專利名稱：含有具有負反饋晶體管的分布式放大器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及放大器，尤其是含有共基極結構晶體管的分布式放大器，具有負反饋。
背景技術：
許多年來，分布式放大器和混頻器已在多種寬帶系統應用——例如微波接收器、寬帶發射機激發器和低噪聲示波器前置放大器——中獲得了廣泛的應用。分布式放大器通常為分布式傳輸線網絡中的放大器單元使用單個晶體管或柵地-陰地結構的多個晶體管。柵地-陰地結構中多個晶體管的傳統結構通常表現出所需要的增益增大，還提供了增益可控性。
參看
圖1，根據現有技術示出分布式放大器10。分布式放大器10具有多個單元(12、14、16)。這些單元(12、14、16)中的每一個都包括第一場效應晶體管(FET)18，它與第二FET 20柵地-陰地連接。單元(12、14、16)中的每一個的第一FET 18和第二FET20的柵地-陰地結構都是第一FET 18共源組態而第二FET 20共柵組態，第一FET 18驅動第二FET 20。單元(12、14、16)中每一個的第二FET 20的漏極22與輸出線電感24相連，后者與具有輸出線終端電阻28的輸出線接地26相連。單元(12、14、16)中每一個的第一FET 18的柵極30與輸入線電感32相連，后者與具有輸入線終端電阻36的輸入線接地34相連。
形成分布式放大器10的單元(12、14、16)中每一個的第一FET 18和第二FET 20的柵地-陰地結構表現出增益的增大。然而，單元(12、14、16)中每一個的第一FET 18和第二FET 20的柵地-陰地結構通常無法改善失真。另外，單元(12、14、16)中每一個的第一FET 18和第二FET 20的柵地-陰地結構不能有效地利用從大約二至二十吉赫茲(GHz)的頻率處的增益。
工作在大約二至二十吉赫茲(GHz)的現有技術的分布式放大器(即微波放大器)——例如圖1所示的分布式放大器10——是做在砷化鎵(GaAs)襯底上的。這些制作在GaAs襯底上的微波放大器的電路元件具有相對較小的值，這樣在GaAs襯底上只需要最小的空間(例如，一nH至二nH的電感通常需要十五微米乘十五微米的面積)。然而，如果分布式放大器是設計用于頻率低于大約三GHz的，則用到的許多電路元件所具有的值在GaAs襯底上需要的空間大于設計用于頻率高于大約十GHz的分布式放大器所用的電路元件(例如，十nH的輸出線電感一般需要六十微米乘六十微米的面積)。因此，設計用于頻率低于大約十GHz的GaAs襯底上的分布式放大器將會用到很多不必要的半導體材料，降低了這種器件的成本效率。
考慮到前述這些，應當理解，需要提高分布式放大器的成本效率，更優選地要提高設計用于頻率低于大約二十GHz——更優選地低于大約十GHz，還更優選地低于大約五GHz，最優選地低于大約二GHz——的分布式放大器的成本效率。此外，需要給出一種線性分布式放大器，它具有足夠的帶寬、可控制的終端阻抗和穩定性。而且，從附圖、前述本發明的背景和下面優選示例性實施方案的詳細描述，以及所附權力要求中，熟練的技術人員將能很明顯地看出其它所具有的特征。
附圖簡述以下將結合附圖描述本發明，其中相似的數字代表相似的元件，以及圖1為根據現有技術的分布式放大器的示意性電路圖；圖2為根據本發明的優選示例性實施方案的分布式放大器的示意性電路圖，該分布式放大器含有多個放大單元并具有負反饋，放大單元具有柵地-陰地結構(cascode configuration)的多個晶體管；圖3是圖2中根據本發明的優選示例性實施方案的多個放大單元中的一個，給出了更詳細的結構；圖4為圖3中根據本發明的優選示例性實施方案的放大單元的多層陶瓷封裝；以及圖5為圖4中根據本發明的優選示例性實施方案的多層陶瓷封裝的多層陶瓷中掩埋的電感。
優選示例性實施方案詳述下面優選實施方案的詳細描述實質上僅僅是示例性的，并不是要限制本發明或申請以及本發明的使用。
參看圖2，示出了根據本發明的優選示例性實施方案的分布式放大器40。優選示例性實施方案的分布式放大器40具有與輸入傳輸線48和輸出傳輸線50相連的N個放大單元(42、44、46)。優選地，N大于二，更優選地大于三，最優選地大于或等于三且小于或等于六。N個放大單元(42、44、46)包括與第二晶體管54成柵地-陰地結構的第一晶體管52。第一晶體管52和/或第二晶體管54優選地為場效應晶體管(FET)，更優選地為高電子遷移率晶體管(HEMT)，最優選地為偽高電子遷移率晶體管(PHEMT)。然而，根據本發明，對第一晶體管52和/或第二晶體管54可使用任何晶體管，例如雙極結晶體管(BJT)。
N個單元(12、14、16)的第一晶體管52和第二晶體管54的柵地-陰地結構中，第一晶體管52為共源組態并且第一晶體管52用于驅動第二晶體管54。N個單元(42、44、46)的第二晶體管54以共柵組態相連而N個單元(42、44、46)的第一晶體管52以共源組態相連。N個單元(42、44、46)的第二晶體管52的漏極56與輸出線電感58相連，后者與具有輸出線終端電阻62的輸出線接地60相連。N個單元(42、44、46)的第一晶體管52的柵極64與輸入線電感66相連，后者與具有輸入線終端電阻70的輸入線接地68相連。N個單元(42、44、46)的第一晶體管52的源極72與第一偏壓電阻(Re1)71相連，第二偏壓電阻(RB1)74和第一偏壓電容(CB1)76并連之后與第一偏壓電阻(Re1)71串連。N個單元(42、44、46)的第二晶體管54的漏極56與N個單元(42、44、46)的第一晶體管52的柵極64與第一反饋回路78相配，N個單元(42、44、46)的第二晶體管54的漏極56和柵極73與第二反饋回路80相配。
更特定地，參見圖3，它給出了分布式放大器40的第一單元42的放大圖，第一晶體管52與第一反饋回路78相配，后者優選地為旁路反饋回路，第二晶體管54與第二反饋回路80相配，后者也優選地為旁路反饋回路。形成第一反饋回路78的旁路反饋回路結構由第一反饋電容(CF1)82與第一反饋電阻(RF1)串連形成。形成第二反饋回路80的旁路反饋回路結構由第二反饋電阻(RF2)和第三反饋電阻(RF3)88串連形成，它們與并連的第二偏壓電容(CB2)90和第二偏壓電阻(RB2)86相連。然而，根據本發明，對于第一反饋回路72和/或第二反饋回路80可使用任何反饋回路結構。
分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42(Gcell)以及N個單元的增益主要取決于第一反饋電阻(RF1)與第一串連反饋電阻(Re1)71之比。更特定地，分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42以及N個單元的增益(Gcell)可表達如下Gcell≈RF1/Re1(1)正如普通的技術人員所能理解的，分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42(Gcell)以及N個單元的增益不是溫度、終端偏壓或DC偏壓的函數。此外，具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的單元的終端阻抗(即，分布式放大器的第一單元42以及N個單元的輸入阻抗(Zin)和輸出阻抗(Zout))是可以控制的，因為終端阻抗主要取決于第一反饋電阻(RF1)84和第一串連反饋電阻(Re1)71。更特定地，分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42以及N個單元的輸入阻抗(Zin)和輸出阻抗(Zout)可表達如下Zin≈(RF1*Re1)/Zout(2)Zout≈(RF1*Re1)/Zin(3)此外，失真的改善大致如下Distortion(失真)＝10log[(gm*Rout)/(RF1/Re1)](4)其中gm為第一晶體管52和第二晶體管54的跨導而Rout為分布式放大器40的輸出負載。
通過選擇特定的電路元件值，分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42以及N個單元可設計成任何頻率和增益。更特定地，分布式放大器中具有此處優選示例性實施方案的詳細描述中所描述的負反饋結構的第一單元42以及N個單元的低頻截止(FLC)可根據下面的關系選擇FLC≈1/(RB1*CB1) (5)反饋回路截止頻率(fc(feedback loop))可根據下面的關系選擇fc(feedback loop)≈1/(RF1*CF1) (6)第二晶體管54的偏壓(Vb2)可根據下面的關系選擇Vb2≈[VCC(RB2/(RB2+RF2))](7)第一晶體管52的偏壓(Vb1)可根據線面的關系選擇Vgs1≈Vb1＝Ids(Rb1+Re1) (8)第一單元42的增益(Gcell)可根據式(1)選擇，為保持穩定性，使用任何可用于電路分析和計算的模擬技術選擇第三反饋電阻(RF3)。
本發明的分布式放大器優選地工作在低于大約二十GHz的頻率下，更優選地工作在低于大約十GHz的頻率下，還優選地工作在低于大約五GHz的頻率下，最優選地工作在低于大約二GHz的頻率下。因此，本發明的分布式放大器優選地制作成多層陶瓷器件，更優選地制作成低溫共燒陶瓷(LTCC)，因為多層陶瓷結構使得能夠在相對較小的空間中實現電路元件，包括垂直或水平纏繞的高Q電感。另外，用于分布式放大器的多層陶瓷結構使得有源和無源電路元件之間的互連寄生電抗最小化，并提供用于排出分布式放大器所產生的多余熱量的熱通孔。
參看圖4，示出了根據本發明優選示例性實施方案的用于圖3的分布式放大單元42(即，MLC分布式放大單元)的多層陶瓷(MLC)結構100。優選地，MLC結構100為LTCC。MLC結構100由多層陶瓷(102、104、106、108、110)構成，它們與柵地-陰地結構的第一晶體管52和第二晶體管54相連。第一晶體管52和第二晶體管54優選地利用任何表面裝配技術裝配在多層陶瓷(102、104、106、108、110)的表面110上，并與形成在陶瓷層(102、104、106、108、110)中一層或幾層中的電路元件電相連，在陶瓷層(102、104、106、108、110)中一層或幾層中具有多個穿通孔洞——在這里稱之為通孔。另外，MLC結構100優選地具有空腔120，它具有至少一個、優選地多個用于移除掩埋在多層陶瓷(102、104、106、108、110)中的電元件產生的多余熱能的熱通孔122。
根據本發明優選示例性實施方案，第一晶體管52與輸入線電感掩埋在第一陶瓷層102和第二陶瓷層104中的輸入傳輸線相連，如圖5所示。參見圖5，輸入線電感的第一部分114通過輸入線通路118與輸入線電感的第二部分116相連。第一陶瓷層102和第二陶瓷層104中的跡線的尺寸給出了輸入電感的值。正如所能理解的，這在相對較小的空間中給出了垂直纏繞的高Q電感。
像參考圖5討論的那樣，第二晶體管54與輸入線電感掩埋在陶瓷層(102、104、106、108、110)中的一層或多層中的輸入傳輸線相連。另外，偏壓電容(CB1、CB2)和反饋電容(CF1)優選地以類似于輸入線電感和輸出線電感的方式形成在某一陶瓷層中定位第一平行板，在另一陶瓷層中定位相鄰于第一平行板的第二平行板，它們被另一陶瓷層隔開。例如，電容的第一平行板可掩埋在第二陶瓷層104中，與掩埋在第四陶瓷層108中的第二平行板相鄰，它們之間被第三陶瓷層106隔開。可調整陶瓷層的介電常數和平行板的尺寸以給出電容的值。此外，可在一層或多層陶瓷層中掩埋任何條線形元件或微條形元件以形成圖3所示的放大單元42和圖2所示的分布式放大器40，包括，但不局限于電阻。
正如熟練的技術人員所能理解的，如前面參考圖4和5所描述的通過在MLC結構100的多層陶瓷(102、104、106、108、110)中掩埋電元件而構成的圖3的放大單元42和圖2的分布式放大器40以高成本效率的方式給出了設計用于低于二十GHz、更優選地低于十GHz、還優選地低于5GHz、最優選地低于2GHz的頻率的分布式放大器。此外，圖4和5的MLC結構100給出了用于利用一層或多層陶瓷層(102、104、106、108)中的熱通孔移除多余熱能的結構。另外，利用圖4和5的MLC結構100使得有源和無源元件之間的互連寄生電抗最小化。
從上面的描述可以理解，給出了一種分布式放大器，它顯示了在發明背景和優選示例性實施方案的詳細描述中所提出的顯著優點，也顯示了對于熟練的技術人員來說非常明顯的顯著優點。此外，盡管在前述優選示例性實施方案的描述中介紹了優選示例性實施方案，但是應當理解，實施方案還存在很多種變化。最后，應當理解，這些實施方案僅是優選示例性實施方案，在任何情況下都不是要限制本發明的范圍、適用性或結構。相反地，前面詳細的描述為熟練的技術人員提供了實現本發明優選示例性實施方案的方便途徑。應當理解，只要不偏離權力要求中提出的本發明的精神和范圍，對于示例性優選實施方案中描述的元件的功能和排列，可以作出各種改變。
權利要求
1.一種分布式放大器，包含輸入傳輸線；輸出傳輸線；第一分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第一分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第一柵地-陰地結構的第一晶體管和第二晶體管，第一晶體管與第一反饋回路相配，第二晶體管與第二反饋回路相配；以及第二分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第二分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第二柵地-陰地結構的第三晶體管和第四晶體管，第三晶體管與第三反饋回路相配，第四晶體管與第四反饋回路相配。
2.根據權利要求1的分布式放大器，進一步包含第三分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第三分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第三柵地-陰地結構的第五晶體管和第六晶體管，第五晶體管與第五反饋回路相配，第六晶體管與第六反饋回路相配。
3.根據權利要求2的分布式放大器，進一步包含第四分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第四分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第四柵地-陰地結構的第七晶體管和第八晶體管，第七晶體管與第七反饋回路相配，第八晶體管與第八反饋回路相配。
4.根據權利要求3的分布式放大器，進一步包含第五分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第五分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第五柵地-陰地結構的第九晶體管和第十晶體管，第九晶體管與第九反饋回路相配，第十晶體管與第十反饋回路相配。
5.根據權利要求4的分布式放大器，進一步包含第六分布式放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，第六分布式放大單元在輸入傳輸線和輸出傳輸線之間具有第六柵地-陰地結構的第十一晶體管和第十二晶體管，第十一晶體管與第十一反饋回路相配，第十二晶體管與第十二反饋回路相配。
6.根據權利要求1的分布式放大器，其中所述第一反饋回路包含與第一反饋電容串連的第一反饋電阻。
7.根據權利要求1的分布式放大器，其中所述第二反饋回路包含與第三反饋電阻串連的第二反饋電阻。
8.一種分布式放大器，包含輸入傳輸線；輸出傳輸線；以及N個放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，N個放大單元中的每一個都包含第一晶體管，與所述輸入傳輸線相連；第二晶體管，以柵地-陰地結構與所述第一晶體管相連，并與輸出傳輸線相連；第一反饋回路，與所述第一晶體管相連；以及第二反饋回路，與所述第二晶體管相連。
9.一種分布式放大部分，包含輸入傳輸線；輸出傳輸線；以及N個放大單元，與所述輸入傳輸線和輸出傳輸線相連，N個放大單元中的每一個都包含第一場效應晶體管，連在所述第一傳輸線和輸出傳輸線之間，第一場效應晶體管具有第一柵極、第一源極和第一漏極，第一柵極與第一傳輸線相連；第二場效應晶體管，在所述第一傳輸線和輸出傳輸線之間與所述第一場效應晶體管成柵地-陰地連接，第二場效應晶體管具有第二柵極、第二源極和第二漏極，第二源極與第一漏極相連，第二漏極與輸出傳輸線相連；第一反饋回路，形成在所述第二漏極和第一柵極之間；以及第二反饋回路，形成在所述第二柵極和第二漏極之間。
10.一種多層陶瓷(MLC)分布式放大單元，包含第一晶體管；第二晶體管，以柵地-陰地結構與第一晶體管連接；多個陶瓷層，與第一晶體管和第二晶體管相連，所述多個陶瓷層包含作為這多個陶瓷層中一層或多層的集成部分形成的多個電元件，其中多個電元件中的一個或多個為第一晶體管提供第一反饋回路，為第二晶體管提供第二反饋回路。
11.根據權利要求10的MLC分布式放大單元，其中所述多個陶瓷層為多個低溫共燒陶瓷層(LTCC)。
全文摘要
本發明給出分布式放大器(40)，它包含輸入傳輸線(48)和輸出傳輸線(50)。分布式放大器(40)還包含與輸入傳輸線(48)和輸出傳輸線(50)相連的第一分布式放大單元(42)和第二分布式放大單元(44)。第一分布式放大單元(42)和第二分布式放大單元(44)在輸入傳輸線(48)和輸出傳輸線(50)之間具有成第一柵地－陰地結構的第一晶體管(52)和第二晶體管(54)，第一晶體管(52)與第一反饋回路(78)相配，第二晶體管(54)與第二反饋回路(80)相配。
文檔編號H03F3/60GK1496606SQ02806559
公開日2004年5月12日 申請日期2002年2月20日 優先權日2001年3月15日
發明者安東尼·M·帕維奧, 趙磊, 安東尼 M 帕維奧 申請人:摩托羅拉公司