适用于高频宽带的准单片集成放大电路

1.本专利涉及一种适用于高频宽带的准单片集成放大电路，尤其是包括了片上输入匹配电路，片外功率分配电路，多个晶体管合成的放大电路以及片上输出匹配电路，片外功率合成电路。


背景技术：

2.高频宽带准单片放大电路是一种集成电路，可以实现高频率下的信号放大和滤波功能。准单片放大电路将多个晶体管、集成电容器以及其他元件整合在一个芯片中，实现了较高的增益和通带范围内的频率响应。其特点是使用单一晶体管结构，减少了多级放大器的串扰和噪声，并通过有效的负反馈控制器件增益和稳定性。相较于传统的离散元件组装方式，准单片放大电路具有体积小、重量轻、可靠性高等多种优势，尤其适用于高速通讯、卫星通讯、雷达、无线电等领域。
3.在进行高频宽带放大电路设计时，通常会遇到以下几个问题：
4.一是高频信号传输需要考虑传输线的特性阻抗和匹配问题，以避免信号在传输过程中受到反射或失真。二是高频电路稳定性问题：高频电路稳定性在保证电路可靠性和性能的前提下非常重要。在设计准单片放大电路时，需要考虑电路稳定性和抑制振荡的方法。三是高频晶体管功率容量问题：高频宽带准单片放大电路中，晶体管扮演着重要的角色。为了获得更高的输出功率，需要使用更高功率容量的晶体管。四是加工工艺问题：高频宽带放大电路设计需要考虑加工工艺问题。特别是对于高频电路，需要采用特殊的加工工艺来确保电路元器件之间的联接性和电路的可靠性。单片电路的加工问题主要涉及电路的制造和封装技术。现代高频电路上实现宽带，需要精确的加工工艺支持。此外，还需要考虑制造成本和工艺稳定性的问题。五是放大电路各模块间的互联线对匹配的影响的问题。在高频射频电路中，由于信号频率较高，传输线上的反射、损耗、相位差等因素都会对电路性能产生影响。为了最大限度地提高各模块间电路传输效率和信噪比，需要对各模块间进行阻抗匹配和传输线设计等优化。
5.解决方案包括通过合适的传输线选择和设计来匹配信号阻抗，并在保证信号稳定性的前提下调整传输线长度和特性阻抗等参数，同时还需考虑各模块间的互联，将模块间的互联线融合进各模块的匹配设计中。选择适当的补偿网络、增加负载稳定电容，使用低噪声和高功率容量的多晶体管阵列，以及优化晶体管功率分配和电路布局设计等以及合适的封装和完善的工艺流程。
6.传统的方法是使用多个独立的电路来完成这些任务，但这样会增加系统成本和复杂性。
7.同时，对于单片电路，单片电路无法修改的维护成本问题也是一个挑战。由于单片电路是一个整体化的设计，用户不能随意修改其内部结构。因此，对于任何在电路内发现的故障或问题，用户只能通过重新设计或制造新的电路来解决。在这种情况下，维护成本会非常高昂。
8.因此，准单片电路成为了一种更加可行的解决方案。在高频率范围内实现准单片电路是一项具有挑战性的任务。
9.另外，高频率电路的设计也需要考虑电缆电感和电容等微小因素的影响，这些因素可能会导致不稳定和性能下降。因此，需要一种新的设计方案来解决这些问题。


技术实现要素：

10.为了解决上述背景技术提到的问题，本发明提出一种适用于高频宽带的准单片集成放大电路，包括设置于pcb板上的m个碳化硅片上输入匹配电路、m个碳化硅片上输出匹配电路，m*n个晶体管裸管芯，氧化铝片外功率分配电路以及氧化铝片外功率合成电路，其中：
11.所述的氧化铝片外功分电路有1个信号输入端口和m个信号输出端口，信号输入端口作为整个准单片集成放大电路的信号输入端口，每个信号输出端口分别与一个碳化硅片上输入匹配电路相连接；
12.所述的碳化硅片上输入匹配电路与所述的碳化硅片上输出匹配电路一一对应连接；
13.每个所述的碳化硅片上输入匹配电路有1个信号输入端口和n个信号输出端口；
14.每个所述的碳化硅片上输出匹配电路有n个信号输入端口和1个信号输出端口；
15.每个所述的碳化硅片上输入匹配电路的信号输出端口分别通过n个晶体管裸管芯与所述的碳化硅片上输出匹配电路的信号输入端口相连接；
16.所述的氧化铝片外功率合成电路有m个信号输入端口和1个信号输出端口，每个信号输入端口分别与一个碳化硅片上输出匹配电路相连接，信号输出端口作为整个准单片集成放大电路的信号输出端口。
17.进一步地，所述的片外功率分配电路将接收到的信号平均分配为四路相同的信号。
18.进一步地，所述的晶体管裸管芯采用多个晶体管并联形成。
19.进一步地，每个所述的碳化硅片上输入匹配电路相同，每个所述的碳化硅片上输出匹配电路相同。
20.进一步地，所述的碳化硅片上输入匹配电路、碳化硅片上输出匹配电路、晶体管裸管芯、氧化铝片外功率分配电路以及氧化铝片外功率合成电路之间采用金丝线互连。
21.进一步地，所述的碳化硅片上输入匹配电路、碳化硅片上输出匹配电路采用微带线匹配电路。
22.进一步地，所述的晶体管裸管芯采用适用于高频范围内的压控双极型晶体管vco。
23.进一步地，所述的准单片集成放大电路采用硅、或氮化镓、或碳化硅、或砷化镓作为基片和外延层材料。
24.进一步地，所述的准单片集成放大电路中，以最大化带宽和最小化反射损耗为目标，首先对晶体管裸管芯和碳化硅片上输出匹配电路间互连的中间阻抗进行匹配，再对碳化硅片上输入匹配电路和晶体管裸管芯间互连的中间阻抗进行匹配。
25.相较于现有技术，本发明采用了多晶体管并联以提升功率容量，多晶体管是一种具有多个独立晶体管的组合型晶体管，可以在同一封装内实现多个晶体管的并联或串联，以实现更高的功率容量。同时，采用了并联晶体管的方法，将多个晶体管并联在一起，可以
实现更大的功率输出。
26.为了抑制共模干扰，在本发明所涉及的片外功率分配电路、片上输入匹配电路、片上输出匹配电路以及片外功率合成电路均采用对称设计，对称设计可以抑制共模干扰，因为它可以保证电路在相邻元件之间存在对称关系，进而减小了共模回路的大小和电流水平，此外，对称设计还可以改善布线的对称性并提高电路的抗干扰能力。
附图说明
27.图1为实施例的准单片集成放大电路整体结构示意图；
28.图2为实施例的晶体管裸管芯结构示意图；
29.图3为实施例的基于氧化铝基板的准单片集成功率放大电路的功率分配电路图；
30.图4为实施例的基于碳化硅的准单片集成功率放大电路的片上输入匹配电路图；
31.图5为实施例的基于碳化硅的准单片集成功率放大电路的片上输出匹配电路图；
32.图6为实施例的基于氧化铝基板的准单片集成功率放大电路的功率合成电路图；
33.图7为实施例的最后结果仿真图。
具体实施方式
34.下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.本发明提出一种适用于高频宽带的准单片集成放大电路，包括设置于pcb板上的碳化硅片上输入匹配电路、碳化硅片上输出匹配电路，晶体管裸管芯，氧化铝片外功率分配电路以及氧化铝片外功率合成电路。该准单片集成放大电路采用硅、或氮化镓、或碳化硅、或砷化镓作为基片和外延层材料。
36.pcb板设置有钼铜载体，上述的片上输入匹配电路、片上输出匹配电路、晶体管裸管芯以及片外功率分配电路、片外功率合成电路均设置在钼铜载体上。片上输入匹配电路和片上输出匹配电路采用碳化硅作为衬底材料，碳化硅作为第三代半导体材料，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，碳化硅的电子饱和漂移速率是硅的两倍，有助于提高工作频率，将器件小型化，特别适用于5g射频器件和高电压功率器件。
37.本发明的准单片电路中，将片上输入匹配电路和片外功率分配电路(片外功分电路)作为准单片集成放大电路的输入电路，片上输出匹配电路和片外功率合成电路作为准单片集成放大电路的输出电路。输入电路用于将一路输入信号分为n路，这四路信号分别输送至一个晶体管裸管芯中，来实现更大的输出功率。其中，片外功分电路可以使每个晶体管芯片的工作在其最佳工作状态下。
38.片上输入匹配电路和片上输出匹配电路均包括多级的匹配电路。通过片上输入和输出匹配电路，可以提高阻抗匹配的精度和协同匹配电路的性能。同时，匹配电路可以减少反射并对整个单芯片放大器进行最佳阻抗匹配。
39.晶体管裸管芯采用多个晶体管并联，并联晶体管的原理就是将多个晶体管并联在一起，每个晶体管都起到放大信号的作用，当输入信号均匀分配给每一个晶体管放大后，在输出端合成，直到输出信号达到所需的功率等级。这种并联放大的方式可以大大地提高信号的强度和质量，使得信号可以很好地被传输和处理。由于采用了多晶体管放大电路，输入
信号的信噪比和输出功率都得到了很大的提高。
40.晶体管裸管芯可以选择适用于高频范围内的压控双极型晶体管(vco)。同时，通过采用微宽带、高线性度、低噪声系数的晶体管芯片，可以提高整个准单片放大器的性能。
41.片外功率合成电路通过串联网络的方式，将多个晶体管输出信号合并，并通过共同的输出端口输出，从而实现多个晶体管的功率合成。该片外功率合成电路可以通过使用合适的微带线设计电路来实现低时延和高品质的合成功率输出，从而是准单片放大电路性能更高，片外功率合成电路的设计可以方便将四路信号合并为一个完整的输出信号。
42.值得一提的是，考虑到各个因素的影响，上述各个模块之间采用金丝线进行连接，金丝键合是多芯片微波组件中常用的工艺，它是指将延展性和导电性很好的极细金丝压焊在基板-基板、基板-芯片或芯片-芯片之间，它的优点是可以实现各模块之间的电气相互关联。除了采用金丝线互连，还可以采用铝、铜等其他金属互连。除了采用引线键合方式，还可以采用芯片键合、凸点键合等方式。
43.在本发明中，为了实现所需范围的宽带匹配，片上输入匹配电路以及片上输出匹配电路均采用微带线匹配电路。同时，片外功率分配电路和片外功率合成电路也采用了微带匹配电路。
44.微带线匹配的基本原理是通过改变微带线匹配电路中的特征阻抗，来使输入输出阻抗发生变化，以实现匹配的目的。根据微带线匹配电路的不同特点和频率响应，从而实现宽带匹配。
45.在准单片集成时，各电路之间互联的最佳中间阻抗与带宽之间的关系也是需要特别注意的。在准单片集成电路中，电路间的互连通常采用微带线、同轴电缆等方式实现。电路间互连的中间阻抗和带宽关系对整个电路的性能至关重要。
46.在本发明中，电路间互连的中间阻抗选择使得电路的最大带宽和最小反射损耗达到最佳的折中。具体来说，中间阻抗的取值是为了满足微带线的特性阻抗，以最小化反射损耗，并最大化带宽同时还要满足所需匹配电路的要求。
47.针对本发明的准单片集成电路中的片上输入匹配电路—晶体管裸管芯—片上输出匹配电路，提出了一种先对输出端进行最佳中间阻抗匹配的方法，即先对晶体管裸管芯—片上输出匹配电路两路进行最佳电路互连中间阻抗匹配，之后再对片上输入匹配电路—晶体管裸管芯两路电路进行最佳电路互连中间阻抗匹配。先对输出端进行最佳中间阻抗匹配的主要优点是可以最大限度地将信号传输到负载中，使信号损失最小化，这可以提高系统的功率传输和效率，并减少反射丢失。此外，为系统提供最大的信号带宽，使信号传输更加准确和稳定。最后，还可以保护系统免受输入和输出不匹配的影响，从而增加系统的可靠性和稳定性。
48.如图1所示，本实施例提出的适用于高频宽带的准单片集成放大电路，包括设置于pcb板上的m＝4个碳化硅片上输入匹配电路、m＝4个碳化硅片上输出匹配电路，4*4个晶体管裸管芯，氧化铝片外功率分配电路以及氧化铝片外功率合成电路。
49.信号经过氧化铝片外功率分配电路(片外公分电路)被平均分配为四路一样的信号，片外功分电路是用来将信号分解并分别输入多个晶体管裸管芯来实现更大的输出功率。该功分电路可以使每个晶体管裸管芯的工作在其最佳工作状态下。
50.如图2所示，晶体管裸管芯采用多个晶体管并联，并联晶体管的原理就是将多个晶
体管并联在一起，每个晶体管都起到放大信号的作用，当输入信号均匀分配给每一个晶体管放大后，在输出端合成，直到输出信号达到所需的功率等级。这种并联放大的方式可以大大地提高信号的强度和质量，使得信号可以很好地被传输和处理，这些晶体管接收信号输入电路输出的四路信号放大，然后再合并为一个输出信号。由于采用了多晶体管放大电路，输入信号的信噪比和输出功率都得到了很大的提高。
51.在实际应用时，为了实现宽带匹配，片上输入匹配电路以及片上输出匹配电路结合了线宽匹配、线长匹配以及分布式匹配网络来设计。具体来说，通过改变微带线的线长以及线宽，来改变微带线的特征阻抗，从而实现了输入和输出阻抗的匹配。此外，通过将微带线和微带电容相结合，形成合适的匹配电路，来实现高频电路的宽带匹配。
52.不同于片上匹配电路的是，片外功率分配电路和片外功率合成电路采用的是线宽匹配、线长匹配以及分段枝节匹配。通过串联多段不同线长以及线宽的微带线，每段的宽度以及长度都根据所需的匹配带宽进行优化，并将它们串联在一起，从而实现更宽的带宽。
53.需要注意的是，微带线匹配时需要考虑高频信号在微带线中的传输特性、微带线的损耗情况、微带线的阻抗匹配和相位匹配等问题。在设计之前需要先对电路进行仿真分析，确定最合适的微带匹配方法，并通过对电路的参数进行逐步调整，最终完成匹配电路的设计和优化。
54.其次是带宽关系，由于电路间互连的带宽确定取决于微带线或同轴电缆等互连方式的工艺特点和结构尺寸。在本专利中，为了获得最佳的带宽关系，同时为了维持合适的信号传输能力，使得信号在传输过程中不损失过多能量，先使用ads对电路的原理图进行了仿真分析，最终得到了满足各电路互连的最佳带宽的原理图。
55.同时，为了获得最佳的带宽匹配，在进行匹配设计时，使用的是晶体管模型的简化等效电路进行的带宽匹配，具体来说，在本专利中，使用的是小信号模型，在高频范围内，将晶体管模型看作一个线性的小信号放大器，其等效的电路包括输入电容、输出电容、电流源等元件，同时还考虑了极点、零点和传输线等因素，设计出满足本次专利中所提出的最佳带宽匹配电路。
56.图3为片外功分电路的结构示意图，其各段微带线的取值如下(单位：um)：
57.tl101＝(356*2260)；tl102＝tl103＝(149*3400)；tl104＝tl105＝(356*3600)；
58.tl106＝tl107＝(356*1100)；tl108＝tl109＝tl110＝tl111＝(149*1000)；
59.tl112＝tl113＝tl114＝tl115＝(149*1100)；
60.tl116＝tl117＝tl118＝tl119＝(200*2000)。
61.经过片外功分电路分配后的信号每一路都会有略微的信号衰减，为了补偿信号衰减，在片外功率分配电路后加入匹配电路，经过片外功分电路分配后的信号每一路信号分别进入一路片上输入匹配电路，片上输入匹配电路采用四路相同的电路设计而成，而后将输入的一路信号经过匹配电路后输送至下一级晶体管裸管芯进行信号放大。
62.图4为片上输入匹配电路的结构示意图，其各元件的取值如下(微带线单位：um；电容单位：pf)：
63.tl201＝(73*2310)；tl202＝tl203＝(73*250)；tl204＝tl205＝(73*176)；
64.tl206＝tl207＝tl208＝tl209＝(73*150)；tl210＝tl211＝tl212＝tl213＝(73*811)；
65.tl214＝tl215＝tl216＝tl217＝(73*1279)；tl218＝tl219＝tl220＝tl221＝(73*61)；
66.tl222＝tl223＝tl224＝tl225＝(73*10)；
67.c201＝(0.3058)；c202＝c203＝(0.8357)；c204＝c205＝c206＝c207＝(0.3481)；
68.c208＝c209＝c210＝c211＝(2.2654)；c212＝c213＝c214＝c215＝(1.7069)；
69.c216＝c217＝c218＝c219＝(5.3106)。
70.为了实现高增益、高可靠性和低成本，在晶体管裸管芯输出端，采用片上输出匹配电路，片上输出匹配电路包括多级的匹配电路。通过片上输出匹配电路，可以提高阻抗匹配的精度和协同匹配电路的性能。同时，该匹配电路可以减少反射并对整个单芯片放大器进行最佳阻抗匹配。
71.图5为片上输出匹配电路的结构示意图，其各元件的取值如下(微带线单位：um；电容单位：pf)：
72.tl301＝tl302＝tl303＝tl304＝(73.25*53)；tl305＝tl306＝tl307＝tl308＝(73.25*488)；
73.tl309＝tl310＝tl311＝tl312＝(73.25*142)；
74.tl313＝tl314＝(73.25*171)；tl315＝(73.25*144)；
75.c301＝c302＝c303＝c304＝(2.5165)；c305＝c306＝(0.7193)；c307＝(0.9115)。
76.片外功率合成电路通过串联网络的方式，将多个晶体管输出信号合并并通过共同的输出端口输出，从而实现多个晶体管的功率合成。该片外功率合成电路可以通过使用合适的微带线设计电路来实现高品质的合成功率输出，从而使得准单片放大电路性能更高，片外功率合成电路的设计可以方便将四路信号合并为一个完整的输出信号。
77.图6为片外功率合成电路的结构示意图，其各段微带线的取值如下(单位：um)；
78.tl401＝tl402＝tl403＝tl404＝(1065*2550)；
79.tl405＝tl406＝tl407＝tl408＝tl409＝tl410＝tl411＝tl412＝(234*1500)；
80.tl413＝tl414＝(356*1200)；tl415＝tl416＝(356*1500)；
81.tl417＝tl418＝(356*2500)；tl419＝tl420＝(200*1500)；
82.tl421＝tl422＝(200*800)；tl423＝(450*3000)。
83.最后，图7给出了本实施的准单片集成放大电路整体电路仿真结果。结合仿真结果，可以看出，在8-12ghz范围内，本准单片电路能实现较高且稳定的增益，也即是在所期望的高频宽带范围内，电路能实现较高且稳定的性能增益。
84.在信号传输过程中，随着频率的不断提升，信号会遇到许多问题，例如衰减、干扰、波形变形等。为了解决这些问题，本发明采用分路的方法来提升工作频率及带宽。在高频范围内，信号的传输受到很多因素的影响，如反射、阻抗不匹配、信号衰减等等。这些因素可能会导致信号失真、功耗增大、噪声增加等等问题，严重影响电路的性能和稳定性。为了解决这些难题，本发明通过降低匹配电路复杂度的方法，具体来说就是采用了合适的匹配网络，匹配网络可以将输入和输出电路之间的阻抗匹配到一个合适的值，从而降低反射和噪声。这样就能有效地提高电路的稳定性和性能。
85.本发明的准单片放大电路可以广泛应用于高频范围内的微型或领先实用技术的放大器，特别是在上百瓦级别的功率输出中。同时，该放大电路适用于单一的带宽应用和通
用带宽应用，拥有更广泛的市场适用性。
86.最后应说明的是，以上实施例仅用于说明本专利的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本专利进行了详细的说明，依然可以对前述各种实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行修改或进行替换等，以期获得更好的性能。