一种高输出功率高效率的功率放大器的制作方法

本发明涉及无线通信功率放大器技术领域，更具体的说，是涉及一种高输出功率高效率的功率放大器。

背景技术：

近年来随着通信产业的迅猛发展，对通信收发机的性能要求越来越高，射频功率放大器是位于发射机末端的至关重要的硬件模块，其很多指标如输出功率、效率、线性度等对无线通信很重要，因此其设计尤为关键[1]。射频功率放大器的输出功率决定了发射距离的长短，射频功率放大器的效率决定了其运行和维护成本的高低。为了实现高性能的射频功能放大器，国内外常采用三五族化合物工艺如gaas或gan等，使用此类工艺虽然能实现高输出功率但是其生产成本高、产品良率低且不易于集成，不利于大规模生产和应用。对于传统的cmos工艺虽然具有低成本，高集成度的优点，但是晶体管击穿电压低、功耗高、线性度差，由于其高频性能差因此不宜在高频下实现高输出功率以及高效率。

目前，由于基于sige工艺的异质结双极性晶体管(hbt)存在击穿电压低、较小的最大电流密度等缺陷[2]，因此设计出高输出功率的放大器时存在一定困难。为了解决片上功率放大器的高功率输出的问题，通常采用的方式有功率合成、并联晶体管个数等方法。但会存在电路结构复杂，占用芯片面积较大的问题。

基于以上技术难题，本发明在节省芯片面积的前提下，设计采用基于sige工艺的异质结双极晶体管(hbt)的堆叠结构[3]设计功率放大器，并在级间加入抵消寄生电容的电路结构以此来纠正寄生电容引起的相位偏差，从而进一步提高输出功率和效率。

【参考文献】

[1]池宝勇，余志平，石秉学.射频集成电路分析与设计[m].清华大学出版社.2006.

[2]michaelchang,“a26to40ghzwidebandsigebalancedpoweramplifieric,”ieeeradiofrequencyintegratedcircuits(rfic)symposium,honolulu,pp.729-732,3-5june2007.

[3]davidfritsche,robertwolf,andfrankellinger,“analysisanddesignofastackedpoweramplifierwithveryhighbandwidth,”ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,vol.60,no.10,pp.3223-3231,oct.2012.

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种涉及射频功率放大器和集成电路领域的高输出功率高效率的功率放大器，使用晶体管堆叠结构实现高输出功率，减小芯片面积；在毫米波波段，有效解决堆叠晶体管层间失配的问题，大大提高效率；使用sige工艺进行设计，适用于较高工作频率，且利于集成。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的高输出功率高效率的功率放大器，采用基于sige工艺的hbt堆叠结构，由三层hbt串联堆叠组成；包括二号hbt晶体管、三号hbt晶体管、四号hbt晶体管和电阻分压网络，所述电阻分压网络由依次串联的一号电阻、二号电阻和三号电阻构成，所述三号电阻接地；

所述二号hbt晶体管发射极接地，集电极连接三号hbt晶体管发射极，基极分别连接有二号隔直电容和一号扼流电感，所述二号隔直电容一端连接二号hbt晶体管基极，另一端连接信号输入端口，所述一号扼流电感一端连接二号hbt晶体管基极，另一端连接二号电压源；

所述三号hbt晶体管集电极连接四号hbt晶体管发射极，所述三号hbt晶体管基极和发射极之间连接有相互串联的二号电感和三号隔直电容，所述三号hbt晶体管基极还分别连接有三号偏置电阻和二号接地电容，所述三号偏置电阻一端连接三号hbt晶体管基极，另一端连接至二号电阻和三号电阻之间，所述二号接地电容一端连接三号hbt晶体管基极，另一端接地；

所述四号hbt晶体管基极和发射极之间连接有相互串联的三号电感和四号隔直电容；所述四号hbt晶体管基极还分别连接有二号偏置电阻和三号接地电容，所述二号偏置电阻一端连接四号hbt晶体管基极，另一端连接至一号电阻和二号电阻之间，所述三号接地电容一端连接四号hbt晶体管基极，另一端接地；所述四号hbt晶体管集电极分别连接一号电阻、二号扼流电感和五号隔直电容，所述二号扼流电感一端连接四号hbt晶体管集电极，另一端连接一号电压源，所述五号隔直电容一端连接四号hbt晶体管集电极，另一端连接信号输出端口。

所述一号扼流电感和二号扼流电感均采用四分之一波长的传输线，所述一号电感、二号电感和三号电感均采用传输线。

所述二号hbt晶体管设置于底层，所述三号hbt晶体管设置于中层，所述四号hbt晶体管设置于上层。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明使用基于sige工艺的异质结双级晶体管(hbt)进行射频功率放大器设计，适用于较高的工作频率。通过在堆叠结构的各层晶体管基极与发射级之间加入传输线的补偿结构，有效补偿高频下晶体管寄生效应的影响，实现了高输出功率高效率的功率放大器。本发明所采用的电路结构简单，有效减小了芯片面积，节约了电路成本

附图说明

图1是单个晶体管并联电感线局部原理图。

图2是本发明高输出功率高效率的功率放大器的电路原理图。

附图标记:r1一号偏置电阻，r5二号偏置电阻，r6三号偏置电阻，r2一号电阻，r3二号电阻，r4三号电阻，c1一号接地电容，c6二号接地电容，c7三号接地电容，c2一号隔直电容，c3二号隔直电容，c4三号隔直电容，c5四号隔直电容，c8五号隔直电容，q1一号hbt晶体管，q2二号hbt晶体管，q3三号hbt晶体管，q4四号hbt晶体管，tl1一号电感，tl3二号电感，tl4三号电感，tl2一号扼流电感，tl5二号扼流电感，vcc一号电压源，vb二号电压源。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是单个晶体管并联电感线局部原理图，包括一号偏置电阻r1、一号接地电容c1、一号隔直电容c2、一号电感tl1和一号hbt晶体管q1。为了解决sige工艺击穿电压低、最大电流密度小的限制，本发明使用晶体管堆叠的技术提升功率放大器输出功率，同时采用各层晶体管基极发射级之间连接电感的方法有效地减小晶体管寄生电容的影响，从而进一步提高功率输出和效率。如图2所示。

本发明的高输出功率高效率的功率放大器，采用基于sige工艺的hbt(异质结双极晶体管)堆叠结构，由三层hbt串联(即三层hbt的集电极发射极相连)堆叠组成，增加整体放大器最优阻抗的值，从而降低了匹配难度。堆叠结构采用电阻分压方式进行供电，使每层hbt均偏置在ab类，此方法在实际版图中起到节省直流供电焊盘数目、减小芯片面积的作用。同时各层晶体管基极连接电阻使电压转换为电流供电。

本发明的高输出功率高效率的功率放大器，包括二号hbt晶体管q2、三号hbt晶体管q3、四号hbt晶体管q4和电阻分压网络。所述二号hbt晶体管q2设置于底层，所述三号hbt晶体管q3设置于中层，所述四号hbt晶体管q4设置于上层。所述电阻分压网络由依次串联的一号电阻r2、二号电阻r3和三号电阻r4构成，将一号电压源vcc的电压分到各层基极上，给三个hbt晶体管提供偏置电压。所述电阻分压网络一端连接四号hbt晶体管q4集电极，即一号电阻r2连接四号hbt晶体管q4集电极，另一端接地，即三号电阻r4接地gnd。

所述二号hbt晶体管q2发射极接地gnd，集电极连接三号hbt晶体管q3发射极，基极分别连接有二号隔直电容c3和一号扼流电感tl2，所述二号隔直电容c3一端连接二号hbt晶体管q2基极，另一端连接信号输入端口rfin，所述一号扼流电感tl2一端连接二号hbt晶体管q2基极，另一端连接二号电压源vb。

所述三号hbt晶体管q3集电极连接四号hbt晶体管q4发射极，所述三号hbt晶体管q3基极和发射极之间连接有相互串联的二号电感tl3和三号隔直电容c4，所述三号hbt晶体管q3基极还分别连接有三号偏置电阻r6和二号接地电容c6，所述三号偏置电阻r6一端连接三号hbt晶体管q3基极，另一端连接至二号电阻r3和三号电阻r4之间，所述二号接地电容c6一端连接三号hbt晶体管q3基极，另一端接地gnd。

所述四号hbt晶体管q4基极和发射极之间连接有相互串联的三号电感tl4和四号隔直电容c5。所述四号hbt晶体管q4基极还分别连接有二号偏置电阻r5和三号接地电容c7，所述二号偏置电阻r5一端连接四号hbt晶体管q4基极，另一端连接至一号电阻r2和二号电阻r3之间，所述三号接地电容c7一端连接四号hbt晶体管q4基极，另一端接地gnd。所述四号hbt晶体管q4集电极分别连接一号电阻r2、二号扼流电感tl5和五号隔直电容c8。所述二号扼流电感tl5一端连接四号hbt晶体管q4集电极，另一端连接一号电压源vcc，一号电压源vcc通过二号扼流电感tl5为整个电路供电，信号从二号隔直电容c3流入，最终通过四号hbt晶体管q4的集电极通过五号隔直电容c8流出。所述五号隔直电容c8一端连接四号hbt晶体管q4集电极，另一端连接信号输出端口rfout。

其中，所述一号扼流电感tl2和二号扼流电感tl5均采用四分之一波长的传输线，起到通直流阻交流的作用，所述一号电感tl1、二号电感tl3和三号电感tl4均采用传输线。二号接地电容c6、三号接地电容c7用于调节最优输入阻抗大小以及有一定的调节各层集电极输出电压相位的一致性的作用。二号电感tl3、三号电感tl4分别用于降低三号hbt晶体管q3、四号hbt晶体管q4基极与发射极之间的寄生电容的影响。

一号电压源vcc的供电电压通过电阻分压网络分压为每层堆叠的hbt提供合适的静态工作点；堆叠结构中上一层hbt的基极通过充当电感作用的传输线与隔直电容连接到下一层hbt的集电极上。

随着工作频率的升高，由晶体管的寄生电容引起的非线性影响增强，导致基极电压失真，从而导致输出的集电极电流波形失真，为了在高频下有效补偿寄生电容带来的影响，调节堆叠结构及电机输出电压的相位，保证每层hbt的输出电压相位一致，使最上层hbt的集电极输出电压摆幅最大，从而实现高功率输出和高效率，采用图二所示，基极与发射级之间连接电感从而与寄生电容cbe形成并联谐振网络，所得等效电容ceq远小于寄生电容cbe，等效电容与寄生电容cbe和传输线电感l(一号电感tl1、二号电感tl3、tl4三号电感)之间关系如公式(1)所示：

从公式(1)可以看出，加入该结构后大大减小了寄生电容对电路的影响。同时在传输线支路上加入隔直电容，使各层晶体管基极供电电流不会直接流入主干路。保证每一层输出电压的相位相同，从而实现最大的功率输出。

此外，由于充当扼流作用的大电感占用版图面积大，布局困难，因此本发明采用四分之一波长的传输线代替，将其与供电端相连，实现通直流阻交流的效果，并且在高频处有效地减小了版图面积。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。