专利名称：宽带高功率反馈结构放大器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种具有新型反馈结构的功率放大器(后简称功放)设计。
背景技术：
反馈结构常被用于放大器设计以增加带宽，提高线性度等。它还有利于增进输入输出阻抗匹配。通常的反馈结构包括一个电阻和一个隔直电容。它连接晶体管的输入输出，多被用作负反馈。用于低功率电路时，反馈结构常被置于离散电路中的印刷电路板上或者集成电路的衬底上。反馈电阻的额定功率一般很低。功率放大器中的晶体管常用凸缘架封装，因为这种封装可以使晶体管晶片散热好，而且容易安放在金属支架上。但是这种封装比一般低功率电路使用的封装体积大。如果反馈结构是放在印刷电路板上的，电路布线必须绕过凸缘架封装，所以整个反馈路径很长，从而增加相位延迟，导致高频时负反馈变为正反馈，放大器就会工作不稳定，甚至震荡。由于硅晶体管中电子移动速度较慢，使用硅晶体管的宽带功放一般最高只能用到IGHz频率。新出现的GaN晶体管能输出很高功率，也可以达到很高频率。如果长反馈路径的反馈结构用在GaN晶体管上，GaN晶体管的在高频时的大增益很容易导致震荡发生。将轴向电阻架在凸缘架封装的晶体管上可以缩短反馈路径。具体做法是，把一个电容贴在晶体管的一侧，轴向电阻的一脚连接电容，一脚连接晶体管的另一侧。但是这样轴向电阻只能向空气中散热，限制了电路的功率承载能力。为避免这种情况，电阻体积必须增大。增加的电阻长度又会导致更大的相位延迟，限制反馈结构保持负反馈的频率范围，从而限制放大器的稳定工作带宽。本发明专利提出了一种全新的反馈结构。它使用一种非常紧凑的散热结构，从而使反馈路径长度降到最低，保证宽带功放在很高频率输出大功率时仍保持无条件的稳定。
发明内容
本发明专利涉及一种具有新型反馈结构的功率放大器。在一种实施例中，该放大器被证实可以在20MHz-2500MHz的超宽带宽内输出超过20W的功率。它结合了一种新型功率晶体管——GaN晶体管——和一种独特的高功率反馈结构的优点。GaN晶体管有很高的击穿电压和比其他传统晶体管大的多的匹配阻抗，很适合用于宽带放大器。使用GaN晶体管，放大器可以在更宽的频带输出更高的功率。本发明专利提供的反馈结构可以大量散热，并且把相位延迟减到最小，从而使GaN晶体管的优点得到充分发挥。该反馈结构包括一个金属桥和一个贴在桥上的功率电阻。此金属桥跨过凸缘架封装的晶体管。桥的两脚都有穿孔，螺丝通过穿孔把金属桥一面贴着晶体管固定在金属支架上。功率电阻放在金属桥的不同表面上，电阻引脚一边连接电路板上的印制线路，另一边连接一个电容。在一种实施例中，金属桥先固定在晶体管的凸缘架封装上，再固定在金属支架上。电阻上产生的热量通过金属桥和凸缘架封装发散到金属支架上。与电阻直接向空气或电路板散热相比，这种反馈结构的热阻抗大大降低，因而可以承载高功率，适用于非常高功率的放大器系统。由于反馈路径的相位延迟被降低到最小，通过优化匹配网络，放大器可以在很宽的带宽内稳定工作。本发明专利是第一个稳定的超宽带反馈型GaN放大器。特殊的结构和材料使得电阻和金属支架间的热阻抗降到最低。在一种实施例中，电阻可以承载大于10瓦的功率。如果增大金属桥面积或者使用具有更好热传导性能的材料作桥，承载功率可以进一步提高。超宽带放大器中反馈电阻要承载很大功率，因此改善反馈电阻的热阻抗性能非常有助于提高放大器系统的功率输出能力。同时，由于电阻是直接架在晶体管上方的，反馈路径达到最小化。这样的结构可以用于工作在几GHz频率的放大器。反馈放大器的设计不仅可以使用GaN晶体管，本发明专利中的高功率反馈结构还可以配合高性能硅、碳化硅或者GaAs晶体管(如LDMOS或者GaAs MESFET, pHEMT)以及它们的集成电路使用，实现在极宽频带内输出高功率。多级反馈放大器可以级联以增加放大器的增益。通过优化级联匹配，多级放大器可以在更宽的带宽输出高功率，并且保持无条件稳定。本发明专利的反馈结构还可以增进放大器的线性度。使用这种高功率反馈结构可以实现线性高功率反馈放大器。
下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步说明。图1是带有凸缘架封装的晶体管结构图。图2是为反馈电阻散热用的金属桥结构图。图3是高功率贴片电阻结构图。图4是加装在晶体管上的反馈结构的透视图。图5是另一种实施例中加装在晶体管上的反馈结构的透视图。图6是第三种实施例中加装在晶体管上的反馈结构的透视图。
具体实施例方式本发明专利描述了一种使用高功率反馈结构的宽带功率放大器。反馈电阻可以使有源器件在较宽的频率范围内增益平坦，并改善输入输出的阻抗匹配。把贴片功率电阻置于一个金属桥上作为反馈电阻，可以提高电阻的功率承载能力。再把这个金属桥架在有源器件的上方以缩短反馈路径，就构成了一种高功率反馈结构。一个高功率有源器件结合这样一种反馈结构，可以制成高功率宽带放大器。放大器中的有源器件把输入端的小信号放大成大信号输出。该有源器件可以是一个晶体管，也可以是集成电路。在推荐的实施例中，由一个晶体管构成有源器件。多数大功率晶体管都使用凸缘架封装，如图1所示。在图1中，晶体管100有一个金属基底101和一个陶瓷部分。陶瓷部分包括一个陶瓷围墙103和一个陶瓷盖板104。金属引脚105和107穿过陶瓷部分输入和输出射频和直流信号。引脚107在输入端，引脚105在输出端。在基底101上方，陶瓷部分102内部，有一个或多个晶体管晶片或者IC (集成电路)。金属基底101上有挖空区域106。有些实施例中穿孔代替了挖空区域106。螺丝穿过挖空区域106把整个封装固定在金属支架上。这种结构有良好的散热效果。在其他实施例中，晶体管使用无凸缘封装，即金属基底的尺寸与陶瓷部分相同。图2所示的实施例中，金属桥200的规格与晶体管相匹配。金属桥中央有个凹槽201，可以容纳凸缘架封装晶体管的陶瓷部分102。桥的凹槽201比凸缘架封装的陶瓷部分102高，这样当金属桥200架在凸缘架封装100上时，凹槽上端202和陶瓷盖板104上方保留有间隙。在桥柱204上打穿孔203。这些穿孔的位置与凸缘架封装上的挖空区域106匹配。金属桥的形状并不局限于反“U”形。在其他实施例中，它可以只有一个桥柱和一个螺孔，象一个金属块。在其他实施例中，桥也可以用其他导热性好的非金属材料制成。高功率电阻300用作反馈电阻。高功率电阻300可以在正面两端加金属焊盘302和304，如图3(a)所示，也可以在背面加焊盘301，如图3(b)所示。电阻体303通常用AlN或者BeO衬底制成。这样的电阻衬底有很高的热传导率，可以很好地散热。电阻300贴在桥200上或者贴在桥上的环氧树脂上。桥200可以用铝、铜或者其他材料制成。铜是较好选择，因为铜具有很高的导热率和合理的价格。桥表面可以镀镍或者其他材料，以方便电阻焊接，同时保护桥体不受腐蚀和氧化。在图4所示的实施例中，桥200，电阻300和晶体管100 —起装配在支架401上。螺丝402穿过桥200的桥柱204和晶体管封装基底101上的挖空区域106，将桥200和晶体管100 —起固定在支架401上。电阻300贴在桥200的上表面。输入印制线405印在输入印制电路板403上，输出印制线406印在输出印制电路板404上。在一种实施例中，一个陶瓷电容407放在输入印制线405上，电容的一面408焊在线405上，另一面409和电阻300的焊盘304通过一根金属丝410连接，电阻300的另一个焊盘302通过金属丝411连在输出印制线406上。在其它的实施例中，电容407可以是其它种类的电容，如钽电容或者电解电容。金属丝410和411可以用金属带或者印制电路线代替。桥200的桥柱204直接接触凸缘架封装的基底101，基底101接触支架。接触面之间可以填充导热胶或者其它填充物以排除空气间隙。这样就在电阻衬底303到桥200，再通过桥柱204和凸缘架封装基底101直到支架401之间为电阻300提供了一条散热通路。热量最终导入支架所连接的散热片上。在图5所示的实施例中，电阻300贴在桥200的底面。电阻300位于桥200的凹槽201中，焊在桥200的内表面202上。金属丝410把电阻的一端连在电容407上；金属丝411把电阻的另一端连在输出印制线406上。在图6所示的实施例中，电阻300位于桥200的侧面，贴在桥200的桥柱204上。金属丝410把电阻的一端连在电容407上；金属丝411把电阻的另一端连在输出印制线406上。电容407用于隔断从晶体管输出端到输入端的直流电压。金属丝410连接输入印制线405和电阻300的焊盘304 ;金属丝411连接电阻300的焊盘302和电容的上端409。在其它实施例中，隔直电容放在晶体管封装内部，则反馈结构不包括隔直电容。在另外的实施例中，电阻可以采用轴向电阻。也可以把环氧树脂贴在金属桥表面，将热量通过桥导入支架。在另外的实施例中，晶体管的封装基底可以与陶瓷部分尺寸相同。这样，金属桥跨过晶体管直接连在支架上。
在一种实施例中，晶体管100是氮化镓(GaN)晶体管。放大器频率范围达到20MHz到2500MHz。在整个带宽内，输出功率都达到了 20瓦以上。其它实施例还可能实现更好的性能。由于反馈路径长度降到了最低，放大器可以在宽频带内稳定工作。本专利发明中的放大器是第一款宽带稳定高功率GaN反馈放大器。晶体管也可以使用其它类型的晶体管。本专利发明中的反馈结构可以配合硅、碳化硅或者GaAs晶体管(如LDMOS或者GaAs MESFET, pHEMT)以及它们的集成电路使用，实现在极宽频带内输出高功率。尽管本发明专利给出多种实施例，熟悉这个技术领域的技术人员仍可以对实施例加以简单变化以实现本发明专利提到的有益效果。这些显而易见的变化都已经涵盖在本发明专利中。
权利要求
1.一种宽带反馈功率放大器，由一个有源器件和一个反馈结构构成；反馈结构由一个桥和一个电阻构成，电阻贴在桥上，桥跨在有源器件上。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是GaN(氮化镓)器件。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是硅器件。
4.根据权利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是晶体管。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是集成电路。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征是有源器件采用凸缘架封装。
7.根据权利要求1所述的放大器，其特征是桥用金属制成。
8.根据权利要求1所述的放大器，其特征是桥用高导热率的非金属材料制成。
9.根据权利要求1所述的放大器，其特征是桥至少有一个凹槽。
10.根据权利要求1所述的放大器，其特征是桥是一个不带凹槽的模块。
11.根据权利要求1所述的放大器，其特征是电阻是表面贴片电阻。
12.根据权利要求1所述的放大器，其特征是电阻贴在桥的上表面。
13.根据权利要求1所述的放大器，其特征是电阻贴在桥的内表面。
14.根据权利要求1所述的放大器，其特征是电阻贴在桥的侧面。
15.一种功率放大器用的反馈结构，包括一个桥和一个电阻，电阻贴在桥上。
16.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是桥跨在有源器件上。
17.根据权利要求16所述的反馈结构，其特征是有源器件是GaN(氮化镓)器件。
18.根据权利要求16所述的反馈结构，其特征是有源器件是硅器件。
19.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是桥用金属制成。
20.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是桥用高导热率的非金属材料制成。
21.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是桥至少有一个凹槽。
22.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是桥是一个不带凹槽的模块。
23.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是电阻是表面贴片电阻。
24.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是电阻贴在桥的上表面。
25.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是电阻贴在桥的内表面。
26.根据权利要求15所述的反馈结构，其特征是电阻贴在桥的侧面。
全文摘要
一种新型的高功率反馈结构的宽带功率放大器。反馈结构广泛应用于放大器设计，以增加放大器带宽。传统上反馈电阻或着使用轴向电阻，焊在晶体管上方，或者用贴片电阻及印刷电路板上的线路构成整个反馈通路。但是，这两种方式都有各自的局限性。轴向电阻散热能力差，不能够承载高功率。印刷电路板上的反馈通路很长，在高频时变成正反馈，容易引起震荡，因此使用这种反馈方式的放大器的稳定工作频段不能达到很高频率。本发明专利提出的反馈结构有很好的散热途径和很短的反馈路径，可以工作在很高频率。我们已经成功地将这个反馈结构应用于一种具有低寄生电容和高匹配阻抗的新型功率晶体管——氮化镓晶体管，制造出具有极高输出功率和极宽带宽的功率放大器，并通过优化匹配网络进一步提升了功放的性能和稳定性。我们已经证明使用这个负反馈结构的功放可以在很宽的频带内达到无条件稳定。
文档编号H03F1/32GK103199804SQ20121000376
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者贾鹏程 申请人:广州程星通信科技有限公司