CN109525203B - 一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器 - Google Patents

一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，包括：输入匹配单元、共源共栅放大单元、输出匹配单元和反馈单元；输入匹配单元、共源共栅放大单元和输出匹配单元依次相连，反馈单元设置在输入匹配单元和输出匹配单元之间，利用集总的方式防止了远超工作带外的谐振可能性。本发明的中频放大器可以在30MHz‑200MHz的频段内实现>24dB的高增益；在整个微波射频频段内实现绝对稳定，而不需要添加额外片外稳定电路，简化了布版；在30MHz‑200MHz的频段内实现<1.5dB的噪声系数；尺寸仅为1000um*800um，非常方便集成在系统中或者相同单元级联使用。

Description

一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器
技术领域
本发明涉及放大器技术领域，尤其是一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器。
背景技术
中频放大器是接收机系统中不可或缺的一部分，接收机系统收到信号后经过低噪声放大器和混频器会产生中频信号，混频器输出的中频信号频率较低并且信号强度很弱，因此需要中频放大器对信号进行大幅度的放大，以满足接收机后面信号处理系统的需求，因此中频放大器的增益是其核心指标。
传统的中频放大器一般基于Si基CMOS工艺制作，这类中频放大器的设计也比较成熟。但是基于Si基CMOS工艺制作的低噪声放大器、驱动放大器和功率放大器等收发系统中的常用组件在噪声、功率和线性度等指标性能上比基于GaAs pHEMT工艺的同类产品要逊色不少，尤其是在系统接收芯片呈现单片化趋势的今天。我们需要在GaAs pHEMT工艺上实现单片接收机系统，因此基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器的设计是很有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，能够集成在同样基于GaAs pHEMT工艺的射频前端接收系统中，形成单片接收系统，可以大大减小系统体积，便于使用且提高长期可靠性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，包括：输入匹配单元、共源共栅放大单元、输出匹配单元和反馈单元；输入匹配单元、共源共栅放大单元和输出匹配单元依次相连，反馈单元设置在输入匹配单元和输出匹配单元之间，利用集总的方式防止了远超工作带外的谐振可能性。
优选的，输入匹配单元包括第一电感L1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、栅级供电电压Vg和第二电容C2；第一电感L1与第一电阻R1、第一电容C1、栅级供电电压Vg依次相连后接地，第二电阻R2并联在第一电阻R1和第一电容C1的两端，第三电阻R3的一端连接在第一电容C1与栅级供电电压Vg之间，另一端连接第二电容C2后接地。
优选的，共源共栅放大单元包括第一共源级放大晶体管PHEMT1、第二共栅级放大晶体管PHEMT2、第二电感L2、第四电阻R4和第三电容C3；第一共源级放大晶体管PHEMT1的源极直接接地，第一共源级放大晶体管PHEMT1的漏极连接第二电感L2后连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极，第四电阻R4与第三电容C3相连，一端连接在第二电感L2与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极的之间，另一端直接接地。
优选的，输出匹配单元包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4和第五电容C5；第五电阻R5和第四电容C4相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的栅极，另一端直接接地；第六电阻R6和第五电容C5相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与信号输出之间，另一端直接接地。
优选的，反馈单元包括第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3；第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3依次相连，一端连接在第一电感L1与第一共源级放大晶体管PHEMT1的栅极之间，另一端连接在第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与第六电阻R6之间。
优选的，还设置有分压单元，包括第七电阻R7和第八电阻R8；第七电阻R7和第八电阻R8相串联，一端直接接地，另一端与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极相连。
本发明的有益效果为：本发明的中频放大器可以在30MHz-200MHz的频段内实现>24dB的高增益；在整个微波射频频段内实现绝对稳定，而不需要添加额外片外稳定电路，简化了布版；在30MHz-200MHz的频段内实现<1.5dB的噪声系数；尺寸仅为1000um*800um，非常方便集成在系统中或者相同单元级联使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的中频放大器的增益特性示意图。
图3为本发明的中频放大器的噪声特性示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，包括：输入匹配单元、共源共栅放大单元、输出匹配单元和反馈单元；输入匹配单元、共源共栅放大单元和输出匹配单元依次相连，反馈单元设置在输入匹配单元和输出匹配单元之间。
输入匹配单元包括第一电感L1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、栅级供电电压Vg和第二电容C2；第一电感L1与第一电阻R1、第一电容C1、栅级供电电压Vg依次相连后接地，第二电阻R2并联在第一电阻R1和第一电容C1的两端，第三电阻R3的一端连接在第一电容C1与栅级供电电压Vg之间，另一端连接第二电容C2后接地。输入匹配单元可以滤除高频杂波并保证全频带内放大器处于绝对稳定状态。
共源共栅放大单元包括第一共源级放大晶体管PHEMT1、第二共栅级放大晶体管PHEMT2、第二电感L2、第四电阻R4和第三电容C3；第一共源级放大晶体管PHEMT1的源极直接接地，第一共源级放大晶体管PHEMT1的漏极连接第二电感L2后连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极，第四电阻R4与第三电容C3相连，一端连接在第二电感L2与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极的之间，另一端直接接地。第二电感L2的主要作用是匹配第一共源级放大晶体管PHEMT1的输出阻抗和第二共栅级放大晶体管PHEMT2的输入阻抗，第四电阻R4和第三电容C3的作用是去除高频杂波，保证放大器稳定。
输出匹配单元包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4和第五电容C5；第五电阻R5和第四电容C4相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的栅极，另一端直接接地；第六电阻R6和第五电容C5相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与信号输出之间，另一端直接接地。在保证工作频段的性能前提下，输出匹配单元尽量压制带外杂波，保证信号的完整性。
反馈单元包括第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3；第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3依次相连，一端连接在第一电感L1与第一共源级放大晶体管PHEMT1的栅极之间，另一端连接在第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与第六电阻R6之间。反馈单元保证带内增益的同时在低频实现较低的噪声，以保证信号的纯净度。
还设置有分压单元，包括第七电阻R7和第八电阻R8；第七电阻R7和第八电阻R8相串联，一端直接接地，另一端与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极相连。分压单元用于给PHEMT2提供偏置电压。
中频放大器工作在30MHz-200MHz的低频区域，因此隔直电容和扼流电感需要在片外放置。
如图2所示，为中频放大器的增益特性示意图。其中，横坐标为频率，单位是MHz；纵坐标为增益，单位是dB，可见在30MHz-200MHz的频率范围内，中频放大器的增益>24dB。
如图3所示，为中频放大器的噪声特性示意图。其中，横坐标为频率，单位是MHz；纵坐标为噪声，单位是dB，可见在30MHz-200MHz的频率范围内，中频放大器的噪声<1.5dB。
本发明中，电路的左侧为信号输入端口，信号经过外部隔直电容进入放大器内部，第一共源级放大晶体管PHEMT1之前为输入匹配部分，主要作用是优化驻波的同时保证放大器绝对稳定；第一共源级放大晶体管PHEMT1与第二共栅级放大晶体管PHEMT2组成共源共栅放大核心，提供放大器的增益；并且通过第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3串联来组成第二共栅级放大晶体管PHEMT2到第一共源级放大晶体管PHEMT1的信号负反馈链路，来保证增益的平坦度和低频噪声特性；第二共栅级放大晶体管PHEMT2右侧为输出匹配电路及分压电路，中频放大器有两个供电，分别是VD和VG，用于提供两个管子PHEMT1和PHEMT2的直流偏置点。同样的，输出端需要外部扼流电感和输出外部隔直来保证直流信号馈入电路的同时保证信号正常输出。

Claims (6)

1.一种基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，包括：输入匹配单元、共源共栅放大单元、输出匹配单元和反馈单元；输入匹配单元、共源共栅放大单元和输出匹配单元依次相连，反馈单元设置在输入匹配单元和输出匹配单元之间，所述共源共栅放大单元包括第一共源级放大晶体管PHEMT1、第二共栅级放大晶体管PHEMT2和第二电感L2，第一共源级放大晶体管PHEMT1的漏极连接第二电感L2后连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极。
2.如权利要求1所述的基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，输入匹配单元包括第一电感L1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、栅级供电电压Vg和第二电容C2；第一电感L1与第一电阻R1、第一电容C1、栅级供电电压Vg依次相连后接地，第二电阻R2并联在第一电阻R1和第一电容C1的两端，第三电阻R3的一端连接在第一电容C1与栅级供电电压Vg之间，另一端连接第二电容C2后接地。
3.如权利要求1所述的基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，所述共源共栅放大单元还包括第四电阻R4和第三电容C3，第一共源级放大晶体管PHEMT1的源极直接接地，第四电阻R4与第三电容C3相连，一端连接在第二电感L2与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的漏极之间，另一端直接接地。
4.如权利要求1所述的基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，输出匹配单元包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4和第五电容C5；第五电阻R5和第四电容C4相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的栅极，另一端直接接地；第六电阻R6和第五电容C5相连，一端连接到第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与信号输出之间，另一端直接接地。
5.如权利要求1所述的基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，反馈单元包括第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3；第九电阻R9、第六电容C6和第三电感L3依次相连，一端连接在第一电感L1与第一共源级放大晶体管PHEMT1的栅极之间，另一端连接在第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极与第六电阻R6之间。
6.如权利要求1所述的基于GaAs pHEMT工艺的中频放大器，其特征在于，还设置有分压单元，包括第七电阻R7和第八电阻R8；第七电阻R7和第八电阻R8相串联，一端直接接地，另一端与第二共栅级放大晶体管PHEMT2的源极相连。
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