專利名稱：一種鍺化硅雙極-互補金屬氧化物半導體ab類功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路設計的技術領域，涉及一種工作于中心頻率為5. 5GHz 鍺化硅雙極-互補金屬氧化物半導體(SiGe BiCMOS) AB類功率放大器。
背景技術：
隨著無線局域網(wǎng)IEEE802. 11系列技術的迅速發(fā)展，人們越來越青睞于便攜式的 設備和數(shù)據(jù)傳輸率快的技術。802. Ila標準使用5 6GHz頻段，工作于該頻段的功率放大 器的設計實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)傳輸起著至關重要的作用。近年來，射頻集成電路技術日趨成熟，而 且基于CMOS工藝的全片集成芯片射頻收發(fā)機已經(jīng)有了許多成功案例。然而，芯片上集成的 高效率高線性度功率放大器(Power Amplifier, PA)還是一個挑戰(zhàn)。功率放大器處于發(fā)射 機后端，需要高的輸出功率來發(fā)射信號，并且由于802. Ila標準采用OFDM技術，對于5 6GHz功率放大器的線性度要求較高。傳統(tǒng)由CMOS技術集成的功率放大器，由于有源器件的 擊穿電壓較低以及較小的電流驅動能，實現(xiàn)高功率輸出和高線性度輸出比較困難，需要有 新的替代工藝來實現(xiàn)高功率輸出和高線性度功率放大器。與CMOS工藝相比，SiGe BiCMOS工藝結合了 Biploar和CMOS工藝的優(yōu)點，具有更 高的特征頻率，0. 18um SiGe BiCMOS技術具有50GHz以上的特征頻率，可以有效減少噪聲。 另外，該工藝還可以與Si工藝兼容。SiGe BiCMOS技術能充分改善Bipolar器件的大信號 性能，提高器件擊穿電壓，從而特別適合于功率放大器的應用。功率放大器在類型上分為許多種，其中A、B、AB、C類功放導通角比較大，從而有較 高的線性度。但是這是以較低的效率來換取高線性度的。而D類、E類、F類功放為非線性 功放，可以實現(xiàn)比較高的效率。典型功率放大器如圖1所示。BFL作為扼流圈阻塞交流信 號，并且可以把直流功率送到晶體管集電極。集電極通過電容BFC連接到一個震蕩回路來 避免負載上有直流功耗。這種傳統(tǒng)結構的提供了濾波功能從而避免了由總是存在的非線性 引起的頻帶外的發(fā)射信號。但是由于集成電路中電感品質因子不太高，因此帶來的損耗還 是比較高的。另外BFC可以吸收晶體管的輸出電容，對于電路實現(xiàn)匹配非常有利。但是，這 種結構實現(xiàn)的功放往往都是窄帶工作的，因此在設計寬帶功放時需要改進這種結構。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是推出一種基于SiGe BiCMOS工藝技術工作于中心頻率為5. 5GHz 的全片集成AB類功率放大器。BiCMOS器件結合了雙極型(Bipolar)器件和MOS器件兩者 的優(yōu)點，而且利用了鍺硅異質結(SiGe)技術的器件功率優(yōu)勢，在高功率高效率以及低諧波 失真、工作速度快、功耗低等方面表現(xiàn)更為突出。本發(fā)明所述的SiGe BiCMOS AB類功率放大器是由Bipolar器件和無源器件相結 合組成的電路，電路結構分為第一級預放大級和第二級功率放大級，其中第一級放大管用 的是標準Bipolar晶體管，第二級放大管用的是高壓Bipolar晶體管，以得到高的功率輸 出。偏置電路中使用的晶體管為標準Bipolar晶體管，以電流鏡的形式來提供偏置電流，利用溫度負反饋技術來提高偏置電路的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明具體技術方案是一種鍺化硅雙極_互補金屬氧化物半導體AB類功率放大器，該放大器包括第一 晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、 第七晶體管Q7、第八晶體管Q8、第一電感Li、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一 電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一電容Cl、 第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5及第六電容C6，其連接方式為第一晶 體管Ql的基極與第二電容C2相連，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第四電容C4連接；第 二晶體管Q2的基極與第四電容C4連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與電容C6相連；第 三晶體管Q3的基極與電阻R2相連接，發(fā)射極與第五晶體管Q5的集電極和基極連在一起， 集電極與第一電阻Rl連接；第四晶體管Q4的基極與第二電阻R2和第一電阻Rl連接，發(fā)射 極與第三電阻R3和第三電容C3相連，集電極與2. 5V電源V25相連；第五晶體管Q5基極與 集電極連在一起并與第四晶體管Q4發(fā)射極相連；第六晶體管Q6的基極與電阻R5相連接， 發(fā)射極與第八晶體管Q8的集電極和基極連在一起，集電極與第四電阻R4連接；第七晶體管 Q7的基極與第五電阻R5和第四電阻R4連接，發(fā)射極與第六電阻R6和第五電容C5相連，集 電極與電源V33相連；第八晶體管Q8基極與集電極連在一起并與第六晶體管Q6發(fā)射極相 連；第一電感Ll 一端接第一電容Cl和第二電容C2，另一端接地線GND ；第二電感L2跨接 在電源V25和第一晶體管Ql的集電極之間；第三電感L3跨接在電源V33端和第二晶體管 Q2的集電極之間；第四電感L4 一端接在第六電容C6端，另一端接地線GND ；第一電阻Rl跨 接在第三晶體管Q3集電極和電源V25之間；第二電阻R2跨接在第三晶體管Q3基極和第四 晶體管Q4基極之間；第三電阻R3跨接在第四晶體管Q4發(fā)射極和第一晶體管Ql基極之間； 第四電阻R4跨接在第六晶體管Q6集電極和電源V33之間；第五電阻跨接在第六晶體管Q6 基極和第七晶體管Q7基極之間；第六電阻跨接在第七晶體管Q7發(fā)射極和第二晶體管Q2基 極之間；第一電容Cl跨接在輸入端RFIN和第二電容C2之間；第二電容C2跨接在第一電容 Cl和第一晶體管Ql基極之間；第三電容C3跨接在第四晶體管Q4發(fā)射極和第一晶體管Ql 基極之間；第四電容C4跨接在第一晶體管Ql集電極和第二級晶體管Q2基極之間；第五電 容C5跨接在第七晶體管Q7發(fā)射極和第二晶體管Q2基極之間；第六電容C6跨接在第二晶 體管Q2集電極和電感L4之間。所述第一晶體管Ql至第八晶體管Q8為鍺化硅雙極型晶體管。本發(fā)明能夠通過簡單的兩級放大電路結構來實現(xiàn)對于輸入信號的功率放大并同 時保證一定的線性度。利用偏置電路的溫度負反饋原理來保證電路工作的溫度穩(wěn)定性。根 據(jù)輸出功率指標選擇了兩級放大電路，第一級為預放大電路，考慮到標準管的電流放大能 力比較強，而且也希望第一級的電壓放大不要太大，這樣對于第二級輸入晶體管BE結容易 造成擊穿。標準管的擊穿電壓為4 4. 5V，據(jù)此選擇了電源電壓2. 5V。仿真過程中為了留 有一定的裕度，使得第一晶體管Ql集電極處電壓峰值小于4V。第二級晶體管Q2集電極擊 穿電壓可以達到6V，這也有利于達到一定的輸出功率。對于AB類功率放大器而言，輸出功 率和線性度是其關鍵指標，但是效率也是非常重要的指標，AB類功率放大器的效率與其導 通角θ大小緊密相關。一般而言，AB類放大器在一個周期的50%到100%的時間段內導 通，導通角越小效率也會越高，如公式(1)，但是線性度也會隨著下降，因此這里需要一個折中。第一級為預放大級對輸入信號進行預放大處理，兩級通過耦合電容連在一起，第 二級對信號進行再放大。偏置電路的電流鏡結構為電路提供偏置，采用溫度負反饋來穩(wěn)定 的提供偏置電流。另外，偏置結構可以根據(jù)輸入信號的功率來在一定程度上調節(jié)偏置電流， 從而有助于提高線性度。對于鍺硅雙極型晶體管(SiGe NPN)，由于其特有的異質結構加速 載流子在基區(qū)的漂移運動，從而提高了特征頻率，從而可以減小噪聲。為了提高線性度，在 選取發(fā)射極長度最長的管子來提高線性度。與傳統(tǒng)的Si CMOS技術的AB類功放相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于現(xiàn)以采用0. 18 μ m SiGeBiCMOS工藝設計的5. 5GHz SiGe BiCMOS AB類功率放大器為例說明之。1、線性度高實際后仿真表明，本發(fā)明的5. 5GHz SiGe BiCMOS AB類功率放大器輸出PldB壓縮 點達到約18. 5dBm，對應的輸入PldB壓縮點為2. 5dBm。最大輸出功率可以達到21dBm。比 傳統(tǒng)Si CMOS工藝的AB類功率放大器線性度要高。2、功耗低本發(fā)明的5. 5GHz SiGe BiCMOS AB類功率放大器的低功耗特性用以下指標表征 本發(fā)明的SiGe BiCMOS AB類功率放大器的供電電壓第一級為2. 5V，第二級為3. 3V，低于傳 統(tǒng)CMOS功率放大器的3. 3V/5V供電，而且偏置電流較小，從而可以降低功耗，提高效率。仿 真表明，在輸入功率為5dBm時的效率達到約25%。3、溫度穩(wěn)定性好本發(fā)明的工作中心頻率5. 5GHz SiGe BiCMOS AB類功率放大器采用一種電流鏡結 構，由于溫度負反饋的原理，可以在溫度變化范圍較大的情況下實現(xiàn)良好的穩(wěn)定的工作。


圖1為典型功率放大器的電路結構2為本發(fā)明功率放大器的電路結構3為本發(fā)明功率放大器的線性度示意圖
具體實施例方式本發(fā)明的技術方案就是具體的實施例，這里就不再贅述實施例。下面詳盡介紹本 發(fā)明的工作過程。參閱圖2，第一級偏置電路使用2. 5V電源電壓。第二級偏置電路使用3. 3V電源 電壓。根據(jù)所要得到的輸出功率選取第二級晶體管Q2所選管子寬度和長度以及并聯(lián)管子 數(shù)目?？紤]到第二級晶體管Q2的集電極寄生電容，第二級集電極電感L3用來與該寄生電 容在5. 5GHz處諧振，并作為濾波網(wǎng)絡來濾除高次諧波。第六電容C6與第四電感L4作為阻 抗變換網(wǎng)絡，將負載電阻變換到我們需要的一個目標值。第四電容C4作為第一級預放大級 與第二級功率放大級之間的耦合。第一級用T型的匹配網(wǎng)絡來進行阻抗匹配，第二電容C2 和第四電容C4也作為偏置電路的隔直電容。第一級偏置電路中第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5用的是相同發(fā)射極寬和長的SiGe NPN管。同樣，第二級偏置電路中第六
晶體管Q6、第七晶體管Q7和第八晶體管Q8也是選取相同發(fā)射極寬和長的SiGe NPN管。通
過合理的選取第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3的阻值來為第一級預放大級提供偏
級原理與此相同。輸出功率Pm可以表示為 2 “
置電流。第
權利要求
一種鍺化硅雙極 互補金屬氧化物半導體AB類功率放大器，其特征在于該放大器包括第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4、第五晶體管Q5、第六晶體管Q6、第七晶體管Q7、第八晶體管Q8、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5及第六電容C6，其連接方式為第一晶體管Q1的基極與第二電容C2相連，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與第四電容C4連接；第二晶體管Q2的基極與第四電容C4連接，發(fā)射極與地線GND連接，集電極與電容C6相連；第三晶體管Q3的基極與電阻R2相連接，發(fā)射極與第五晶體管Q5的集電極和基極連在一起，集電極與第一電阻R1連接；第四晶體管Q4的基極與第二電阻R2和第一電阻R1連接，發(fā)射極與第三電阻R3和第三電容C3相連，集電極與2.5V電源V25相連；第五晶體管Q5基極與集電極連在一起并與第四晶體管Q4發(fā)射極相連；第六晶體管Q6的基極與電阻R5相連接，發(fā)射極與第八晶體管Q8的集電極和基極連在一起，集電極與第四電阻R4連接；第七晶體管Q7的基極與第五電阻R5和第四電阻R4連接，發(fā)射極與第六電阻R6和第五電容C5相連，集電極與電源V33相連；第八晶體管Q8基極與集電極連在一起并與第六晶體管Q6發(fā)射極相連；第一電感L1一端接第一電容C1和第二電容C2，另一端接地線GND；第二電感L2跨接在電源V25和第一晶體管Q1的集電極之間；第三電感L3跨接在電源V33端和第二晶體管Q2的集電極之間；第四電感L4一端接在第六電容C6端，另一端接地線GND；第一電阻R1跨接在第三晶體管Q3集電極和電源V25之間；第二電阻R2跨接在第三晶體管Q3基極和第四晶體管Q4基極之間；第三電阻R3跨接在第四晶體管Q4發(fā)射極和第一晶體管Q1基極之間；第四電阻R4跨接在第六晶體管Q6集電極和電源V33之間；第五電阻跨接在第六晶體管Q6基極和第七晶體管Q7基極之間；第六電阻跨接在第七晶體管Q7發(fā)射極和第二晶體管Q2基極之間；第一電容C1跨接在輸入端RFIN和第二電容C2之間；第二電容C2跨接在第一電容C1和第一晶體管Q1基極之間；第三電容C3跨接在第四晶體管Q4發(fā)射極和第一晶體管Q1基極之間；第四電容C4跨接在第一晶體管Q1集電極和第二級晶體管Q2基極之間；第五電容C5跨接在第七晶體管Q7發(fā)射極和第二晶體管Q2基極之間；第六電容C6跨接在第二晶體管Q2集電極和電感L4之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率放大器，其特征在于所述第一晶體管Ql至第八晶體管 Q8為鍺化硅雙極型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍺化硅雙極-互補金屬氧化物半導體AB類功率放大器，該放大器電路結構分為第一級預放大級和第二級功率放大級，其中第一級放大管用的是標準鍺化硅雙極型晶體管，第二級放大管用的是高壓鍺化硅雙極型晶體管，以得到高的功率輸出；以電流鏡的形式來提供偏置電流，利用溫度負反饋來提高偏置電路的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明線性度高，功耗低，溫度穩(wěn)定性好，當輸出P1dB壓縮點約為18.5dBm。在5.5GHz后仿真S11＜-15dB，S22＜-6.6dB，S21＞16dB。
文檔編號H03F3/20GK101951226SQ201010276619
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權日2010年9月9日
發(fā)明者劉盛富, 華林, 張書霖, 張偉, 蘇杰, 賴宗聲, 阮穎, 陳磊 申請人:華東師范大學