專利名稱：功率放大晶體管電路及提高其穩(wěn)定性的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功率放大器技術領域，具體涉及一種功率放大晶體管電路及提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，特別是一種砷化鎵異質結雙極功率放大晶體管(GaAs HBT功率放大晶體管)電路及提高其穩(wěn)定性的方法。
背景技術：
在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，射頻功率放大器是實現(xiàn)射頻信號無線傳輸?shù)年P鍵部件，而功率放大晶體管又是構成射頻功率放大器的核心。它要求具有高頻特性好、功率密度大、工作頻率高、線性度好、功率增益高、易于匹配等諸多特性。而GaAs HBT功率放大晶體管具有高的電流處理能力、高的輸出功率，優(yōu)異的高頻特性、較寬的線性和高的效率，非常適合于功率放大應用。GaAs HBT功率放大晶體管在應用時，通常采用多發(fā)射極指結構來改善電流處理能力和散熱能力。然而，由于GaAs材料本身的熱導率很低，功率放大晶體管在大電流工作狀態(tài)下產生的熱量很難及時的散發(fā)出去，HBT的結溫升高，導致晶體管的開啟電壓下降，在基極偏置電壓的偏置下，產生集電極電流的熱電正反饋，器件的IV曲線出現(xiàn)上翹。結溫升高，增加了器件的反向注入電流，降低了器件的電流增益，導致了集電極電流的熱電負反饋特性。HBT自熱效應引發(fā)的熱電反饋將導致多指HBT功率放大晶體管的電流增益坍塌，是HBT功率放大晶體管最重要的熱不穩(wěn)定問題。在微波功率放大器的研制中，功率放大晶體管的穩(wěn)定性也是一個需要嚴格考慮的因素。為了增加輸出功率，功率放大晶體管的尺寸要變大，其輸入輸出阻抗的實部變低、寄生反饋增強，導致K因子下降，功率放大晶體管穩(wěn)定性降低；而且S參數(shù)隨頻率變化，功率放大晶體管在不同頻率的穩(wěn)定性有所不同，一般高頻率段表現(xiàn)為無條件穩(wěn)定(κ> 1)，而在中低頻率段表現(xiàn)為潛在不穩(wěn)定(Κ< I)。使得器件在不同頻率點上的負載阻抗或源阻抗非常復雜，而且可能隨著制作工藝，使用環(huán)境的變化而變化，那么在潛在不穩(wěn)定頻段上器件的端口阻抗就非常容易進入不穩(wěn)定區(qū)域觸發(fā)器件的自激振蕩，導致電路設計失效。因此，在功率放大器的設計中，如何提高功率放大晶體管，特別是GaAs HBT功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性，就成為了非常重要的問題。常用的一種做法是在功率放大晶體管的輸入端或是輸出端加入鎮(zhèn)流電阻，增強器件的熱電負反饋特性，從而使功率放大晶體管工作在熱穩(wěn)定區(qū)域；也可以外加穩(wěn)定性網絡提高K因子，使功率放大晶體管工作于穩(wěn)定區(qū)域。對于基極鎮(zhèn)流電阻形式的應用，現(xiàn)有技術的方案采用如圖1所示的電路結構。如圖1所示，功率放大器的輸入端包括輸入偏置電路I和輸入匹配電路2，輸出端包括輸出匹配電路3，電阻Rl作為輸入端的基極鎮(zhèn)流電阻，連接在輸入匹配電路2和功率放大晶體管Tl的基極之間，電容Cl作為射頻耦合電容，和電阻Rl并聯(lián)，連接輸入匹配電路2和功率放大晶體管Tl的基極之間，電阻Rl和電容Cl構成了穩(wěn)定電路4。功率放大晶體管Tl的集電極經由一個電感連接到電源VCC上，同時，集電極經由輸出匹配電路3連接到射頻輸出端RFOUT。電阻Rl作為基極鎮(zhèn)流電阻，可以增強功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性，同時也可以提高電學穩(wěn)定性，電容Cl作為射頻耦合電容和電阻Rl并聯(lián)，可以減小對器件功率增益的影響，但是，通過改變電阻Rl的阻值來改善電學穩(wěn)定性時會對熱穩(wěn)定性產生影響，改變電阻Rl的阻值來改善熱穩(wěn)定性時，也會對電學穩(wěn)定性產生影響，因此不能同時得到好的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種功率放大晶體管電路及提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，特別是一種砷化鎵異質結雙極功率放大晶體管(GaAs HBT功率放大晶體管)電路及提高其穩(wěn)定性的方法，以解決同時優(yōu)化滿足功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性的技術問題，實現(xiàn)良好的功率放大晶體管設計。(二)技術方案為解決以上的技術問題，本發(fā)明的一個方面是一種功率放大晶體管電路，其包括一個功率放大晶體管和一個穩(wěn)定電路，該穩(wěn)定電路連接于功率放大晶體管的基極，穩(wěn)定電路由一射頻輸入通路和一直流輸入通路并聯(lián)而成，射頻輸入通路用于改善功率放大晶體管的電學穩(wěn)定性，直流輸入通路用于改善功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，射頻輸入通路可由電阻和電容并聯(lián)組成，射頻輸入通路的一端連接到輸入匹配電路，另一端連接到功率放大晶體管的基極。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻組成，電阻一端連接到輸入偏置電路，另一端也連接到功率放大晶體管的基極。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，功率放大晶體管的集電極經由一電感連接到電源。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，功率放大晶體管的集電極經由一輸出匹配電路連接到射頻輸出端。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路功率放大晶體管為一 GaAs HBT功率放大晶體管。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，電阻和電容的值可以被調節(jié)，以得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管的增益。根據(jù)本發(fā)明的功率放大晶體管電路，電阻的值可以被調節(jié)，以改善電流增益坍塌，提聞熱穩(wěn)定性。本發(fā)明的另一個方面是一種提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其包括如下步驟:在功率放大晶體管和輸入匹配電路之間設置一個穩(wěn)定電路，該穩(wěn)定電路由一個射頻輸入通路和一個直流輸入通路并聯(lián)而成；利用該射頻輸入通路來改善功率放大晶體管的電學穩(wěn)定性；利用該直流輸入通路來改善功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的方法，該射頻輸入通路由電阻和電容并聯(lián)組成，射頻輸入通路的一端連接到輸入匹配電路，另一端連接到功率放大晶體管的基極。根據(jù)本發(fā)明的方法，該直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻組成，電阻一端連接到輸入偏置電路，另一端也連接到功率放大晶體管的基極。根據(jù)本發(fā)明的方法的功率放大晶體管為GaAs HBT功率放大晶體管。根據(jù)本發(fā)明的方法，還包括如下步驟:調節(jié)電阻和電容的值，得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管的增益。根據(jù)本發(fā)明的方法，根據(jù)功率放大晶體管的發(fā)射極的長、寬以及發(fā)射極指來調節(jié)電阻和電容的值。根據(jù)本發(fā)明的方法，，還包括如下步驟:調節(jié)電阻的值，改善電流增益坍塌，提高熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的方法，根據(jù)功率放大晶體管(Tl)的工藝特性來調節(jié)穩(wěn)定電阻(R2)的值。(三)有益效果本發(fā)明在功率放大晶體管的輸入端加入了穩(wěn)定電路，由此既可以使功率放大晶體管處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)，從而使功率放大器電路易于匹配和穩(wěn)定，又可以得到最佳的熱穩(wěn)定性，有效抑制增益坍塌，同時還提高了高頻穩(wěn)定性。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明:圖1為現(xiàn)有的帶穩(wěn)定電路的功率放大器電路圖；圖2為本發(fā)明的帶穩(wěn)定電路的功率放大器電路圖；圖3為以圖2的拓撲連接方式進行連接仿真得到的穩(wěn)定性仿真結果示意圖；圖4為本發(fā)明的功率放大晶體管電路的電路圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明的一個具體實施例是一種功率放大晶體管電路，其中所采用的功率放大晶體管為，如圖2所示。該GaAs HBT功率放大晶體管例如是5.8GHZ的GaAs HBT功率放大晶體管。該功率放大晶體管電路包括GaAsHBT功率放大晶體管Tl和一個穩(wěn)定電路5。所述功率放大晶體管Tl具有基極、集電極和發(fā)射極，所述功率放大晶體管電路的穩(wěn)定電路5連接于功率放大晶體管的基極。該穩(wěn)定電路由射頻輸入通路和直流輸入通路并聯(lián)而成。該射頻輸入通路用于改善功率放大晶體管的電學穩(wěn)定性，該直流輸入通路用于改善功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性。優(yōu)選的，射頻輸入通路由電阻Rl和電容Cl并聯(lián)組成，射頻輸入通路的一端連接到輸入匹配電路2，另一端連接到功率放大晶體管的基極。直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻R2組成，穩(wěn)定電阻R2—端連接到輸入偏置電路1，另一端也連接到功率放大晶體管的基極。電阻Rl和電容Cl的值可以被優(yōu)化調節(jié)，從而得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管的增益。穩(wěn)定電阻R2的值也可以被調節(jié)，從而改善提高其熱穩(wěn)定性。所述功率放大晶體管Tl的輸出端包括一個輸出匹配電路3，該輸出匹配電路2 —端與功率放大晶體管Tl的集電極相連，另一端與射頻輸出端RFOUT相連；此外，功率放大晶體管Tl的集電極還經由一個電感LI與電源VCC相連。以穩(wěn)懋半導體股份有限公司生產的2 μ m GaAs HBT功率放大晶體管為例，選用Rl=240Ω、R2 = 100Ω、C1 = 1.8pF，按照圖2的拓撲連接方式進行連接，在保證熱穩(wěn)定性的前提下，得到的電學穩(wěn)定性的仿真結果，如圖3所示。在圖3中，功率放大器的K因子的最小值也在2以上，也就是說，在IOOMHz到8GHz的頻率范圍內全部大于1，可以保證功率放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)，確保電路的電學穩(wěn)定性。更具體的來說，本發(fā)明實施例中的穩(wěn)定電路如圖4所示，射頻通路是由電阻Rl和電容Cl并聯(lián)組成，直流通路是由穩(wěn)定電阻R2組成，電阻Rl和穩(wěn)定電阻R2的共有端連接于功率放大晶體管Tl的基極。根據(jù)GaAs HBT功率放大晶體管發(fā)射極的長、寬以及發(fā)射極指的不同，電阻Rl和電容Cl的值可以被優(yōu)化調節(jié)，從而得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管的增益。電阻Rl可以改善功率放大器Tl的頻率穩(wěn)定性，電容Cl用于耦合射頻信號，減小電阻Rl帶來的增益損失。當發(fā)射極指數(shù)增多時，寄生反饋電容變大，導致功率放大器穩(wěn)定性變差，需要調節(jié)電阻Rl的值來改善功率放大器穩(wěn)定性。一般電容Cl的容抗應小于電阻R1，以耦合射頻信號，補償電阻Rl帶來的增益損失。穩(wěn)定電阻R2的值也可以根據(jù)GaAs HBT功率放大晶體管的工藝特性被調節(jié)，從而改善電流增益坍塌，提高熱穩(wěn)定性。GaAs HBT熱導率較低，發(fā)射極變長或者發(fā)射極指數(shù)增加時，電流分布的不均勻和熱耦合加劇，會導致中間部分的溫度過高，最終造成電流增益坍塌。增大穩(wěn)定電阻R2，可以控制HBT的環(huán)路電流增益f，提高功率放大器溫度穩(wěn)定性，抑制電流增益坍塌。需要說明的是，電阻R1、電容Cl以及穩(wěn)定電阻R2的具體調節(jié)方式為功率放大器技術領域的公知常識，在此不再展開敘述。本實施例中所述的輸入偏置電路1、輸入匹配電路
2、輸出匹配電路3也與現(xiàn)有技術相同。本發(fā)明的另一個實施例是一種提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中該功率管為GaAs HBT功率放大晶體管Tl。該方法包括如下步驟:在功率放大晶體管Tl和輸入匹配電路之間設置一個穩(wěn)定電路,該穩(wěn)定電路由一個射頻輸入通路和一個直流輸入通路并聯(lián)而成；利用該射頻輸入通路來改善功率放大晶體管的電學穩(wěn)定性，并且，利用該直流輸入通路來改善功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性。具體來說，射頻輸入通路由電阻Rl和電容Cl并聯(lián)組成，一端連接到輸入匹配電路，另一端連接到功率放大晶體管的基極；直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻R2組成，一端連接到輸入偏置電路，另一端連接到功率放大晶體管的基極；該穩(wěn)定電路和功率放大晶體管Tl 一起構成完整的功率放大晶體管電路，可以有效的提聞功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性。更具體來說，根據(jù)本發(fā)明的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，根據(jù)GaAs HBT功率放大晶體管發(fā)射極的長、寬以及發(fā)射極指的不同，適當調節(jié)電阻Rl和電容Cl的值，以優(yōu)化得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管的增益。電阻Rl可以改善功率放大器Tl的頻率穩(wěn)定性，電容Cl用于耦合射頻信號，減小電阻Rl帶來的增益損失。當發(fā)射極指數(shù)增多時，寄生反饋電容變大，導致功率放大器穩(wěn)定性變差，需要調節(jié)電阻Rl的值來改善功率放大器穩(wěn)定性。一般電容Cl的容抗應小于電阻R1，以耦合射頻信號，補償電阻Rl帶來的增益損失；根據(jù)GaAs HBT功率放大晶體管的工藝特性適當調節(jié)穩(wěn)定電阻R2的值，以改善電流增益坍塌，提高熱穩(wěn)定性。GaAs HBT熱導率較低，發(fā)射極變長或者發(fā)射極指數(shù)增加時，電流分布的不均勻和熱耦合加劇，會導致中間部分的溫度過高，最終造成電流增益坍塌。增大穩(wěn)定電阻R2，可以控制HBT的環(huán)路電流增益f，提高功率放大器溫度穩(wěn)定性，抑制電流增益坍塌。需要說明的是，調節(jié)電阻R1、電容Cl以及穩(wěn)定電阻R2的值的方法為功率放大器技術領域的公知常識，在此不再展開敘述。綜上所述，本發(fā)明在功率放大晶體管的輸入端加入了穩(wěn)定電路，以同時優(yōu)化滿足功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性，實現(xiàn)良好的功率放大晶體管設計。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.種功率放大晶體管電路，包括一個功率放大晶體管(Tl)和一個穩(wěn)定電路(5),該穩(wěn)定電路(5)連接于功率放大晶體管(Tl)的基極，其特征在于:該穩(wěn)定電路(5)由一射頻輸入通路和一直流輸入通路并聯(lián)而成；該射頻輸入通路用于改善功率放大晶體管(Tl)的電學穩(wěn)定性，該直流輸入通路用于改善功率放大晶體管(Tl)的熱穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率放大晶體管電路，其中該射頻輸入通路由電阻(Rl)和電容(Cl)并聯(lián)組成，射頻輸入通路的一端連接到輸入匹配電路(2)，另一端連接到功率放大晶體管(Tl)的基極。
3.根據(jù)權利要求1所述的功率放大晶體管電路，其中直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻(R2)組成，穩(wěn)定電阻(R2) —端連接到輸入偏置電路(1)，另一端也連接到功率放大晶體管(Tl)的基極。
4.根據(jù)權利要求1-3的任一項所述的功率放大晶體管電路，其中功率放大晶體管(Tl)的集電極經由一電感(LI)連接到電源(VCC)。
5.根據(jù)權利要求1-3的任一項所述的功率放大晶體管電路，其中功率放大晶體管(Tl)的集電極經由一輸出匹配電路連接到射頻輸出端(RFOUT)。
6.根據(jù)權利要求1-3的任一項所述的功率放大晶體管電路，其中的功率放大晶體管(Tl)為GaAs HBT功率放大晶體管。
7.根據(jù)權利要求6所述的功率放大晶體管電路，其中電阻(Rl)和電容(Cl)的值是調節(jié)的。
8.根據(jù)權利要求6所述的功率放大晶體管電路，其中穩(wěn)定電阻(R2)的值是可調節(jié)的。
9.一種提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其特征在于包括如下步驟: 在功率放大晶體管(Tl)和輸入匹配電路(2)之間設置一個穩(wěn)定電路(5)，該穩(wěn)定電路(5)由一個射頻輸入通路和一個直流輸入通路并聯(lián)而成； 利用該射頻輸入通路來改善功率放大晶體管的電學穩(wěn)定性； 利用該直流輸入通路來改善功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性。
10.根據(jù)權利要求9所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中該射頻輸入通路由電阻(Rl)和電容(Cl)并聯(lián)組成，射頻輸入通路的一端連接到輸入匹配電路(2)，另一端連接到功率放大晶體管(Tl)的基極。
11.根據(jù)權利要求9所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中該直流輸入通路由一個穩(wěn)定電阻(R2)組成，穩(wěn)定電阻(R2) —端連接到輸入偏置電路(1)，另一端也連接到功率放大晶體管(Tl)的基極。
12.根據(jù)權利要求9-11的任一項所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中的功率放大晶體管為GaAs HBT功率放大晶體管。
13.根據(jù)權利要求12所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，還包括如下步驟:調節(jié)電阻(Rl)和電容(Cl)的值，得到最優(yōu)的頻率穩(wěn)定性，同時改善功率放大晶體管(Tl)的增益。
14.根據(jù)權利要求13所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中根據(jù)功率放大晶體管(Tl)的發(fā)射極的長、寬以及發(fā)射極指來調節(jié)電阻(Rl)和電容(Cl)的值。
15.根據(jù)權利要求12所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，還包括如下步驟:調節(jié)穩(wěn)定電阻(R2)的值，改善電流增益坍塌，提高熱穩(wěn)定性。
16.根據(jù)權利要求15所述的提高功率放大晶體管穩(wěn)定性的方法，其中根據(jù)功率放大晶體管(Tl)的工藝特 性來調節(jié)穩(wěn)定電阻(R2)的值。
全文摘要
本發(fā)明屬于功率放大器技術領域，具體公開了一種功率放大晶體管電路及提高其穩(wěn)定性的方法，其中功率放大晶體管電路包括一個功率放大晶體管(T1)和一個連接于功率放大晶體管基極的穩(wěn)定電路(5)，穩(wěn)定電路(5)由一射頻輸入通路和一直流輸入通路并聯(lián)而成，射頻輸入通路用于改善功率放大晶體管(T1)的電學穩(wěn)定性，直流輸入通路用于改善功率放大晶體管(T1)的熱穩(wěn)定性。本發(fā)明解決了同時優(yōu)化滿足功率放大晶體管的熱穩(wěn)定性和電學穩(wěn)定性的技術問題，能實現(xiàn)良好的功率放大晶體管設計。
文檔編號H03F3/20GK103095225SQ20111034375
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權日2011年11月3日
發(fā)明者楊洪文, 閻躍鵬, 劉宇轍, 張韌 申請人:中國科學院微電子研究所