一种基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器的制作方法

本实用新型涉及异质结双极性晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对超宽带收发机末端的发射模块应用的一种基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器。

背景技术：

随着扩频技术、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有超宽带、高输出功率、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。

然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：

(1)宽带高增益放大能力受限：传统单晶体管收到增益带宽积的影响，需要牺牲增益才能获得超宽带放大能力，因此，宽带高增益放大能力受到严重的限制。

(2)宽带高功率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的特征频率越来越高，由此带来了低击穿电压从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，电路无法满足低功耗或者绿色通信需求。

常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统分布式放大器，但是，传统分布式放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：

①在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单晶体管采用分布式放大排列的方式实现，由于单晶体管受到寄生参数的影响，随着工作频率升高时，其功率增益会显著降低、同时功率特性等也会显著恶化，因此为了获得超宽带平坦的放大结构，必须要牺牲低频增益来均衡高频损耗，导致传统分布式放大器的超宽带增益很低；

②为了提高放大器增益提高隔离度的影响，也有采用Cascode双晶体管分布式放大结构，但是Cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法增益随频率显著恶化的趋势，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。

由此可以看出，基于集成电路工艺的超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器，结合了基于三极管堆叠技术和矩阵放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性，且成本低等优点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器，其特征在于，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠晶体管、第二堆叠晶体管、第三堆叠晶体管、第四堆叠晶体管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络；

二阶矩阵输入分配网络的输入端为整个基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器的输入端，其第一输出端与第一堆叠晶体管的输入端连接，其第二输出端与第二堆叠晶体管的输入端连接；

二阶矩阵级间平衡网络的第一端口与馈电网络的第一输出端以及第一、第二堆叠晶体管的馈电端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第二端口与第一堆叠晶体管的输出端、第三堆叠晶体管的输入端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第三端口与第二堆叠晶体管的输出端、第四堆叠晶体管的输入端同时连接；

二阶矩阵输出合成网络的输出端为整个基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器的输出端，其第一输入端与馈电网络的第二输出端以及第三、第四堆叠晶体管的馈电端同时连接，其第二输入端与第三堆叠晶体管的输出端连接、其第三输入端与第四堆叠晶体管的输出端连接；

馈电网络的输入端与供电电压Vcc连接。

进一步的，二阶矩阵输入分配网络包括从基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器输入端到接地端依次串接的电感Lb1、Lb2、Lb3、隔直电容Cload1和负载电阻Rload1,电感Lb1与Lb2的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第一输出端，电感Lb2与Lb3的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第二输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的二阶矩阵输入分配网络除了能实现输入射频信号的分布式功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。

进一步的，第N堆叠晶体管的输入端连接电容Cbj，电容Cbj的另一端连接共射管Qsj的基极，电容Cbj与Qsj基极的连接节点上还连接了接地电阻Rbj以及馈电电阻Rsj，Rsj的另一端连接第N堆叠晶体管的馈电端,共射管Qsj的发射极接地，Qsj的集电极连接三极管Qtj的发射极，Qtj的基极与电阻Rtj相连，电阻Rtj的另一端连接到三极管Qrj的发射极，同时Rtj与Qrj发射极节点上还连接有接地电容Ctj，三极管Qrj的基极与集电极连接后与电阻Rrj串联，电阻Rrj的另一端连接第N堆叠晶体管的馈电端，Qtj的集电极连接第N堆叠晶体管的输出端，其中，N为一、二、三、四，j＝1,2，3,4。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的堆叠型晶体管可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时降低等效输出电容拓展放大器带宽。

进一步的，二阶矩阵级间平衡网络包括依次串联的电阻Rload2、电容Cload2、电感Lm1、Lm2、Lm3、电容Cload3、电阻Rload3，并且Rload2和Rload3的另一端均同时接地，电容Cload2与电感Lm1相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第一端口，电感Lm1与电感Lm2相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第二端口，电感Lm2与电感Lm3相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第三端口。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的二阶矩阵级间平衡网络除了能实现级间射频信号的分布式功率分配外，还能对射频级间信号进行阻抗匹配并提高电路的稳定性。

进一步的，二阶矩阵输出合成网路包括依次串联的电阻Rload4、电容Cload4、电感Lc1、Lc2、Lc3、电容Cout,电阻Rload4的另一端接地，电容Cout的另一端为二阶矩阵输出合成网络的输出端，电容Cload4与电感Lc1相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第一输入端，电感Lc1与电感Lc2相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第二输入端，电感Lc2与电感Lc3相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第三输入端。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的二阶矩阵输出合成网路除了能实现输出射频信号的分布式功率合成外，还能对射频输出信号进行阻抗匹配并提高电路的效率。

进一步的，馈电网络的输入端同时连接接地电容Cvcc、馈电电感Lvcc1和Lvcc2，馈电电感Lvcc1的另一端为馈电网络的第一输出端，馈电电感Lvcc2的另一端为馈电网络的第二输出端。

附图说明

图1为本实用新型功率放大器原理框图；

图2为本实用新型功率放大器电路图。

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三极管二堆叠结构的超宽带放大器，其特征在于，包括二阶矩阵输入分配网络、二阶矩阵级间平衡网络、二阶矩阵输出合成网络、第一堆叠晶体管、第二堆叠晶体管、第三堆叠晶体管、第四堆叠晶体管以及与二阶矩阵级间平衡网络和二阶矩阵输出合成网络相连的馈电网络。

如图1所示，二阶矩阵输入分配网络的输入端为整个基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器的输入端，其第一输出端与第一堆叠晶体管的输入端连接，其第二输出端与第二堆叠晶体管的输入端连接；

二阶矩阵级间平衡网络的第一端口与馈电网络的第一输出端以及第一、第二堆叠晶体管的馈电端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第二端口与第一堆叠晶体管的输出端、第三堆叠晶体管的输入端同时连接，二阶矩阵级间平衡网络的第三端口与第二堆叠晶体管的输出端、第四堆叠晶体管的输入端同时连接；

二阶矩阵输出合成网络的输出端为整个基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器的输出端，其第一输入端与馈电网络的第二输出端以及第三、第四堆叠晶体管的馈电端同时连接，其第二输入端与第三堆叠晶体管的输出端连接、其第三输入端与第四堆叠晶体管的输出端连接；

馈电网络的输入端与供电电压Vcc连接。

如图2所示，二阶矩阵输入分配网络包括从基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器输入端到地依次串接的电感Lb1、Lb2、Lb3、隔直电容Cload1和负载电阻Rload1,电感Lb1与Lb2的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第一输出端，电感Lb2与Lb3的连接节点为二阶矩阵输入分配网络的第二输出端。

第N堆叠晶体管的输入端连接电容Cbj，电容Cbj的另一端连接共射管Qsj的基极，电容Cbj与Qsj基极的连接节点上还连接了接地电阻Rbj以及馈电电阻Rsj，Rsj的另一端连接第N堆叠晶体管的馈电端,共射管Qsj的发射极接地，Qsj的集电极连接三极管Qtj的发射极，Qtj的基极与电阻Rtj相连，电阻Rtj的另一端连接到三极管Qrj的发射极，同时Rtj与Qrj发射极节点上还连接有接地电容Ctj，三极管Qrj的基极与集电极连接后与电阻Rrj串联，电阻Rrj的另一端连接第N堆叠晶体管的馈电端，Qtj的集电极连接第N堆叠晶体管的输出端，其中，N为一、二、三、四，j＝1,2，3,4。

二阶矩阵级间平衡网络包括依次串联的电阻Rload2、电容Cload2、电感Lm1、Lm2、Lm3、电容Cload3、电阻Rload3，并且Rload2和Rload3的另一端均同时接地，电容Cload2与电感Lm1相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第一端口，电感Lm1与电感Lm2相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第二端口，电感Lm2与电感Lm3相连的节点为二阶矩阵级间平衡网络的第三端口。

二阶矩阵输出合成网路包括依次串联的电阻Rload4、电容Cload4、电感Lc1、Lc2、Lc3、电容Cout,电阻Rload4的另一端接地，电容Cout的另一端为二阶矩阵输出合成网络的输出端，电容Cload4与电感Lc1相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第一输入端，电感Lc1与电感Lc2相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第二输入端，电感Lc2与电感Lc3相连的节点为二阶矩阵输出合成网路的第三输入端。

馈电网络的输入端同时连接接地电容Cvcc、馈电电感Lvcc1和Lvcc2，馈电电感Lvcc1的另一端为馈电网络的第一输出端，馈电电感Lvcc2的另一端为馈电网络的第二输出端。

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：

射频输入信号通过输入端IN进入电路，以电流分布式的方式进入二阶矩阵输入分配网络的电感Lb1、Lb2、Lb3，有效信号通过输入隔直耦合电容Cb1和Cb2进入共射管Qs1和Qs2的基极，其多余入射信号通过隔直电容Cload1进入输入吸收负载Rload1，有效信号再以电流分布式从晶体管Qt1和Qt2的集电极输出，然后以电流分布式的方式进入二阶矩阵级间平衡网络Lm1、Lm2、Lm3，有效信号通过输入隔直耦合电容Cb3和Cb4进入共射管Qs3和Qs4的基极，其多余入射信号通过隔直电容Cload2、Cload3进入级间吸收负载Rload2、Rload3，最后有效信号以电流分布式的方式进入二阶矩阵输出合成网络Lc1、Lc2、Lc3，通过集电极隔直耦合电容Cout从输出端OUT输出,其多余入射信号通过隔直电容Cload4进入输入吸收负载Rload4。

基于上述电路分析，本实用新型提出的一种基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用矩阵堆叠晶体管放大网络：

堆叠型晶体管管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；

堆叠型晶体管与Cascode晶体管的不同之处在于：Cascode晶体管的堆叠基极补偿电容是容值较大的电容，用于实现基极的交流接地，而堆叠型晶体管的基极补偿电容是容值较小的电容，用于实现基极电压的同步摆动。

在整个基于三极管二堆叠结构的超宽带放大器电路中，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，实现在超宽带条件下的高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。