一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯的制作方法

本实用新型属于射频功率放大器晶体管管芯和集成电路与SiP技术领域，具体涉及一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯的设计。

背景技术：

随着移动通信、软件无线电、无线局域网(WLAN)等无线通信市场的快速发展，射频前端组件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，与此同时对于满足不同通信系统和不同功率模式的高动态要求也提出了挑战。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，主要由功率放大器晶体管管芯和外围匹配电路构成。当采用半导体集成电路工艺设计实现功率放大器管芯，用于满足不同通信系统和不同功率模式的高动态要求时主要体现在以下几个限制因素：

(1)传统单晶体管并联管芯的高频高功率能力受限：受到半导体工艺的发展和晶体管尺寸等比例缩小的影响，当晶体管的栅长越来越短时，晶体管的高频增益特性越好，但是其击穿电压会降低，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高频功率容量，如0.5um工艺的GaN管芯，工作电压50V，具有极高的功率容量，但是其典型最高工作频率只能到S波段；而0.1um工艺的GaN管芯，工作电压12V，其典型工作频率可以到Ka波段，但是其功率容量相对较低。目前，为了获得高频高功率特性，典型的解决方案采用大栅宽尺寸的晶体管，在保证漏极电压不变的前提下，利用电流合成的方式增大功率容量。但是，这种解决方案却增加了栅源电容，降低了输入阻抗与最佳负载阻抗，增大了电路阻抗匹配的设计难度。

(2)典型堆叠结构的复合晶体管管芯的高动态适应能力受限：典型堆叠结构是集成了固定栅补偿电容的，由于该栅极补偿电容全部采用固定容值，这限制了该复合晶体管漏压的动态范围，只能针对一种固定偏置状态实现高功率高效率指标；而传统单晶体管管芯虽然具有漏压向下兼容的特性，但是其高频功率特性很差，如0.5um工艺的GaN管芯，典型工作电压50V，可以向下兼容28V供电，但是工作频率低；而采用典型堆叠结构的复合晶体管，如四堆叠0.1um工艺的GaN管芯，可以实现典型工作电压48V，但是受到固定栅补偿电容的影响确无法向下兼容28V供电需求。

由此可以看出，对于满足不同通信系统和不同功率模式的高动态要求的射频与微波功率放大器晶体管管芯设计难点为：(1)高频高功率输出难度较大；(2)高动态适应能力受限。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了提出一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯，具有效率高、偏置动态范围大、最佳负载阻抗动态范围大、管芯面积小等优势。

本实用新型的技术方案为：一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯，包括输入奇模电阻、第一欠匹配三堆叠放大网络、第二欠匹配三堆叠放大网络、输出奇模电阻、第一自适应匹配网络、第二自适应匹配网络和二级自偏分压网络；第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端为整个高效率复合晶体管管芯的第一输入端，其输出端为整个高效率复合晶体管管芯的第一输出端；第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端为整个高效率复合晶体管管芯的第二输入端，其输出端为整个高效率复合晶体管管芯的第二输出端；输入奇模电阻分别与第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端以及第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接；第一欠匹配三堆叠放大网络分别与第一自适应匹配网络以及二级自偏分压网络连接，第二欠匹配三堆叠放大网络分别与第二自适应匹配网络以及二级自偏分压网络连接；输出奇模电阻分别与第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端、第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端、第一自适应匹配网络的输出端、第二自适应匹配网络的输出端以及二级自偏分压网络的输出端连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用采用三堆叠放大网络，节省了芯片的面积，同时实现了良好的高频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，提高了电路的稳定性与可靠性；同时本实用新型采用基于变容管自适应匹配技术，可以实现针对三堆叠放大器结构在不同漏极偏置状态下的最佳栅极内匹配状态，使得该管芯具有效率高、偏置动态范围大、最佳负载阻抗动态范围大的优势，因此具有良好的抗失配性和兼容性。

进一步地，第一欠匹配三堆叠放大网络和第二欠匹配三堆叠放大网络结构相同。

第一欠匹配三堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3、中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极为第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R2的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R3的另一端通过电容C1与第一自适应匹配网络连接；顶层晶体管Md3的漏极为第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R4的一端以及电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R5的另一端通过电容C2与第一自适应匹配网络连接；底层晶体管Md1的漏极和中间层晶体管Md2的源极之间通过微带线TL1连接，中间层晶体管Md2的源极与微带线 TL1的连接节点还与开路微带线TL2连接；中间层晶体管Md2的漏极和顶层晶体管Md3的源极之间通过微带线TL3连接，顶层晶体管Md3的源极与微带线TL3的连接节点还与开路微带线TL4连接。

第二欠匹配三堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md6、中间层晶体管Md5以及底层晶体管Md4；底层晶体管Md4的源极接地，其栅极为第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管Md5的栅极分别与电阻R6的一端以及电阻R7的一端连接，电阻R6的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R7的另一端通过电容C3与第二自适应匹配网络连接；顶层晶体管Md6的漏极为第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R8的一端以及电阻R9的一端连接，电阻R8的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R9的另一端通过电容C4与第二自适应匹配网络连接；底层晶体管Md4的漏极和中间层晶体管Md5的源极之间通过微带线TL5连接，中间层晶体管Md5的源极与微带线 TL5的连接节点还与开路微带线TL6连接；中间层晶体管Md5的漏极和顶层晶体管Md6的源极之间通过微带线TL7连接，顶层晶体管Md6的源极与微带线TL7的连接节点还与开路微带线TL8连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型为了改善固定栅极补偿电容的限制作用，选用欠匹配三堆叠放大网络以及相配合的匹配枝节，可以利用该结构获得良好的栅极接口可控性，同时保持了堆叠晶体管结构的高频、高功率、高效率特性。此外，在晶体管堆叠结构的漏极和源极连接中加入了具有一定长度的L型匹配枝节，强化了堆叠结构在堆叠晶体管间的电抗式匹配，而常规堆叠放大网络采用的是较短的微带线连接。

进一步地，第一自适应匹配网络和第二自适应匹配网络结构相同。

第一自适应匹配网络包括二极管D1和二极管D2，二极管D1的正极与电阻R20的一端连接并接地，其负极分别与电阻R19的一端以及电容C1连接，电阻R19的另一端和电阻R20的另一端均与电阻R21的一端连接；二极管D2的正极与电阻R23的一端连接并接地，其负极分别与电阻R22的一端以及电容C2连接，电阻R22的另一端和电阻R23的另一端均与电阻 R24的一端连接；电阻R21的另一端与电阻R24的另一端连接并作为第一自适应匹配网络的输出端。

第二自适应匹配网络包括二极管D3和二极管D4，二极管D3的正极与电阻R26的一端连接并接地，其负极分别与电阻R25的一端以及电容C3连接，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端均与电阻R27的一端连接；二极管D4的正极与电阻R28的一端连接并接地，其负极分别与电阻R29的一端以及电容C4连接，电阻R28的另一端和电阻R29的另一端均与电阻 R30的一端连接；电阻R27的另一端与电阻R30的另一端连接并作为第二自适应匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型的自适应匹配网络采用二极管形成栅极压控电容结构，利用晶体管管芯的漏极分压来控制栅极补偿电容的大小，从而实现自适应匹配的功能，使得堆叠结构的复合晶体管管芯的具有极高的漏极电压动态适应能力。同时采用电容补偿技术，将压控电容与欠匹配三堆叠放大网络中的预匹配电容串联，从而将压控电容的容值控制范围调整到所需求的指标下，实现精确的自适应匹配功能。

进一步地，二级自偏分压网络包括依次串联的电阻R16、电阻R13和接地电阻R10，电阻R16未连接电阻R13的一端为二级自偏分压网络的输出端；电阻R13和接地电阻R10的连接节点还分别与电阻R11的一端以及电阻R12的一端连接，电阻R11的另一端与电阻R2连接，电阻R12的另一端与电阻R6连接；电阻R13和电阻R16的连接节点还分别与电阻R14的一端以及电阻R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R4连接，电阻R15的另一端与电阻R8连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用了二级自偏分压网络，该网络在第一欠匹配三堆叠放大网络、第二欠匹配三堆叠放大网络之间共用，使得堆叠结构中除最底层晶体管外的堆叠晶体管的栅极供电实现了电压自偏，大大简化了外围供电结构；而常规堆叠放大网络采用的是外围分压网络，对多路堆叠网络实现分别独立供电，复杂度相对较高。

进一步地，输入奇模电阻包括电阻R1，电阻R1的一端与第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接，其另一端与第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接。

输出奇模电阻包括电阻R17和电阻R18，电阻R17的一端与第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端连接，其另一端分别与第一自适应匹配网络的输出端、第二自适应匹配网络的输出端、二级自偏分压网络的输出端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用输入奇模电阻和输出奇模电阻来抑制晶体管管芯的奇模震荡。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯原理框图。

图2所示为本实用新型实施例提供的一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种基于变容管自适应匹配技术的高效率复合晶体管管芯，如图1所示，包括输入奇模电阻、第一欠匹配三堆叠放大网络、第二欠匹配三堆叠放大网络、输出奇模电阻、第一自适应匹配网络、第二自适应匹配网络和二级自偏分压网络；第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端为整个高效率复合晶体管管芯的第一输入端，其输出端为整个高效率复合晶体管管芯的第一输出端；第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端为整个高效率复合晶体管管芯的第二输入端，其输出端为整个高效率复合晶体管管芯的第二输出端；输入奇模电阻分别与第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端以及第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接；第一欠匹配三堆叠放大网络分别与第一自适应匹配网络以及二级自偏分压网络连接，第二欠匹配三堆叠放大网络分别与第二自适应匹配网络以及二级自偏分压网络连接；输出奇模电阻分别与第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端、第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端、第一自适应匹配网络的输出端、第二自适应匹配网络的输出端以及二级自偏分压网络的输出端连接。

如图2所示，第一欠匹配三堆叠放大网络和第二欠匹配三堆叠放大网络结构相同。

第一欠匹配三堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3、中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极为第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R2的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R3的另一端通过电容C1与第一自适应匹配网络连接；顶层晶体管Md3的漏极为第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R4的一端以及电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R5的另一端通过电容C2与第一自适应匹配网络连接；底层晶体管Md1的漏极和中间层晶体管Md2的源极之间通过微带线TL1连接，中间层晶体管Md2的源极与微带线 TL1的连接节点还与开路微带线TL2连接；中间层晶体管Md2的漏极和顶层晶体管Md3的源极之间通过微带线TL3连接，顶层晶体管Md3的源极与微带线TL3的连接节点还与开路微带线TL4连接；

第二欠匹配三堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md6、中间层晶体管Md5以及底层晶体管Md4；底层晶体管Md4的源极接地，其栅极为第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管Md5的栅极分别与电阻R6的一端以及电阻R7的一端连接，电阻R6的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R7的另一端通过电容C3与第二自适应匹配网络连接；顶层晶体管Md6的漏极为第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R8的一端以及电阻R9的一端连接，电阻R8的另一端与二级自偏分压网络连接，电阻R9的另一端通过电容C4与第二自适应匹配网络连接；底层晶体管Md4的漏极和中间层晶体管Md5的源极之间通过微带线TL5连接，中间层晶体管Md5的源极与微带线 TL5的连接节点还与开路微带线TL6连接；中间层晶体管Md5的漏极和顶层晶体管Md6的源极之间通过微带线TL7连接，顶层晶体管Md6的源极与微带线TL7的连接节点还与开路微带线TL8连接。

第一自适应匹配网络和第二自适应匹配网络结构相同。

第一自适应匹配网络包括二极管D1和二极管D2，二极管D1的正极与电阻R20的一端连接并接地，其负极分别与电阻R19的一端以及电容C1连接，电阻R19的另一端和电阻R20的另一端均与电阻R21的一端连接；二极管D2的正极与电阻R23的一端连接并接地，其负极分别与电阻R22的一端以及电容C2连接，电阻R22的另一端和电阻R23的另一端均与电阻 R24的一端连接；电阻R21的另一端与电阻R24的另一端连接并作为第一自适应匹配网络的输出端。

第二自适应匹配网络包括二极管D3和二极管D4，二极管D3的正极与电阻R26的一端连接并接地，其负极分别与电阻R25的一端以及电容C3连接，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端均与电阻R27的一端连接；二极管D4的正极与电阻R28的一端连接并接地，其负极分别与电阻R29的一端以及电容C4连接，电阻R28的另一端和电阻R29的另一端均与电阻 R30的一端连接；电阻R27的另一端与电阻R30的另一端连接并作为第二自适应匹配网络的输出端。

二级自偏分压网络包括依次串联的电阻R16、电阻R13和接地电阻R10，电阻R16未连接电阻R13的一端为二级自偏分压网络的输出端；电阻R13和接地电阻R10的连接节点还分别与电阻R11的一端以及电阻R12的一端连接，电阻R11的另一端与电阻R2连接，电阻R12的另一端与电阻R6连接；电阻R13和电阻R16的连接节点还分别与电阻R14的一端以及电阻 R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R4连接，电阻R15的另一端与电阻R8连接。

输入奇模电阻包括电阻R1，电阻R1的一端与第一欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接，其另一端与第二欠匹配三堆叠放大网络的输入端连接。

输出奇模电阻包括电阻R17和电阻R18，电阻R17的一端与第一欠匹配三堆叠放大网络的输出端连接，其另一端分别与第一自适应匹配网络的输出端、第二自适应匹配网络的输出端、二级自偏分压网络的输出端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与第二欠匹配三堆叠放大网络的输出端连接。

下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：

本实用新型的核心架构采用两个结构相同的欠匹配三堆叠放大网络，分别对由第一输入端IN1和第二输入端IN2输入的射频信号进行放大，得到两路射频输出信号，分别由第一输出端OUT1和第二输出端OUT2输出。

本实用新型为了改善固定栅极补偿电容的限制作用，选用欠匹配三堆叠放大网络以及相配合的匹配枝节，可以利用该结构获得良好的栅极接口可控性，同时保持了堆叠晶体管结构的高频、高功率、高效率特性。同时每相邻两个晶体管的源极和漏极之间均加入了具有一定长度的L型匹配枝节，强化了堆叠结构在堆叠晶体管间的阻抗匹配。

本实用新型的自适应匹配网络采用二极管D1～D4形成栅极压控电容结构，当二极管 D1～D4的电压变化时，其等效压控电容也会随之发生变化，因此利用晶体管管芯的漏极分压来控制栅极补偿电容的大小，从而实现自适应匹配的功能，使得堆叠结构的复合晶体管管芯的具有极高的漏极电压动态适应能力。同时采用电容补偿技术，将压控电容与欠匹配三堆叠放大网络中的预匹配电容串联，从而将压控电容的容值控制范围调整到所需求的指标下，实现精确的自适应匹配功能。

本实用新型采用了二级自偏分压网络，该网络在第一欠匹配三堆叠放大网络、第二欠匹配三堆叠放大网络之间共用，使得堆叠结构中除最底层晶体管外的堆叠晶体管的栅极供电实现了电压自偏，大大简化了外围供电结构。

此外，本实用新型中采用输入奇模电阻和输出奇模电阻来抑制晶体管管芯的奇模震荡。

本实用新型实施例中，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，实现在高频条件下的高功率输出能力、高功率增益、高最佳负载阻抗、芯片面积小且成本低。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。