CN110113015B - 栅极偏置电路及功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于放大器技术领域，提供了一种栅极偏置电路及功率放大器，所述栅极偏置电路，包括：第一偏置电阻，所述第一偏置电阻的第一端用于连接外部直流电源；微带线，所述微带线的第一端与所述第一偏置电阻的第二端连接；第二偏置电阻，所述第二偏置电阻的第一端与所述微带线的第二端连接，所述第二偏置电阻的第二端用于通过所述功率放大器的匹配电路连接所述功率放大器的场效应晶体管的栅极。本发明提供的栅极偏置电路，应用于功率放大器，能够提高功率放大器的线性度。

Description

栅极偏置电路及功率放大器
技术领域
本发明属于放大器技术领域，尤其涉及一种栅极偏置电路及一种功率放大器。
背景技术
目前，半导体功率器件已广泛用于电子制造业，包括计算机领域的笔记本、个人电脑、服务器、显示器和各种外设，网络通信领域的手机、电话和其它终端、局端设备；典型的，以氮化镓(GaN)为基础设计的宽带微波功率放大器及毫米波功率放大器，具备耐高温、抗辐射和大功率等优越性能，应用前景良好。
然而，由于功率放大器的非线性特性，其工作时内部电路中除了基波信号，还会产生三阶交调信号，而三阶交调信号和基波信号较为接近，很难用带通滤波器进行滤除，导致功率放大器的线性度较差，影响通信系统的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种栅极偏置电路及功率放大器，以解决现有的功率放大器存在的线性度较差的问题。
本发明实施例第一方面提供一种栅极偏置电路，应用于功率放大器，包括：
第一偏置电阻，所述第一偏置电阻的第一端用于连接外部直流电源；
微带线，所述微带线的第一端与所述第一偏置电阻的第二端连接；
第二偏置电阻，所述第二偏置电阻的第一端与所述微带线的第二端连接，所述第二偏置电阻的第二端用于通过所述功率放大器的匹配电路连接所述功率放大器的场效应晶体管的栅极；
其中，所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻在接通所述外部直流电源时分别产生第一交流频率信号和第二交流频率信号，所述第一交流频率信号和所述第二交流频率信号用于对所述匹配电路中的三阶交调信号进行调制，以使所述三阶交调信号的幅值与所述匹配电路的基波信号的幅值差变大。
可选的，所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻均为压控电阻。
可选的，所述场效应晶体管为高电子迁移率晶体管。
可选的，所述栅极偏置电路还包括去耦电容，所述去耦电容的第一端与所述第一偏置电阻的第一端连接，所述去耦电容的第二端用于接地。
本发明实施例第二方面提供一种功率放大器，所述功率放大器包括所述的栅极偏置电路。
可选的，所述功率放大器还包括串联连接的用于高通滤波的输入级匹配电路、用于带通滤波的中间级匹配电路和用于低通滤波的输出级匹配电路；
所述输入级匹配电路连接有一个所述栅极偏置电路，所述中间级匹配电路连接有至少一个的所述栅极偏置电路。
可选的，所述中间级匹配电路包括串联连接的第一中间级匹配电路、第二中间级匹配电路和第三中间级匹配电路，所述第一中间级匹配电路、第二中间级匹配电路和第三中间级匹配电路分别连接有至少一个所述栅极偏置电路，所述第一中间级匹配电路、所述第二中间级匹配电路、所述第三中间级匹配电路和所述输出级匹配电路的级间推比为1：2：4：8。
可选的，所述功率放大器还包括漏极偏置电路，所述漏极偏置电路与所述功率放大器的场效应晶体管的漏极连接，用于为所述漏极提供漏极偏置电压。
可选的，所述场效应晶体管的栅极包括两个以上的子栅极，所述栅极的栅宽为所述两个以上的子栅极的栅宽的和。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明在应用于功率放大器的栅极偏置电路中采用第一偏置电阻、微带线和第二偏置电阻串联的结构，第一偏置电阻和第二偏置电阻在栅极偏置电路中产生的第一交流信号和第二交流信号对功率放大器的匹配电路中的三阶交调信号进行调制，使匹配电路中的三阶交调信号的幅值与基波信号的幅值差变大，从而有利于功率放大器对三阶交调信号的有效滤除，本发明能够改善功率放大器的交调失真，提高功率放大器的线性度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的栅极偏置电路的结构框图；
图2是本发明实施例提供的功率放大器的输出电压频谱图；
图3是本发明实施例提供的栅极偏置电路的电路原理图；
图4是本发明实施例提供的一种功率放大器的结构框图；
图5是本发明实施例提供的另一种功率放大器的结构框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的栅极偏置电路的结构框图，图2是本发明实施例提供的功率放大器输出电压频谱图，详述如下：
如图1所示，上述的栅极偏置电路包括：第一偏置电阻100，第一偏置电阻100的第一端用于连接外部直流电源。微带线200，微带线200的第一端与第一偏置电阻的第二端连接。第二偏置电阻300，第二偏置电阻300的第一端与微带线200的第二端连接，第二偏置电阻300的第二端用于通过上述的功率放大器的匹配电路连接上述的功率放大器的场效应晶体管的栅极。
其中，第一偏置电阻100和第二偏置电阻300在接通上述的外部直流电源时分别产生第一交流频率信号和第二交流频率信号，上述的第一交流频率信号和上述的第二交流频率信号用于对上述的匹配电路中的三阶交调信号进行调制，以使上述的三阶交调信号的幅值与上述的匹配电路的基波信号的幅值差变大。
在本发明实施例中，上述的功率放大器中通过上述的场效应晶体管将输入功率进行放大，而上述的场效应晶体管是由上述的匹配电路连接，上述的匹配电路能够实现将上述的场效应晶体管特定的阻抗值变换到上述的场效应晶体管需要的阻抗值，上述的匹配电路由微带线和无源器件组成。在上述的场效应晶体管的栅极输入两个不同的交流信号时，由于上述的场效应晶体管的非线性特性，在上述的场效应晶体管的漏极输出的到上述的匹配电路中的电压中除了有基波分量(W1,W2)，还有与基波分量最为接近的三阶交调信号分量(2W1-W2,2W2-W1)，基波电压用如下公式表示：
V＝ACOS(W1t)+BCOS(W2t)
其中，V为基波的电压，A，B分别为基波的幅值，单位为(dBm)，W1为上述的匹配电路输出的第一基波信号的角频率，W2为上述的匹配电路输出的第二基波信号的角频率。
三阶交调信号用公式表示为：
V1＝A1COS[(2W1-W2)t]+B1COS[(2W2-W1)t]
其中，V1为三阶交调信号的电压，A1，B1分别为三阶交调信号分量的幅值，单位为(dBm)，(2W1-W2)为对应W1信号产生的三阶交调信号分量角频率， (2W2-W1)为对应W2信号产生的三阶交调信号分量角频率。
将基波和三阶交调信号的幅值差称为三阶交调，用IMD3表示，IMD3影响了上述的功率放大器的线性，IMD3越大，上述的功率放大器的线性度越好，上述的场效应晶体管的输出信号中有两个三阶交调信号分量，两个三阶交调信号分量的三阶交调用IMD3A和IMD3B表示，公式为：
IMD3A＝A-A1
IMD3B＝B-B1
IMD3A和IMD3B共同影响场效应晶体管的三阶交调IMD3。
本发明的上述的栅极偏置电路中包含给上述的场效应晶体管的栅极提供电压的直流电压以及因第一偏置电阻100、微带线200和第二偏置电阻300产生的交流电压，微带线200在单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，简称MMIC)的芯片设计中用于连接芯片中的器件，并进行信号传输。在栅极偏置电路中，微带线200将第一偏置电阻100和第二偏置电阻300连接起来，并在上述的栅极偏置电路中进行信号传输，第一偏置电阻100、微带线 200和第二偏置电阻300串联的电路结构，在上述的栅极偏置电路中产生交流频率信号为：
V2＝A2COS[(2W1-W2)t+π]+B2COS[(2W2-W1)t+π]
此交流频率信号V2作用于上述的场效应晶体管的匹配电路中的三阶交调信号V1。其中V2信号中的第一交流频率信号A2COS[(2W1-W2)t+π]和第二交流频率信号B2COS[(2W1-W2)t+π]分别作用于三阶交调信号V1中的第一三阶交调信号分量A1COS(2W1-W2)t和第二三阶交调信号分量B1COS(2W2-W1)t，因为交流频率信号 V2与三阶交调信号V1的相位差为180°，因此交流频率信号V2能降低上述的匹配电路中的三阶交调信号V1的幅值A1，B1。经交流频率信号V2作用后的上述的匹配电路中的三阶交调信号V1的幅值A1，B1为A1'，B1',用公式表示为：
A1'＝A1-A2
B1'＝B1-B2
经交流频率信号V2调制后的三阶交调信号分量的幅值A1',B1'和基波分量幅值A,B的幅值差为：
IMD3A'＝A-A1'
IMD3B'＝B-B1'
与三阶交调信号分量的三阶交调IMD3A和IMD3B相比，IMD3A'和IMD3B' 变大，经交流频率信号V2调制后的场效应晶体管的IMD3'提高，从而改善了场效应晶体管的非线性。
经交流信号V2调制后的三阶交调信号V1'的三阶交调信号分量的幅值 A1',B1'均比与未经交流信号V2调制的三阶交调信号V1的三阶交调信号分量的幅值A1，B1小，上述的匹配电路中的带通滤波电路能够将三阶交调信号V1' 滤除。
场效应晶体管产生的非线性信号中，三阶交调信号和基波最为接近，匹配电路的带通滤波电路很难将其滤除，通过第一偏置电阻100和第二偏置电阻300 调整三阶交调信号的幅值，使三阶交调信号的幅值变小，利用上述的匹配电路的带通滤波器能够将幅值变小的三阶交调信号滤除，改善了三阶交调失真，提高了功率放大器的线性度。
可选的，第一偏置电阻100和第二偏置电阻300均为压控电阻。
在本发明实施例中，第一偏置电阻100和第二偏置电阻300均为压控电阻，此压控电阻为由晶体管等组件组成的具有压控效应的电阻，压控效应为电路中的电压能够控制电阻值在小范围内的变化的现象。
第一偏置电阻100和第二偏置电阻300的阻值影响着栅极偏置电路交流信号的幅值A2和B2，通过第一偏置电阻100与第二偏置电阻300电阻的选取和压控效应的双重作用，能够确定在最大程度上提高功率放大器的IMD3的第一偏置电阻100和第二偏置电阻300的阻值。
参见图3，图3为本发明实施例提供的栅极偏置电路的电路原理图，上述的场效应晶体管为高电子迁移率晶体管。
在本发明实施例中，上述的场效应晶体管为高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transistor，简称HEMT)，如图3所示，交流电源Vin通过HEMT 的栅极G为HEMT提供交流电压，源极S接地，漏极D将HEMT的电压输出到输出端Vout，电阻R1和电容C2并联，组成电阻-电容电路，该电路提高了 HEMT的稳定性，微带线X1连接交流电源Vin和电阻-电容电路，微带线X2 连接电阻-电容电路和栅极G，因HEMT的低温、低电场下的电子迁移率比通常高质量的体半导体的场效应晶体管高1000倍，可实现高速低噪音工作。
可选的，上述的栅极偏置电路还包括去耦电容C1，去耦电容C1的第一端与第一偏置电阻的第一端连接，去耦电容C1的第二端用于接地。
在本发明实施例中，直流电源Vg为上述的栅极偏置电路提供直流电压，去耦电容C1的作用为滤除上述的栅极偏置电路中多余的交流信号，减少上述的栅极偏置电路中的噪声。
参见图4，图4是本发明实施例提供的一种功率放大器的结构框图，如图4 所示，该功率放大器包括上述的栅极偏置电路。详述如下：
在本发明实施例中，功率放大器400包括栅极偏置电路410，还包括串联的匹配电路420和场效应晶体管430，栅极偏置电路410与匹配电路420连接，信号源和功率放大器400输入端连接，为功率放大器400提供交流电压，功率放大器400的输出端与负载连接，为负载提供信号。
参见图5，图5是本发明实施例提供的另一种功率放大器的结构框图，如图5所示，功率放大器500还包括串联连接的用于高通滤波的输入级匹配电路、用于带通滤波的中间级匹配电路和用于低通滤波的输出级匹配电路；上述的输入级匹配电路连接有一个所述栅极偏置电路，上述的中间级匹配电路连接有至少一个所述栅极偏置电路。
在本发明实施例中，功率放大器500的输入级匹配电路520采用高通滤波结构，在一定程度上抑制了低频信号的增益，改善输入驻波比，提高了电路的稳定性，并为功率放大器500的第四级场效应晶体管533提供了足够的驱动能力；中间级匹配电路采用带通滤波结构，实现了电路增益平坦化；输出级匹配电路524采用低通滤波结构，能够降低了匹配电路的耗能，改善了输出驻波比，提高了输出功率和三阶交调，改善了功率放大器500的非线性特性。
功率放大器500采用四级放大结构，在功率放大器500的输入级匹配电路 520上连接有一个栅极偏置电路510，中间级匹配电路连接有至少一个所述栅极偏置电路。
功率放大器500一共有四级场效应晶体管，每级场效应晶体管由匹配电路连接，第一级场效应晶体管530位于输入级匹配电路520和第一中间级匹配电路521之间，第二级场效应晶体管531位于第一中间级匹配电路521和第二中间级匹配电路522之间，第三级场效应晶体管532位于第二中间级匹配电路522 和第三中间级匹配电路523之间，第四级场效应晶体管533位于第三中间级匹配电路523和输出级匹配电路524之间；信号源连接功率放大器500的输入端，负载连接功率放大器500的输出端。
可选的，上述的中间级匹配电路包括串联连接的第一中间级匹配电路521、第二中间级匹配电路522和第三中间级匹配电路523，第一中间级匹配电路521、第二中间级匹配电路522和第三中间级匹配电路523分别连接有至少一个栅极偏置电路511、栅极偏置电路512和栅极偏置电路513，第一中间级匹配电路 521、第二中间级匹配电路522、第三中间级匹配电路523和输出级匹配电路524 的级间推比为1：2：4：8。
在本发明实施例中，上述的中间级匹配电路处于场效应晶体管之间，用于连接场效应晶体管，而功率放大器500采用的是四级放大结构，第一中间级匹配电路521、第二中间级匹配电路522、第三中间级匹配电路523和输出级匹配电路524的级间推比为1：2：4：8。
可选的，功率放大器500还包括漏极偏置电路，漏极偏置电路与功率放大器500的场效应晶体管的漏极连接，用于为上述的漏极提供漏极偏置电压。
在本发明实施例中，上述的漏极偏置电路用于为上述的场效应晶体管的漏极提供漏极偏置电压。
可选的，上述的场效应晶体管的栅极G包括两个以上的子栅极，所述栅极的栅宽为所述两个以上的子栅极的栅宽的和。
在本发明实施例中，上述的场效应晶体管的栅极G采用的是不同于单删指的结构，而是采用场效应晶体管的栅极包括两个以上的子栅极，栅极的栅宽为两个以上的子栅极的栅宽的和，即为多栅指、小栅宽的结构，与单栅指结构在同样的总栅宽的情况下，此结构能够极大的提升功率放大器的增益，功率放大器的可靠性也得到显著提升。
可选的，在输入级匹配电路520的输入端采用电阻-电容电路，简称RC电路，通过电阻电容并联的RC电路能够增加电路的稳定性。
功率放大器利用栅极偏置电路中的第一偏置电阻、微带线和第二偏置电阻串联的结构，改善了功率放大器的非线性，提高了功率放大器的可靠性。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种栅极偏置电路，应用于功率放大器，其特征在于，所述栅极偏置电路包括：
第一偏置电阻，所述第一偏置电阻的第一端用于连接外部直流电源；
微带线，所述微带线的第一端与所述第一偏置电阻的第二端连接；
第二偏置电阻，所述第二偏置电阻的第一端与所述微带线的第二端连接，所述第二偏置电阻的第二端用于通过所述功率放大器的匹配电路连接所述功率放大器的场效应晶体管的栅极；
其中，所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻在接通所述外部直流电源时分别产生第一交流频率信号和第二交流频率信号，所述第一交流频率信号和所述第二交流频率信号用于对所述匹配电路中的三阶交调信号进行调制，以使所述三阶交调信号的幅值与所述匹配电路的基波信号的幅值差变大。
2.如权利要求1所述的栅极偏置电路，其特征在于，所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻均为压控电阻。
3.如权利要求1所述的栅极偏置电路，其特征在于，所述场效应晶体管为高电子迁移率晶体管。
4.如权利要求1至3任一项所述的栅极偏置电路，其特征在于，所述栅极偏置电路还包括去耦电容，所述去耦电容的第一端与所述第一偏置电阻的第一端连接，所述去耦电容的第二端用于接地。
5.一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括如权利要求 1-4中任一项所述的栅极偏置电路。
6.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括串联连接的用于高通滤波的输入级匹配电路、用于带通滤波的中间级匹配电路和用于低通滤波的输出级匹配电路；
所述输入级匹配电路连接有一个所述栅极偏置电路，所述中间级匹配电路连接有至少一个所述栅极偏置电路。
7.如权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，所述中间级匹配电路包括串联连接的第一中间级匹配电路、第二中间级匹配电路和第三中间级匹配电路，所述第一中间级匹配电路、第二中间级匹配电路和第三中间级匹配电路分别连接有至少一个所述栅极偏置电路，所述第一中间级匹配电路、所述第二中间级匹配电路、所述第三中间级匹配电路和所述输出级匹配电路的级间推比为1：2：4：8。
8.如权利要求5至7任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括漏极偏置电路，所述漏极偏置电路与所述功率放大器的场效应晶体管的漏极连接，用于为所述漏极提供漏极偏置电压。
9.如权利要求5至7任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述场效应晶体管的栅极包括两个以上的子栅极，所述栅极的栅宽为所述两个以上的子栅极的栅宽的和。
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