專利名稱：寬帶高功率反饋結構放大器的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種具有新型反饋結構的功率放大器(后簡稱功放)設計。
背景技術：
反饋結構常被用于放大器設計以增加帶寬，提高線性度等。它還有利于增進輸入輸出阻抗匹配。通常的反饋結構包括一個電阻和一個隔直電容。它連接晶體管的輸入輸出，多被用作負反饋。用于低功率電路時，反饋結構常被置于離散電路中的印刷電路板上或者集成電路的襯底上。反饋電阻的額定功率一般很低。功率放大器中的晶體管常用凸緣架封裝，因為這種封裝可以使晶體管晶片散熱好，而且容易安放在金屬支架上。但是這種封裝比一般低功率電路使用的封裝體積大。如果反饋結構是放在印刷電路板上的，電路布線必須繞過凸緣架封裝，所以整個反饋路徑很長，從而增加相位延遲，導致高頻時負反饋變為正反饋，放大器就會工作不穩定，甚至震蕩。由于硅晶體管中電子移動速度較慢，使用硅晶體管的寬帶功放一般最高只能用到IGHz頻率。新出現的GaN晶體管能輸出很高功率，也可以達到很高頻率。如果長反饋路徑的反饋結構用在GaN晶體管上，GaN晶體管的在高頻時的大增益很容易導致震蕩發生。將軸向電阻架在凸緣架封裝的晶體管上可以縮短反饋路徑。具體做法是，把一個電容貼在晶體管的一側，軸向電阻的一腳連接電容，一腳連接晶體管的另一側。但是這樣軸向電阻只能向空氣中散熱，限制了電路的功率承載能力。為避免這種情況，電阻體積必須增大。增加的電阻長度又會導致更大的相位延遲，限制反饋結構保持負反饋的頻率范圍，從而限制放大器的穩定工作帶寬。本發明專利提出了一種全新的反饋結構。它使用一種非常緊湊的散熱結構，從而使反饋路徑長度降到最低，保證寬帶功放在很高頻率輸出大功率時仍保持無條件的穩定。
發明內容
本發明專利涉及一種具有新型反饋結構的功率放大器。在一種實施例中，該放大器被證實可以在20MHz-2500MHz的超寬帶寬內輸出超過20W的功率。它結合了一種新型功率晶體管——GaN晶體管——和一種獨特的高功率反饋結構的優點。GaN晶體管有很高的擊穿電壓和比其他傳統晶體管大的多的匹配阻抗，很適合用于寬帶放大器。使用GaN晶體管，放大器可以在更寬的頻帶輸出更高的功率。本發明專利提供的反饋結構可以大量散熱，并且把相位延遲減到最小，從而使GaN晶體管的優點得到充分發揮。該反饋結構包括一個金屬橋和一個貼在橋上的功率電阻。此金屬橋跨過凸緣架封裝的晶體管。橋的兩腳都有穿孔，螺絲通過穿孔把金屬橋一面貼著晶體管固定在金屬支架上。功率電阻放在金屬橋的不同表面上，電阻引腳一邊連接電路板上的印制線路，另一邊連接一個電容。在一種實施例中，金屬橋先固定在晶體管的凸緣架封裝上，再固定在金屬支架上。電阻上產生的熱量通過金屬橋和凸緣架封裝發散到金屬支架上。與電阻直接向空氣或電路板散熱相比，這種反饋結構的熱阻抗大大降低，因而可以承載高功率，適用于非常高功率的放大器系統。由于反饋路徑的相位延遲被降低到最小，通過優化匹配網絡，放大器可以在很寬的帶寬內穩定工作。本發明專利是第一個穩定的超寬帶反饋型GaN放大器。特殊的結構和材料使得電阻和金屬支架間的熱阻抗降到最低。在一種實施例中，電阻可以承載大于10瓦的功率。如果增大金屬橋面積或者使用具有更好熱傳導性能的材料作橋，承載功率可以進一步提高。超寬帶放大器中反饋電阻要承載很大功率，因此改善反饋電阻的熱阻抗性能非常有助于提高放大器系統的功率輸出能力。同時，由于電阻是直接架在晶體管上方的，反饋路徑達到最小化。這樣的結構可以用于工作在幾GHz頻率的放大器。反饋放大器的設計不僅可以使用GaN晶體管，本發明專利中的高功率反饋結構還可以配合高性能硅、碳化硅或者GaAs晶體管(如LDMOS或者GaAs MESFET, pHEMT)以及它們的集成電路使用，實現在極寬頻帶內輸出高功率。多級反饋放大器可以級聯以增加放大器的增益。通過優化級聯匹配，多級放大器可以在更寬的帶寬輸出高功率，并且保持無條件穩定。本發明專利的反饋結構還可以增進放大器的線性度。使用這種高功率反饋結構可以實現線性高功率反饋放大器。
下面結合附圖和實施例對本發明專利做進一步說明。圖1是帶有凸緣架封裝的晶體管結構圖。圖2是為反饋電阻散熱用的金屬橋結構圖。圖3是高功率貼片電阻結構圖。圖4是加裝在晶體管上的反饋結構的透視圖。圖5是另一種實施例中加裝在晶體管上的反饋結構的透視圖。圖6是第三種實施例中加裝在晶體管上的反饋結構的透視圖。
具體實施例方式本發明專利描述了一種使用高功率反饋結構的寬帶功率放大器。反饋電阻可以使有源器件在較寬的頻率范圍內增益平坦，并改善輸入輸出的阻抗匹配。把貼片功率電阻置于一個金屬橋上作為反饋電阻，可以提高電阻的功率承載能力。再把這個金屬橋架在有源器件的上方以縮短反饋路徑，就構成了一種高功率反饋結構。一個高功率有源器件結合這樣一種反饋結構，可以制成高功率寬帶放大器。放大器中的有源器件把輸入端的小信號放大成大信號輸出。該有源器件可以是一個晶體管，也可以是集成電路。在推薦的實施例中，由一個晶體管構成有源器件。多數大功率晶體管都使用凸緣架封裝，如圖1所示。在圖1中，晶體管100有一個金屬基底101和一個陶瓷部分。陶瓷部分包括一個陶瓷圍墻103和一個陶瓷蓋板104。金屬引腳105和107穿過陶瓷部分輸入和輸出射頻和直流信號。引腳107在輸入端，引腳105在輸出端。在基底101上方，陶瓷部分102內部，有一個或多個晶體管晶片或者IC (集成電路)。金屬基底101上有挖空區域106。有些實施例中穿孔代替了挖空區域106。螺絲穿過挖空區域106把整個封裝固定在金屬支架上。這種結構有良好的散熱效果。在其他實施例中，晶體管使用無凸緣封裝，即金屬基底的尺寸與陶瓷部分相同。圖2所示的實施例中，金屬橋200的規格與晶體管相匹配。金屬橋中央有個凹槽201，可以容納凸緣架封裝晶體管的陶瓷部分102。橋的凹槽201比凸緣架封裝的陶瓷部分102高，這樣當金屬橋200架在凸緣架封裝100上時，凹槽上端202和陶瓷蓋板104上方保留有間隙。在橋柱204上打穿孔203。這些穿孔的位置與凸緣架封裝上的挖空區域106匹配。金屬橋的形狀并不局限于反“U”形。在其他實施例中，它可以只有一個橋柱和一個螺孔，象一個金屬塊。在其他實施例中，橋也可以用其他導熱性好的非金屬材料制成。高功率電阻300用作反饋電阻。高功率電阻300可以在正面兩端加金屬焊盤302和304，如圖3(a)所示，也可以在背面加焊盤301，如圖3(b)所示。電阻體303通常用AlN或者BeO襯底制成。這樣的電阻襯底有很高的熱傳導率，可以很好地散熱。電阻300貼在橋200上或者貼在橋上的環氧樹脂上。橋200可以用鋁、銅或者其他材料制成。銅是較好選擇，因為銅具有很高的導熱率和合理的價格。橋表面可以鍍鎳或者其他材料，以方便電阻焊接，同時保護橋體不受腐蝕和氧化。在圖4所示的實施例中，橋200，電阻300和晶體管100 —起裝配在支架401上。螺絲402穿過橋200的橋柱204和晶體管封裝基底101上的挖空區域106，將橋200和晶體管100 —起固定在支架401上。電阻300貼在橋200的上表面。輸入印制線405印在輸入印制電路板403上，輸出印制線406印在輸出印制電路板404上。在一種實施例中，一個陶瓷電容407放在輸入印制線405上，電容的一面408焊在線405上，另一面409和電阻300的焊盤304通過一根金屬絲410連接，電阻300的另一個焊盤302通過金屬絲411連在輸出印制線406上。在其它的實施例中，電容407可以是其它種類的電容，如鉭電容或者電解電容。金屬絲410和411可以用金屬帶或者印制電路線代替。橋200的橋柱204直接接觸凸緣架封裝的基底101，基底101接觸支架。接觸面之間可以填充導熱膠或者其它填充物以排除空氣間隙。這樣就在電阻襯底303到橋200，再通過橋柱204和凸緣架封裝基底101直到支架401之間為電阻300提供了一條散熱通路。熱量最終導入支架所連接的散熱片上。在圖5所示的實施例中，電阻300貼在橋200的底面。電阻300位于橋200的凹槽201中，焊在橋200的內表面202上。金屬絲410把電阻的一端連在電容407上；金屬絲411把電阻的另一端連在輸出印制線406上。在圖6所示的實施例中，電阻300位于橋200的側面，貼在橋200的橋柱204上。金屬絲410把電阻的一端連在電容407上；金屬絲411把電阻的另一端連在輸出印制線406上。電容407用于隔斷從晶體管輸出端到輸入端的直流電壓。金屬絲410連接輸入印制線405和電阻300的焊盤304 ;金屬絲411連接電阻300的焊盤302和電容的上端409。在其它實施例中，隔直電容放在晶體管封裝內部，則反饋結構不包括隔直電容。在另外的實施例中，電阻可以采用軸向電阻。也可以把環氧樹脂貼在金屬橋表面，將熱量通過橋導入支架。在另外的實施例中，晶體管的封裝基底可以與陶瓷部分尺寸相同。這樣，金屬橋跨過晶體管直接連在支架上。
在一種實施例中，晶體管100是氮化鎵(GaN)晶體管。放大器頻率范圍達到20MHz到2500MHz。在整個帶寬內，輸出功率都達到了 20瓦以上。其它實施例還可能實現更好的性能。由于反饋路徑長度降到了最低，放大器可以在寬頻帶內穩定工作。本專利發明中的放大器是第一款寬帶穩定高功率GaN反饋放大器。晶體管也可以使用其它類型的晶體管。本專利發明中的反饋結構可以配合硅、碳化硅或者GaAs晶體管(如LDMOS或者GaAs MESFET, pHEMT)以及它們的集成電路使用，實現在極寬頻帶內輸出高功率。盡管本發明專利給出多種實施例，熟悉這個技術領域的技術人員仍可以對實施例加以簡單變化以實現本發明專利提到的有益效果。這些顯而易見的變化都已經涵蓋在本發明專利中。
權利要求
1.一種寬帶反饋功率放大器，由一個有源器件和一個反饋結構構成；反饋結構由一個橋和一個電阻構成，電阻貼在橋上，橋跨在有源器件上。
2.根據權利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是GaN(氮化鎵)器件。
3.根據權利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是硅器件。
4.根據權利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是晶體管。
5.根據權利要求1所述的放大器，其特征是有源器件是集成電路。
6.根據權利要求1所述的放大器，其特征是有源器件采用凸緣架封裝。
7.根據權利要求1所述的放大器，其特征是橋用金屬制成。
8.根據權利要求1所述的放大器，其特征是橋用高導熱率的非金屬材料制成。
9.根據權利要求1所述的放大器，其特征是橋至少有一個凹槽。
10.根據權利要求1所述的放大器，其特征是橋是一個不帶凹槽的模塊。
11.根據權利要求1所述的放大器，其特征是電阻是表面貼片電阻。
12.根據權利要求1所述的放大器，其特征是電阻貼在橋的上表面。
13.根據權利要求1所述的放大器，其特征是電阻貼在橋的內表面。
14.根據權利要求1所述的放大器，其特征是電阻貼在橋的側面。
15.一種功率放大器用的反饋結構，包括一個橋和一個電阻，電阻貼在橋上。
16.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是橋跨在有源器件上。
17.根據權利要求16所述的反饋結構，其特征是有源器件是GaN(氮化鎵)器件。
18.根據權利要求16所述的反饋結構，其特征是有源器件是硅器件。
19.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是橋用金屬制成。
20.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是橋用高導熱率的非金屬材料制成。
21.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是橋至少有一個凹槽。
22.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是橋是一個不帶凹槽的模塊。
23.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是電阻是表面貼片電阻。
24.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是電阻貼在橋的上表面。
25.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是電阻貼在橋的內表面。
26.根據權利要求15所述的反饋結構，其特征是電阻貼在橋的側面。
全文摘要
一種新型的高功率反饋結構的寬帶功率放大器。反饋結構廣泛應用于放大器設計，以增加放大器帶寬。傳統上反饋電阻或著使用軸向電阻，焊在晶體管上方，或者用貼片電阻及印刷電路板上的線路構成整個反饋通路。但是，這兩種方式都有各自的局限性。軸向電阻散熱能力差，不能夠承載高功率。印刷電路板上的反饋通路很長，在高頻時變成正反饋，容易引起震蕩，因此使用這種反饋方式的放大器的穩定工作頻段不能達到很高頻率。本發明專利提出的反饋結構有很好的散熱途徑和很短的反饋路徑，可以工作在很高頻率。我們已經成功地將這個反饋結構應用于一種具有低寄生電容和高匹配阻抗的新型功率晶體管——氮化鎵晶體管，制造出具有極高輸出功率和極寬帶寬的功率放大器，并通過優化匹配網絡進一步提升了功放的性能和穩定性。我們已經證明使用這個負反饋結構的功放可以在很寬的頻帶內達到無條件穩定。
文檔編號H03F1/32GK103199804SQ20121000376
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者賈鵬程 申請人:廣州程星通信科技有限公司