CN111525895A - 一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，该放大器包括PHEMT放大管芯、源极匹配电路、有源偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路，PHEMT放大管芯FET1、源极匹配电路和有源偏置电路集成在GaAs芯片上，输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路由分立器件构成。本发明既可以很好地解决在高低温下放大管参数波动的问题，同时片上有源偏置结构体积远小于混合集成的BJT晶体管，更有利于减小体积、提高产品一致性、降低成本；本发明的放大器具有批量一致性好、体积小、成本低廉、灵活度高、噪声低、工作频段宽以及易于集成使用的优点，进而使得其在组件和微系统中应用更为灵活，使用更为方便。
Description
技术领域
本发明属于低噪声放大器技术领域，具体涉及一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(LNA)作为接收机的关键部件，其性能在很大程度上决定了接收机的接收灵敏度。低噪声放大器尤其是第一级低噪声放大器对整个接收系统至关重要，其性能很大程度上决定着系统的灵敏度。近年来，随着超宽带雷达、超宽带通信系统的发展，对宽频带接收机的需求剧增，进而对宽频带低噪声放大器的需求应运而生。
传统放大器的设计和实现方式一般分为两种，一种是基于集成电路与分立元件的混合集成电路，优点是设计灵活、成本低，缺点是体积大、调试量大；另外一种是单片集成电路，将所有元器件集成在一个芯片上，优点是一致性好、体积小，缺点是开发成本高、受特定工艺限制多。
由于接收机使用时存在的诸如外界温度的波动和整机发热等因素造成的内外部环境的温度波动，低噪声放大器往往被要求能够在一定的温度范围内(例如-55℃～125℃)稳定工作，这就要求其在高低温下的参数波动不能太大。由于在不同的温度下放大管的IV特性曲线和开启电压不同，导致在不同的温度状态下，整个放大器的增益、噪声、功率等参数波动，进而造成整机在不同的温度环境下参数变化较大。
在高低温工作状态下，要保证放大器的工作状态近似恒定，则需要在不同的温度下为放大管提供相应的需求电压。在传统结构的放大器中，为放大管提供栅极电压的方式为电阻分压，而电阻材料在高低温(例如-65℃～150℃)下的IV曲线近似为直线，其电阻近似为恒定值，分压电阻为放大管所提供的电压恒定。在不同的温度状态下，电阻分压的方式给出的电压无法跟随放大器需求的电压而变化，造成高低温下放大器工作电流变化大。
针对这一情况，原有的解决方案一般分为两种：一种是组件或微系统在使用放大器时，额外设计引入相应的温度补偿器件，保证其参数的稳定性。由于温补器件的工艺难度和实现形式，器件本身不能集成在芯片上，这种方式只适合应用于对体积和重量要求不高的场合，同时温补器件种类有限，不能满足所有放大器的指标要求，且成本昂贵，不利于批量生产；另一种解决方案是利用BJT晶体管替代放大器的分压电阻，用混合集成的方式来实现有源偏置电路，为放大管提供电压。该方案可以在不同的温度状态下为放大管芯提供相应的工作电压，能够一定程度上解决放大器在高低温下指标波动的问题，但是BJT晶体管混合集成实现有源偏置时往往调试量较大，器件寄生参数较大，一致性不够好，此外，独立晶体管的体积较大，用以实现的放大器体积大成本高，与小型化轻量化低成本化的趋势不相符合。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种采用芯片集成和混合集成结合方式组建的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，包括PHEMT放大管芯、源极匹配电路、有源偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路，所述PHEMT放大管芯FET1、源极匹配电路和有源偏置电路集成在GaAs芯片上，所述输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路由分立器件构成，所述输入匹配电路、PHEMT放大管芯FET1、负反馈电路和输出匹配电路依次级联连接，所述源极匹配电路与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，所述有源偏置电路分别与负反馈电路及PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
进一步地，所述输入匹配电路包括电容C1和微带线TL1，所述电容C1的一端作为放大器的输入端，另一端通过金丝与微带线TL1连接，所述微带线TL1另一端通过金丝与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
进一步地，所述负反馈电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、电感L1和电感L4，所述电阻R4和电感L4并联连接，且第一端与PHEMT放大管芯FET1的漏极连接，第二端经过串联的电阻R3、电容C2、及电感L1与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
进一步地，所述电阻R4和电感L4并联的第二端经过电感L3与放大器电源连接。
进一步地，所述输出匹配电路包括电容C3和微带线TL2，所述电容C2的一端作为放大器的输出端，另一端通过金丝与微带线TL2连接，所述微带线TL2另一端通过金丝与电阻R4和电感L4的第二端连接。
进一步地，所述源极匹配电路包括串联连接的电阻R5和电感L2，所述电阻R5的另一端与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，所述电感L2的另一端接地。
进一步地，所述电阻R5和/或电感L2由分立器件构成。
进一步地，所述有源偏置电路包括PHEMT放大管芯FET2、电阻R1和电阻R2，所述PHEMT放大管芯FET2的栅极与漏极连接，所述PHEMT放大管芯FET2的漏极经过电阻R2与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接，且还经过电阻R1与放大器电源连接，所述PHEMT放大管芯FET2的源极接地。
进一步地，所述有源偏置电路还包括与所述PHEMT放大管芯FET2级联的PHEMT放大管芯FET3，所述PHEMT放大管芯FET3的栅极与漏极连接，所述PHEMT放大管芯FET3的漏极与PHEMT放大管芯FET2的源极连接，所述PHEMT放大管芯FET3的源极接地。
本发明具有以下有益效果：
本发明将有源偏置电路和源极匹配电路集成在GaAs芯片上，既可以很好地解决在高低温下放大管参数波动的问题，同时片上有源偏置结构体积远小于混合集成的BJT晶体管，更有利于减小体积、提高产品一致性、降低成本；这种方式结合了芯片电路的精度和批量一致性优势以及混合集成电路成本低廉调试灵活的特点，实现的放大器具有批量一致性好、体积小、成本低廉、灵活度高、噪声低、工作频段宽以及易于集成使用的优点，进而使得其在组件和微系统中应用更为灵活，使用更为方便。
附图说明
图1为本发明的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器结构示意图；
图2为本发明实施例中有源偏置集成电路宽带低噪声放大器的原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，包括PHEMT放大管芯、源极匹配电路、有源偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路，所述PHEMT放大管芯FET1、源极匹配电路和有源偏置电路集成在GaAs芯片上，所述输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路由分立器件构成，所述输入匹配电路、PHEMT放大管芯FET1、负反馈电路和输出匹配电路依次级联连接，所述源极匹配电路与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，所述有源偏置电路分别与负反馈电路及PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
本发明不同于传统混合集成放大器中单独封装放大管和分立元件集成的实现方式，创造性的采用单片集成和混合集成结合方式，将混合集成中电路敏感、调试难度大、精度和一致性要求高的源极匹配网络和有源偏置网络与PHEMT放大管芯共同集成在GaAs单片上，再结合其余分立器件来实现有源偏置集成电路宽带低噪声放大器。
本发明将源极匹配网络和有源偏置网络与放大管芯一同集成在GaAs芯片上，形成“准芯片”，大大减小了放大器的体积、提高了产品一致性、降低了生产成本；再将集成的“准芯片”与表贴元件和陶瓷电路组成的输入输出匹配网络和馈电网络级联，实现有源偏置混合集成宽带低噪声放大器。
本发明采用GaAs E-pHEMT工艺设计改进有源偏置负反馈结构放大器芯片，相对于分压电阻，有源偏置可以跟随放大器管芯在高低温下不同的偏置条件提供不同的电压，有效保证偏置电压在温度变化时的稳定性，从而保证电路在宽温度范围内的稳定工作。
本发明同时对放大器电流负反馈和电压负反馈电路做出改进，进一步优化放大器指标，拓宽放大增益带宽。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的输入匹配电路采用分立器件实现，具体包括电容C1和微带线TL1，电容C1的一端作为放大器的输入端，另一端通过金丝与微带线TL1连接，微带线TL1另一端通过金丝与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的负反馈电路采用分立器件实现，具体包括电阻R3、电阻R4、电容C2、电感L1和电感L4，电阻R4和电感L4并联连接，并联结构的第一端与PHEMT放大管芯FET1的漏极连接，并联结构的第二端经过串联的电阻R3、电容C2、及电感L1与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
此外，电阻R4和电感L4并联的第二端还经过电感L3与放大器电源连接。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的输出匹配电路采用分立器件实现，具体包括电容C3和微带线TL2，隔直电容C2的一端作为放大器的输出端，隔直电容C2的另一端通过金丝与微带线TL2连接，微带线TL2另一端通过金丝与电阻R4和电感L4的第二端连接。
本发明中的输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路均由分立器件构成，具体而言，可以采用陶瓷基片、表贴元件及陶瓷微带线来实现。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的源极匹配电路包括串联连接的电阻R5和电感L2，电阻R5的另一端与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，电感L2的另一端接地，在保证电路结构稳定性的同时有效提高放大器的指标。
此外，本发明还可以将电阻R5和/或电感L2由分立器件外接，取代全部集成在GaAs芯片上的方式来实现。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的有源偏置电路包括PHEMT放大管芯FET2、电阻R1和电阻R2，PHEMT放大管芯FET2的栅极与漏极连接，PHEMT放大管芯FET2的漏极经过电阻R2与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接，为PHEMT放大管芯FET1栅极加电，PHEMT放大管芯FET2的漏极还经过限流电阻R1与放大器电源连接，PHEMT放大管芯FET2的源极接地。
此外，本发明还可以在PHEMT放大管芯FET2的源极级联一个PHEMT放大管芯FET3，PHEMT放大管芯FET3的栅极与漏极连接，PHEMT放大管芯FET3的漏极与PHEMT放大管芯FET2的源极连接，PHEMT放大管芯FET3的源极接地。
本发明中PHEMT放大管芯FET1、PHEMT放大管芯FET2和PHEMT放大管芯FET3均采用GaAs E-pHEMT型放大管芯。
本发明将有源偏置电路和源极匹配电路集成在GaAs芯片上，既可以很好地解决在高低温下放大管参数波动的问题，同时片上有源偏置结构体积远小于混合集成的BJT晶体管，更有利于减小体积、提高产品一致性、降低成本。该方式结合了芯片电路的精度和批量一致性优势以及混合集成电路成本低廉调试灵活的特点，实现的放大器具有批量一致性好、体积小、成本低廉、灵活度高、噪声低、工作频段宽以及易于集成使用的优点，这些特征使得其在组件和微系统中应用灵活，使用方便。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，包括PHEMT放大管芯、源极匹配电路、有源偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路，所述PHEMT放大管芯FET1、源极匹配电路和有源偏置电路集成在GaAs芯片上，所述输入匹配电路、输出匹配电路和负反馈电路由分立器件构成，所述输入匹配电路、PHEMT放大管芯FET1、负反馈电路和输出匹配电路依次级联连接，所述源极匹配电路与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，所述有源偏置电路分别与负反馈电路及PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
2.根据权利要求1所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括电容C1和微带线TL1，所述电容C1的一端作为放大器的输入端，另一端通过金丝与微带线TL1连接，所述微带线TL1另一端通过金丝与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
3.根据权利要求1所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述负反馈电路包括电阻R3、电阻R4、电容C2、电感L1和电感L4，所述电阻R4和电感L4并联连接，且第一端与PHEMT放大管芯FET1的漏极连接，第二端经过串联的电阻R3、电容C2、及电感L1与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述电阻R4和电感L4并联的第二端经过电感L3与放大器电源连接。
5.根据权利要求3所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括电容C3和微带线TL2，所述电容C2的一端作为放大器的输出端，另一端通过金丝与微带线TL2连接，所述微带线TL2另一端通过金丝与电阻R4和电感L4的第二端连接。
6.根据权利要求1、3、4、5任一所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述源极匹配电路包括串联连接的电阻R5和电感L2，所述电阻R5的另一端与PHEMT放大管芯FET1的源极连接，所述电感L2的另一端接地。
7.根据权利要求6所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述电阻R5和/或电感L2由分立器件构成。
8.根据权利要求3或5所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述有源偏置电路包括PHEMT放大管芯FET2、电阻R1和电阻R2，所述PHEMT放大管芯FET2的栅极与漏极连接，所述PHEMT放大管芯FET2的漏极经过电阻R2与PHEMT放大管芯FET1的栅极连接，且还经过电阻R1与放大器电源连接，所述PHEMT放大管芯FET2的源极接地。
9.根据权利要求8所述的有源偏置集成电路宽带低噪声放大器，其特征在于，所述有源偏置电路还包括与所述PHEMT放大管芯FET2级联的PHEMT放大管芯FET3，所述PHEMT放大管芯FET3的栅极与漏极连接，所述PHEMT放大管芯FET3的漏极与PHEMT放大管芯FET2的源极连接，所述PHEMT放大管芯FET3的源极接地。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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