具有改进的稳定性的放大器的制作方法

1.本技术涉及一种放大器。本技术还涉及一种包括该放大器的电子设备。本技术尤其涉及射频(radio-frequency，rf)放大器。例如，放大器的工作频率可以在100mhz到40ghz之间的范围内。


背景技术：

2.上述类型的放大器在本领域中是公知的。这些类型的放大器常用于移动电信的基站中。图1示出了一个示例。该放大器的等效电路如图3所示。需要注意的是，以下使用的附图标记指示图1或图2所示的物理结构，和/或图3所示的等效电气部件。例如，附图标记l1用于指示接合线组件，即物理结构，并用于指示该组件的等效电气部件为电感器l1。此外，l1也可用于表示电感器l1的电感值。类似的考虑也适用于本技术中提到的其他附图。
3.在图1中，示出了具有导电基底9的放大器100，第一半导体管芯5设置在导电基底9上。射频功率晶体管q1设置在管芯上。晶体管q1具有分别电连接到第三接合线附接结构(bas)b3和第四bas b4的输入端和输出端。在本发明的上下文中，接合线附接结构可以包括接合焊盘、接合条、接合焊盘组件或用于安装一根或多根接合线的任何其他结构。
4.放大器100还包括与导电基底9分隔设置的输入端子10。通常，电隔离垫片8为陶瓷环或固化模塑料的形式。此外，如图4所示，输入端子10也可以穿过垫片8。在这种情况下，例如当放大器100包括固化模塑料作为垫片8时，可以识别出垫片8的上部8'，该上部8'覆盖输入端子10的至少一部分。不排除垫片8使用其他材料。类似地，放大器100包括与导电基底9分隔设置的输出端子11。
5.第一bas b1电连接到输入端子10或与输入端子10一体形成。例如，输入端子10的形式可以是引线，引线的一段用作为第一bas b1。该段可对应于远离模塑料的引线的内段。类似地，第六bas b6电连接到输出端子11或与输出端子11一体形成。
6.放大器100还包括具有非接地端子和接地端子的第一输入匹配电容器c1。第二bas b2电连接到第一输入匹配电容器的非接地端子。
7.放大器100还包括具有非接地端子和接地端子的输出匹配电容器c2，其中非接地端子电连接到第五bas b5。
8.第一接合线组件l1用于在第一bas b1和第二bas b2之间提供电连接。第二接合线组件l2用于在第二bas b2和第三bas b3之间提供电连接。第三接合线组件l3在第四bas b4和第五bas b5之间延伸，并用于在第四bas b4和第五bas b5之间提供电连接。第四接合线组件l4用于在第四bas b4和第六bas b6之间提供电连接。
9.在该已知布局中，如图3所示与l3串联的输出电容器c2在放大器100的工作频率(例如1ghz)下充当短路电路。因此，在这个频率下，l3将与晶体管q1的固有输出电容(即cds)并联。通过适当地选择l3的值，可以实现在工作频率下或接近工作频率时，l3和cds谐振，从而在晶体管q1的输出端显示对地的高阻抗。换句话说，l3可以被设计成在工作频率下，减轻cds的负面影响，例如较低的功率附加效率。
10.图2示出了已知放大器200的另一示例。放大器100和放大器200的不同之处在于，在放大器200中，l3从晶体管q1的输出端延伸回到输入端子10，而在放大器100中，l3从晶体管q1的输出端向输出端子11延伸。此外，在放大器100中，电容器c2被集成在单独的管芯7上，例如半导体管芯或陶瓷管芯，而在放大器200中，电容器c2与晶体管q1集成在相同的半导体管芯上，即第一半导体管芯100。
11.在两个放大器100、200中，c1集成在与管芯5分离的管芯6上。此外，管芯6可以是半导体管芯或陶瓷管芯。
12.在放大器200中，以下内容适用于各种接合线附接结构的布置。在从输入端子10到输出端子11的方向上，第二bas b2设置在第一bas b1和第三bas b3之间，第五bas b5设置在第二bas b2和第四bas b4之间，第四bas b4设置在第五bas b5和第六bas b6之间。
13.与放大器100相比，放大器200在效率方面显示出更好的性能。这主要是由于l3和l4之间的电磁耦合减小，因为它们不再像放大器100那样并联和/或极为接近。
14.尽管提高了性能，放大器200还有一些缺点。申请人发现，放大器200类型的放大器(即其中l3从晶体管的输出端向输入端子延伸)，不稳定的风险增加了。
15.由权利要求1的前序部分定义的放大器从us 2008246547a1获知。另一放大器从kr 100878708b1获知。


技术实现要素：

16.本发明的目的是提供一种放大器200类型的放大器，该放大器降低了不稳定性的风险。
17.根据本发明，通过使用如权利要求1所定义的放大器来实现该目的，其特征在于放大器还包括具有非接地端子和接地端子的第二输入匹配电容器，其中非接地端子与第七bas连接。此外，所述放大器包括在第七bas和射频功率晶体管的输入端之间的电连接。根据本发明，第二接合线组件在第二bas和第七bas之间延伸，并且在从输入端子到输出端子的方向上，第七bas设置在第一bas和第二bas之间。
18.根据本发明，与第二接合线组件相关联的电感大于与电连接相关联的电感。
19.根据本发明，两级或多级输入匹配网络与耦接到该输入匹配网络的电容器的非接地端子的接合线附接结构的特定布置一起使用。由于这种设置，对于各种电感元件来说，用来描述输入匹配网络中的电感元件(例如各种接合线组件和电连接)与第三接合线组件l3之间的电磁耦合的耦合系数是不同的。例如，l1和电连接可能都具有正系数，l2可能具有负系数，反之亦然。因此，通过在输入匹配网络中设置接合线附接结构，有效地降低了输入匹配网络中的电感元件与第三接合线组件之间的有效电磁耦合。申请人发现，降低有效电磁耦合能够提高放大器的稳定性。
20.在kr 100878708b1中描述的放大器中，在该文档中实施为接合线组件的电连接的电感比第二接合线组件的电感大得多。与该已知放大器类似，本发明使用l-c网络来匹配阻抗。更具体地，通过使用多个l-c阻抗匹配级来克服从放大器的输入端子面向射频功率晶体管观察到的阻抗(例如50欧姆)与射频功率晶体管的输入端观察到的阻抗(例如通常是非常低的复数阻抗)之间的差异，每个l-c阻抗匹配级包括并联电容器然后是串联电感。
21.一般来说，对于这样的匹配级，假设串联电感l通过有效负载r1耦接到地，则从并
联电容器c的非接地端子面向负载观察到的导纳等于：
22.选择以下c和l的特定组合使得能够取消y的虚部：
23.从c1的非接地端子面向r1观察到的阻抗应与r0匹配，即：
24.大功率晶体管的一个普遍问题是输入阻抗相对较低。公认的问题是为了使晶体管适当匹配，阻抗在封装内部必须已经变换到更高的值。通过观察上述等式3，可以看出高电感是优选的，因为这将使r0增大。根据kr 100878708b1所教导的，为了进行所需的阻抗变换，优选使用连接到射频功率晶体管的输入端的接合线来实现高电感值。更具体，kr 100878708b1公开了一种两级匹配网络，其中与连接到射频功率晶体管的输入端的接合线相关联的电感比与前一匹配级的接合线相关联的电感大得多。
25.与上述教导相反，本发明规定与第二接合线组件相关联的电感大于与电连接相关联的电感。其中，电连接对应于连接到射频功率晶体管输入端的电感。申请人发现，接合线附接结构的特定布置结合电连接的电感相对于第二接合线组件的电感提高了放大器的稳定性，同时使得能够进行适当的阻抗匹配。
26.电连接的电感优选为使得：面向射频功率晶体管观察电连接时观察到的阻抗的实部与在射频功率晶体管的输入端观察的阻抗的实部之间的阻抗变换比小于面向射频功率晶体管观察第二接合线组件时观察到的阻抗的实部与在射频功率晶体管的输入端观察的阻抗的实部之间的阻抗变换比的五分之一，优选地小于十分之一。
27.射频功率晶体管优选地以硅基横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal-oxide semiconductor，ldmos)晶体管或氮化镓基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors，hemt)实现。另外或可替选地，射频功率晶体管的总栅极宽度优选大于1毫米，放大器的工作频率优选在100mhz和40ghz之间的范围内，并且放大器的输出功率超过50w。
28.本发明不限于两级输入匹配网络，还可以添加其他级。然而，优选的是如上所述在最后两个级中维持接合线附接结构的布置。
29.放大器优选地设计成可在工作频带中工作，其中输出匹配电容器和第三接合线组件的串联连接被配置为在工作频带内的工作频率处或附近与射频功率晶体管的输出电容谐振。如上所述，这将减轻输出电容对放大器rf性能的影响。然而，在工作频率处或附近第三接合线组件不与输出电容谐振的情况下，输出电容同样可以用作阻抗匹配网络的电容器。即使在这些情况下，减少的电磁耦合也可以提高放大器的稳定性。
30.第一接合线组件可以在第一bas和第二bas之间延伸。在这种情况下，输入匹配网络可以涉及两级匹配网络。另外地或可替选地，第四接合线组件可以在第四bas和第六bas之间延伸。在这种情况下，晶体管的输出端直接耦合到放大器的输出端子。在其他实施例中，可以在晶体管的输出端和放大器的输出端子之间提供进一步的阻抗匹配级。
31.放大器可进一步包括第二管芯。第二管芯优选为半导体管芯或陶瓷管芯，该管芯也可以包括其中集成了一个或多个无源组件的薄膜技术器件。第一输入匹配电容器和第二输入匹配电容器可以集成在第二管芯上。或者，放大器还可以包括优选为半导体管芯或陶瓷管芯的第二管芯，以及优选为半导体管芯或陶瓷管芯的第三管芯，第一输入匹配电容器和第二输入匹配电容器分别集成在第二管芯和第三管芯上。同样，可以以用于实现无源组件的其他技术来实现第二管芯和第三管芯。或者，放大器还可以包括优选为半导体管芯或陶瓷管芯的第二管芯，第二输入匹配电容器集成在第二管芯上，第一输入匹配电容器集成在第一半导体管芯上。
32.在上述实施例，输出匹配电容器可以集成在第二管芯上。或者，放大器可以包括优选为半导体管芯或陶瓷管芯的第四管芯，输出匹配电容器集成在第四管芯上。在这种情况下，第四管芯可以设置在第二管芯和第一半导体管芯之间。在另一实施例中，输出匹配电容器集成在第一半导体管芯上。
33.放大器还可以包括具有接地端子和非接地端子的第三输入匹配电容器，该非接地端子连接到第八bas，其中第一接合线组件包括在第一bas和第八bas之间延伸的第一接合线和在第八bas和第二bas之间延伸的第二接合线。通过这种方式，可以实现第三匹配级。第三输入匹配电容器可集成在第二管芯或第一半导体管芯上。
34.输出匹配电容器可以集成在第一半导体管芯上。另外或可替选地，第二输入匹配电容器可以集成在第一半导体管芯上。
35.第一输入匹配电容器、第二输入匹配电容器和输出匹配电容器可以集成在第一半导体管芯上。
36.当第二输入匹配电容器集成在第一半导体管芯上时，电连接可以包括设置在第一半导体管芯上的诸如传输线之类的金属印制线，该金属印制线从第二输入匹配电容器的非接地端子延伸到射频功率晶体管的输入端。
37.射频功率晶体管的输入端可以与第三bas电连接，电连接可以包括在第七bas和第三bas之间延伸的第五接合线组件。第二bas可以设置在第一bas和第三bas之间。另外地或可替选地，第二接合线组件可以在第二bas和第三bas之间延伸。
38.在输入端子到输出端子的方向上，第五bas可以在设置在第三bas和第四bas之间。然而，在输入端子到输出端子的方向上，第三bas也可以设置在第五bas和第四bas之间。在后一种情况下，l5和l3之间的电磁耦合的耦合系数可以增加。这样的布置将例如使得能够至少部分地补偿l2和l3之间的强耦合。
39.第二接合线组件相对于基底的高度可以比第五接合线组件相对于基底的高度高至少20％，更优选至少30％，以减小第一接合线组件、第二接合线组件和第五接合线组件与第三接合线组件之间的有效电磁耦合，从而提高放大器的稳定性。如前所述，l2和l3之间的耦合系数与l1和l3之间的耦合系数、l5和l3之间的耦合系数符号相反。通过改变l2的形状，特别是通过使用更高的接合线高度和/或使用更长的线，可以增加该接合线组件的耦合系数，该接合线组件相比l5离l3更远。这将使得能够更好地补偿l1和l3之间以及l5和l3之间的电磁耦合。
40.第一接合线组件、第二接合线组件、第三接合线组件、第四接合线组件和第五接合线组件中的至少一个可以包括一根或多根接合线，该一根或多根接合线的相对端接合到相
应的接合线附接结构。
41.放大器可以是封装放大器，具有连接到输入端子或与输入端子一体形成的输入引线或输入焊盘，以及连接到输出端子或与输出端子一体形成的输出引线或输出焊盘。例如，输入端子和基底以及输出端子和基底可以通过电隔离垫片以间隔方式固定。垫片可以由固化模塑料组成。
42.封装放大器还可以包括固定连接到输入端子和输出端子或连接到垫片的盖。盖和基底限定了至少第一半导体管芯设置在其中的腔体。更优选地，封装中的所有管芯以及所需的接合线组件都设置在该腔体内。
43.或者，至少第一半导体管芯由固化模塑料封装。更优选地，封装中的所有管芯以及所需的接合线组件都由模塑料封装。在这种情况下，模塑料也限定了设备的外观。
44.第一bas、第二bas、第三bas、第四bas、第五bas、第六bas和第七bas中的至少一个可以包括接合焊盘或接合条。
45.本发明还涉及包括上述放大器的电子设备。例如，电子设备可以包括具有主放大器和峰值放大器的多尔蒂(doherty)放大器，其中主放大器和峰值放大器中的每一个都包括如上所述的放大器。本发明不排除其中主放大器和峰值放大器集成在同一封装中的单个管芯或多个管芯上的实施例。在这种情况下，可针对主放大器和峰值放大器中的每一个单独设置输入匹配网络和输出匹配网络，并且封装可包括主放大器和峰值放大器各自的输入端子和输出端子。此外，本发明不排除包括两个或多个峰值放大器的多路多尔蒂放大器。此外，多尔蒂放大器可以是对称的，其中主放大器和峰值放大器具有基本相同的功率容量，或者多尔蒂放大器是不对称的，其中主放大器和峰值放大器的功率容量不同。
46.包括多尔蒂放大器的电子设备还可以包括用于将输入信号分成各个输入信号部分的分离元件，每个输入信号部分被馈送到主放大器和峰值放大器中的不同放大器。此外，电子装置可包括设置在分离元件与主放大器和峰值放大器之一之间的移相元件；以及用于组合由主放大器和峰值放大器输出的信号的组合元件。此外，电子设备可以包括设置在主放大器和峰值放大器中的另一个与组合元件之间的阻抗逆变器。移相元件和阻抗逆变器被配置为使得由主放大器和峰值放大器放大的信号能够在组合元件处同相相加。
47.上述电子设备可以包括印刷电路板，主放大器和峰值放大器安装在该印刷电路板上，并且分离元件、移相元件、组合元件和/或阻抗逆变器至少部分地设置在印刷电路板上或印刷电路板中。此外，阻抗逆变器可以包括传输线或其集总等效电路，传输线的长度与多尔蒂放大器的工作频带内的工作频率处或附近的四分之一波长电等效。
附图说明
48.接下来，将参考附图来描述本发明，其中：
49.图1和图2示出了两个已知放大器的示例。
50.图3示出了图1和图2中的放大器的电等效电路。
51.图4示出了根据本发明的放大器的第一实施例。
52.图5示出了图4中的放大器的电等效电路。
53.图6示出了根据本发明的多尔蒂放大器的实施例。
54.图7示出了根据本发明的放大器的第二实施例。
55.图8示出了图2所示放大器和图4所示放大器的rf性能的比较。
56.图9和图10示出了根据本发明的放大器的进一步实施例。
具体实施方式
57.以下，将参考附图进行描述。应注意，相同的附图标记用于指代相同或相似的部件。
58.图4示出了根据本发明的放大器1的第一实施例，图5示出了相应的等效电路。与图1和图2中分别示出的放大器100、200相比，放大器1包括附加bas，即第七bas b7，和第二输入匹配电容器c3。在图4中，b2连接到c1的非接地端子，b7连接到c3的非接地端子。使用接合线组件连接b2和b7。该接合线组件在图4和图5中称为l2。此外，接合线组件l5用于连接bas b7和bas b3。
59.现在参考图5，从输入端子10流经l1的电流将显示与l3之间的耦合系数，该耦合系数具有给定符号，即正或负。根据图4，可以断定具有同一符号的耦合系数将描述l5和l3之间的耦合。在这两种情况下，相对于l3，电流是在同一方向上流动的。然而，描述l2和l3之间的耦合的耦合系数将具有相反的符号，因为从b2流向b7的电流将沿相反的方向流动。这将产生所需的输入匹配网络和l3之间电磁耦合的(至少部分)减少。
60.图6示出了根据本发明的多尔蒂放大器50的实施例。放大器50包括印刷电路板55，其上设置有两个封装放大器50a、50b。尽管放大器50a、50b的晶体管的尺寸和各种组件的值可能不同，放大器50a、50b中的每一个放大器可以对应于图4所示的放大器1或根据本发明的其他实施例的放大器。
61.放大器50包括分离器51，该分离器51将在放大器50的输入端(未示出)接收的输入信号分离成各个部分，这些部分被馈送到相应的封装放大器50a和50b。
62.在图6中，放大器50a对应于多尔蒂放大器50的主放大器，而放大器50b对应于峰值放大器。从分离器51到放大器50b的路径上包括移相器52。在一些实施例中，将移相器52和分离器51集成为单个组件，例如正交混合耦合器，其输入端口耦接到多尔蒂放大器50的输入端，其直通端口耦接到主放大器50a，其正向耦合端口耦接到放大器50b的输入端，以及其反向耦合端口耦接到终端电阻以防止反射回耦合器中。
63.在输出侧，放大器50包括阻抗逆变器53，其通常包括给定长度的传输线或其集总等效电路。阻抗逆变器53可以充当和/或至少部分对应于四分之一波长传输线。更具体地，当阻抗逆变器在其输出端观察到的有效阻抗增加时，在其输入端观察到的阻抗逆变器的有效阻抗减小，反之亦然。
64.阻抗逆变器53设置在主放大器50a和组合元件54之间，其可以对应于主放大器50a和峰值放大器50b的分支之间的简单连接。移相器52和阻抗逆变器53设计成使得放大器50a、50b输出的信号在组合元件54处同相相加。
65.图7示出了根据本发明的放大器80的第二实施例。通过将放大器80与图4所示的放大器1进行比较，可以推断出放大器80包括其上集成有电容器c3的第三管芯20和其上集成有电容器c2的第四管芯21。管芯20、21可对应于半导体管芯、陶瓷管芯或可实现无源元件的其他技术。应当注意的是，与图4所示的放大器1相比，仅在单独的管芯上实现c2和c3中的一个的实施例也是可能的。
66.应当注意，在放大器1和放大器80中，关于b1、b7、b2的接合线附接结构的顺序是相同的。但是，关于b5和b3的顺序是相反的。因此，放大器80可以在l5和l3之间显示出更大的耦合系数。
67.图8示出了图2所示放大器(用字母“a”表示)和图4所示放大器(用字母“b”表示)的rf性能的比较。可以看出，图2所示放大器的输入端的反射系数，即s11，有变得大于0db的趋势。这是振荡的指示。类似地，图2所示放大器的输出端的反射系数，即s22，在1.8ghz左右的频带内大于0db。同样，这是振荡的指示。从图8中可以观察到，图4的放大器的反射系数没有这种不期望的现象，从而降低了振荡的风险。
68.图9和图10示出了根据本发明的放大器的进一步实施例。图中的每一个图示出了顶视图和横截面侧视图。与图4的实施例相比，图9和10中的放大器包括一个附加的输入匹配级。使用接地的第三输入匹配电容器c4，该第三输入匹配电容器的非接地端子连接到第八bas b8。该电容器集成在第二管芯6上。第一接合线l1_1将第一bas b1连接到第八bas b8，第二接合线l1_2将第八bas b8连接到第二bas b2。
69.在图9中，连接到电容器c1的非接地端子的第二bas b2使用第二接合线组件l2连接到第七bas b7。接着，使用金属印制线l5将第七bas b7连接到射频功率晶体管的输入端。更具体地说，金属印制线l5将第七bas b7连接到栅极条12，栅极梳状物g从栅极条12延伸。
70.在图9中，使用多个接合焊盘形成第二bas b2。这些接合焊盘中的每一个可以连接到单个大电容器c1，或者每一个接合焊盘连接到相应的较小电容器，这些较小电容器一起形成电容器c1。构成第五bas b5的接合焊盘也是如此。
71.在射频功率晶体管的输出端，第四bas b4连接到或至少部分形成漏极条，漏极梳状物d从该漏极条延伸。
72.在图10实施例中，电容器c3集成在管芯6上。第七bas b7通过第二接合线组件l2连接到第二bas b2。此外，第七bas b7通过接合线15_1和金属印制线15_2连接到栅极条12，其中，接合线15_1用于将第七bas b7连接到条13，金属印制线15_2用于将条13连接到栅极条12。
73.如图10所示，第二接合线组件l2的高度远高于接合线15_1。在这两个图中，与第二接合线组件l2相关联的电感大于电连接的电感。在图9中，电连接主要由金属印制线l5形成，而在图10中，电连接由接合线l5_1和金属印制线l5_2形成。
74.根据本发明的放大器引入了附加设计参数，即输入网络中各种接合线组件的形状和大小，以提高放大器的稳定性和/或在诸如带宽、稳定性、增益和效率等关键设计参数之间获得更好的折衷。放大器不限于特定类型的晶体管，例如场效应晶体管或双极晶体管，或者不限于其中实现晶体管的特定材料系统。例如，放大器可以在硅基横向扩散金属氧化物半导体ldmos晶体管或氮化镓基高电子迁移率晶体管hemt中实现。
75.此外，本发明不限于特定的封装技术，并且可以涉及陶瓷封装、包胶注塑封装、四边无引线封装等。
76.最后，尽管已经使用本发明的详细实施例描述了本发明，但应当注意，本发明并不限于这些实施例，而是由所附权利要求及其等同物限定了本发明的范围。