本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管射頻功率放大器和集成電路領(lǐng)域，特別是針對超寬帶收發(fā)機(jī)末端的發(fā)射模塊應(yīng)用的一種高效率、高輸出功率、高增益的分布式功率放大器。

背景技術(shù)：

隨著電子戰(zhàn)、軟件無線電、超寬帶通信、無線局域網(wǎng)(WLAN)等軍用電子對抗與通信、民用通信市場的快速發(fā)展，射頻前端收發(fā)器也向高性能、高集成、低功耗的方向發(fā)展。因此市場迫切的需求發(fā)射機(jī)的射頻與微波功率放大器具有超寬帶、高輸出功率、高效率、低成本等性能，而集成電路正是有望滿足該市場需求的關(guān)鍵技術(shù)。

然而，當(dāng)采用集成電路工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)射頻與微波功率放大器芯片電路時(shí)，其性能和成本受到了一定制約，主要體現(xiàn)：

（1）高功率高效率放大能力受限：半導(dǎo)體工藝中晶體管的柵長越來越短，由此帶來了低擊穿電壓和高膝點(diǎn)電壓，從而限制了單一晶體管的功率容量。為了獲得高功率能力，往往需要多路晶體管功率合成，但是由于多路合成網(wǎng)絡(luò)的能量損耗導(dǎo)致功率放大器的效率比較低，因此高功率、高效率能力較差。

（2）超寬帶高功率放大能力受限：為滿足高功率指標(biāo)就需要多個(gè)晶體管功率合成，但是多路合成的負(fù)載阻抗大大降低，從而導(dǎo)致了很高的阻抗變換比；在高阻抗變換比下，實(shí)現(xiàn)寬帶特性是極大的挑戰(zhàn)。

常見的超寬帶高功率放大器的電路結(jié)構(gòu)有很多，最典型的是傳統(tǒng)分布式放大器，但是，傳統(tǒng)分布式放大器要同時(shí)滿足各項(xiàng)參數(shù)的要求十分困難，主要是因?yàn)椋?/p>

①在傳統(tǒng)的分布式功率放大器中，核心放大電路是多個(gè)單一場效應(yīng)晶體管FET(field-effect transistor)采用分布式放大排列的方式實(shí)現(xiàn)，由于單一場效應(yīng)晶體管其功率增益較低、最佳阻抗偏低、隔離度較差、因此也導(dǎo)致反射特性惡化，從而降低了合成效率；

②傳統(tǒng)分布式放大器的設(shè)計(jì)中為了分析簡單，往往忽略了密勒電容對于電路的影響，從而導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完后需要大量的工作進(jìn)行電路調(diào)試，耗費(fèi)了大量的人力物力，降低了電路設(shè)計(jì)效率；

③此外，為了降低了密勒效應(yīng)對于電路的影響，也有采用Cascode雙晶體管分布式放大結(jié)構(gòu)，但是Cascode雙晶體管雖然增加了電路隔離度，卻無法改善功率增益等指標(biāo)，也無法實(shí)現(xiàn)Cascode雙晶體管間的最佳阻抗匹配，從而降低了輸出功率特性。

目前，有人提出一種堆疊功率放大器，核心放大電路是一個(gè)多晶體管堆疊形成的高阻抗高電壓場效應(yīng)晶體管HiFET(High-Impedance,High-Voltage field-effect transistor)，這種HiFET中，也是采用晶體管源極和漏極順次串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)高電壓擺幅和高輸出負(fù)載阻抗，從而克服低擊穿電壓限制并具有極佳的寬帶輸出特性。此外，它的高輸出阻抗可以直接被設(shè)計(jì)為50Ω的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗，從而避免采用電感或者變壓器等設(shè)計(jì)的輸出匹配電路，大大降低了芯片面積。然而，盡管輸出功率較高，但是現(xiàn)有的堆疊結(jié)構(gòu)的放大器往往均采用單個(gè)HiFET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其帶寬特性同傳統(tǒng)的單晶體管分布式放大器相比，仍然有較大的差距。

由此可以看出，基于集成電路工藝的超寬帶射頻功率放大器設(shè)計(jì)難點(diǎn)為：超寬帶下高功率輸出、高功率增益難度較大；單個(gè)HiFET結(jié)構(gòu)或Cascode晶體管的分布式放大結(jié)構(gòu)存在很多局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種考慮密勒效應(yīng)的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器，結(jié)合了單個(gè)HiFET結(jié)構(gòu)放大器和分布式放大器的優(yōu)點(diǎn)，具有超寬帶下高功率輸出能力、高功率增益、良好的輸入輸出匹配特性且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種考慮密勒效應(yīng)的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器，包括分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)、偏置電壓、考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)由k個(gè)二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成，其中k值大于等于3；所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，

所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的源極接地，柵極通過并聯(lián)的RC穩(wěn)定電路接到所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線；

所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極通過分壓電阻連接到所述偏置電壓，同時(shí)，所述柵極連接由柵極補(bǔ)償電容連接接地組成的補(bǔ)償電路，漏極和源極之間并聯(lián)高頻補(bǔ)償電容，漏極連接到所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明核心架構(gòu)采用分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò),分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)至少由三個(gè)二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的柵極補(bǔ)償電容是容值較小的電容，用于實(shí)現(xiàn)柵極電壓的同步擺動(dòng),二堆疊HiFET的漏源端并聯(lián)高頻補(bǔ)償電容，用于補(bǔ)償柵源之間的信號泄露，采用分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)，可以提高輸出功率，改善隔離特性，實(shí)現(xiàn)二堆疊晶體管間的阻抗匹配，同時(shí)獲得良好的高頻特性；同時(shí)，本發(fā)明考慮了三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對于人工傳輸線的等效電容的影響，大大提高了電路設(shè)計(jì)的精確性，降低了電路后期調(diào)試的難度，使得整個(gè)功率放大器獲得了良好的寬帶功率輸出能力和功率增益能力，避免了集成電路工藝的低擊穿電壓特性，提高電路的穩(wěn)定性與可靠性。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，所述補(bǔ)償電路的柵極補(bǔ)償電容還串接一柵極補(bǔ)償電阻。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是柵極補(bǔ)償電阻起到穩(wěn)定電路的作用。

進(jìn)一步，所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線由柵極吸收負(fù)載、柵極隔直電容、柵極饋電電感、k+1個(gè)柵極傳輸線等效電感和k個(gè)柵極傳輸線等效電容構(gòu)成；

所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線由漏極吸收負(fù)載、漏極隔直電容、漏極饋電電感、k+1個(gè)漏極傳輸線等效電感和k個(gè)漏極傳輸線等效電容構(gòu)成。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是考慮了二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對于人工傳輸線的等效電容的影響，提高了設(shè)計(jì)精度，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計(jì)周期。

進(jìn)一步，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極連接的柵極補(bǔ)償電容為C_ggk：

漏極和源極之間并聯(lián)的高頻補(bǔ)償電容為C_ddk：

其中，C_gs為晶體管柵源電容，C_gd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容，單位均為pF；g_m為晶體管跨導(dǎo)，單位為mS,Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負(fù)載阻抗，單位均為Ω。

進(jìn)一步，所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效電容為C_intk：

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效電容為C_outk：

其中，A＝ω²C_gd²-ω(B₀+ω(C_gd+C_ds))(C_gs+C_gd)，B＝(C_gs+C_gd)Y₀+C_gdg_m

Y_opt＝Y(jié)₀+jB₀＝1/Z_opt，C_gs為晶體管柵源電容，C_gd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容，單位均為pF；g_m為晶體管跨導(dǎo)，單位為mS；Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負(fù)載阻抗，單位均為Ω；ω為基波角頻率，單位為rad/s；C_ds為晶體管漏源電容；C_ddk為漏極和源極之間并聯(lián)高頻補(bǔ)償電容。

進(jìn)一步，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的柵極連接的并聯(lián)RC穩(wěn)定電路中的輸入耦合電容為C_gk：

其中，C_intk為考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的柵極傳輸線等效電容，C_outk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

進(jìn)一步，所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效電感及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效電感分別為L_gk和L_dk

其中，k為整數(shù)，k≥3；Z₀為微帶線的特征阻抗，一般為50Ω；C_outk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

進(jìn)一步，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)為有源放大網(wǎng)絡(luò)，考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線均為無源網(wǎng)絡(luò)。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果，考慮了二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對于人工傳輸線的等效電容的影響，提高了設(shè)計(jì)精度，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計(jì)周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明功率放大器原理框圖；

圖2為本發(fā)明中二晶體管堆疊結(jié)構(gòu)原理框圖；

圖3為本發(fā)明功率放大器電路圖；

圖4本發(fā)明中對應(yīng)于二晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的電路原理圖；

圖5為本發(fā)明晶體管簡化小信號等效模型的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供了一種考慮密勒效應(yīng)的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器,是一種采用分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)為核心的超寬帶射頻功率放大器，采用集成電路工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，該分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)為有源網(wǎng)絡(luò)，考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線為無源網(wǎng)絡(luò)。

該分布式功率放大器包括一種考慮密勒效應(yīng)的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器，包括分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)、偏置電壓、考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)至少由三個(gè)二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，

所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的源極接地，柵極通過并聯(lián)的RC穩(wěn)定電路C_gk和R_gk連接到所述考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線；

所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極通過饋電電阻R_gbk連接到所述偏置電壓，同時(shí)，所述柵極連接由柵極補(bǔ)償電阻與柵極補(bǔ)償電容C_ggk連接接地組成的補(bǔ)償電路，漏極和源極之間并聯(lián)高頻補(bǔ)償電容C_ddk，漏極連接到所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線。

如圖3、圖4所示，本發(fā)明的分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)是基于2×k個(gè)場效應(yīng)晶體管，k為整數(shù)，大于等于3，二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個(gè)晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，將k個(gè)二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)，保證整個(gè)電路能有較大的超寬帶功率輸出，實(shí)現(xiàn)射頻信號的放大。

考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線由一個(gè)柵極吸收負(fù)載R_gload、柵極隔直電容C_g和C_gload、柵極饋電電感L_g、k+1個(gè)柵極傳輸線等效電感L_gk和k個(gè)柵極傳輸線等效電容C_ink構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)放大器的柵極人工傳輸線的匹配、偏置等功能；考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線由一個(gè)漏極吸收負(fù)載R_dload、漏極隔直電容C_d和C_dload、漏極饋電電感L_d、k+1個(gè)漏極傳輸線等效電感L_dk和k個(gè)漏極傳輸線等效電容C_outk構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)放大器的漏極人工傳輸線的匹配、偏置等功能。

如圖5所示為本發(fā)明電路中考慮了密勒效應(yīng)的晶體管簡化小信號模型，該小信號模型用于分析求解該功率放大器中的關(guān)鍵電路參數(shù)，具體的求解方法為：

二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最上層的晶體管的柵極連接的柵極補(bǔ)償電容為C_ggk：

漏極和源極之間并聯(lián)的高頻補(bǔ)償電容為C_ddk：

其中，C_gs為晶體管柵源電容，C_gd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容，單位均為pF；g_m為晶體管跨導(dǎo)，單位為mS,Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負(fù)載阻抗，單位均為Ω。

考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效電容為C_intk：

C_intk＝(A²+ω²B²)/(ω²BY₀-(B₀+ω(C_gd+C_ds))Aω)

所述考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效電容為C_outk：

其中，A＝ω²C_gd²-ω(B₀+ω(C_gd+C_ds))(C_gs+C_gd)，B＝(C_gs+C_gd)Y₀+C_gdg_m

Y_opt＝Y(jié)₀+jB₀＝1/Z_opt，C_gs為晶體管柵源電容，C_gd為晶體管柵漏寄生電容即密勒電容，單位均為pF；g_m為晶體管跨導(dǎo)，單位為mS；Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負(fù)載阻抗，單位均為Ω；ω為基波角頻率，單位為rad/s；C_ds為晶體管漏源電容；C_ddk為漏極和源極之間并聯(lián)的高頻補(bǔ)償電容。

二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的最底層的晶體管的柵極連接的并聯(lián)RC穩(wěn)定電路中的輸入耦合電容為C_gk：

其中，C_intk為考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的柵極傳輸線等效電容，C_outk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線的等效電感及考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的等效電感分別為L_gk和L_dk

其中，k為整數(shù)，k≥3；Z₀為微帶線的特征阻抗，一般為50Ω；C_outk為考慮密勒效應(yīng)的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

基于上述電路參數(shù)求解方法，通過綜合調(diào)整晶體管Md₁～Md_k和Mu₁～Mu_k的尺寸大小，人工傳輸線電感L_g1～L_g(k+1)和L_d1～L_d(k+1)的大小，補(bǔ)償電容C_gg1～C_ggk的大小等，可以使本發(fā)明的整個(gè)放大器電路在超寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入及輸出良好的阻抗匹配、高功率增益、良好的功率增益平坦度。

本發(fā)明的工作過程為：射頻輸入信號通過輸入端IN進(jìn)入電路，通過輸入隔直耦合電容C_g，以電壓分布式的方式進(jìn)入柵極人工傳輸線L_gk、L_g(k+1)和C_ink，然后進(jìn)入C_gk和R_gk構(gòu)成的柵極RC穩(wěn)定電路，然后以電壓分布式進(jìn)入二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)的晶體管Md_k的柵極，然后分布式形式從晶體管Md_k的漏極輸出，進(jìn)入晶體管Mu_k的源極，然后從晶體管Mu_k的漏極輸出，以電壓分布式的方式進(jìn)入漏極人工傳輸線L_dk、L_d(k+1)和C_outk，然后通過輸出隔直耦合電容C_d，進(jìn)入輸出端OUT完成信號功率放大。

基于以上電路分析，本發(fā)明提出的考慮密勒效應(yīng)的分布式二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的功率放大器與以往的基于集成電路工藝的放大器結(jié)構(gòu)的不同之處在于：

1.核心架構(gòu)采用分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡(luò)。

二堆疊HiFET與傳統(tǒng)單一晶體管在結(jié)構(gòu)上有很大不同，此處不做贅述；同時(shí)二堆疊HiFET與新型雙柵極晶體管構(gòu)成的分布式放大器也有不同，二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)是兩個(gè)晶體管及其他元件構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，而雙柵晶體管是單一元器件。

二堆疊HiFET與傳統(tǒng)Cascode晶體管的不同之處有兩點(diǎn)，（1）堆疊的柵極補(bǔ)償電容上，二堆疊HiFET的柵極補(bǔ)償電容是容值較小的電容，用于實(shí)現(xiàn)柵極電壓的同步擺動(dòng)，而傳統(tǒng)Cascode晶體管的堆疊柵極補(bǔ)償電容是容值較大的電容，用于實(shí)現(xiàn)柵極的交流接地；（2）二堆疊HiFET的堆疊晶體管的漏源端并聯(lián)有高頻補(bǔ)償電容，用于補(bǔ)償柵源之間的信號泄露，而傳統(tǒng)Cascode晶體管無此結(jié)構(gòu)。

2.考慮密勒效應(yīng)的柵極人工傳輸線與漏極人工傳輸線：

以往設(shè)計(jì)方法往往忽略密勒效應(yīng)，直接將晶體管的柵源電容C_gs和漏源電容C_ds視為人工傳輸線的等效電容，這樣處理往往過低估計(jì)了等效電容，從而導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)后期需要大量人力進(jìn)行電路調(diào)試；本發(fā)明考慮了二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的密勒效應(yīng)對于人工傳輸線的等效電容的影響，大大提高了電路設(shè)計(jì)的精確性，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計(jì)周期。

在整個(gè)基于晶體管堆疊技術(shù)的分布式功率放大器電路中，晶體管的尺寸和其他直流饋電電阻、補(bǔ)償電容的大小是綜合考慮整個(gè)電路的增益、帶寬和輸出功率等各項(xiàng)指標(biāo)后決定的，通過后期的版圖設(shè)計(jì)與合理布局，可以更好地實(shí)現(xiàn)所要求的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在超寬帶條件下的高功率輸出能力、高功率增益、良好的輸入輸出匹配特性、芯片面積小且成本低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。