用于MMICHEMT放大器的补偿器器件的制作方法

本发明涉及一种用于偏置单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuit，简称mmic)高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，简称hemt)放大器的栅极的补偿器器件。本发明还涉及一种包括此类补偿器器件的mmic放大器器件，以及一种用于补偿mmichemt放大器的栅极电压的方法，其中，该方法由此类补偿器器件来执行。

背景技术：

传统的mmichemt放大器通常在gaas材料系统中设计和制造，受工艺变化和工作温度的影响，其性能一般会大大降低。特别地，当采用固定的栅源偏置电压时，基于例如gaashemt技术的放大器的增益、耗散功率、非线性和良品率对温度和工艺变化非常敏感。

这可以通过以下事实加以解释：根据以下方程式，这种gaashemt的漏源电流(ids)与栅源电压(vgs)相关。

ids＝gm·(vgs-vt)方程式1

在上述方程式中，gm是跨导，vt是hemt的阈值电压。参数gm和vt均取决于hemt的工作温度和在hemt的制造期间发生的工艺变化。这些变化改变了针对固定vgs的工作ids。作为增益隔离输入/输出阻抗，gaashemt的主要特性与实际的ids严格相关，因此基于gaashemt技术的放大器的整体性能对由温度和工艺变化引起的ids的变化非常敏感。

可以通过调节栅源偏置电压来降低传统hemt放大器对温度和工艺变化的灵敏度，以便获得固定的漏源偏置电流。该方法通常用两种不同的方法来实现。

在第一种方法中，如图7所示，采用外电路，以读取漏源偏置电流，并相应调整栅源偏置电压。在第二种方法中，在mmic内的hemt放大器的偏置网络中集成对温度和工艺变化的灵敏度与hemt放大器相反的栅极偏置电路。

与第一种外部反馈方法相比，第二种集成补偿器方法具有以下优点：dc电源和mmic放大器之间不需要外部组件；进一步地，与第一种方法相比，安装mmic的单板的尺寸可以更小；此外，第二种方法最小化了偏置路由复杂性；第二种方法也减少了不稳定性问题；最后，第二种方法的成本相当低。

然而，第二种集成补偿器方法也具有一些显著的缺点。为了解释这些缺点，图8中示出了基于gaashemt技术的最先进的传统的补偿器器件的方案。该补偿器器件由两个hemt(q1和q2)和三个电阻器(r1、r2和r3)组成。该补偿器器件的输入为vs-，该输入是来自外部栅极电源的电压。该补偿器器件的输出为vg，该输出也是施加到mmic放大器的栅极偏置电压。在图8中，放大器由qamp表示。

图8所示的补偿器器件主要有两大缺点。首先，该补偿器器件仅为补偿由温度和工艺变化引起的gaashemt放大器的阈值电压的变化而设计。然而，gaashemt放大器也对同样由温度和工艺变化引起的跨导变化敏感。图8所示的补偿器器件不能补偿这些跨导变化。

其次，由于电流经过两个hemt和三个电阻器，图8中的补偿器器件消耗相当大的dc功率。在效率方面，功率损耗降低了gaashemt放大器的性能。

其他传统的补偿器器件和方案也已报道过，但所有这些补偿器器件都与图8所示的补偿器器件具有相同的缺点。

技术实现要素：

鉴于上述问题和缺点，本发明旨在改进传统的补偿器器件。本发明的具体目的在于提供一种用于偏置mmichemt放大器的补偿器器件。该补偿器器件能够补偿由温度和工艺变化引起的hemt放大器的阈值电压和跨导的变化。进一步地，所提出的补偿器器件还应使消耗的dc功率最小化。因此，本发明的目的是改进，特别是最大化hemt放大器的效率。

本发明的目的通过在所附独立权利要求中提供的方案来实现。本发明的有利实施方式在从属权利要求中进一步定义。

特别地，本发明提出了一种新的补偿器器件，该补偿器器件由串联连接的两个或多个hemt和两个电阻器组成。

hemt是在例如gaas技术中最常使用的场效应晶体管。然而，本发明中的hemt可以由能够集成在相同的放大器mmic中并且具有对温度和工艺变化灵敏度相同的放大器的任何部件代替。

电阻器是两端子部件，其组成情况可以用下面的方程式进行描述：i＝k·v。在该方程式中，i是经过该部件的电流，v是其两个端子之间的压降。可选地，任何用于实现本发明的电阻器的部件对温度和工艺变化的灵敏度应当较低。特别地，用于实现本发明的电阻器的部件可以是单个电阻元件，或者可以是总体遵循上述方程式且提供定义明确的压降的集总元件或电路元件。

本发明的第一方面提供了一种用于偏置mmichemt放大器的栅极的补偿器器件，所述补偿器器件包括两个电阻器以及与所述两个电阻器串联连接并且位于所述两个电阻器之间的至少两个hemt，其中，选择所述电阻器以及所述hemt，使得在补偿器器件的操作中，至少一个第一hemt的偏置点在饱和区中，至少一个第二hemt的偏置点在欧姆区中。

具体地，在所述补偿器器件的操作中，可以将电压施加到串联连接的所述至少两个hemt和两个电阻器的对端。该电压的一部分自然分到每个串联连接的组件上。可以施加另一电压以偏置所述至少两个hemt中的每一个hemt的栅极。可以仔细选择各个部件的电阻值和晶体管特性，使得在期望的施加电压下，在饱和区中偏置一个晶体管，在欧姆区中偏置另一个电阻器。

第一方面的补偿器器件允许补偿由温度和工艺变化引起的mmichemt放大器的阈值电压和跨导的变化。另外，与传统的补偿器器件相比，第一方面的补偿器器件消耗的dc功率低得多。

根据第一方面，在补偿器器件的第一种实现方式中，所述至少两个hemt的阈值电压和/或跨导分别和hemt放大器的阈值电压和/或跨导对温度和/或工艺变化的灵敏度相同。

即，应该选择hemt以尽可能接近放大器的hemt。当从同一晶片或至少从与放大器的hemt相同的批次中获得补偿器器件的各个hemt时，可以实现相同的灵敏度。然而，当然也可以在组装补偿器器件之前测试hemt的跨导和阈值电压，并且进一步测试hemt针对这些参数的温度灵敏度。因此，可以最精确地补偿hemt放大器的阈值电压和跨导。

根据第一方面或第一方面的第一种实现方式，在补偿器器件的第二种实现方式中，所述两个电阻器中的至少一个电阻器为薄膜电阻器。

薄膜电阻器具有对温度和工艺变化的灵敏度低的优点，使得能够更容易和更精确地通过至少两个hemt对hemt放大器进行补偿。

根据第一方面或第一方面的第一种或第二种实现方式，在补偿器器件的第三种实现方式中，所述两个电阻器中的至少一个电阻器为台面电阻器。

与使用薄膜电阻器相比，使用台面电阻器可能具有补偿特定的hemt放大器所需的更高的绝对值。此外，对于相同的给定电阻值，台面电阻器比薄膜电阻器需要的面积更小。

两个电阻器均可以为薄膜电阻器，或者两个电阻器均可以为台面电阻器。然而，也可以是一个电阻器为薄膜电阻器，而另一个电阻器为台面电阻器。

根据第一方面或第一方面的实现方式中的任意一种，在补偿器器件的第四种实现方式中，所述至少两个hemt为gaashemt。

第一方面的补偿器器件特别针对gaas材料系统设计，因此能够取得最好的结果。

根据第一方面或第一方面的实现方式中的任意一种，在补偿器器件的第五种实现方式中，输入端口，可选地为焊盘，与每个hemt的栅极连接，其中，所述输入端口还与外部栅极电源连接。

因此，通过补偿器器件，特别是具有简单的补偿器器件结构和简单的布线的补偿器器件，能够提供hemt放大器的栅极电压。

根据第一方面或第一方面的实现方式中的任意一种，在补偿器器件的第六种实现方式中，接地通孔与第一电阻器连接。

根据第一方面或第一方面的实现方式中的任意一种，在补偿器器件的第七种实现方式中，焊盘与第一电阻器连接。

在上述两种实现方式中，均可以提供参考电压。通孔是最简单的实现方式，并提供固定的接地参考。焊盘允许施加不同的参考电压，也允许消除补偿器器件的补偿效果(即，通过向输入焊盘和参考焊盘两者施加相同的电压)。这对例如hemt放大器的测试场景是有用的。

根据第一方面或第一方面的第六种或第七种实现方式，在补偿器器件的第八种实现方式中，输出端口连接在所述第一晶体管和所述至少两个hemt之间。

可以在补偿器器件的输出端口上向hemt放大器提供栅极电压，该栅极电压受温度和工艺变化的影响与hemt放大器相反。

本发明的第二方面提供了一种mmic放大器器件，包括hemt放大器和第一方面或第一方面的实现方式中任意一种所述的用于偏置hemt放大器的栅极的补偿器器件。

根据第二方面，在mmic放大器的第一种实现方式中，所述补偿器器件的输入端口与栅极电源连接，所述补偿器器件的输出端口与所述hemt放大器的栅极连接。

第二方面的mmic放大器器件具有上述补偿器器件的所有优点。特别地，如果由工艺变化和工作温度引起的mmichemt放大器器件的性能变化不是完全通过补偿器器件补偿，则性能变化大大减小。因此，这些变化是针对跨导和阈值电压进行补偿的。

本发明的第三方面提供了一种通信设备，包括至少一个第二方面或第二方面的第一种实现方式所述的mmic放大器。

第三方面的通信设备具有上述补偿器器件的所有优点。特别地，通信设备的一个或多个mmic放大器器件减小了由工艺变化和工作温度引起的性能变化。

本发明的第四方面提供了一种用于补偿提供给具有补偿器器件的mmichemt放大器器件的栅极电压的方法，其中，所述补偿器器件包括两个电阻器以及与所述两个电阻器串联连接并且位于所述两个电阻器之间的至少两个hemt。所述方法包括：将至少一个第一hemt的偏置点设置在饱和区中，以及将至少一个第二hemt的偏置点设置在欧姆区中。

本发明的第四方面的方法具有上述补偿器器件的所有优点。

需注意的是，本申请中描述的所有器件、元件、单元和装置可以以软件或硬件元件或其任何类型的组合来实现。由本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及所描述的由各种实体执行的功能旨在表示相应实体用于执行相应的步骤和功能。即使在以下具体实施例的描述中，执行具体步骤或功能的外部实体的具体细节描述中没有反映完全由该实体执行的具体功能或步骤，但是技术人员应当清楚的是，可以在相应的软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现这些方法和功能。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现方式，其中：

图1示出了本发明实施例提供的补偿器器件；

图2示出了本发明实施例提供的补偿器器件的hemt的工作区；

图3示出了本发明实施例提供的补偿器器件；

图4示出了本发明实施例提供的补偿器器件；

图5示出了本发明实施例提供的补偿器器件；

图6示出了本发明实施例提供的mmic放大器器件；

图7示出了传统的mmic放大器；

图8示出了传统的补偿器器件。

具体实施方式

图1示出了本发明实施例提供的补偿器器件100。所述补偿器器件100特别用于偏置mmichemt放大器的栅极(例如参见图6中的放大器602)。

所述补偿器器件100包括两个电阻器r1和r2以及互相串联连接、与所述两个电阻器r1和r2串联连接并且位于所述两个电阻器r1和r2之间的至少两个hemtq1、q2、……、qn。进一步地，所述补偿器器件100可包括输入端口vs和输出端口vg，所述输入端口vs可以与每个hemtq1、q2、……、qn的栅极有利连接，所述输出端口vg可以连接在第一电阻器r1和所述至少两个hemtq1、q2、……、qn之间。

所述输入vs也可与外部栅极电源(例如参见图6中的电源601)连接。所述输出vg可与hemt放大器(例如参见图6中的放大器602)的栅极偏置端子连接。因此，所述补偿器器件100补偿所提供的外部栅极电源的电压，并将该电压提供给hemt放大器的栅极。经过电阻器r1的电流ir1与经过hemtq1、q2、……、qn以及电阻器r2的电流相同。

所提出的补偿器器件100的功能基于对传统的补偿器器件也同样有效的相同假设。即，图1中的补偿器器件100的hemtq1、q2、……、qn的阈值电压vt与偏置hemt放大器的阈值电压对温度和工艺变化的灵敏度相同。进一步地，图1中的补偿器器件100的hemtq1、q2、……、qn的跨导gm与偏置hemt放大器对温度和工艺变化的灵敏度相同。

选择所述补偿器器件100的hemtq1、q2、……、qn，使得当操作所述补偿器器件100时，通过电压vs，(例如，针对q1和q2)可以设置至少两个不同的偏置点。此外，针对性地选择电阻器r1和r2以匹配hemtq1、q2、……、qn，使得可以通过经过电路的电流ir1，设置不同的偏置点。即，选择电阻器r1和r2以及hemtq1、q2、……、qn，使得在所述补偿器器件100的操作中，至少一个第一hemtq1的偏置点在饱和区中，至少一个第二hemtq2的偏置点在欧姆区中。换言之，至少q1在饱和区中工作，至少q2在欧姆区中工作。q1在饱和区中工作，q2……qn在欧姆区中工作。

下面解释了一个图1中提供的补偿器器件100的应用实例。在该实例中，有利选择了电阻器r1和r2以及至少两个hemtq1、q2、……、qn。应首先注意的是，在采用mmic放大器的系统中，通常–5v的偏置电压是可用的。进一步地，为了避免降低系统效率，用补偿器器件100补偿所消耗的功率通常限制为1mw。进一步地，一般的mmic放大器的标称栅极偏置电压为–1v。

在该应用实例中，所述补偿器器件100包括两个hemtq1和q2，即，至少两个hemtq1、q2、……、qn中最小数目个hemt。将可用的偏置电压(vs)–5v施加到输入vs。考虑到以上最大功率损耗(pdiss)，补偿器器件100中经过的电流ir1必须为：

ir1＝pdiss/|vs|＝1mw/5v＝0.2ma

因此，电阻器r1的值为：

r1＝|vg|/ir1＝1v/0.2ma＝5kω

为了使hemtq1具有与最优化补偿器器件100的阈值电压补偿的mmic放大器类似的栅极偏置电压，q1的栅源标称电压(vgs)选为–1v。因此，q1的漏源标称电压(vds)为3v。选择q1的大小来看vgs为–1v和vds为3v时漏源电流(ids)为0.2ma的晶体管的iv曲线。

如果在vgs为–0.5v时对跨导曲线进行补偿，则补偿器器件100的跨导补偿是最有效的。因此，hemtq2的vgs选为–0.5v。此时，q2的vds选为0.5v，以使q2保持在欧姆工作区中。最后，选择q2的大小来看vgs为–0.5v和vds为0.5v时ids为0.2ma的晶体管的iv曲线。

为了获得为q2选择的工作点，其中vsq2是q2源极处的电压，电阻器r2的值必须为：

r2＝(vsq2–vs)/ir1＝2.5kω

以上描述的应用实例具体示出了可以如何选择电阻器r1和r2以及hemtq1和q2，使得在补偿器器件100的操作中，至少一个第一hemtq1的偏置点在饱和区中，至少一个第二hemtq2的偏置点在欧姆区中。

图2是图1中示出的hemtq1、q2、……、qn的工作偏置点的图形表示。该图形表示通过各自hemt的输出iv曲线给出。

由于为补偿器器件100的hemtq1、q2、……、qn选择的偏置点，输出电压vg为：

因此，hemt放大器的漏源偏置电流为：

最后，所述补偿器器件100消耗的dc功率为：

pdiss＝ir1·vs

上述方程式2和方程式3示出了图1中提供的补偿器器件100的功能以及其相对于传统的补偿器器件的优点。

第一，所述补偿器器件100具有和传统的补偿器器件相同的功能。特别地，从方程式2中可以注意到，所提出的补偿器器件100允许补偿由温度和工艺变化引起的放大器的阈值电压vt的变化。实际上，hemt放大器的漏源电流与vt_q1–vt_amp成比例，vt_q1和vt_amp是对这样的温度和工艺变化具有相同灵敏度的参数。

第二，与传统的补偿器器件相比，所述补偿器器件100具有重要的第一优点。从方程式2中可以注意到，所提出的补偿器器件100还允许补偿由温度和工艺变化引起的放大器的跨导gm的变化。实际上，放大器的跨导变化(方程式2中的分子中的gm_amp)由方程式2中的分母中的项(1/gm2……1/gmn)补偿。这些都是对所述温度和工艺变化具有相同灵敏度的参数。由于跨导对温度和工艺变化具有非线性灵敏度，用于跨导补偿的两个以上hemtq1、q2、……、qn的使用允许更高程度的补偿。在方程式2中，作为分子和分母，hemtq1(gm1)的跨导是自补偿的。传统的补偿器器件不允许补偿放大器的跨导变化。

第三，与传统的补偿器器件相比，所述补偿器器件100具有重要的第二优点。如方程式3中所示，所提出的补偿器器件100消耗的dc功率比所有传统的补偿器器件更低。例如，图8中的补偿器器件消耗的功率为vs(ir1+ir3)，其高于方程式3中提供的补偿器器件100消耗的功率。

图3示出了本发明实施例提供的补偿器器件100，该补偿器器件100基于图1所示的补偿器器件100。图3中的补偿器器件100具有n个hemt，其中，n≥2且为整数。所述补偿器器件100包括两个薄膜电阻器tfr-1和tfr-2，分别作为图1中的电阻器r1和r2。它们通常可用于例如gaas技术中。所述薄膜电阻器tfr-1和tfr-2对工艺和温度变化具有非常低的灵敏度。

进一步地，图3中的补偿器器件具有一个接地连接的通孔301，该通孔用作参考电压。此外，补偿器器件100具有一个焊盘302作为图1所示的输入端口vs。该焊盘302用于连接外部栅极电源。该通孔301是提供参考电压的最简单的替代方案，但不能改变参考电压。

图4示出了本发明实施例提供的一种可替代的补偿器器件100，该补偿器器件100基于图1所示的补偿器器件100。图4中的补偿器器件100并不具有图3中的补偿器100的通孔301，而是具有第二焊盘401。该第二焊盘401用于提供参考电压。该焊盘401允许施加不同的参考电压。如果向所述焊盘401和焊盘302施加相同的电压，则消除了补偿器器件100对hemt放大器的栅极电压的效果。即，提供给hemt放大器的栅极电压没有得到补偿。这对于需测试或校准的hemt放大器的场景特别有用。

图5示出了本发明实施例提供的另一种可替代的补偿器器件100，该补偿器器件100基于图1所示的补偿器器件100。图5中的补偿器器件100并不是采用图3和图4中的薄膜电阻器tfr-1和tfr-2，而是采用台面电阻器mesa-1和mesa-2作为图1中的电阻器r1和r2。与薄膜电阻器相比，该台面电阻器mesa-1和mesa-2可以取得更高的电阻值，且对于待使用的给定电阻值，需要的面积更小。如上所述，一个电阻器，例如r1，也可以是薄膜电阻器tfr-1，而另一个电阻器，例如r2，可以是台面电阻器mesa-2，反之亦然。

图6示出了本发明实施例提供的mmic放大器器件600。该mmic放大器器件600包括hemt放大器602和图1、图3、图4和图5的任意一个实施例所述的补偿器器件100。该补偿器器件100用于偏置该hemt放大器602的栅极。为此，补偿器器件100的输入端口vs可通过栅极焊盘603与栅极电源601连接。补偿器器件100的输出端口vg可以与hemt放大器602的栅极连接。进一步地，漏极电源605可以通过漏极焊盘604与hemt放大器602连接。

本发明的另一实施例提供了一种通信设备，包括至少一个图6中提供的mmic放大器器件600。

本发明还提供了一种用于补偿提供给图6所示的mmichemt放大器602的栅极电压的方法。其中，根据图1、图3、图4或图5的任意一个实施例来设计补偿器器件100。所述方法包括：将补偿器器件100的至少一个第一hemtq1的偏置点设置在饱和区中，以及将补偿器器件100的至少一个第二hemtq2的偏置点设置在欧姆区中。

已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其他变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。