专利名称：功率放大晶体管电路及提高其稳定性的方法
技术领域：
本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种功率放大晶体管电路及提高功率放大晶体管稳定性的方法，特别是一种砷化镓异质结双极功率放大晶体管(GaAs HBT功率放大晶体管)电路及提高其稳定性的方法。
背景技术：
在现代无线通信系统中，射频功率放大器是实现射频信号无线传输的关键部件，而功率放大晶体管又是构成射频功率放大器的核心。它要求具有高频特性好、功率密度大、工作频率高、线性度好、功率增益高、易于匹配等诸多特性。而GaAs HBT功率放大晶体管具有高的电流处理能力、高的输出功率，优异的高频特性、较宽的线性和高的效率，非常适合于功率放大应用。GaAs HBT功率放大晶体管在应用时，通常采用多发射极指结构来改善电流处理能力和散热能力。然而，由于GaAs材料本身的热导率很低，功率放大晶体管在大电流工作状态下产生的热量很难及时的散发出去，HBT的结温升高，导致晶体管的开启电压下降，在基极偏置电压的偏置下，产生集电极电流的热电正反馈，器件的IV曲线出现上翘。结温升高，增加了器件的反向注入电流，降低了器件的电流增益，导致了集电极电流的热电负反馈特性。HBT自热效应引发的热电反馈将导致多指HBT功率放大晶体管的电流增益坍塌，是HBT功率放大晶体管最重要的热不稳定问题。在微波功率放大器的研制中，功率放大晶体管的稳定性也是一个需要严格考虑的因素。为了增加输出功率，功率放大晶体管的尺寸要变大，其输入输出阻抗的实部变低、寄生反馈增强，导致K因子下降，功率放大晶体管稳定性降低；而且S参数随频率变化，功率放大晶体管在不同频率的稳定性有所不同，一般高频率段表现为无条件稳定(κ> 1)，而在中低频率段表现为潜在不稳定(Κ< I)。使得器件在不同频率点上的负载阻抗或源阻抗非常复杂，而且可能随着制作工艺，使用环境的变化而变化，那么在潜在不稳定频段上器件的端口阻抗就非常容易进入不稳定区域触发器件的自激振荡，导致电路设计失效。因此，在功率放大器的设计中，如何提高功率放大晶体管，特别是GaAs HBT功率放大晶体管的热稳定性和电学稳定性，就成为了非常重要的问题。常用的一种做法是在功率放大晶体管的输入端或是输出端加入镇流电阻，增强器件的热电负反馈特性，从而使功率放大晶体管工作在热稳定区域；也可以外加稳定性网络提高K因子，使功率放大晶体管工作于稳定区域。对于基极镇流电阻形式的应用，现有技术的方案采用如图1所示的电路结构。如图1所示，功率放大器的输入端包括输入偏置电路I和输入匹配电路2，输出端包括输出匹配电路3，电阻Rl作为输入端的基极镇流电阻，连接在输入匹配电路2和功率放大晶体管Tl的基极之间，电容Cl作为射频耦合电容，和电阻Rl并联，连接输入匹配电路2和功率放大晶体管Tl的基极之间，电阻Rl和电容Cl构成了稳定电路4。功率放大晶体管Tl的集电极经由一个电感连接到电源VCC上，同时，集电极经由输出匹配电路3连接到射频输出端RFOUT。电阻Rl作为基极镇流电阻，可以增强功率放大晶体管的热稳定性，同时也可以提高电学稳定性，电容Cl作为射频耦合电容和电阻Rl并联，可以减小对器件功率增益的影响，但是，通过改变电阻Rl的阻值来改善电学稳定性时会对热稳定性产生影响，改变电阻Rl的阻值来改善热稳定性时，也会对电学稳定性产生影响，因此不能同时得到好的热稳定性和电学稳定性。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种功率放大晶体管电路及提高功率放大晶体管稳定性的方法，特别是一种砷化镓异质结双极功率放大晶体管(GaAs HBT功率放大晶体管)电路及提高其稳定性的方法，以解决同时优化满足功率放大晶体管的热稳定性和电学稳定性的技术问题，实现良好的功率放大晶体管设计。(二)技术方案为解决以上的技术问题，本发明的一个方面是一种功率放大晶体管电路，其包括一个功率放大晶体管和一个稳定电路，该稳定电路连接于功率放大晶体管的基极，稳定电路由一射频输入通路和一直流输入通路并联而成，射频输入通路用于改善功率放大晶体管的电学稳定性，直流输入通路用于改善功率放大晶体管的热稳定性。根据本发明的功率放大晶体管电路，射频输入通路可由电阻和电容并联组成，射频输入通路的一端连接到输入匹配电路，另一端连接到功率放大晶体管的基极。根据本发明的功率放大晶体管电路，直流输入通路由一个稳定电阻组成，电阻一端连接到输入偏置电路，另一端也连接到功率放大晶体管的基极。根据本发明的功率放大晶体管电路，功率放大晶体管的集电极经由一电感连接到电源。根据本发明的功率放大晶体管电路，功率放大晶体管的集电极经由一输出匹配电路连接到射频输出端。根据本发明的功率放大晶体管电路功率放大晶体管为一 GaAs HBT功率放大晶体管。根据本发明的功率放大晶体管电路，电阻和电容的值可以被调节，以得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管的增益。根据本发明的功率放大晶体管电路，电阻的值可以被调节，以改善电流增益坍塌，提闻热稳定性。本发明的另一个方面是一种提高功率放大晶体管稳定性的方法，其包括如下步骤:在功率放大晶体管和输入匹配电路之间设置一个稳定电路，该稳定电路由一个射频输入通路和一个直流输入通路并联而成；利用该射频输入通路来改善功率放大晶体管的电学稳定性；利用该直流输入通路来改善功率放大晶体管的热稳定性。根据本发明的方法，该射频输入通路由电阻和电容并联组成，射频输入通路的一端连接到输入匹配电路，另一端连接到功率放大晶体管的基极。根据本发明的方法，该直流输入通路由一个稳定电阻组成，电阻一端连接到输入偏置电路，另一端也连接到功率放大晶体管的基极。根据本发明的方法的功率放大晶体管为GaAs HBT功率放大晶体管。根据本发明的方法，还包括如下步骤:调节电阻和电容的值，得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管的增益。根据本发明的方法，根据功率放大晶体管的发射极的长、宽以及发射极指来调节电阻和电容的值。根据本发明的方法，，还包括如下步骤:调节电阻的值，改善电流增益坍塌，提高热稳定性。根据本发明的方法，根据功率放大晶体管(Tl)的工艺特性来调节稳定电阻(R2)的值。(三)有益效果本发明在功率放大晶体管的输入端加入了稳定电路，由此既可以使功率放大晶体管处于绝对稳定状态，从而使功率放大器电路易于匹配和稳定，又可以得到最佳的热稳定性，有效抑制增益坍塌，同时还提高了高频稳定性。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明:图1为现有的带稳定电路的功率放大器电路图；图2为本发明的带稳定电路的功率放大器电路图；图3为以图2的拓扑连接方式进行连接仿真得到的稳定性仿真结果示意图；图4为本发明的功率放大晶体管电路的电路图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明的一个具体实施例是一种功率放大晶体管电路，其中所采用的功率放大晶体管为，如图2所示。该GaAs HBT功率放大晶体管例如是5.8GHZ的GaAs HBT功率放大晶体管。该功率放大晶体管电路包括GaAsHBT功率放大晶体管Tl和一个稳定电路5。所述功率放大晶体管Tl具有基极、集电极和发射极，所述功率放大晶体管电路的稳定电路5连接于功率放大晶体管的基极。该稳定电路由射频输入通路和直流输入通路并联而成。该射频输入通路用于改善功率放大晶体管的电学稳定性，该直流输入通路用于改善功率放大晶体管的热稳定性。优选的，射频输入通路由电阻Rl和电容Cl并联组成，射频输入通路的一端连接到输入匹配电路2，另一端连接到功率放大晶体管的基极。直流输入通路由一个稳定电阻R2组成，稳定电阻R2—端连接到输入偏置电路1，另一端也连接到功率放大晶体管的基极。电阻Rl和电容Cl的值可以被优化调节，从而得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管的增益。稳定电阻R2的值也可以被调节，从而改善提高其热稳定性。所述功率放大晶体管Tl的输出端包括一个输出匹配电路3，该输出匹配电路2 —端与功率放大晶体管Tl的集电极相连，另一端与射频输出端RFOUT相连；此外，功率放大晶体管Tl的集电极还经由一个电感LI与电源VCC相连。以稳懋半导体股份有限公司生产的2 μ m GaAs HBT功率放大晶体管为例，选用Rl=240Ω、R2 = 100Ω、C1 = 1.8pF，按照图2的拓扑连接方式进行连接，在保证热稳定性的前提下，得到的电学稳定性的仿真结果，如图3所示。在图3中，功率放大器的K因子的最小值也在2以上，也就是说，在IOOMHz到8GHz的频率范围内全部大于1，可以保证功率放大器处于绝对稳定状态，确保电路的电学稳定性。更具体的来说，本发明实施例中的稳定电路如图4所示，射频通路是由电阻Rl和电容Cl并联组成，直流通路是由稳定电阻R2组成，电阻Rl和稳定电阻R2的共有端连接于功率放大晶体管Tl的基极。根据GaAs HBT功率放大晶体管发射极的长、宽以及发射极指的不同，电阻Rl和电容Cl的值可以被优化调节，从而得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管的增益。电阻Rl可以改善功率放大器Tl的频率稳定性，电容Cl用于耦合射频信号，减小电阻Rl带来的增益损失。当发射极指数增多时，寄生反馈电容变大，导致功率放大器稳定性变差，需要调节电阻Rl的值来改善功率放大器稳定性。一般电容Cl的容抗应小于电阻R1，以耦合射频信号，补偿电阻Rl带来的增益损失。稳定电阻R2的值也可以根据GaAs HBT功率放大晶体管的工艺特性被调节，从而改善电流增益坍塌，提高热稳定性。GaAs HBT热导率较低，发射极变长或者发射极指数增加时，电流分布的不均匀和热耦合加剧，会导致中间部分的温度过高，最终造成电流增益坍塌。增大稳定电阻R2，可以控制HBT的环路电流增益f，提高功率放大器温度稳定性，抑制电流增益坍塌。需要说明的是，电阻R1、电容Cl以及稳定电阻R2的具体调节方式为功率放大器技术领域的公知常识，在此不再展开叙述。本实施例中所述的输入偏置电路1、输入匹配电路
2、输出匹配电路3也与现有技术相同。本发明的另一个实施例是一种提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中该功率管为GaAs HBT功率放大晶体管Tl。该方法包括如下步骤:在功率放大晶体管Tl和输入匹配电路之间设置一个稳定电路,该稳定电路由一个射频输入通路和一个直流输入通路并联而成；利用该射频输入通路来改善功率放大晶体管的电学稳定性，并且，利用该直流输入通路来改善功率放大晶体管的热稳定性。具体来说，射频输入通路由电阻Rl和电容Cl并联组成，一端连接到输入匹配电路，另一端连接到功率放大晶体管的基极；直流输入通路由一个稳定电阻R2组成，一端连接到输入偏置电路，另一端连接到功率放大晶体管的基极；该稳定电路和功率放大晶体管Tl 一起构成完整的功率放大晶体管电路，可以有效的提闻功率放大晶体管的热稳定性和电学稳定性。更具体来说，根据本发明的提高功率放大晶体管稳定性的方法，根据GaAs HBT功率放大晶体管发射极的长、宽以及发射极指的不同，适当调节电阻Rl和电容Cl的值，以优化得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管的增益。电阻Rl可以改善功率放大器Tl的频率稳定性，电容Cl用于耦合射频信号，减小电阻Rl带来的增益损失。当发射极指数增多时，寄生反馈电容变大，导致功率放大器稳定性变差，需要调节电阻Rl的值来改善功率放大器稳定性。一般电容Cl的容抗应小于电阻R1，以耦合射频信号，补偿电阻Rl带来的增益损失；根据GaAs HBT功率放大晶体管的工艺特性适当调节稳定电阻R2的值，以改善电流增益坍塌，提高热稳定性。GaAs HBT热导率较低，发射极变长或者发射极指数增加时，电流分布的不均匀和热耦合加剧，会导致中间部分的温度过高，最终造成电流增益坍塌。增大稳定电阻R2，可以控制HBT的环路电流增益f，提高功率放大器温度稳定性，抑制电流增益坍塌。需要说明的是，调节电阻R1、电容Cl以及稳定电阻R2的值的方法为功率放大器技术领域的公知常识，在此不再展开叙述。综上所述，本发明在功率放大晶体管的输入端加入了稳定电路，以同时优化满足功率放大晶体管的热稳定性和电学稳定性，实现良好的功率放大晶体管设计。以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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。
权利要求
1.种功率放大晶体管电路，包括一个功率放大晶体管(Tl)和一个稳定电路(5),该稳定电路(5)连接于功率放大晶体管(Tl)的基极，其特征在于:该稳定电路(5)由一射频输入通路和一直流输入通路并联而成；该射频输入通路用于改善功率放大晶体管(Tl)的电学稳定性，该直流输入通路用于改善功率放大晶体管(Tl)的热稳定性。
2.根据权利要求1所述的功率放大晶体管电路，其中该射频输入通路由电阻(Rl)和电容(Cl)并联组成，射频输入通路的一端连接到输入匹配电路(2)，另一端连接到功率放大晶体管(Tl)的基极。
3.根据权利要求1所述的功率放大晶体管电路，其中直流输入通路由一个稳定电阻(R2)组成，稳定电阻(R2) —端连接到输入偏置电路(1)，另一端也连接到功率放大晶体管(Tl)的基极。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的功率放大晶体管电路，其中功率放大晶体管(Tl)的集电极经由一电感(LI)连接到电源(VCC)。
5.根据权利要求1-3的任一项所述的功率放大晶体管电路，其中功率放大晶体管(Tl)的集电极经由一输出匹配电路连接到射频输出端(RFOUT)。
6.根据权利要求1-3的任一项所述的功率放大晶体管电路，其中的功率放大晶体管(Tl)为GaAs HBT功率放大晶体管。
7.根据权利要求6所述的功率放大晶体管电路，其中电阻(Rl)和电容(Cl)的值是调节的。
8.根据权利要求6所述的功率放大晶体管电路，其中稳定电阻(R2)的值是可调节的。
9.一种提高功率放大晶体管稳定性的方法，其特征在于包括如下步骤: 在功率放大晶体管(Tl)和输入匹配电路(2)之间设置一个稳定电路(5)，该稳定电路(5)由一个射频输入通路和一个直流输入通路并联而成； 利用该射频输入通路来改善功率放大晶体管的电学稳定性； 利用该直流输入通路来改善功率放大晶体管的热稳定性。
10.根据权利要求9所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中该射频输入通路由电阻(Rl)和电容(Cl)并联组成，射频输入通路的一端连接到输入匹配电路(2)，另一端连接到功率放大晶体管(Tl)的基极。
11.根据权利要求9所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中该直流输入通路由一个稳定电阻(R2)组成，稳定电阻(R2) —端连接到输入偏置电路(1)，另一端也连接到功率放大晶体管(Tl)的基极。
12.根据权利要求9-11的任一项所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中的功率放大晶体管为GaAs HBT功率放大晶体管。
13.根据权利要求12所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，还包括如下步骤:调节电阻(Rl)和电容(Cl)的值，得到最优的频率稳定性，同时改善功率放大晶体管(Tl)的增益。
14.根据权利要求13所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中根据功率放大晶体管(Tl)的发射极的长、宽以及发射极指来调节电阻(Rl)和电容(Cl)的值。
15.根据权利要求12所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，还包括如下步骤:调节稳定电阻(R2)的值，改善电流增益坍塌，提高热稳定性。
16.根据权利要求15所述的提高功率放大晶体管稳定性的方法，其中根据功率放大晶体管(Tl)的工艺特 性来调节稳定电阻(R2)的值。
全文摘要
本发明属于功率放大器技术领域，具体公开了一种功率放大晶体管电路及提高其稳定性的方法，其中功率放大晶体管电路包括一个功率放大晶体管(T1)和一个连接于功率放大晶体管基极的稳定电路(5)，稳定电路(5)由一射频输入通路和一直流输入通路并联而成，射频输入通路用于改善功率放大晶体管(T1)的电学稳定性，直流输入通路用于改善功率放大晶体管(T1)的热稳定性。本发明解决了同时优化满足功率放大晶体管的热稳定性和电学稳定性的技术问题，能实现良好的功率放大晶体管设计。
文档编号H03F3/20GK103095225SQ20111034375
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者杨洪文, 阎跃鹏, 刘宇辙, 张韧 申请人:中国科学院微电子研究所