專利名稱：單片集成功率放大器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及單片集成微波頻率大功率放大器裝置。
背景技術(shù)：
用于很多新型調(diào)制技術(shù)的功率放大器，尤其是應(yīng)用于像CDMA這樣的3G基站和多載波技術(shù)的功率放大器，需要高的線性度以及合理的功率效率。很常用的方法是使用前饋功率放大器，其實例在圖1中示出。將大電感器用于DC饋送，并將大電容器用于DC阻隔，簡化了偏置網(wǎng)絡(luò)。
為獲得大功率，由各種分級元件(例如晶體管指狀物、電池、封裝或放大器)形成發(fā)射器是切實有效的，可以通過從處于一級的每個元件向下一級的元件增加功率而一起使用這些分級元件。
現(xiàn)今經(jīng)常使用兩種方法并聯(lián)耦合和功率合成。
最簡單的方法是僅使用低電阻導線使元件并聯(lián)連接。只要電流分布均勻，這將很好地工作。不幸的是，因為制造工藝的變化、設(shè)計中的不對稱性或者單個元件的故障，情況并不總是如此。
使用功率合成的更復雜的方法，是十分可靠的，且允許所有這類變化和故障，而不導致發(fā)射器的完全損壞。因為沒有其它備選方法，很多情況都使用功率合成器。
研究實驗室中，測試了像Doherty、Chireix和Kahn這樣的老概念的新實施。圖2中示出了典型的Doherty放大器的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
前饋和切換技術(shù)的主要問題是低的功率效率。
Doherty、Chireix和Kahn放大器滿足所需的規(guī)格，但由于通常發(fā)生的電學參數(shù)數(shù)據(jù)的擴展，而難以實現(xiàn)。
而且，它們都依賴于功率合成器，而功率合成器并不特別節(jié)省面積。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種單片集成微波頻率大功率放大器裝置，它克服了現(xiàn)有技術(shù)裝置相關(guān)的問題和限制。
本發(fā)明的一個特定目的是提供這樣一種裝置，它具有高的線性度和高的功率效率。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種裝置，它比現(xiàn)有技術(shù)功率放大器占用的面積少。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種裝置，它可以在任何MOS工藝中制造，不需要額外的工藝步驟。
根據(jù)本發(fā)明，通過所附專利權(quán)利要求書中權(quán)利要求的裝置獲得這些目的。
本發(fā)明的單片集成微波頻率大功率放大器裝置包括至少兩個晶體管，它們以負載調(diào)制或Doherty配置連接，其中工作的晶體管的數(shù)量取決于驅(qū)動電平。這些晶體管每一個都具有指狀布局，其中不同晶體管的指相交叉。
優(yōu)選地，這些晶體管的源極是互連的，而這些晶體管的柵極和漏極具有單獨的連接，用于連接到不同的封裝引線。
優(yōu)選地，與放大器裝置集成形成的LC基無源網(wǎng)絡(luò)在芯片指狀物級局部地執(zhí)行功率合成操作，此處工藝變化和不對稱性可以忽略。
由此，獲得了具有在封裝內(nèi)形成的功率合成裝置的完全集成的微波頻率功率放大器裝置。該裝置比現(xiàn)有技術(shù)的電路板解決方案占用的面積少。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，從此后給出的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述以及附圖1-11將顯而易見，附圖僅以說明性方式給出，而不限制本發(fā)明。


圖1和2示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)放大器裝置。
圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的單片集成功率放大器裝置。
圖4是圖1的功率放大器裝置中包括的LDMOS晶體管結(jié)構(gòu)的示意性布局。
圖5-11的視圖示出了圖1的功率放大器裝置和現(xiàn)有技術(shù)放大器裝置相比的各種模擬的晶體管特性。
具體實施例方式
圖3中，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的單片集成微波頻率大功率放大器裝置。
該功率放大器裝置包括兩個晶體管31、33，它們以負載調(diào)制或Doherty配置連接。左邊部分表示為主放大器，且右邊部分表示為峰值放大器。Doherty放大器的特征在于，對于低輸入功率，峰值放大器斷開連接，使主放大器執(zhí)行放大。當主放大器開始壓縮時，峰值放大器逐漸導通。最后，在最大輸入功率下，兩個放大器并聯(lián)連接，對功率放大貢獻相等。
在模擬電路的實施方式中，功率輸送的控制通過電路的智能設(shè)計自動進行。使用兩個重要的要素負載拉移(load pull)動作和峰值放大器的C類偏置。文獻中僅對于特定的情況分析了Doherty放大器僅主放大器工作時的低輸入功率的情況，以及主放大器和峰值放大器對放大貢獻相等時的最大輸入功率的情況。峰值放大器輔助主放大器時的更復雜操作模式，僅可以使用實驗和模擬來研究。
文獻中已經(jīng)詳細描述了典型的Doherty放大器的操作，參見1999年Artech House Publisher出版的Steven Cribbs的“RF PowerAmplifiers for Wireless Communication”，以及2002年Artech HousePublisher出版的Steven Cribbs的“Advanced Techniques in RF PowerAmplifier Design”。
對于為漏電壓VDD等于28V以及最大電流約等于15mA而設(shè)計的典型的Doherty放大器，負載必須被四分之一波長變換器轉(zhuǎn)換，以使特征阻抗減小一半。一個解決方案是特征阻抗Z0為1歐姆且負載ZL為0.5歐姆。和常規(guī)放大器一樣，對于低功率操作，這將給出Z0*Z0/ZL＝2歐姆，但在最大輸入功率，對于每個放大器，考慮到另一個的負載拉移，得到該值的兩倍，或4歐姆。
根據(jù)本發(fā)明，圖3的功率放大器裝置的主放大器和峰值放大器通過整體形成的無源網(wǎng)絡(luò)36連接，而不是典型的Doherty放大器中使用的四分之一波長(λ/4)變換器。該無源網(wǎng)絡(luò)是包括兩個分路電容器C1、C2和一個串聯(lián)連接的電感器L1的集總元件解決方案。電容和電感的值根據(jù)下式計算ωCZ0＝1以及ωL＝Z0其中Z0是特征阻抗，且ω/2π是工作微波頻率。
通過形成芯片上無源網(wǎng)絡(luò)作為功率合成裝置，獲得了節(jié)省面積的峰值晶體管，它避免了在基于PCB的放大器解決方案中單獨的功率合成器所需要的額外空間。
圖3中，以34表示的晶體管31、33的源極一般是短路的，在35處示意性示出。
本發(fā)明的放大器裝置的晶體管31、33實現(xiàn)為如圖4所示的指狀物類型布局中的LDMOS晶體管結(jié)構(gòu)。注意圖4中僅示出了晶體管結(jié)構(gòu)的一部分。不同晶體管31、33的指狀物41-45相交錯。
晶體管的微波頻率功率的合成設(shè)置成在芯片指狀物級局部地發(fā)生，此處工藝變化和不對稱性可以忽略。
晶體管的柵極指狀物42、43具有單獨的連接42a、43a，用于連接到獨立的封裝引線。類似地，晶體管的漏極指狀物45、46具有單獨的連接45a、46a，用于連接到獨立的封裝引線。所述單獨的柵極和漏極連接一般在集成結(jié)構(gòu)的上端形成，而晶體管的源極或源極接收器(source sinker)41連接在集成結(jié)構(gòu)的下端。
每個晶體管包括多個互連的漏極指狀物44、45，每個漏極指狀物44、45在相對側(cè)被柵極指狀物42、43環(huán)繞，優(yōu)選地，所述柵極指狀物屬于與該漏極指狀物相同的晶體管。安置在漏極指狀物44、45的相對側(cè)的每兩個相鄰的柵極指狀物組42、43被源極接收器區(qū)域41分開，該接收器區(qū)域為兩個晶體管共享。
優(yōu)選地，安置在漏極指狀物44、45的相對側(cè)的柵極指狀物組42、43交替地屬于不同的晶體管。
然而應(yīng)當理解，可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的很多其它方式形成交錯晶體管結(jié)構(gòu)。然而，當放大器裝置中用于放大的晶體管數(shù)目是2時，該結(jié)構(gòu)需要兩個單獨的柵極連接、兩個單獨的漏極連接以及一個公共的源極連接。
然而，晶體管的數(shù)目可能大于2。在放大器裝置中具有N個晶體管的一般情況下，晶體管結(jié)構(gòu)需要N個晶體管、N個單獨的柵極連接、N個單獨的漏極連接以及一個公共的源極連接。需要N-1個無源LC網(wǎng)絡(luò)形式的功率合成器以合成晶體管的輸出。所有的晶體管和無源LC網(wǎng)絡(luò)都整體形成在單個芯片上。
所有晶體管的指狀物可以相互交錯，或僅一個組中的晶體管的指狀物相交錯。
當N個晶體管與用作無源功率合成網(wǎng)絡(luò)中的電感器的N個鍵合引線相連時，每個分路電容器的電容是C＝1/NωZ0，每個串聯(lián)連接的電感器的電感是L＝Z0N/ω。
作為非限制性實例，介紹下面的計算。假設(shè)漏極電壓為28V，總漏極寬度為85mm，頻率f＝ω/2π為1GHz，Z0＝1歐姆，ZL＝0.5歐姆，且鍵合引線數(shù)量N＝1，每個電容器應(yīng)該具有約80pF的電容值，每個電感器應(yīng)該具有約80pH的電感值。如果N＝10，每個功率合成網(wǎng)絡(luò)中的每個電容器應(yīng)該具有約8pF的電容值，每個電感器應(yīng)該具有約800pH的電感值。
而且，應(yīng)當理解，該放大器裝置的晶體管可以具有不同數(shù)目的指狀物和不同的總寬度。
本發(fā)明已經(jīng)使用微波電路模擬得到驗證。晶體管選擇為LDMOS類型。每個放大器中的任何內(nèi)部匹配網(wǎng)絡(luò)都被去除，因為其已經(jīng)用于Doherty功率合成。
圖5-7中的模擬結(jié)果比較了常規(guī)放大器、典型的Doherty放大器和本發(fā)明的封裝Doherty放大器。品質(zhì)因數(shù)是增益，3階截獲點IP3和功率附加效率(power added efficiency)。
圖5示出了增益與輸入功率的關(guān)系。輸入功率一般由匹配網(wǎng)絡(luò)決定。這種情況下，輸入直接從電壓發(fā)生器驅(qū)動，功率計算為電壓電流的乘積。Doherty放大器具有來自空閑的峰值放大器的貢獻，其與常規(guī)放大器相比，減小了增益。由于壓縮引起的增益減小在Doherty放大器中被部分地阻止。不僅對于增益，而且對于其它品質(zhì)因數(shù)，本發(fā)明的封裝Doherty放大器和典型的Doherty放大器之間的差別很小。原因在于這里研究的用于第一載波和雙頻(two-tone)激勵的集總元件CLC網(wǎng)絡(luò)是四分之一波長變換器的很好的近似。
圖6示出了IP3與輸入功率的關(guān)系。對于三個放大器，發(fā)現(xiàn)大體類似的行為。然而，觀察幅度，這些曲線僅在低輸入功率處類似。在較高的輸入功率下，這些曲線顯示出本發(fā)明和常規(guī)Doherty放大器之間的差異。這是因為峰值放大器起作用了。
圖7示出了輸出功率和輸入功率的關(guān)系。常規(guī)放大器與本發(fā)明和常規(guī)Doherty放大器之間的功率效率的巨大差別是很顯著的。常規(guī)放大器顯示出百分之幾的效率，而本發(fā)明和常規(guī)Doherty放大器顯示出百分之幾十的效率。常規(guī)放大器的峰值是10％，而本發(fā)明和常規(guī)Doherty放大器的峰值是40％。
圖8示出了本發(fā)明的Doherty放大器裝置的主放大器和峰值放大器的輸出功率和輸入功率的關(guān)系。應(yīng)當注意，峰值放大器逐漸地傳遞更多的功率，并且最后處于最大輸入功率，峰值放大器和主放大器貢獻相同的量。
圖9-11示出了負載線，即，在三個不同輸入功率(0dBm，15dBm以及35dBm)下，常規(guī)放大器(圖9)、本發(fā)明的Doherty放大器裝置的主放大器(圖10)以及本發(fā)明的Doherty放大器的峰值放大器(圖11)的漏-源電流與漏-源電壓的關(guān)系。大功率負載線可以認為是由于LC元件的存在而具有不尋常的行為。然而，由于Doherty負載拉移現(xiàn)象，可以注意到不同功率水平的平均斜率的改變。
從該模擬研究很明顯地得出本發(fā)明的封裝的Doherty放大器裝置的行為很像典型的Doherty放大器，且將給出比現(xiàn)今的裝置可以獲得的功率效率好得多的功率效率。同時，不需要用于傳輸線功率合成的額外的板上空間。
還可以得出其它的結(jié)論由本發(fā)明提供的微波頻率功率晶體管的更密集的應(yīng)用是有優(yōu)勢的，因為對于相同的裝置面積，可以充分增加功率附加效率。
權(quán)利要求
1.一種單片集成微波頻率大功率放大器裝置，包括-多個晶體管(31，33)，以負載調(diào)制配置連接，其中工作著的所述多個晶體管的數(shù)目取決于驅(qū)動電平，其特征在于-所述多個晶體管每個都具有指狀物類型的布局，其中所述多個晶體管(31，33)中不同的晶體管的指狀物(41-45)交錯。
2.權(quán)利要求1的放大器裝置，其中-所述多個晶體管的源極(34，41)是互連的(35)，并且-所述多個晶體管的柵極(42，43)具有用于連接到單獨的封裝引線的單獨的連接(42a，43a)。
3.權(quán)利要求2的放大器裝置，其中所述多個晶體管的漏極(44，45)具有用于連接到單獨的封裝引線的單獨的連接(44a，45a)。
4.權(quán)利要求1-3中任一項的放大器裝置，其中所述多個晶體管的每個漏極(44，45)包括多個互連的漏極指狀物。
5.權(quán)利要求4的放大器裝置，其中柵極指狀物(42，43)安置在每個漏極指狀物(44，45)的相對側(cè)。
6.權(quán)利要求1-5中任一項的放大器裝置，其中，安置在漏極指狀物(44，45)的相對側(cè)的每兩個相鄰的柵極指狀物組(42，43)被源極區(qū)域(41)分離。
7.權(quán)利要求1-6中任一項的放大器裝置，其中所述多個晶體管(31，33)通過功率合成裝置彼此連接。
8.權(quán)利要求7的放大器裝置，其中所述功率合成裝置由無源網(wǎng)絡(luò)(36)組成。
9.權(quán)利要求7或8的放大器裝置，其中所述功率合成裝置由CLC網(wǎng)絡(luò)(C1，C2，L1)組成。
10.權(quán)利要求9的放大器裝置，其中，對于所述多個晶體管(31，33)中的每一個，僅僅一個，所述CLC網(wǎng)絡(luò)包括兩個分路電容器(C1，C2)以及一個串聯(lián)連接的電感器(L1)。
11.權(quán)利要求10的放大器裝置，其中每個所述分路電容器的電容是C＝1/(NωZ0)，且每個所述串聯(lián)連接的電感器的電感是L＝Z0N/ω，其中Z0是特征阻抗，ω/2π是工作微波頻率，且N是所述多個晶體管(31，33)的數(shù)目。
12.權(quán)利要求1-11中任一項的放大器裝置，其中所述多個晶體管(31，33)的數(shù)目是2。
13.權(quán)利要求1-11中任一項的放大器裝置，其中所述多個晶體管的數(shù)目大于2。
14.權(quán)利要求1-13中任一項的放大器裝置，其中所述放大器裝置是Doherty放大器。
15.權(quán)利要求1-14中任一項的放大器裝置，其中所述多個晶體管(31，33)中的至少兩個具有不同的寬度。
全文摘要
單片集成微波頻率大功率放大器裝置包括以負載調(diào)制配置連接的多個晶體管(31，33)，其中工作的晶體管的數(shù)目取決于驅(qū)動電平。每個晶體管都具有指狀物類型的布局，其中不同晶體管(31，33)的指狀物(41－45)交錯。該多個晶體管的源極(41)一般互連，而這些晶體管的柵極(42，43)優(yōu)選地具有單獨的連接(42a，43a)，用于連接到單獨的封裝引線。類似地，晶體管的漏極(44，45)優(yōu)選地具有單獨的連接(44a，45a)，用于連接到單獨的封裝引線。優(yōu)選地，基于LC的無源網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行該放大器裝置的功率合成操作。
文檔編號H03F1/07GK1954488SQ200680000184
公開日2007年4月25日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者T·阿恩博格 申請人:英飛凌科技股份公司