗糙度等参数。
本实施例半导体衬底材料的衬底厚度为80μm，介电常数为9.6，相对磁导率为1，电导率为4.0E+7，金属厚度为4μm，损耗角正切值为0.001，表面粗糙度为0μm。
通常，输入匹配网络和输出匹配网络的拓扑结构可以有诸多变化，总体来说，栅极扼流电感(微带线)及电阻和漏极扼流电感(微带线)，以及匹配用到的电感(微带线)，因寄生的电阻是其固有特性，可提升放大器的稳定性参数。此选择晶体管尺寸的方法，不需要额外的稳定性措施，例如在输入匹配网络和输出匹配网络中加入电阻器件，就可以提升K值达到1以上，实现晶体管的完全稳定。
借助匹配网络的损耗，通过计算和优化，选择适当的匹配结构和匹配损耗，可以使得K值提升到1以上。当K值位于1.03～1.1时，增益可以较高，同时确保在放大器工作范围内，保持稳定，不自激，达到要求。
图7为本发明实施例在没有匹配状态下的增益与有损耗匹配和偏置损耗下的增益曲线对比图，图8为本发明实施例在没有匹配状态下的稳定性因子与有损耗匹配和偏置损耗下的稳定性因子的对比图，从图中可以看到，当频率为14GHz时，匹配增益为14.693，K值为1.037，通过匹配损耗，提升放大器的稳定性因子，同时保持较高增益，从而快速得到所选的晶体管尺寸是最佳的。
本发明提出的选择功率晶体管尺寸的方法并非受限于本发明实施例，其不仅实用于单级放大器，也可适多级放大器，其匹配结构可以是带通、低通和高通匹配结构，也可以是它们之间的组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，根据工作频率和输出功率大小，选择合适的晶体管工艺制程，仿真晶体管在一定偏置下的S参数，绘制MAXGAIN曲线和K参数曲线；
步骤二，根据MAXGAIN曲线和K参数的关联，在确保晶体管增益的条件下，选择K参数位于0.8～1之间的不稳定区域；
步骤三，借助匹配网络的损耗，选择适当的匹配结构，调整晶体管的输入匹配、输出匹配以及级间匹配，将K值调整至1以上，从而快速确定晶体管尺寸。
2.根据权利要求1所述的选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，步骤三中K值调整至1.03～1.1。
3.根据权利要求1所述的选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，所述晶体管的栅极连接输入匹配网络，漏极连接输出匹配网络，输入匹配网络兼有扼流作用的电感及电阻，输出匹配网络兼有扼流作用的电感，有利于提升晶体管稳定性。
4.根据权利要求3所述的选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，所述输入匹配网络BMATCH包括由电感L1和电容C1构成高通、由电感L2和电容C2构成低通和电阻R1，所述电感L1一端接地，另一端连接电容C1正极，电容C1负极分别连接电容C2正极和电感L2，电阻R1与电感L3串联后与电感L2连接，电感L1至电感L3是兼有扼流作用的电感。
5.根据权利要求3所述的选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，所述输出匹配网络CMATCH包括电感L4、电感L5、电容C3和电容C4，所述电容C3与电感L4相连构成低通匹配，用于抑制高频增益，所述电感L5与电容C4相连，电感L5用于加电VDC，兼有扼流作用，电容C4为隔直电容。
6.根据权利要求1至5任一所述的选择功率晶体管尺寸的方法，其特征在于，步骤一中晶体管的工艺制程为硅基Si CMOS/BIMOS工艺、或砷化镓GaAs基pHEMT/HBT工艺和氮化镓GaN基HEMT的多种不同衬底、不同栅长的工艺制程。
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