專利名稱：晶體管功率放大器的輸入電路和設(shè)計(jì)這種電路的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及晶體管放大器，并且更具體地說，涉及這種晶體管功率放大器
的輸入電路。
技術(shù)背景和

發(fā)明內(nèi)容
如本領(lǐng)域已知的，經(jīng)常期望在廣泛的輸入功率電平上線性且高效地操作放大器。 為了設(shè)計(jì)這種功率放大器，設(shè)計(jì)了固定輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)，其在高輸入功率電平的性能與低輸 入功率電平的性能之間進(jìn)行權(quán)衡。 如本領(lǐng)域還已知的，氮化鎵(GaN)晶體管是工作在高電壓(通常，20到50V)以及 高電流密度(高達(dá)1.5A/mm)的高帶隙半導(dǎo)體器件。這些器件已經(jīng)表明，對(duì)于大外圍器件 (在2mm以上)而言，在從2到20GHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生6W/mm的功率。在高達(dá)40GHz的更高 頻率處，這些晶體管已經(jīng)表明產(chǎn)生高達(dá)4W/mm的輸出功率。 如圖4所示， 一種類型的GaN包括伽瑪柵極(Gamma gate)(即，具有延伸到柵漏區(qū) 的外伸(有時(shí)可以被稱為場(chǎng)板)的柵極)。外伸的目的是減小在該區(qū)域中的場(chǎng)，以使得可以 在高電壓處操作晶體管來使用GaN的寬帶隙的性質(zhì)。這是通常用于S、 C、 X和Ku帶處的所 有我們的匪IC設(shè)計(jì)應(yīng)用中的晶體管類型。晶體管(例如，GaN)被用來設(shè)計(jì)在軍用雷達(dá)、通 信和商用基站應(yīng)用中使用的高功率放大器。功率放大器通常被設(shè)計(jì)為以指定功率電平在指 定頻帶上工作。在帶內(nèi)的給定頻率處，通過其傳輸特性(即，輸出功率與輸入功率(驅(qū)動(dòng)) 的比)來度量放大器響應(yīng)。隨著輸入驅(qū)動(dòng)的增加，輸出功率初始是輸入功率的線性函數(shù)，但 是最終到達(dá)飽和或壓縮。 眾所周知，小信號(hào)意味著晶體管(FET)的線性操作，而大信號(hào)意味著晶體管的非 線性操作。根據(jù)定義，線性操作意味著系統(tǒng)或放大器的最小擾動(dòng)。對(duì)于具有小于20dB的 增益、產(chǎn)生1W飽和輸出功率的放大器，幾毫瓦的輸入驅(qū)動(dòng)功率的應(yīng)用將被認(rèn)為是線性操 作。由以下線性等式來給出放大器的響應(yīng)Pout = (SS增益)XPin，其中，SS增益是放大 器的小信號(hào)增益并且在等式中是常量。隨著Pin增加，該關(guān)系保持到超過其則用LS增益 (大信號(hào)增益)替代SS增益的輸入驅(qū)動(dòng)電平，所述LS增益不再是常量。在特定驅(qū)動(dòng)電平 處，LS增益比SS增益低ldB，并且是在Pout vs Pin傳輸曲線中被稱為ldB壓縮點(diǎn)的區(qū)域。 如圖5所示，超過ldB壓縮點(diǎn)，正常放大器將遵從以下增益響應(yīng)Pin增加ldB，增益下降 ldB(ldB/ldB)。通過表現(xiàn)出ldB/2dB或ldB/3dB等斜率來從大信號(hào)區(qū)域中的該增益響應(yīng)偏 移的放大器可以被描述為具有軟壓縮。 在存在電壓和電流的空間和時(shí)間相關(guān)性的微波頻率處，習(xí)慣上使用功率而不是電 壓。電壓與功率的平方根成比例。放大器的每個(gè)功率電平對(duì)應(yīng)于電壓和電流。在小信號(hào)狀 態(tài)，電壓和電流是正弦曲線。在大信號(hào)狀態(tài)，正弦曲線的輸入可能導(dǎo)致具有失真電壓和電流 形狀的輸出。所以按照功率來討論會(huì)變得更容易。在小信號(hào)區(qū)域，可以由電壓和電流的簡(jiǎn) 單乘法來獲得功率。在大信號(hào)區(qū)域，功率是復(fù)電壓與電流在一個(gè)周期上的積分。
在圖5中示出了晶體管或功率放大器的典型傳輸特性，其說明了在較低輸入功率 電平處的線性區(qū)和在較高輸入功率電平處的硬飽和區(qū)。在圖5上還繪出說明了理想晶體管
4的傳輸特性的實(shí)線。兩個(gè)曲線具有標(biāo)記為Pin(dBm(分貝毫瓦))(輸入驅(qū)動(dòng)電平)的公共X 軸。頂部曲線是對(duì)于Pin的Pout或功率輸出。底部曲線是對(duì)于Pin的用dB表示的增益。
觀察具有場(chǎng)板的基于GaN的晶體管和工作在高電壓的功率放大器，以展示同樣在 圖5中用虛線描繪的"軟壓縮"特性。晶體管的ldB壓縮發(fā)生在Pin = 9dBm處，而"理想 的"晶體管飽和發(fā)生在Pin二 13dBm或更高處。因?yàn)檐泬嚎s，非理想FET將需要較高的輸入 驅(qū)動(dòng)電平來獲得器件的功率飽和，并且用這種FET設(shè)計(jì)的放大器還將需要比正常更高的驅(qū) 動(dòng)。此外，2級(jí)GaN放大器將需要在級(jí)之間保守地選擇FET比率，由此使得效率降低。
用于設(shè)計(jì)晶體管的輸入阻抗的方法通常如下第一，輸出調(diào)諧器負(fù)載與50歐姆匹 配。接下來，小信號(hào)源拉動(dòng)被用于為最佳輸出功率確定最佳源匹配。(源或負(fù)載拉動(dòng)是指改 變晶體管在史密斯圖周圍的輸入或輸出匹配直到達(dá)到最優(yōu)的性能為止的技術(shù)。)可選地，還 可以從在器件的正常工作范圍內(nèi)預(yù)定頻率(這里，例如頻率為3GHz)處的器件的S參數(shù)中 獲得源匹配在史密斯圖上的位置。該源匹配還被稱為器件的輸入的小信號(hào)共軛匹配。接下 來，以該固定的源匹配，在器件上從低驅(qū)動(dòng)電平到高驅(qū)動(dòng)電平執(zhí)行負(fù)載拉動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電平應(yīng)當(dāng) 足夠高以將輸出驅(qū)動(dòng)進(jìn)入壓縮至少3dB。接下來，從低驅(qū)動(dòng)電平到高驅(qū)動(dòng)電平來生成功率和 效率輪廓線，并且注意功率和效率負(fù)載目標(biāo)的位置。接下來，在功率和效率負(fù)載目標(biāo)處獲得 Pout vs Pin的傳輸曲線。系統(tǒng)還記錄Gt和Gp(轉(zhuǎn)換器增益和功率增益)、來自器件輸入 (Sll)的反射功率，或在有關(guān)參數(shù)的數(shù)個(gè)其它測(cè)量之間的回波損耗。如在圖5所示，傳輸曲 線Pout對(duì)Pin清楚地展示了軟壓縮特性。注意，輸入驅(qū)動(dòng)電平需要使器件飽和。
因此，當(dāng)GaN器件的輸入使用傳統(tǒng)的小信號(hào)共軛匹配來進(jìn)行匹配或者在低驅(qū)動(dòng)處 被匹配時(shí)，器件展示出"軟"壓縮特性，而不是期望的ldB/ldB硬壓縮拐點(diǎn)，如Pout vs Pin 傳輸特性所顯示。 申請(qǐng)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用固定輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)(即，具有在低輸入功率電平和高輸入
功率電平處相同的分量的輸入阻抗)，高輸入功率電平處的放大器效率存在顯著退化。當(dāng)這
種輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)被耦合到具有場(chǎng)板并且具有GaN晶體管功率放大器的晶體管的柵電極時(shí)，
申請(qǐng)者已經(jīng)確定該顯著的退化。更具體地說，關(guān)于GaN晶體管，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種晶體管展示出
軟壓縮(即，在晶體管的線性放大區(qū)與晶體管的非線性放大區(qū)之間逐漸過渡)。 更具體地說，申請(qǐng)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以在器件的具有相對(duì)大的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平而
不是具有相對(duì)低的信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電平的輸入處使用匹配過程，來顯著地減少或消除在GaN
器件中的軟壓縮。更具體地說，一旦大信號(hào)條件或高驅(qū)動(dòng)下重匹配器件，并然后掃描在功率
或效率功率負(fù)載處的傳輸曲線，則顯著地去除或消除傳輸特性中的軟壓縮特征。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種電路，其具有輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；晶體管，其耦合到所述阻抗
網(wǎng)絡(luò)的輸出；并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)饋送具有相對(duì)低的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，
所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有第一輸入阻抗，并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)饋送具有相對(duì)高
的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有不同于所述第一輸入阻抗的輸入阻抗。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述晶體管具有場(chǎng)板。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述晶體管是氮化鎵晶體管。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，提供一種電路，其具有晶體管，其具有輸入電極；輸 入匹配網(wǎng)絡(luò)，其具有由輸入信號(hào)饋送的輸入并且具有連接到所述晶體管的輸入電極的輸 出；功率電平感測(cè)電路，其由所述輸入信號(hào)來饋送；并且其中，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)于所述功率電平感測(cè)電路進(jìn)行以下操作當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相 對(duì)低的功率電平時(shí)，用第一輸入阻抗來配置所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；以及當(dāng)所述功率電平感測(cè) 電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)高的功率電平時(shí)，用不同于所述第一輸入阻抗的輸入阻 抗來配置所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。 在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)高的功 率電平時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有串聯(lián)地耦合在所述輸入信號(hào)與所述晶體管的輸入電極之 間的第一電感，并且其中，當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)低的功 率電平時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有串聯(lián)地耦合在所述輸入信號(hào)與所述晶體管的輸入電極之 間的第二電感。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括一對(duì)電子部件和至少一個(gè)開關(guān)。所述開 關(guān)響應(yīng)于所述功率電平感測(cè)電路進(jìn)行操作，來在所述相對(duì)高或相對(duì)低的功率電平中的一個(gè) 處，將所述一對(duì)電子部件中的一個(gè)從所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)電氣地去耦合，并且進(jìn)行操作來在 所述相對(duì)高或相對(duì)低的功率電平中的另一個(gè)處，將所述一對(duì)電子部件中的所述一個(gè)電氣地 耦合到所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。 因此，本發(fā)明包括輸入信號(hào)功率電平依賴元件(g卩，可配置輸入匹配網(wǎng)絡(luò))。首先， 將最優(yōu)小信號(hào)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)配置附接到GaN晶體管。這在低驅(qū)動(dòng)功率(即，低信號(hào)功率電 平)處提供了良好的穩(wěn)定性、回波損耗和從RF輸入到放大晶體管的功率傳輸，但是在高驅(qū) 動(dòng)功率(即，高信號(hào)功率電平)下具有差的性能。然后，重配置的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)用于僅在高 輸入信號(hào)功率電平的情況下將相位角旋轉(zhuǎn)(即，匹配)到對(duì)于實(shí)現(xiàn)沒有軟壓縮的峰值性能 來說最優(yōu)的相位角。例如，在2. 5mm外圍晶體管的S帶處，該輸入匹配網(wǎng)絡(luò)將僅需在史密斯 圖上將原始的相位角旋轉(zhuǎn)10度。通過RF路徑中由功率感測(cè)二極管開啟的開關(guān)將所重配置 的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)從第一匹配網(wǎng)絡(luò)斷開。在更高驅(qū)動(dòng)功率的情況下，功率感測(cè)二極管和關(guān)聯(lián) 的電路將斷開RF開關(guān)(耗盡型開關(guān)工作)，將第二匹配網(wǎng)絡(luò)連接到第一匹配網(wǎng)絡(luò)，使得旋轉(zhuǎn) 到最優(yōu)大信號(hào)匹配點(diǎn)。在一設(shè)置的驅(qū)動(dòng)處將基于放大級(jí)FET外圍來選擇二極管的大小和偏 置以"導(dǎo)通"。以這種安排，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有一種配置，用于在低輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率電平處 提供阻抗匹配，并且具有一種不同的配置，用于在高輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率電平處提供阻抗匹配。
因此，本發(fā)明包括"智能的"、可調(diào)諧的或可配置的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，來解決復(fù)雜的、 現(xiàn)在剛理解的GaN軟壓縮問題。本發(fā)明提供了低和高驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性以及性能問題的最優(yōu)解決 方案。 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于針對(duì)GaN晶體管器件設(shè)計(jì)輸入網(wǎng)絡(luò)的方法。所述方 法包括通過具有相對(duì)大的輸入信號(hào)功率電平的輸入網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動(dòng)所述器件；以所述器件在 預(yù)定輸出功率電平處的輸出來改變所述輸入網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；當(dāng)所述輸入網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)被改變 時(shí)，測(cè)量所述器件的傳輸函數(shù)性能參數(shù)；以及根據(jù)所測(cè)量的傳輸函數(shù)性能參數(shù)來選擇所述 輸入網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。 在附圖和以下的描述中闡述了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。根據(jù)描述和附 圖以及根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的砷化鎵功率放大器的示意6
圖2A是共源配置的晶體管的輸入阻抗的等價(jià)電路，其中，當(dāng)這種放大器被饋送具
有相對(duì)低的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述晶體管形成圖1的放大器的輸出級(jí)； 圖2B是共源配置的晶體管的輸入阻抗的等價(jià)電路，其中，當(dāng)這種放大器被饋送具
有相對(duì)高的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述晶體管形成圖1的放大器的輸出級(jí)； 圖3A是耦合到共源配置的晶體管的輸入的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的等價(jià)電路，其中，當(dāng)這
種放大器被饋送具有相對(duì)低的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述晶體管形成圖1的放大器的輸
出級(jí)； 圖3B是耦合到共源配置的晶體管的輸入的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的等價(jià)電路，其中，當(dāng)這 種放大器被饋送具有相對(duì)高的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述晶體管形成圖1的放大器的輸 出級(jí)； 圖4是具有伽瑪柵極(場(chǎng)板)的GaN晶體管器件的橫截面圖，在晶體管的包圍區(qū) 域中放大示出了這種伽瑪柵極； 圖5是圖1的GaN FET與"理想的"晶體管器件相比的輸出功率(Pout)對(duì)輸入功 率(Pin)傳輸特性的曲線； 圖6是用于測(cè)試器件并且生成本文要描述的結(jié)果的負(fù)載拉動(dòng)平臺(tái)測(cè)試裝置10 ; [OO32] 圖7是具有共軛小信號(hào)源匹配(虛線)和大信號(hào)源匹配(實(shí)線)的2. 5mmGaN FET 器件的Pout對(duì)Pin特性的曲線，該FET在最大功率的負(fù)載中終止； 圖8是具有共軛小信號(hào)源匹配(虛線)和大信號(hào)源匹配(實(shí)線)的2. 5mmGaN FET 器件的Pout對(duì)Pin特性的曲線，該FET在最大功率的負(fù)載中終止，該器件在最大效率的負(fù) 載中終止； 圖9示出了用于測(cè)試下的設(shè)備的小信號(hào)和大信號(hào)源匹配在史密斯圖上的位置；
圖10是圖1的GaN晶體管器件的小信號(hào)模型；以及 圖11是疊加有測(cè)試下的設(shè)備的大信號(hào)動(dòng)態(tài)負(fù)載線的Cgs對(duì)Vds和Vgs的圖。
各個(gè)圖中相似的參考符號(hào)指示相似的元件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)Dl，示出了功率放大器電路IO，其包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12，其具有用于 耦合到RF輸入信號(hào)的輸入端13 ;輸出級(jí)15，其具有晶體管14，這里是具有場(chǎng)板的砷化鎵 (GaN)場(chǎng)效應(yīng)管(FET)，耦合到輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的輸出16。如下文將更詳細(xì)描述的，輸入匹 配網(wǎng)絡(luò)12可被配置為輸入信號(hào)的功率電平的函數(shù)。更具體地說，當(dāng)將具有相對(duì)低功率電平 的輸入信號(hào)饋送給這種輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12被配置為具有第一輸入阻抗， 并且當(dāng)這種輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12具有相對(duì)高功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12被配置 為具有不同于第一輸入阻抗的輸入阻抗。 更具體地說，放大器電路IO包括連接到輸入13的功率電平感測(cè)電路18，并因此被 饋送有輸入信號(hào)。如下文將更詳細(xì)描述的，當(dāng)這種功率電平感測(cè)電路18感測(cè)到輸入信號(hào)具 有相對(duì)高的功率電平時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12具有串聯(lián)地耦合在輸入信號(hào)與晶體管14的輸入 電極16之間的第一電感Ll，并且當(dāng)這種功率電平感測(cè)電路18感測(cè)到輸入信號(hào)具有相對(duì)低 的功率電平時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12具有串聯(lián)地耦合在輸入信號(hào)與晶體管14的輸入電極之間 的第二電感L2，因此電感Ll和L2并聯(lián)。
在圖2A中示出了晶體管14在相對(duì)低的輸入信號(hào)功率電平處的輸入阻抗，而在 圖2B中示出了晶體管14在相對(duì)高的輸入信號(hào)功率電平處的輸入阻抗。因此，在這里的 該示例中，在相對(duì)低的輸入信號(hào)功率電平處，晶體管14的輸入阻抗是5. 9歐姆電阻串聯(lián) 16.8pF(皮法)電容(這里，晶體管14具有2.5咖外圍并且針對(duì)36^指定串聯(lián)電阻-電 容(RC)值)，而工作在相同頻率但是在相對(duì)高的輸入信號(hào)功率電平處的相同晶體管14具 有6.41歐姆電阻串聯(lián)4.33pF電容的輸入阻抗。因此，輸入阻抗電容在輸入信號(hào)的高和低 功率電平之間改變大約300%。如下文將更詳細(xì)描述的，在相對(duì)低的輸入信號(hào)功率電平處， 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12被配置為如圖3A所示，而對(duì)于相對(duì)高的輸入信號(hào)功率電平，該輸入匹配網(wǎng) 絡(luò)被配置為如圖3B所示。注意，如圖3A所示，當(dāng)針對(duì)低輸入信號(hào)功率電平條件來配置輸入 匹配網(wǎng)絡(luò)12時(shí)，由電感Ll和L2的并聯(lián)組合來提供的0. 422nH(納亨)電感與晶體管的輸 入阻抗串聯(lián)，而如圖3B所示，當(dāng)針對(duì)高輸入信號(hào)功率電平條件來配置輸入匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由 電感Ll提供的0. 897nH電感與晶體管的輸入阻抗串聯(lián)。 圖3A中所示或圖3B所示的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的重配置是通過使用功率電平感測(cè) 電路18，其感測(cè)輸入信號(hào)的功率并且在線19上為開關(guān)20、22(這里例如，耗盡型FET Q2和 Q3)產(chǎn)生控制信號(hào)。 在該示意圖中，GaN FET( SP，晶體管14)的柵極阻抗(其對(duì)于低輸入信號(hào)功率電 平來說被表示為圖2A中所示的串聯(lián)RC，而對(duì)于高輸入信號(hào)功率電平來說被表示為圖2B中 所示的串聯(lián)RC)是通過可重配置的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12來轉(zhuǎn)換為看起來類似于(S卩，被阻抗匹 配為)特性系統(tǒng)阻抗；在該情況下為50歐姆(即，放大器10的輸入阻抗)。
更具體地說，耦合網(wǎng)絡(luò)CN(這里例如作為電容C8示出)將輸入信號(hào)的一部分傳 遞到功率電平感測(cè)電路18。應(yīng)當(dāng)理解，可以用多種可能的配置(電阻、電容、耦合線等)來 實(shí)現(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)CN。取決于耦合系數(shù)，該耦合網(wǎng)絡(luò)CN具有獨(dú)立于檢測(cè)器偏置網(wǎng)絡(luò)BN而調(diào)整 狀態(tài)改變的閾值的能力，所述檢測(cè)器偏置網(wǎng)絡(luò)BN在這里例如為，連接在電壓源(V+)與接 點(diǎn)21之間的電阻R6，所述接點(diǎn)21在耦合網(wǎng)絡(luò)CN(這里是電容C8)與功率電平感測(cè)電路18 的二極管D1之間?？梢杂枚喾N可能的配置(電阻、電感、電阻分壓器等)實(shí)現(xiàn)的偏置網(wǎng)絡(luò) BN也具有獨(dú)立地調(diào)整狀態(tài)改變的閾值的能力，尤其是通過DC偏置電壓的引入，但是，功率 電平感測(cè)電路18在無源情況下(沒有偏置)將非常良好地工作。功率電平感測(cè)電路18還 包括電容Cl。電容Cl通過二極管Dl在負(fù)的RF半周期充電，并且傳遞低的波紋，隨著有關(guān) 呈現(xiàn)給D1的信號(hào)電平的輸出電平，逐漸地向負(fù)載電阻R5增加負(fù)電壓?？鏡5的電勢(shì)通過分 離的偏置電阻R1和R2在線19上同時(shí)向耗盡型FET(d-FET)Q2和Q3的柵極(S卩，開關(guān)20、 22)提供開關(guān)信號(hào)。可以包括偏置電阻R3和R4來確保正確的Q2和Q3晶體管開關(guān)。這導(dǎo) 致以下行為(l)低RF輸入信號(hào)功率電平產(chǎn)生低于晶體管Q2和Q3夾斷電壓的絕對(duì)值的跨 電阻R5的電勢(shì)；d-FET漏極和源極被有效地短路，并且電感Ll和L2并聯(lián)組合以得到減小的 值，來最優(yōu)地匹配晶體管14的輸入阻抗，并由此配置圖3A所示的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；而(2)RF 輸入信號(hào)功率的高電平產(chǎn)生高于晶體管Q2和Q3的夾斷電壓的絕對(duì)值的跨電阻R5的電勢(shì)， d-FET漏極和源極被有效地?cái)嚅_，并且電感L2從輸入匹配網(wǎng)絡(luò)電去耦合，以使得僅電感Ll 被串聯(lián)到晶體管14的輸入，來提供期望的相位角旋轉(zhuǎn)并通過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的固定值分 量的余項(xiàng)(這里例如，在13處，50歐姆RF輸入)最優(yōu)地匹配晶體管14的輸入。狀態(tài)改變 的閾值由輸入信號(hào)RF功率電平、耦合網(wǎng)絡(luò)CN的耦合系數(shù)和位置、偏置網(wǎng)絡(luò)配置BN和可選
8的偏置、二極管Dl輸出電壓靈敏度和電阻R5的值來進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)理解，電感LI和L2可 以很容易地替換為電容，這是因?yàn)榭梢允褂酶鞣N電抗和電阻部件配置來實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入匹配 網(wǎng)絡(luò)。在該示意圖中，可重配置的元件可以與RF信號(hào)流(13到16)串聯(lián)，但是也可以被配 置為與RF信號(hào)流并聯(lián)，這仍取決于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)配置選擇——關(guān)鍵在于對(duì)于耗盡型(即， d-FET)開關(guān)晶體管(例如，Q2和Q3)，電感、電容或電阻是否在低電平處被組合而在高電平 處被分離。對(duì)于所示的并聯(lián)可重配置的元件，針對(duì)低到高電平RF驅(qū)動(dòng)，理論的電感和電阻 在數(shù)值上的增加或理論的電容在數(shù)值上的減少在放大器10的輸入處改變。
輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12還包括非可配置部分24，其具有如所示排列的電感L5和一對(duì)電 容C6和C7。 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的輸出16是通過電容C2耦合到晶體管14的柵極的RF交流電 (AC)。由電壓Vg和Vd提供對(duì)晶體管柵極和漏極的偏置，這種偏置是分別通過電感L3和L4 耦合到柵極和漏極的直流電(DC)，此外，如所示出那樣分別通過電容C3和C4耦合到地的 AC防止電源處的不需要的RF信號(hào)。 因此，放大器10是具有由功率電平感測(cè)電路18控制的可重配置輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12 的1級(jí)放大器。增益級(jí)包括DC阻斷電容C2和C5 (限制Vg和Vd偏置移動(dòng))、DC偏置注入 扼流圈L3和L4以及RF旁路電容C3和C4?？芍嘏渲幂斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)12包括部分匹配網(wǎng)絡(luò)， 其包括固定值輸入匹配元件L5、C6和C7。開關(guān)晶體管Q2和Q3、柵極隔離電阻Rl和R2、偏 置下拉電阻R3和R4形成實(shí)際開關(guān)功能。功率電平感測(cè)電路18包括RF耦合元件(CN) 、DC 偏置網(wǎng)絡(luò)(BN)、包含整流二極管Dl的檢測(cè)器電路、RF旁路電容Cl和負(fù)載電阻R5。這產(chǎn)生 有關(guān)觸發(fā)Q2和Q3開關(guān)的RF輸入幅度的可調(diào)整輸出信號(hào)。開關(guān)觸發(fā)閾值通過改變CN耦合 因子、BN偏置電平以及使用電阻R1/R2和R5的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行調(diào)整。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出了用于生成本文要描述的結(jié)果的負(fù)載拉動(dòng)平臺(tái)裝置10。裝置 10是由Maury制造的商用單元。本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)是對(duì)具有場(chǎng)板的GaN FET在3GHz頻率處進(jìn) 行負(fù)載拉動(dòng)測(cè)量的過程期間發(fā)生的。如圖6所示，該裝置包括測(cè)試下的設(shè)備(DUT)12，在該 情況下，測(cè)試下的設(shè)備(DUT) 12是2. 64mm(12X220um)GaN FET器件。在器件12的每個(gè)側(cè)上 是用14和16表示的源和負(fù)載調(diào)諧器。裝置10還包括RF源18、反射功率感測(cè)器20、定向 耦合器22、柵極偏置T 24、源調(diào)諧器26、輸入電纜和探針28、漏極偏置T 32、輸出路徑34、 功率表36、調(diào)諧器控制器38和用于柵極和漏極34的偏置系統(tǒng)。源調(diào)諧器14允許源的設(shè)置 匹配器件12的輸入，而負(fù)載調(diào)諧器16可以被設(shè)置來掃描各種輸出負(fù)載匹配條件。系統(tǒng)軟 件計(jì)算并繪出功率和效率兩者的輸出負(fù)載輪廓線。相似地，對(duì)于固定的輸出負(fù)載，系統(tǒng)允許 確定最優(yōu)的源匹配。 實(shí)驗(yàn)室過程使用裝置10來執(zhí)行上述導(dǎo)致軟壓縮的器件負(fù)載拉動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方式(或 舊方式)，而對(duì)于要描述的新過程，其減少或去除軟壓縮。這里將器件的Q點(diǎn)設(shè)置為28V和 100ma/mm(毫安/毫米)。 用于設(shè)計(jì)器件12的輸入阻抗的過程如下如之前一樣，負(fù)載被匹配為50歐姆，并 且在器件12上執(zhí)行小信號(hào)源拉動(dòng)以確定最佳功率的最佳源匹配?？蛇x地，還可以從在3GHz 處的器件的S參數(shù)獲得源匹配在史密斯圖上的位置，3GHz是針對(duì)該實(shí)驗(yàn)所選的頻率。該源 匹配也被稱為器件12的輸入的小信號(hào)共軛匹配。接下來，以該固定的源匹配，從低驅(qū)動(dòng)電 平到高驅(qū)動(dòng)電平來執(zhí)行器件12的負(fù)載拉動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電平應(yīng)當(dāng)足夠高以將輸出驅(qū)動(dòng)進(jìn)入壓縮至少3dB。但是，與舊過程不同的是，現(xiàn)在器件12的輸出在其最優(yōu)功率目標(biāo)處，并且源拉動(dòng) 是以大信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電平在器件12上被執(zhí)行，并且在功率和效率負(fù)載目標(biāo)處獲得Pout對(duì) Pin傳輸曲線。系統(tǒng)還記錄Gt和Gp(轉(zhuǎn)換器增益和功率增益)、來自器件輸入(S11)的反 射功率，或在有關(guān)參數(shù)的數(shù)個(gè)其它測(cè)量之間的回波損耗。發(fā)現(xiàn)新的源匹配(大信號(hào)源匹配) 位置在史密斯圖上從小信號(hào)共軛匹配點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了大約10到15度。可以按照相同步驟 在效率負(fù)載條件下獲得大信號(hào)源匹配的位置。已發(fā)現(xiàn)這些大信號(hào)源匹配點(diǎn)的位置在史密斯 圖上彼此緊密靠近，從而可以將它們認(rèn)為是一個(gè)位置并且是相同的位置。接下來，該源匹配 被固定，并且針對(duì)功率和效率負(fù)載目標(biāo)執(zhí)行功率掃描(傳輸曲線)。該掃描指示，對(duì)于兩種 負(fù)載條件，都相當(dāng)大地減少了軟壓縮。針對(duì)原始小信號(hào)源匹配與新的大信號(hào)源匹配之間的 周期性間隔的點(diǎn)來獲得傳輸曲線。該相同的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到X帶處的GaN晶體管，并且 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)源輸入匹配同樣大約順時(shí)針旋轉(zhuǎn)IO度是正確的。 因此，提供了一種用于設(shè)計(jì)GaN晶體管器件的輸入網(wǎng)絡(luò)的方法。該方法包括用相 對(duì)大的輸入信號(hào)功率電平通過輸入網(wǎng)絡(luò)E來驅(qū)動(dòng)器件；以器件處于預(yù)定輸出功率電平處的 輸出來改變輸入網(wǎng)絡(luò)E的參數(shù)。也就是說，E是輸入調(diào)諧器，其允許將整個(gè)史密斯圖上的各 種匹配呈現(xiàn)給器件。同樣地，H是輸出調(diào)諧器并且也可以被改變；測(cè)量器件的傳輸函數(shù)性能 參數(shù)作為被改變的輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；以及，從測(cè)量的傳輸函數(shù)性能參數(shù)來選擇輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
測(cè)量的分析 已經(jīng)觀察到具有場(chǎng)板的GaN FET展示出軟增益壓縮特性，軟壓縮的程度根據(jù)向器 件呈現(xiàn)的輸出負(fù)載阻抗而改變。例如，已經(jīng)觀察到，與功率負(fù)載阻抗匹配的器件具有非常軟 的壓縮特性，而與效率負(fù)載匹配的器件展示出有相當(dāng)大提高的壓縮特性。對(duì)于功率和效率 負(fù)載的情況，這在圖7和8中從Pout對(duì)Pin測(cè)量的負(fù)載拉動(dòng)數(shù)據(jù)來說明。注意，圖7和8 給出了GaN FET的針對(duì)兩種不同的輸出負(fù)載匹配條件(功率和效率)的測(cè)量的負(fù)載拉動(dòng)數(shù) 據(jù)。兩張圖都繪出了對(duì)于Pin的Pout、增益和效率。每個(gè)圖中的虛線對(duì)應(yīng)于導(dǎo)致軟壓縮的 小信號(hào)源匹配條件。實(shí)曲線說明了在大信號(hào)狀態(tài)下設(shè)置了輸入源匹配時(shí)，軟壓縮如何被減 少。兩張圖中的圖7(其中，F(xiàn)ET輸出匹配于功率負(fù)載)更清楚地說明了軟壓縮的問題。在 FET于其輸出處匹配于效率負(fù)載的圖8中，這種情況較不嚴(yán)重。 虛曲線的源匹配是對(duì)器件的輸入的標(biāo)準(zhǔn)小信號(hào)共軛匹配。測(cè)量下的器件是具有 以24V、 100ma/mm偏置的場(chǎng)/伽瑪柵極的2. 5mm GaN FET，并且CW測(cè)量是在3GHz處執(zhí)行。 2. 5mm GaN FET的Pout對(duì)Pin特性具有共軛小信號(hào)源匹配(虛線)和大信號(hào)源匹配(實(shí) 線)。器件在最大功率的負(fù)載中終止。 非常明顯，特別是根據(jù)圖7，在小信號(hào)源匹配的情況下，器件展示出相當(dāng)大程度的 軟壓縮。當(dāng)器件的輸入在大信號(hào)驅(qū)動(dòng)條件下被重新匹配時(shí)，壓縮特性如實(shí)線所示更"正常"。 軟壓縮的測(cè)量是增益隨著輸入驅(qū)動(dòng)而下降的速率。如果我們進(jìn)一步分析圖7中的數(shù)據(jù)，我 們發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)源匹配情況(虛線)，器件在Pin = 15dBm處命中l(wèi)dB壓縮點(diǎn)。從Pin = 15dBm到25dBm，增益以0. 3dB/dB的速率下降并且之后以0. 9dB/dB的速率下降。對(duì)于大 信號(hào)源匹配條件(實(shí)線)，器件在Pin = 21dBm處達(dá)到ldB壓縮，然后增益以0. 9dB/dB的 速率下降，這非常接近通常接受的增益下降測(cè)量值ldB/dB，并且是通常用GaAs pHEMT所觀 察到的值。從該數(shù)據(jù)中還注意到，對(duì)于大信號(hào)匹配情況，PAE峰值發(fā)生在器件是4.4dB壓 縮、15. 6dB的增益的情況下，而在小信號(hào)輸入匹配的情況下，在PAE峰值處的器件的增益是12. 9dB并且器件是7. ldB壓縮。這種不同意味著以這種方式，2級(jí)功率放大器(PA)在每級(jí) 的輸入處被匹配，F(xiàn)ET在放大器中被設(shè)置大小，并因此影響到功率放大器的效率。
在圖9中的史密斯圖中說明了小信號(hào)源匹配和大信號(hào)源匹配阻抗的位置。源阻抗 從小信號(hào)源匹配位置經(jīng)歷至少10度的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而在大信號(hào)條件下，可以旋轉(zhuǎn)15度以獲 得最佳源匹配。對(duì)于給定的大信號(hào)Pin，隨著將源匹配從小信號(hào)旋轉(zhuǎn)到大信號(hào)的情況，軟壓 縮的程度如之前在圖7中說明的從"不好"變?yōu)檎?。也就是說，饋送晶體管的輸入網(wǎng)絡(luò)通 過以下方式來設(shè)計(jì)將柵極的復(fù)共軛在阻抗史密斯圖上繪制成晶體管的源阻抗；然后，在 阻抗史密斯圖上將所繪的圖順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10-15度以獲得輸入網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。
軟壓縮現(xiàn)象通常發(fā)生在高電壓器件(> 15V工作)中，并且特別是發(fā)生在具有場(chǎng) 板的GaN器件中。 一種理解該情況的方式是根據(jù)圖10所示的GaNFET的小信號(hào)模型。通過 三個(gè)固有參數(shù)Cgs-柵極源電容、Cgch柵漏電容和gm-跨導(dǎo)將器件的輸入匹配控制在一階。 Rs(源電阻)和Rg(柵極電阻)對(duì)輸入阻抗也有貢獻(xiàn)，但是這些被認(rèn)為是寄生效應(yīng)，并且不 是偏置相關(guān)的。Cgs、Cgd和gm是強(qiáng)偏置相關(guān)的，即它們與Vds(漏-源電壓)和Vgs(柵源 電壓)有關(guān)。例如，圖11說明了 Cgs如何隨Vgs和Vds變化。當(dāng)將大信號(hào)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)負(fù)載 線(器件的AB類工作)疊加到Cgs平面時(shí)，非常明顯的是，在Q點(diǎn)和小信號(hào)匹配條件處的 Cgs值在高驅(qū)動(dòng)處不再有效。事實(shí)上，我們可以得到等價(jià)的大信號(hào)Cgs值。將對(duì)Cgd和gm 保持類似分析?？梢杂尚碌男⌒盘?hào)輸入驅(qū)動(dòng)依賴模型來表示器件在大信號(hào)狀態(tài)下的性能， 其中可以將參數(shù)Cgs、gm和Cgd表示如下Cgs = Al+Bl補(bǔ)in+Cl補(bǔ)in2， gm = A2+B2補(bǔ)in+C2補(bǔ)in2以及Cgd =
A3+B3承Pin+C3承Pin2 其中A1是常量； Bl是常量； Cl是常量； A2是常量； B2是常量； A3是常量； B3是常量；以及 C3是常量。 已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。然而，將懂得可以在沒有偏離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下進(jìn)行各種修改。例如，應(yīng)當(dāng)懂得，電感和電容的其它排列和不同無源元件可以 用于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以使得這種網(wǎng)絡(luò)提供在低和高輸入信號(hào)功率電平處的阻抗匹配。此外， 雖然已經(jīng)描述了共源配置，但是對(duì)于其它晶體管配置(例如，共柵或共漏)，可以適當(dāng)?shù)匦?改阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。此外，如果增強(qiáng)型晶體管用于開關(guān)20和22，那么可以用其它無源元件配 置來適當(dāng)?shù)匦薷妮斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，以提供在低和高輸入信號(hào)功率電平處的阻抗匹配。因此，其 它實(shí)施例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種電路，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；晶體管，其耦合到所述阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸出；并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)饋送具有相對(duì)低的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有第一輸入阻抗，并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)饋送具有相對(duì)高的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有不同于所述第一輸入阻抗的輸入阻抗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述晶體管是氮化鎵晶體管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
5. —種電路，包括晶體管，其具有輸入電極；輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其具有由輸入信號(hào)饋送的輸入并且具有連接到所述晶體管的輸入電極的輸出；功率電平感測(cè)電路，其由所述輸入信號(hào)來饋送；并且其中，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)于所述功率電平感測(cè)電路進(jìn)行以下操作當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)低的功率電平時(shí)，用第一輸入阻抗來配置所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；以及當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)高的功率電平時(shí)，用不同于所述第一輸入阻抗的輸入阻抗來配置所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述晶體管是氮化鎵晶體管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路感測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)高的功率電平時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有串聯(lián)地耦合在所述輸入信號(hào)與所述晶體管的輸入電極之間的第一電感，并且其中，當(dāng)所述功率電平感測(cè)電路檢測(cè)到所述輸入信號(hào)具有相對(duì)低的功率電平時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)具有串聯(lián)地耦合在所述輸入信號(hào)與所述晶體管的輸入電極之間的第二電感。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中，所述晶體管是氮化鎵晶體管。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中，所述晶體管是場(chǎng)效應(yīng)管，并且其中，所述輸入電極是所述晶體管的柵電極。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中，所述晶體管是氮化鎵晶體管。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述晶體管具有場(chǎng)板。
17. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括一對(duì)電子部件；以及至少一個(gè)開關(guān)，并且其中，至少一個(gè)開關(guān)響應(yīng)于所述功率電平感測(cè)電路進(jìn)行操作，來在所述相對(duì)高或相對(duì)低的功率電平中的一個(gè)處，將所述一對(duì)電子部件中的一個(gè)從所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)電氣地去耦合，并且所述至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行操作來在所述相對(duì)高或相對(duì)低的功率電平中的另一個(gè)處，將所述一對(duì)電子部件中的所述一個(gè)電氣地耦合到所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述電子部件是具有不同電感值的電感。
全文摘要
一種電路具有輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；晶體管(14)，其耦合到所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出；并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(12)饋送具有相對(duì)低的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(12)具有第一輸入阻抗，并且其中，當(dāng)向所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(12)饋送具有相對(duì)高的功率電平的輸入信號(hào)時(shí)，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(12)具有不同于所述第一輸入阻抗的輸入阻抗。
文檔編號(hào)H03H7/38GK101796720SQ200880105804
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者C·S·惠蘭, J·C·特倫布萊 申請(qǐng)人:雷聲公司