一种新型晶体管合路结构放大器的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种新型晶体管合路结构放大器。


背景技术：

2.在现代射频系统中，不论是电子战还是商用通信系统，对放大器的带宽都提出了更高的要求。而对于宽带功率放大器，如何提高其增益、输出功率和效率是一项巨大挑战。带宽、增益、输出功率和效率是一个功率放大电路最重要的几个方面，其特性相互制约。
3.分布式放大器具有较好的带宽，但是芯片面积大，增益和效率也都不够理想；负反馈结构会提高放大器带宽和增益平坦度，但是会牺牲输出功率和效率；lange电桥结构可以满足带宽和高功率输出，但是面积大，效率低。
4.一般情况下，为了提高放大器输出功率，电路往往会在末级将多个晶体管简单合成，但是这样的合成在选择阻抗匹配的时候会非常严苛，在保证输出功率的前提下很难保证工作带宽和提高增益，且电路易不稳定。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种新型晶体管合路结构放大器解决了功率放大器无法兼顾最佳功率输出匹配、宽带、高增益和高效率的难题，并能实现较平坦的增益和较良好的驻波。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种新型晶体管合路结构放大器，包括依次连接的新型均衡电路、共源共栅结构驱动电路、新型晶体管合路结构末级电路以及输出匹配网络；所述新型均衡电路的输入端作为新型晶体管合路结构放大器的输入端，所述输出匹配网络的输出端作为新型晶体管合路结构放大器的输出端；所述新型均衡电路包括电阻、电感和电容，所述新型均衡电路的频带、插损大小和曲线形状均可通过调节所述电阻、电感和电容的大小调节；所述新型晶体管合路结构末级电路包括4个大小相同的晶体管。
7.进一步地，所述新型均衡电路包括电容c1；所述电容c1的一端作为新型均衡电路的输入端，所述电容c1的另一端分别与电容c2的一端、电阻r1的一端和电阻r2的一端连接，所述电容c2的另一端分别与电阻r1的一端和电阻r3的一端连接，并作为所述新型均衡电路的输出端，所述电阻r2的另一端与接地电感l1连接，所述电阻r3的另一端与接地电感l3连接。
8.上述进一步方案的有益效果为：与传统放大器相比，在输入端增加了一个新型均衡电路，该均衡器由r、l和c组成，其频带、差损大小和曲线形状均可以通过调节r、l、c的大小改变，从而使电路的增益波动减小，增益平坦度提高。
9.进一步地，所述共源共栅结构驱动电路包括电容c3；所述电容c3的一端作为所述共源共栅结构驱动电路的输入端，所述电容c3的另一
端与电感l3的一端连接，所述电感l3的另一端分别与电阻r4的一端和晶体管m1的栅极连接，所述电阻r4的另一端与微带线tl1的一端连接，所述微带线tl1的另一端分别与电阻r5的一端和驱动栅压vg1连接，所述电阻r5的另一端与接地电容c4连接，所述晶体管m1的源极接地，所述晶体管m1的漏极与晶体管m2的源极连接，所述晶体管m2的栅极分别与电阻r9的一端和电阻r6的一端连接，所述电阻r9的另一端与接地电容c5连接，所述电阻r6的另一端与微带线tl2的一端连接，所述微带线tl2的另一端分别与接地电阻r7和电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端与驱动漏压vd1连接，所述晶体管m2的漏极与微带线tl3的一端连接，所述微带线 tl3的另一端分别与电感l4的一端和电容c7的一端连接，所述电感l4的另一端分别与接地电容c6和驱动漏压vd1连接；所述电容c7的另一端作为所述共源共栅结构驱动电路的输出端。
10.上述进一步方案的有益效果为：上述共源共栅结构提高了驱动级的输出阻抗匹配，拓宽了频段，能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度，同时给末级电路提供足够高的驱动功率。
11.进一步地，所述新型晶体管合路结构末级电路包括微带线tl4；所述微带线tl4的一端作为所述新型晶体管合路结构末级电路的输入端，所述微带线tl4的另一端分别与微带线tl5的一端和电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端与微带线tl6的一端连接，所述微带线tl6的另一端分别与电阻r11的一端和末级栅压vg2连接，所述电阻r11的另一端与接地电容c8连接；所述微带线tl5的另一端分别与电阻r12的一端和晶体管m3的栅极连接，所述电阻r12的另一端与晶体管m4的栅极连接，所述晶体管m4的源极接地，所述晶体管m4的漏极与晶体管m5的源极连接，所述晶体管m5的栅极与电阻r13的一端连接，所述电阻r13的另一端分别与接地电容c10和微带线tl7的一端连接，所述晶体管m5的漏极与电阻r14的一端连接，所述晶体管m3的源极接地，所述晶体管m3的漏极与晶体管m6的源极连接，所述晶体管m6的栅极与电阻r15的一端连接，所述电阻r15的另一端分别与接地电容c9、微带线tl7的另一端和电阻r16的一端连接，所述电阻r16的另一端分别与接地电阻r17和电阻r18的一端连接，所述电阻r18的另一端与末级漏压vd2连接；所述晶体管m6的漏极分别与电阻r14的另一端和微带线tl8的一端连接，所述微带线tl8的另一端与电感l5的一端连接，所述电感l5的另一端分别与接地电容c11和末级漏压vd2连接，所述微带线tl8的另一端作为所述新型晶体管合路结构末级电路的输出端。
12.上述进一步方案的有益效果为：本发明提供的上述末级新型晶体管合路结构采用4个晶体管来提高功率输出，流过m3的电流同时流过m6，流过m4的电流同时流过m5，故电流等效为2个晶体管。对比传统的pa采用几个共源管简单合成从而很难兼顾最佳功率输出匹配和带宽、增益问题，本发明中的结构可以在满足最佳功率阻抗匹配的前提下，通过降低米勒效应因此提高带宽和增益。在设计pa时，晶体管所能承受最大电压vmax受到晶体击穿电压限制，而最小电压则受到knee电压限制，而本发明中的新型合路结构，能够减轻晶体管击穿电压压力，提升功率放大器输出电压摆幅，从而降低对晶体管最大电流能力要求，提升功率放大器效率，并在保证输出功率的前提下减小了输出晶体管尺寸。由此，本发明提供的末级新型晶体管合路结构解决了功率放大器无法兼顾高输出功率、宽带、高增益和高附加效率的难题。另一方面，本发明提供的新型晶体管合路结构由于具有很好的反向隔离，所以大
大地提高了电路的稳定性。同时在信号输入的m3和m4之间，在信号输出的m5和m6之间加入一个极小的阻性元件，可在保证增益和功率不受影响的前提下，确保电路的绝对稳定。
13.进一步地，所述输出匹配网络包括依次连接的电感l6和电容c12，所述电感l6的输入端作为所述输出匹配网络的输入端，所述电容c12的输出端作为所述输出匹配网络的输出端。
14.上述进一步方案的有益效果为：上述电路中输出匹配网络为了减小差损共用了输出隔直电容做匹配，使得放大器输出更可能大的功率和效率。
15.本发明的有益效果为：（1）本发明的放大电路将新型均衡电路、共源共栅结构电路、新型晶体管合路结构电路相结合，极大地拓宽了放大器的带宽，解决了功率放大器无法兼顾高输出功率、宽带、高增益和高效率的难题，并能实现较平坦的增益和较良好的驻波。
16.（2）前级的共源共栅结构电路用于驱动末级的新型晶体管合路结构电路，提高了驱动级的输出阻抗匹配，拓宽了频段，能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度，同时给末级电路提供足够高的驱动功率。
17.（3）本发明提供的末级新型晶体管合路结构采用4个晶体管来提高功率输出，而电流仅等于2个晶体管。对比传统的pa采用几个共源管简单合成从而很难兼顾最佳功率输出匹配和带宽、增益问题，本发明中的结构可以在满足最佳功率阻抗匹配的前提下，通过降低米勒效应因此提高带宽和增益，并可通过提升功率放大管的输出电压摆幅，从而降低对晶体管最大电流能力要求，提高电路的输出效率，并在输出功率保证的情况下减小了输出晶体管尺寸。另一方面，本发明提供的新型晶体管合路结构由于具有很好的反向隔离，所以大大地提高了电路的稳定性。同时在信号输入的m3和m4之间，在信号输出的m5和m6之间加入一个极小的阻性元件，可在保证增益和功率不受影响的前提下，确保电路的绝对稳定。
附图说明
18.图1为本发明提供的新型晶体管合路结构放大器电路原理图。
具体实施方式
19.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
20.实施例1：如图1所示，一种新型晶体管合路结构放大器，包括依次连接的新型均衡电路、共源共栅结构驱动电路、新型晶体管合路结构末级电路以及输出匹配网络；新型均衡电路的输入端作为新型晶体管合路结构放大器的输入端，输出匹配网络的输出端作为新型晶体管合路结构放大器的输出端；新型均衡电路包括电阻、电感和电容，新型均衡电路的频带、插损大小和曲线形状均可通过调节电阻、电感和电容的大小调节；新型晶体管合路结构末级电路包括4个大小相同的晶体管。
21.本实施例提供了一种在宽带内可兼顾高增益和高输出功率及高效率的放大电路，解决了放大器在宽频带内输出功率和效率不理想的问题，而且简化了电路输出匹配，减小了放大器芯片面积；同时在输入端采用新型均衡电路并利用共源共栅结构电路作为末级的驱动级，提高了电路整体增益和增益平坦度。
22.在本实施例中，图1中的新型均衡电路包括电容c1；电容c1的一端作为新型均衡电路的输入端，电容c1的另一端分别与电容c2的一端、电阻r1的一端和电阻r2的一端连接，电容c2的另一端分别与电阻r1的一端和电阻r3的一端连接，并作为新型均衡电路的输出端，电阻r2的另一端与接地电感l1连接，电阻r3的另一端与接地电感l3连接。
23.在本实施例中，由于微波器件的损耗随着频率升高而增大，而晶体管增益随着频率升高而降低，所以电路在高频段的增益是比会比低频段小，本实施例中在输入端增加一个新型均衡电路，该均衡电路由rlc组成，其频带、差损大小和曲线形状均可以通过调节r、l、c的大小改变，从而使电路的增益波动减小，增益平坦度提高。
24.在本实施例中，图1中的共源共栅结构驱动电路包括电容c3；电容c3的一端作为共源共栅结构驱动电路的输入端，电容c3的另一端与电感l3的一端连接，电感l3的另一端分别与电阻r4的一端和晶体管m1的栅极连接，电阻r4的另一端与微带线tl1的一端连接，微带线tl1的另一端分别与电阻r5的一端和驱动栅压vg1连接，电阻r5的另一端与接地电容c4连接，晶体管m1的源极接地，晶体管m1的漏极与晶体管m2的源极连接，晶体管m2的栅极分别与电阻r9的一端和电阻r6的一端连接，电阻r9的另一端与接地电容c5连接，电阻r6的另一端与微带线tl2的一端连接，微带线tl2的另一端分别与接地电阻r7和电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端与驱动漏压vd1连接，晶体管m2的漏极与微带线tl3的一端连接，微带线 tl3的另一端分别与电感l4的一端和电容c7的一端连接，电感l4的另一端分别与接地电容c6和驱动漏压vd1连接；电容c7的另一端作为共源共栅结构驱动电路的输出端。
25.在本实施例中，采用共源共栅结构的驱动电路是为了给电路提供更高的增益和更好的带宽，由于共源共栅结构的特性，本实施例中的驱动电路比用单个晶体管做驱动级增益更高，而功耗和相同尺寸的单个晶体管相当，同时本实施例中的驱动电路可以给末级电路提供更好的输入匹配和足够的驱动功率，且能将带宽扩展。
26.在本实施例中，图1中的新型晶体管合路结构末级电路包括微带线tl4；微带线tl4的一端作为新型晶体管合路结构末级电路的输入端，微带线tl4的另一端分别与微带线tl5的一端和电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端与微带线tl6的一端连接，微带线tl6的另一端分别与电阻r11的一端和末级栅压vg2连接，电阻r11的另一端与接地电容c8连接；微带线tl5的另一端分别与电阻r12的一端和晶体管m3的栅极连接，电阻r12的另一端与晶体管m4的栅极连接，晶体管m4的源极接地，晶体管m4的漏极与晶体管m5的源极连接，晶体管m5的栅极与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端分别与接地电容c10和微带线tl7的一端连接，晶体管m5的漏极与电阻r14的一端连接，晶体管m3的源极接地，晶体管m3的漏极与晶体管m6的源极连接，晶体管m6的栅极与电阻r15的一端连接，电阻r15的另一端分别与接地电容c9、微带线tl7的另一端和电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端分别与接地
电阻r17和电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与末级漏压vd2连接；晶体管m6的漏极分别与电阻r14的另一端和微带线tl8的一端连接，微带线tl8的另一端与电感l5的一端连接，电感l5的另一端分别与接地电容c11和末级漏压vd2连接，微带线tl8的另一端作为新型晶体管合路结构末级电路的输出端。
27.在本实施例中，上述晶体管m3~m6大小相同，m3的漏极和m6的源级相连，m4的漏极和m5的源级相连，m3的栅极和m4的栅极相连，m5的漏极和m6的漏极相连，流过m3的电流同时流过m6，流过m4的电流同时流过m5，从而功耗仅等于2个晶体管，同时此种结构提高了m5和m6的输出电压摆幅，降低了对晶体管最大电流能力要求，从而可提高了电路的输出效率，并在保证输出功率的情况下减小了输出晶体管尺寸。进一步地，该结构提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的稳定性。本实施例中，在m3和m4栅极相连的中间还加入了小电阻r12，在m5和m6漏极相连的中间加入了小电阻r14，在保证增益和功率不受影响的前提下，确保电路的绝对稳定。
28.在本实施例中，图1中的输出匹配网络包括依次连接的电感l6和电容c12，电感l6的输入端作为输出匹配网络的输入端，电容c12的输出端作为输出匹配网络的输出端。
29.在本实施例中，为了输出尽可能大的功率和效率，输出匹配网络需要尽可能小的差损，故输出匹配网络尽可能简单，所以共用了输出隔值电容。
30.实施例2：本实施例中提供了实施例1中的新型晶体管合路结构放大器的工作过程：信号从射频输入端rfin进入，经过新型均衡电路，高频信号通过c2，低频信号经过r1、r2、r3增益降低；信号进入共源共栅结构驱动电路被放大，vg1和vd1给共源共栅结构驱动电路分别提供直流栅压和漏压， r5和r9用以提高电路稳定性，l4是vd1漏端choke电感并同时参与匹配；信号进入新型晶体管合路结构末级电路后经过m3和m6，m4和m5后进一步放大合成，vg2和vd2给新型晶体管合路结构末级电路分别提供直流栅压和漏压，r12~r15均用以提高电路稳定性，l5是vd2漏端choke电感并同时参与匹配；最终信号被放大后经过输出匹配网络输出。