本發(fā)明涉及場效應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)機末端的發(fā)射模塊應用的一種高效率、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，當采用集成電路工藝設(shè)計實現(xiàn)射頻與微波功率放大器芯片電路時，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)絡的能量損耗導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：為滿足高功率指標就需要多個晶體管功率合成，但是多路合成的負載阻抗大大降低，從而導致了很高的阻抗變換比；在高阻抗變換比下，實現(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滿足各項參數(shù)的要求十分困難，主要是因為：

①在傳統(tǒng)的分布式功率放大器中，核心放大電路是多個單一場效應晶體管FET(field-effect transistor)采用分布式放大排列的方式實現(xiàn)，由于單一場效應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，從而導致電路結(jié)構(gòu)設(shè)計完后需要大量的工作進行電路調(diào)試，耗費了大量的人力物力，降低了電路設(shè)計效率；

③此外，為了降低了密勒效應對于電路的影響，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，也無法實現(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多晶體管堆疊形成的高阻抗高電壓場效應晶體管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)，來實現(xiàn)高電壓擺幅和高輸出負載阻抗，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)計為50Ω的標準負載阻抗，從而避免采用電感或者變壓器等設(shè)計的輸出匹配電路，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HiFET結(jié)構(gòu)實現(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)計難點為：超寬帶下高功率輸出、高功率增益難度較大；單個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的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器，結(jié)合了單個HiFET結(jié)構(gòu)放大器和分布式放大器的優(yōu)點，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。

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、偏置電壓、考慮密勒效應的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應的漏極人工傳輸線，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡由k個二堆疊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，所述柵極連接由柵極補償電容連接接地組成的補償電路，漏極和源極之間并聯(lián)高頻補償電容，漏極連接到所述考慮密勒效應的漏極人工傳輸線。

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,分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡至少由三個二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的柵極補償電容是容值較小的電容，用于實現(xiàn)柵極電壓的同步擺動,二堆疊HiFET的漏源端并聯(lián)高頻補償電容，用于補償柵源之間的信號泄露，采用分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡，可以提高輸出功率，改善隔離特性，實現(xiàn)二堆疊晶體管間的阻抗匹配，同時獲得良好的高頻特性；同時，本發(fā)明考慮了三晶體管堆疊結(jié)構(gòu)的密勒效應對于人工傳輸線的等效電容的影響，大大提高了電路設(shè)計的精確性，降低了電路后期調(diào)試的難度，使得整個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。

進一步，所述補償電路的柵極補償電容還串接一柵極補償電阻。

采用上述進一步方案的有益效果是柵極補償電阻起到穩(wěn)定電路的作用。

進一步，所述考慮密勒效應的柵極人工傳輸線由柵極吸收負載、柵極隔直電容、柵極饋電電感、k+1個柵極傳輸線等效電感和k個柵極傳輸線等效電容構(gòu)成；

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

采用上述進一步方案的有益效果是考慮了二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的密勒效應對于人工傳輸線的等效電容的影響，提高了設(shè)計精度，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計周期。

進一步，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償電容為C_ggk：

漏極和源極之間并聯(lián)的高頻補償電容為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，單位為mS,Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負載阻抗，單位均為Ω。

進一步，所述考慮密勒效應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，單位為mS；Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負載阻抗，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)高頻補償電容。

進一步，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為考慮密勒效應的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

進一步，所述考慮密勒效應的柵極人工傳輸線的等效電感及考慮密勒效應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為考慮密勒效應的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

進一步，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡為有源放大網(wǎng)絡，考慮密勒效應的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應的漏極人工傳輸線均為無源網(wǎng)絡。

采用上述進一步方案的有益效果，考慮了二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)的密勒效應對于人工傳輸線的等效電容的影響，提高了設(shè)計精度，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計周期。

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。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(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)絡為核心的超寬帶射頻功率放大器，采用集成電路工藝進行設(shè)計，該分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡為有源網(wǎng)絡，考慮密勒效應的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應的漏極人工傳輸線為無源網(wǎng)絡。

該分布式功率放大器包括一種考慮密勒效應的分布式二堆疊結(jié)構(gòu)的功率放大器，包括分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡、偏置電壓、考慮密勒效應的柵極人工傳輸線及考慮密勒效應的漏極人工傳輸線，所述分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡至少由三個二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成，所述二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個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，所述柵極連接由柵極補償電阻與柵極補償電容C_ggk連接接地組成的補償電路，漏極和源極之間并聯(lián)高頻補償電容C_ddk，漏極連接到所述考慮密勒效應的漏極人工傳輸線。

如圖3、圖4所示，本發(fā)明的分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡是基于2×k個場效應晶體管，k為整數(shù)，大于等于3，二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)由兩個晶體管按照源極漏極相連堆疊構(gòu)成，將k個二堆疊HiFET結(jié)構(gòu)組成分布式二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡，保證整個電路能有較大的超寬帶功率輸出，實現(xiàn)射頻信號的放大。

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

漏極和源極之間并聯(lián)的高頻補償電容為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，單位為mS,Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負載阻抗，單位均為Ω。

考慮密勒效應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，單位為mS；Z_opt=R_opt+jX_opt為晶體管最佳負載阻抗，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為考慮密勒效應的漏極人工傳輸線的漏極傳輸線等效電容。

考慮密勒效應的柵極人工傳輸線的等效電感及考慮密勒效應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，補償電容C_gg1～C_ggk的大小等，可以使本發(fā)明的整個放大器電路在超寬帶內(nèi)實現(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入柵極人工傳輸線L_gk、L_g(k+1)和C_ink，然后進入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入二堆疊HiFET放大網(wǎng)絡的晶體管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。

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)是兩個晶體管及其他元件構(gòu)成的復雜網(wǎng)絡，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，（1）堆疊的柵極補償電容上，二堆疊HiFET的柵極補償電容是容值較小的電容，用于實現(xiàn)柵極電壓的同步擺動，而傳統(tǒng)Cascode晶體管的堆疊柵極補償電容是容值較大的電容，用于實現(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)有高頻補償電容，用于補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.考慮密勒效應的柵極人工傳輸線與漏極人工傳輸線：

以往設(shè)計方法往往忽略密勒效應，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了等效電容，從而導致電路設(shè)計后期需要大量人力進行電路調(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)計的精確性，降低了電路后期調(diào)試的難度，縮短了設(shè)計周期。

在整個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、補償電容的大小是綜合考慮整個電路的增益、帶寬和輸出功率等各項指標后決定的，通過后期的版圖設(shè)計與合理布局，可以更好地實現(xiàn)所要求的各項指標，實現(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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。