CN108282152A - 高频放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频放大器，其在宽频带范围内在确保工作稳定性的同时得到低失真特性。该高频放大器包括：第1晶体管(Tr1)，其源极接地；第2晶体管(Tr2)，其与第1晶体管构成栅地‑阴地放大器电路；串联电路，其连接于第2晶体管栅极和接地之间，且第1电阻元件(R1)及串联共振电路(相当于L1、C1)串联连接；以及第2电阻元件(R2)，其与串联电路并联连接。

Description

高频放大器
本申请是申请日为2013年3月4日、申请号为201310084706.6、发明名称为“高频放大器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种高频放大器，尤其涉及一种栅地-阴地(cascode)型的高频放大器。
背景技术
可获得高的功率增益的栅地-阴地型的高频放大器常被用于有线电视(CATV)等微波功率放大器、毫米频带的功率放大器等。作为这种高频放大器的例子，在专利文献1中记载有如下栅地-阴地放大器电路，即：该栅地-阴地放大器电路为级联有两个晶体管的栅地-阴地放大器电路，具有：第1晶体管，其源极或者发射极接地；第2晶体管，其源极或者发射极与第1晶体管的漏极或者集电极连接；信号改善电路，其连接于第2晶体管的栅极或者基极，改善并输出被输入的信号；以及滤波电路，其与信号改善电路的与第2晶体管相反一侧连接，并使规定频率附近的高频信号短路。在此，更具体而言，信号改善电路是抑制反射增益的电阻，滤波电路是将电感和电容串联连接的串联共振电路。进一步具体而言，滤波电路是开路短截线(open stub)或者短路短截线(short stub)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-68261号公报
发明内容
在本发明中给予以下分析。
然而，用于有线电视的栅地-阴地型的高频放大器被要求对应例如40MHz～1GHz这样的宽频带而放大特性良好。但是，在专利文献1所公开的栅地-阴地放大器电路中，进行工作模拟来看，可判明知无法在宽频带范围内在确保工作稳定性的同时得到低失真特性。
本申请的发明人解析专利文献1所公开的栅地-阴地放大器电路，发现第1晶体管的负载阻抗(前级的第1晶体管和后级的第2晶体管之间的级间阻抗)在低频侧和高频侧有很大不同。即，关于第1晶体管的负载阻抗，在低频侧，借助第2晶体管的栅极电容，不会受到信号改善电路及滤波电路的影响，相当于第2晶体管的1/gm(gm是跨导，例如是3Ω左右的很低的值)。与此相对，在高频侧，经由第2晶体管的栅极电容的信号改善电路及滤波电路的阻抗成为支配地位。由于该情况，第1晶体管的负载阻抗具有大的频率依赖性，因此认为无法在宽频带范围内得到低失真特性，直到创造了本申请发明。
本发明的一个方面(侧面)的高频放大器包括：第1晶体管，其源极接地；第2晶体管，其与第1晶体管构成栅地-阴地放大器电路；串联电路，其连接于第2晶体管的栅极和接地之间，且第1电阻元件及串联共振电路串联连接；以及第2电阻元件，其与串联电路并联连接。
根据本发明，能够在宽频带范围内在确保工作稳定性的同时得到低失真特性。
附图说明
图1是本发明第1实施方式的高频放大器的电路图。
图2是表示本发明第1实施方式的高频放大器的安装的例子的图。
图3是本发明第1实施方式的高频放大器的等效电路和史密斯圆图(smithchart)。
图4是以往的高频放大器的等效电路和史密斯圆图。
图5是表示本发明第1实施方式的高频放大器的失真特性(三阶互调失真-输出)的图。
图6是表示以往的高频放大器的失真特性(三阶互调失真-输出)的图。
图7是表示本发明第1实施方式的高频放大器(a)和以往的高频放大器(b)的S参数及稳定系数Kf的图。
图8是本发明第2实施方式的高频放大器的电路图。
图9是本发明第3实施方式的高频放大器的安装图。
图10是本发明第4实施方式的系统的电路图。
附图标记说明
10 电介质电路板
11 LCR串联电路群
20a、20b 高频放大器
B1、B2 平衡-不平衡变换器
C1～C3、C1a、C1b、C1c 电容元件
IN、IN0 输入端子
L1、L1a、L1b、L1c、L11 电感元件
MC1、MC2 微波单片集成电路
OUT、OUT0 输出端子
R1～R4、R1a、R1b、R1c、R11～R16 电阻元件
Tr1、Tr2 薄膜晶体管
W1 键合线
具体实施方式
以下，概述用于实施本发明的方式。另外，以下概述中附加的附图标记是主要用于帮助理解的例示，并不意图限定图示的方式。
本发明的一个优选方式的高频放大器包括：第1晶体管(图1的Tr1)，其源极接地；第2晶体管(图1的Tr2)，其与第1晶体管构成栅地-阴地放大器电路；串联电路，其连接于第2晶体管的栅极和接地之间，且第1电阻元件(图1的R1)及串联共振电路(相当于图1的L1、C1)串联连接；以及第2电阻元件(图1的R2)，其与串联电路并联连接。
在高频放大器中也可以是，串联共振电路由LC电路构成，串联电路在LC元件之间含有第1电阻元件。
在高频放大器中也可以是，串联共振电路由LC电路构成，串联电路在接地侧含有第1电阻元件。
在高频放大器中也可以是，含有各LC元件的值不同的多个串联电路，各串联电路连接于第2晶体管的栅极和接地之间。
在高频放大器中也可以是，在使第1及第2电阻元件的电阻值分别为R1、R2，使第2晶体管的跨导(transconductance)为gm的情况下，满足1/gm＜R1≦R2＜30/gm。
在高频放大器中也可以是，第1晶体管是GaAs(砷化镓)MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor，金属-半导体场效应晶体管)或者GaAa异质结FET(HJFET:Hetero Junction FET，异质结场效应晶体管)，第2晶体管是GaN(氮化镓)FET。
也可以使半导体器件具有上述高频放大器。
也可以构成为，系统具有两个上述半导体器件，且使各半导体器件推挽工作。
根据以上这样的高频放大器，通过存在第2电阻元件，能够在高频侧减小第1晶体管的负载阻抗的由频率引起的变化。由此，能够在宽频带范围内在确保工作稳定性的同时得到低失真特性。
以下，参照附图详细地说明更具体的实施方式。
(实施方式1)
图1是本发明第1实施方式的高频放大器的电路图。在图1中，高频放大器包括：晶体管Tr1、Tr2、电阻元件R1～R4、电容元件(电容、C元件)C1～C3、电感元件(电感、L元件)L1、输入端子IN、输出端子OUT。
晶体管Tr1是例如GaAsMESFET或者GaAs异质结FET。晶体管Tr1将漏极连接于晶体管Tr2的源极，将栅极连接于输入端子IN，将源极经由电阻元件R3及电容元件C2的并联电路接地，晶体管Tr1作为源极接地晶体管发挥作用。
晶体管Tr2是例如高耐压的GaNFET。晶体管Tr2将漏极连接于输出端子OUT，将栅极经由电感元件L1、电阻元件R1、电容元件C1的串联电路(LCR电路)接地，并且将栅极经由电阻元件R2接地，晶体管Tr2实际上作为栅极接地晶体管发挥作用。
这样的晶体管Tr1构成栅地-阴地放大器电路的前级晶体管，晶体管Tr2构成栅地-阴地放大器电路的后级晶体管。并且，在输入端子IN和输出端子OUT之间连接电阻元件R4和电容元件C3的串联电路作为反馈电路。
在此，LCR电路中的电感元件L1、电容元件C1的常数优选设定为，在放大器的使用频率频带的高频侧的频率fh中，成为式(1)所示的串联共振条件。
L·C＝1/(2π·fh)2···(1)
其中，L是电感元件L1的电感，C是电容元件C1的电容，fh是放大频带的高频侧频率。
另外，如以下式(2)所示，LCR电路内的电阻元件R1的值优选设定为，使晶体管Tr2的栅极虚拟接地的电阻元件R2的值以下，以使前级和后级的级间阻抗的变化变小。
R1≦R2···(2)
然而，若使用晶体管Tr2的跨导gm、栅极和源极间导纳ygs、漏极和源极间导纳yds以及使后级晶体管的栅极虚拟接地的电阻元件R2的值Rg，则栅地-阴地放大器结构的级间阻抗Zin用以下式(3)表示。
根据式(3)，级间阻抗Zin能够在低频范围大致近似1/gm，在高频范围大致近似Rg。据此，若电阻元件R1的值的下限不是1/gm以上，则因为不看作损失因此损害稳定性。
另一方面，若认为相对于低频的失真特性，高频的失真特性的劣化由级间阻抗的增加引起，则期望高频范围的级间阻抗也为1/gm。即，优选电阻元件R1的值的上限也为1/gm左右。但是，能够设置更广的允许范围。例如在CATV信号中，从低频向高频具有10dB的倾斜(Tilt)，因此高频侧的失真特性能够相应地得到改善从而允许失真特性的劣化。若允许高频侧的阻抗是比低频侧高例如30倍的阻抗、即相当于+15dB的值，则电阻元件R1的值的上限变为30/gm。
因以上事项，优选是在使电阻元件R1、R2的电阻值分别为R1、R2(＝Rg)，使晶体管Tr2的跨导为gm的情况下，R1、R2满足以下式(4)。作为一例，在晶体管Tr2为栅极宽度1.6mm的GaNFET，1/gm≒3Ω的情况下，30/gm≒90Ω。
1/gm＜R1≦R2＜30/gm···(4)
接着，对高频放大器的安装进行说明。图2是表示第1实施方式的高频放大器的安装的例子的图。在图2中，与图1相同的附图标记表示相同部件。图1的电路图所表示的各部件配置于电介质电路基板10上。作为前级晶体管芯片的晶体管Tr1和作为后级晶体管芯片的晶体管Tr2之间、以及晶体管Tr1、Tr2和各部件之间利用键合线(bonding wire)连接。在相对于作为通孔的虚拟接地GND2而成为源极接地的晶体管Tr1中使用低失真的GaAsMESFET或者GaAs异质结FET(HJFET)。另外，在后级晶体管Tr2中使用高耐压的GaNFET。
晶体管Tr2的漏极和晶体管Tr1的栅极端子之间利用反馈电路连接，该反馈电路由配置于电介质电路基板10上的芯片状的电阻元件R4和芯片状的电容元件C3的串联电路构成。并且，晶体管Tr2的栅极经由芯片状的电阻元件R2连接于作为通孔的虚拟接地GND3。另外，具有由满足上述公式(1)、(4)的条件的芯片状的电感元件L1、芯片状的电阻元件R1、芯片状的电容元件C1构成的LCR串联电路，该LCR串联电路与将晶体管Tr2连接于虚拟接地GND3的电阻元件R2并联。在此，将电感元件L1表示成芯片状的元件，但也能够利用键合线构成。并且，虚拟接地GND1～GND3直接地接地或者经由电容元件等在使用频率频带实际接地。
接着，与以往技术进行比较来说明以上这样的结构的高频放大器的各种特性。
在图3的(a)中表示在本实施方式的高频放大器中，将栅极宽度2mm的GaAsMESFET用于晶体管Tr1、将栅极宽度1.6mm的GaNFET用于晶体管Tr2而构成栅地-阴地放大器时的等效电路。另外，在图3的(b)中示出表示晶体管Tr1的负载阻抗(级间阻抗)ZL1的频率特性的史密斯圆图。由于与相当于电阻元件R2的虚拟接地的栅极电阻(35Ω)并联地具有在高频侧满足串联共振条件的LCR串联电路(L＝1nH、R＝10Ω、C＝10pF)，因此晶体管Tr1的负载阻抗ZL1在高频侧变低。
因此，能够在高频侧减小前级和后级的级间阻抗ZL1的变化，在宽频带范围内在确保工作稳定性的同时得到低失真特性。根据这样的结构，能够减小前级和后级的级间阻抗ZL1的频率依赖。
在图4的(a)中表示在以往的高频放大器中，构成栅地-阴地放大器时的等效电路。相对于图3的(a)，除去了电阻元件R2，相当于电阻元件R1的电阻元件的值为专利文献1所公开的20Ω。在这种高频放大器中，表示晶体管Tr1的负载阻抗ZL1的频率特性的史密斯圆图如图4的(b)所示。示出相对图3的(b)，前级和后级的级间阻抗ZL1的变化大的情况。
另外，在图5中表示本实施方式的高频放大器的失真特性(三阶互调失真-输出)。图5的(a)是低频侧(50MHz±Δf/2、Δf＝10kHz的2波输入)的失真特性，图5的(b)是高频侧(850MHz±Δf/2、Δf＝10kHz的2波输入)的失真特性。同样地，在图6中表示以往技术的高频放大器的失真特性。表明在本实施方式的高频放大器中，与以往技术相比，失真特性在低频侧改善5dB左右，在高频侧改善10dB左右。
另外，在图7中表示高频放大器的S参数及稳定系数Kf。表示高频放大器(a)和利用以往技术(b)的高频放大器的S参数及稳定系数Kf。可知，例如S21的特性所示那样，若采用本实施方式的高频放大器，则能够在确保稳定性(Kf＞1)的同时，与以往技术相比实现增益的宽频带化。
另外，在本实施方式的高频放大器中，说明了将电阻元件R1插入于电感元件L1及电容元件C1之间的方式。但是，并不限定于这种方式，只要电阻元件R1、电感元件L1、电容元件C1等效地构成串联电路，作为等效电路就是相同的。因此，也可以将电阻元件R1插入相对于电感元件L1及电容元件C1的串联电路的、接地侧或者晶体管Tr2的栅极侧。通过这样适宜地选择电阻元件R1的插入位置，能够提高布局部件时的自由度、能够实现小型化。
(实施方式2)
图8是本发明第2实施方式的高频放大器的电路图。在图8中，与图1相同的附图标记表示相同部件，省略其说明。本实施方式的高频放大器相对于与晶体管Tr2的栅极连接的电阻元件R2，并联连接地具有LCR串联电路群11。LCR串联电路群11构成为并联连接以下串联电路，即：由电感元件L1a、电阻元件R1a、电容元件C1a构成的串联电路(LCR电路)；由电感元件L1b、电阻元件R1b、电容元件C1b构成的串联电路(LCR电路)；以及由电感元件L1c、电阻元件R1c、电容元件C1c构成的串联电路(LCR电路)。
LCR串联电路群11中的三个LCR串联电路中的各LC元件的常数设定成，各自以不同的频率满足串联共振条件。另外，关于三个LCR串联电路中的各自的电阻元件的电阻值，若各自是晶体管Tr2的虚拟接地的电阻元件R2的值以下的范围，则可以设定成不同的值。在满足串联共振条件的各频率下，与实施方式1相同，前级和后级的级间阻抗变小。因此，能够进一步在宽频带范围内减小级间阻抗的频率依赖。由此，能够稳定地在更宽频带的范围内实现放大器的低失真化。
另外，以上示出了LCR串联电路群11由三个LCR串联电路构成的例子。但是，并不限于该例，LCR串联电路群11当然也可以由两个以上的LCR串联电路构成，以使得在期望的频率频带得到规定的特性。
(实施方式3)
图9是本发明第3实施方式的高频放大器的安装图。在图9中，与图2相同的附图标记表示相同的部件，省略其说明。本实施方式的高频放大器包括微波单片集成电路(Microwave Monolithic Integrated Circuit)MC1、MC2和外置电容元件C2。微波单片集成电路MC1搭载晶体管Tr1、电阻元件R3。微波单片集成电路MC2搭载晶体管Tr2、电阻元件R1、R2、电感元件L1、电容元件C1。晶体管Tr1的漏极和晶体管Tr2的源极借助键合线W1连接。另外，在此不需要反馈电路。
利用这种结构的高频放大器，易于进行高精度的设计和改善，可谋求电路的小型化。
并且，在毫米波用的高频放大器中，也能够将LC电路替换为开路短截线或者短路短截线。但是，在为开路短截线的情况下，电阻元件R1的插入位置限定为晶体管Tr2的栅极侧。另外，在为短路短截线的情况下，电阻元件R1的插入位置限定为晶体管Tr2的栅极侧或者接地侧。
(实施方式4)
图10是本发明第4实施方式的系统的电路图。在图10中，与图1相同的附图标记表示相同部件，省略其说明。本实施方式的系统包括：高频放大器20a、20b、电阻元件R11～R16、平衡-不平衡变换器(变压器)B1、B2、电感元件L11、输入端子IN0、输出端子OUT0。高频放大器20a、20b是相同的结构，与图1所示的高频放大器相同。
将平衡-不平衡变换器B1的输入侧绕组的一端接地，另一端连接于输入端子IN0。将平衡-不平衡变换器B1的输出侧绕组的一端及另一端分别连接于各高频放大器20a、20b内的晶体管Tr1的栅极。
将平衡-不平衡变换器B2的输入侧绕组的一端及另一端分别连接于各高频放大器20a、20b内的晶体管Tr2的漏极。将平衡-不平衡变换器B2的输出侧绕组的一端接地，另一端连接于输出端子OUT0。
电源Vcc经由将信号的交流成分截断的电感元件L11而被提供给平衡-不平衡变换器B2的输入侧绕组的中点。并且，平衡-不平衡变换器B2的输入侧绕组的中点通过电阻元件R11、R12的串联连接而被分割，分割点连接于高频放大器20a、20b内的电阻元件R2的虚拟接地侧。另外，平衡-不平衡变换器B2的输入侧绕组的中点通过电阻元件R13、R14的串联连接而被分割，分割点分别经由电阻元件R15、R16而分别连接于高频放大器20a、20b内的晶体管Tr1的栅极。
在这种结构的系统中，经由电感元件L11向高频放大器20a、20b提供电源Vcc。并且，电阻元件R13、R14的分割点的电位作为偏压被提供给晶体管Tr1的栅极。另外，电阻元件R11、R12的分割点的电位作为偏压被提供给晶体管Tr2的栅极。
以上系统构成为，并联连接高频放大器20a、20b，使用平衡-不平衡变换器(变压器)B1、B2使高频放大器20a、20b的输入输出推挽工作。利用这样的系统，达到饱和的输出振幅通过推挽工作变为2倍。并且，输出信号中的二阶失真通过推挽工作而被消除。这样的系统适宜作为对应例如40MHz～1GHz的宽频带的CATV模块。
另外，在本说明书中以引用来编入上述的专利文献等各公示。在本发明的全部公示(包括权利要求书)范围内，能够进一步基于该基本的技术思想，进行实施方式或实施例的变更、调整。并且，能够在本发明的权利要求书的范围内进行各种公开要素(包括各权利要求的各要素、各实施例的各要素、各附图的各要素等)的多样的组合或者选择。即，本发明当然包括：包含权利要求书的全部公示、本领域技术人员按照该技术思想可得到的各种变形、修改。

Claims (7)

1.一种高频放大器，其特征在于，包括：
第1晶体管，其源极接地；
第2晶体管，其与所述第1晶体管构成栅地-阴地放大器电路；
串联电路，其连接于所述第2晶体管的栅极和接地之间，且第1电阻元件及串联共振电路串联连接；以及
第2电阻元件，其与所述串联电路并联连接，
所述串联共振电路由LC电路构成，
所述高频放大器还包括各LC元件的值不同的多个所述串联电路，各个所述串联电路连接于所述第2晶体管的栅极和接地之间，
使多个所述串联电路所包含的所述第1电阻元件各自的电阻值为所述第2电阻元件的电阻值以下，且多个所述串联电路所包含的所述第1电阻元件各自的电阻值互不相同，
第1晶体管的栅极连接于输入端子，
第2晶体管的漏极连接于输出端子，
输入端子被输入高频信号，从输出端子输出被放大的所述高频信号。
2.根据权利要求1所述的高频放大器，其特征在于，
在使所述第1电阻元件及第2电阻元件的电阻值分别为R1、R2，使所述第2晶体管的跨导为gm的情况下，满足1/gm＜R1≦R2＜
30/gm。
3.根据权利要求1或2所述的高频放大器，其特征在于，
构成所述串联共振电路的LC电路分别包括第1电感元件和第1电容元件，
所述第1电感元件的值和第1电容元件的值被设定为：在所述高频放大器的使用频率频带的高频侧的频率中为串联共振条件。
4.根据权利要求1或2所述的高频放大器，其特征在于，
所述高频放大器包括第3电阻元件和第2电容元件，
所述第3电阻元件连接于所述第1晶体管的源极和接地之间，
所述第2电容元件连接于所述第1晶体管的源极和接地之间。
5.根据权利要求1或2所述的高频放大器，其特征在于，
所述高频放大器包括第4电阻元件和第3电容元件，
所述第4电阻元件和第3电容元件构成串联连接的反馈串联电路，所述反馈串联电路的一端连接于所述输入端子，另一端连接于所述输出端子。
6.根据权利要求1或2所述的高频放大器，其特征在于，
第2晶体管的耐压低于第1晶体管的耐压。
7.根据权利要求1或2所述的高频放大器，其特征在于，
第1电感元件由键合线构成。
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