射频功率放大器的制作方法

1.本实用新型涉及射频功率放大器，并且具体地，涉及用于改善射频功率放大器稳定性的装置。


背景技术：

2.射频功率放大器芯片(power amplifier，pa)是手机智能终端中重要的元件，其主要功能是将数据信号加载到特定载波频点，然后将信号放大到一定的功率，满足远端的基站的接收要求，以保持数据传输的稳定。
3.射频功率放大器作为实现信号放大功能的发射载体，在我国的4g和5g通信网络中，已被基站或者手机等终端产品中大量使用。射频功率放大器一般处于发射上行链路中，其中的一个重要指标是射频功率放大器的稳定性。如果稳定性存在问题，会严重影响到信号的发射功能；严重的情况，则会自激振荡，导致射频功率放大器烧毁。
4.然而，由于射频功率放大器是一种高频信号放大器，在其自身的内部寄生参数和外部匹配参数存在较大失配情况下，会导致低频、带内、半频或者高频等不同位置发生自激振荡。较弱的带外自激振荡，会影响其他频段的接收灵敏度等；而较强的自激振荡，则会导致发射上行链路失效。
5.射频功率放大器作为发射上行链路的核心元件，其后面通常接频段选择开关，然后接滤波器或者双工器到天线端，最后将射频信号发射出去。在实际使用中，天线端的阻抗值通常会偏离50欧姆阻抗很远，这样会导致输出负载在工作中具有较大的阻抗失配，从而导致射频功率放大器的稳定性发生变化。射频功率放大器负载的失配程度，一般用驻波比(vswr)来定量表示。失配程度越大，对射频功率放大器的稳定性影响越大。本实用新型以射频功率放大器负载的失配程度为例来说明用于改善射频功率放大器的稳定性的装置，但是本领域技术人员应该理解，射频功率放大器的稳定性还和偏置电路、供电电源、去耦电容等因素存在很大关系，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型范围的情况下，将本实用新型的构思应用于用于改善射频功率放大器的稳定性的其他方面。
6.现在常规的射频功率放大器芯片产品，其稳定性表征通常包括负载驻波比(load vswr)、负载相位(load phase)、发射功率(pout)、供电电压(vbatt)和工作温度等指标参数。若同一颗产品的应用条件不同，其对稳定性指标参数要求又不一致。例如，在vswr＝10:1的条件，供电电压是3.4v，工作温度是室温，射频功率放大器是稳定的；若vswr＝6:1，供电电压是4.8v，室外低温-20℃情况下，射频功率放大器存在不稳定的情况。若不同产品中使用了同一颗半导体晶圆(例如，gaas晶圆)，两个产品之间对稳定性条件的指标参数也可能不一样。
7.从设计角度，可以进一步过高的提升芯片的稳定性，使其更能适应各种应用条件。但是，一般提升芯片稳定性的方式都会将其他主要的指标降低，比如会降低射频功率放大器的增益、线性度、工作效率等。因此，需要提供一种稳定性改善的射频功率放大器，以在满足产品的指标要求的同时，又要做到满足更广泛的应用条件。


技术实现要素：

8.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，包括：功率放大晶体管，被配置为使得其基极通过隔直电容器连接到射频输入端，其集电极连接到射频输出端，并且其集电极通过键合线连接到接地节点；隔直电容器，其被连接到射频输入端和功率放大晶体管的基极之间；偏置电路，其连接在供电电源和功率放大晶体管的基极；以及键合线，其被配置为连接在功率放大晶体管的集电极和接地节点，以调节功率放大晶体管发射极对地的等效电感，其中，所述功率放大晶体管、所述隔直电容器以及所述偏置电路被设置在半导体晶圆上。
9.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述偏置电路为偏置电阻器。
10.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述功率放大晶体管为hbt晶体管。
11.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述半导体晶圆包括gaas晶圆、cmos晶圆、gesi晶圆。
12.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，射频功率放大器还包括第一电阻器，其被配置为与隔直电容器串联，并且连接在射频输入端和功率放大晶体管的基极之间。
13.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，射频功率放大器还包括第二电阻器和第一电容器，所述第二电阻器和第一电容器并联连接并且被配置为与隔直电容器串联连接在射频输入端和功率放大晶体管的基极之间。
14.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，通过调整所述键合线的形状、长度或者高度来调整所述功率放大晶体管发射极的对地等效电感量。
15.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，通过射频功率放大器的增益以及功率放大晶体管发射极的对地等效电感来调整射频功率放大器的非稳定区域的范围。
16.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，通过射频功率放大器的增益以及功率放大晶体管发射极的对地等效电感来调整射频功率放大器负载的失配程度，来调整射频功率放大器的非稳定区域的范围。
附图说明
17.图1是示出了gaas射频功率放大器的核心结构的电路图；
18.图2是示出了常规的用于提高射频功率放大器的稳定性的结构的电路图；
19.图3是示出了常规的另一种用于提高射频功率放大器的稳定性的结构的电路图；
20.图4是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的示意图；
21.图5是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的实施方式的示意图；
22.图6是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的电路图；
23.图7是示出了根据本实用新型实施例的用于调节射频功率放大器的稳定性的原理图；
24.图8是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的电路图；以及
25.图9是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的电路图。
具体实施方式
26.在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与
……
相关联”及其派生词是指包括、包括在
……
内、互连、包含、包含在
……
内、连接或与
……
连接、耦接或与
……
耦接、与
……
通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与
……
绑定、具有、具有属性、具有关系或与
……
有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“a、b、c中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：a、b、c、a和b、a和c、b和c、a和b和c。
27.贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
28.在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。
29.图1是示出了gaas射频功率放大器的核心结构的电路图。
30.本实用新型以gaas射频功率放大器为例进行说明，但是本领域技术人员应该清楚，本实用新型同样也适用于其他cmos，gesi等工艺。在图1中所示的了gaas射频功率放大器中，gaas管芯是hbt结构的，在其中，b代表其晶体管的基极，c代表其晶体管的集电极，e代表其晶体管的发射极，电容器c1是起隔直和输入匹配作用的电容，电阻器rbias是偏置供电电阻。输入端的射频信号rfin通过电容器c1连接到晶体管hbt，信号经过放大，通过集电极端c发射，其中，rfout是发射信号。虚线框代表整个射频功率放大器的核心结构,虚线框内的结构都是在半导体晶圆(例如，gaas晶圆，以下简称gaas die)上实现的。发射极e的接地方式一般通过背孔工艺实现，其等效寄生电感量很小，且不具备可调节能力。
31.图2是示出了常规的用于提高射频功率放大器的稳定性的结构的电路图。
32.参考图2，通过将电阻器rb串联在输入端rfin和基极b之间来改善射频功率放大器的稳定性。通常在gaas晶圆(gaas die)上集成电阻器rb来改善稳定性，此外，电阻器rb和电容器c1的位置可以互换，其并不影响放大器的性能。
33.图3是示出了常规的另一种用于提高射频功率放大器的稳定性的结构的电路图。
34.参考图3，通过向晶体管hbt的基极b串联电阻器rb和电容器cb的结构来改善稳定性。在图2中，电阻器rb和电容器cb的并联结构，其被串联在输入端rfin和基极b之间的位置，通常在gaas晶圆(gaas die)上集成电阻器rb和电容器cb来改善稳定性。通过电容器cb的引入，可以减轻高频增益的降低程度。本领域技术人员应该理解，电阻器rb和电容器cb的组合结构与电容器c1的位置可以互换，其并不影响放大器的性能。
35.常规的提高射频功率放大器稳定性的方式(包括但不限于上述两种方式)，其都是通过在gaas die集成电阻器或者电容器的组合，通过降低gaas晶体管的带内和带外增益来改善整体电路的稳定性。如果输出负载匹配网络发生变化，负载失配较大，或者其他稳定性指标变化时，这个已经集成固定值的电阻器rb和电容器cb的gaas die将不能满足产品设计的所有指标。所以，射频功率放大器的稳定性和已经在gaas die集成的电阻器rb和电容器cb等参数相互关联，不能做到适应更广泛的应用条件。本实用新型在常规的提高稳定性方式上，引入发射极e串联电感接地的方式，通过在gaas die的外部调节电感，使得同一颗gaas die的稳定性具有可调节性，可以更广泛的适应各种应用条件。
36.本实用新型提出一种适用于多种稳定性要求的射频功率放大器的解决方案，通过本实用新型的实施例，可以调节负责功率放大功能的晶体管的稳定性。在本实用新型中以常规砷化镓材料为例来进行说明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，本实用新型也可以应用到其他的工艺中。
37.图4是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的示意图。
38.参见图4，根据本实用新型实施例的射频功率放大器结构，其包括输入匹配网络、具有稳定性可调节功能的砷化镓晶圆和输出匹配网络。在其中，砷化镓晶圆上已经在晶体管的基极集成了电阻器rb和电容器cb等元件，同时还在发射极e预留了可以通过键合线来调节稳定性的位置。通过上述设置，整体射频功率放大器的稳定性可以通过基极b串联的电阻器rb和电容器cb等元件来调整以外，还可以通过发射极e的串联的键合线位置来调整稳定性。
39.具体地，图5是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的实施方式的示意图。
40.参考图5，根据本实用新型实施例的射频功率放大器主要包括输入匹配网络、输出匹配网络、砷化镓晶圆和射频功率放大器基板。其中，内部的虚线框是砷化镓晶圆，并且外部的虚线框是射频功率放大器基板。砷化镓晶圆被集成在射频功率放大器基板上，其中，砷化镓晶圆上的输入端rfin、输出端rfout和供电端口vcc，通常是由诸如铜线或者金线的键合线(bonding wire)而连接到基板上。在图5中，输入端rfin是通过键合线(1)连接，vcc通过键合线(2)连接，输出端rfout是通过键合线(3)连接。此外，在图5中，对于砷化镓晶圆上的晶体管(hbt),与其发射极e连接的键合线(4)的电感量可以调节，并且通过键合线(4)连接到基板的接地节点。通过对键合线(4)的形状、长度和高度等参数进行优化调整，可以对整个射频功率放大器的稳定性进行调节。本领域技术人员应该理解，发射极e接地的电感总量，不仅包括键合线(4)的电感部分，还包括在基板上形成的寄生电感部分。根据本实用新型的实施例，通过调整发射极e接地的等效电感量来实现对射频功率放大器的稳定性调整。
41.图6是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构
的电路图。
42.参考图6，主要以gaas晶圆为例，对射频功率放大器的砷化镓晶圆(gaas die)和基板部分进行说明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，可以将本实用新型应用到其他工艺的晶圆上。该实施例中，gaas管芯是hbt结构的，b代表其晶体管的基极，c代表其晶体管的集电极，e代表其晶体管的发射极，电容器c1是起隔直和输入匹配作用的电容，电阻器rbias是偏置供电电阻。射频信号从输入端rfin进入晶体管，信号经过放大，经由集电极c，通过输出端rfout输出发射信号。
43.在图6中，虚线框代表整个射频功率放大器的核心结构,虚线框内的结构都是在gaas晶圆(gaas die)上实现的。根据本实用新型实施例的射频功率放大器结构中，增加了发射极e的对地的等效电感(电感le),其在发射极e到接地节点之间通过诸如铜线或者金线的键合线(bonding wire)连接到基板上来实现。参考图6，发射极e的对地电感le的等效电感不仅包括键合线上的电感，也包括基板上的寄生电感。
44.图7是示出了根据本实用新型实施例的用于调节射频功率放大器的稳定性的原理图。
45.在负载阻抗失配的情况下，使用驻波比(vswr)来表示失配的程度。vswr＝1时代表和50欧姆阻抗完全匹配，没有失配，vswr值约大，失配程度越大。在较大失配情况下，会存在某些区域不稳定。
46.参考图7，最外虚线圈vswr＝10:1,中间虚线圈vswr＝6:1，最内虚线圈vswr＝3:1。如图7的(a)所示，当负载失配在vswr＝6:1以内时，输出非稳定区域和vswr＝6:1相交，vswr＝6:1以内的负载失配情况下时绝对稳定的。如图7的(b)所示，当负载失配在vswr＝10:1以内时，输出非稳定区域和vswr＝10:1相交，vswr＝10:1以内的负载失配情况下时绝对稳定的。
47.如果稳定性要求负载失配在vswr＝10:1以内，射频功率放大器是稳定的。则需要调整等效电感le的电感量，增加负反馈强度。通过适当降低射频功率放大器的增益，调整(增加)le的电感量，使得输出非稳定区域向外移动，使得vswr＝10:1以内时，射频功率放大器是稳定的。
48.如果稳定性要求负载失配在vswr＝3:1以内，射频功率放大器是稳定的。则需要调整等效电感le的电感量，减少负反馈强度。通过适当增加射频功率放大器的增益，调整(减小)le的电感量，使得输出非稳定区域向内移动，使得vswr＝3:1以内时，射频功率放大器是稳定的。
49.虽然在上述实施例中，示出了通过调整射频功率放大器的增益和le的电感量来调整负载阻抗的失配程度，以调整非稳定区域的范围，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，可以通过其他方式，通过调整le的电感量来调整非稳定区域的范围。
50.图8是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的电路图。
51.参考图8，主要以gaas晶圆为例，对射频功率放大器的砷化镓晶圆(gaas die)和基板部分进行说明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，可以将本实用新型应用到其他工艺的晶圆上。该实施例中，gaas管芯是hbt结构的，b代表其晶体
管的基极，c代表其晶体管的集电极，e代表其晶体管的发射极，电容器c1是起隔直和输入匹配作用的电容，电阻器rbias是偏置供电电阻。射频信号从输入端rfin进入晶体管，信号经过放大，经由集电极c，通过输出端rfout输出发射信号。此外，通过将电阻器rb串联在输入端rfin和基极b之间来改善射频功率放大器的稳定性。此外，电阻器rb和电容器c1的位置可以互换，其并不影响放大器的性能。
52.在图8中，虚线框代表整个射频功率放大器的核心结构,虚线框内的结构都是在gaas晶圆(gaas die)上实现的。根据本实用新型实施例的射频功率放大器结构中，增加了发射极e的等效对地电感(le),其在发射极e到接地节点之间通过诸如铜线或者金线的键合线(bonding wire)连接到基板上来实现。参考图8，发射极e的对地电感le的等效电感不仅包括键合线上的电感，也包括基板上的寄生电感。
53.参考图8，通过添加电阻器rb对稳定性进一步进行改善，使得在不同失配要求下，电感器le的变化量能够相对减小一些。
54.图9是示出了根据本实用新型实施例的用于改善射频功率放大器的稳定性的结构的电路图。
55.参考图9，主要以gaas晶圆为例，对射频功率放大器的砷化镓晶圆(gaas die)和基板部分进行说明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，可以将本实用新型应用到其他工艺的晶圆上。该实施例中，gaas管芯是hbt结构的，b代表其晶体管的基极，c代表其晶体管的集电极，e代表其晶体管的发射极，电容器c1是起隔直和输入匹配作用的电容，电阻器rbias是偏置供电电阻。射频信号从输入端rfin进入晶体管，信号经过放大，经由集电极c，通过输出端rfout输出发射信号。此外，通过向晶体管hbt的基极b串联电阻器rb和电容器cb的结构来改善稳定性。在图9中，电阻器rb和电容器cb的并联结构，其被串联在输入端rfin和基极b之间的位置。本领域技术人员应该理解，电阻器rb和电容器cb的组合结构与电容器c1的位置可以互换，其并不影响放大器的性能。
56.在图9中，虚线框代表整个射频功率放大器的核心结构,虚线框内的结构都是在gaas晶圆(gaas die)上实现的。根据本实用新型实施例的射频功率放大器结构中，增加了发射极e的对地电感(le),其在发射极e到接地节点之间通过诸如铜线或者金线的键合线(bonding wire)连接到基板上来实现。参考图9，发射极e的对地电感le的等效电感不仅包括键合线上的电感，也包括基板上的寄生电感。
57.参考图9，通过添加电阻器rb和电容器cb的组合结构对稳定性进一步进行改善，使得在不同失配要求下，电感器le的变化量能够进一步减小。此外，相对于图8，电容器cb能够增加高频的增益。
58.尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。
59.本实用新型中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。