一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，本发明专利技术核心架构采用分布式三堆叠放大网络，分布式三堆叠放大网络至少由三个三晶体管堆叠结构组成，同时，本发明专利技术考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及场效应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高效率、高输出功率、高增益的分布式功率放大器。
技术介绍
随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，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)高功率高效率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的栅长越来越短，由此带来了低击穿电压和高膝点电压，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，因此高功率、高效率能力较差。(2)超宽带高功率放大能力受限：为满足高功率指标就需要多个晶体管功率合成，但是多路合成的负载阻抗大大降低，从而导致了很高的阻抗变换比；在高阻抗变换比下，实现宽带特性是极大的挑战。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一场效应晶体管FET(field-effecttransistor)采用分布式放大排列的方式实现，由于单一场效应晶体管其功率增益较低、最佳阻抗偏低、隔离度较差、因此也导致反射特性恶化，从而降低了合成效率；②传统分布式放大器的设计中为了分析简单，往往忽略了密勒电容对于电路的影响，从而导致电路结构设计完后需要大量的工作进行电路调试，耗费了大量的人力物力，降低了电路设计效率；③此外，为了降低了密勒效应对于电路的影响，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，却无法改善功率增益等指标，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、高功率增益难度较大；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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，结合了单个晶体管结构放大器和分布式放大器的优点，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。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络由k个三晶体管堆叠结构组成，其中k大于等于3，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极通过馈电电阻连接到所述第一偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述第二偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。本专利技术的有益效果是：本专利技术核心架构采用分布式三堆叠放大网络，分布式三堆叠放大网络至少由三个三晶体管堆叠结构组成，三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，同时，本专利技术考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度，使得整个功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述中间层的晶体管及最上层的晶体管的栅极补偿电路均由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成。采用上述进一步方案的有益效果，三晶体管堆叠结构的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，可以提高输出功率，改善隔离特性，实现三堆叠晶体管间的阻抗匹配，同时获得良好的高频特性；稳定电路。进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成；所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。采用上述进一步方案的有益效果是考虑了三晶体管堆叠结构的密勒效应对于人工传输线的等效电容的影响，大大提高了电路设计的精确性，降低了电路后期调试的难度。进一步，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极补偿电容为Cggk：其中，Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；gm为晶体管跨导，单位为mS,Zopt＝Ropt+jXopt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω。进一步，所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极补偿电容为Cgggk：其中，Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；gm为晶体管跨导，单位为mS,Zopt＝Ropt+jXopt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω。进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效输入电容为Cintk：Cintk＝(A2+ω2B2)/(ω2BY0-(B0+ω(Cgd+Cds))Aω)所述考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效输出电容为Coutk：Coutk≈Cds/3其中,A＝ω2Cgd2-ω(B0+ω(Cgd+Cds))(Cgs+Cgd),，B＝(Cgs+Cgd)Y0+CgdgmYopt＝Y0+jB0＝1/Zopt，Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；gm为晶体管跨导，单位为mS；Zopt＝Ropt+jXopt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω；ω为基波角频率，单位为rad/s；Cds为晶体管漏源电容。进一步，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的栅极连接的并联RC稳定电路中的输入耦合电容为Cgk：其中，Cintk为考虑密勒效应的栅极人工传输线的栅极传输线等效电容，Coutk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。进一步，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线的等效电感及考虑密勒效应的漏极人工传输线的等效电感分别为Lgk和Ldk其中，k为整数，k≥3；Z0为微带线的特征阻抗，一般为50Ω；Coutk为考虑密勒效应的漏极人工传输线的漏极传输线等效电容。进一步，所述分布式三堆叠放大网络为有源放大网络,考虑密勒效应的栅极人工传输线及考虑密勒效应的漏极人工传输线为无源网络。采用上述进一步方案的有益效果，提高设计精度，缩短设计周期。附图说明图1为本专利技术功率放大器原理框图；图2为本专利技术中三晶体管堆叠结构原理框图；图3为本专利技术功率放大器电路图；图4本专利技术中对应于三晶体管堆叠结构的电路原理图；图5为本专利技术晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络由k个三晶体管堆叠结构组成，其中k大于等于3，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极通过馈电电阻连接到所述第一偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述第二偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。

【技术特征摘要】
1.一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，包括分布式三堆叠放大网络、考虑密勒效应的栅极人工传输线、考虑密勒效应的漏极人工传输线、第一偏置电压及第二偏置电压，所述分布式三堆叠放大网络由k个三晶体管堆叠结构组成，其中k大于等于3，所述三晶体管堆叠结构由三个晶体管按照源极漏极相连堆叠构成，所述三晶体管堆叠结构的最底层的晶体管的源极接地，栅极通过并联的RC稳定电路连接到所述考虑密勒效应的栅极人工传输线，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极通过馈电电阻连接到所述第一偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极通过分压电阻连接到所述第二偏置电压，同时，所述栅极连接补偿电路；漏极连接到所述考虑密勒效应的漏极人工传输线。2.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述中间层的晶体管及最上层的晶体管的栅极补偿电路均由栅极补偿电阻与栅极补偿电容连接接地组成。3.根据权利要求1所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述考虑密勒效应的栅极人工传输线由栅极吸收负载、栅极隔直电容、栅极馈电电感、k+1个栅极传输线等效电感和k个栅极传输线等效电容构成；所述考虑密勒效应的漏极人工传输线由漏极吸收负载、漏极隔直电容、漏极馈电电感、k+1个漏极传输线等效电感和k个漏极传输线等效电容构成。4.根据权利要求2所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述三晶体管堆叠结构的中间层的晶体管的栅极补偿电容为Cggk：Cggk=(Cgs+Cgd(1+gmRopt))gmRopt-1]]>其中，Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电容，单位均为pF；gm为晶体管跨导，单位为mS,Zopt＝Ropt+jXopt为晶体管最佳负载阻抗，单位均为Ω。5.根据权利要求2所述的考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器，其特征在于，所述三晶体管堆叠结构的最上层的晶体管的栅极补偿电容为Cgggk：Cgggk=(Cgs+Cgd(1+gmRopt))2gmRopt-1]]>其中，Cgs为晶体管栅源电容，Cgd为晶体管栅漏寄生电容即密勒电...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬海峰，滑育楠，陈依军，廖学介，吕继平，胡柳林，童伟，叶珍，
申请(专利权)人：成都嘉纳海威科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51