CN111756335B - 一种射频增益模块放大器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频增益模块放大器芯片，包括：共发射极放大结构、达林顿放大结构、静态工作点稳定电路，一方面，采用共发射极放大结构和达林顿放大结构级联的方式提高增益，同时也有助于调节并改善增益平坦度，另一方面，其采用了静态工作点稳定电路，稳定了静态点，极大改善了线性度，并减小了电路性能随温度的变化。该增益模块放大器芯片具有结构简单，尺寸小，增益高、增益平坦度好、线性度高、静态功耗低、回波损耗好等优点，提高了增益模块放大器芯片的实用性。
Description
技术领域
本发明属于微电子、半导体及通信技术领域，涉及一种基于GaAs HBT工艺射频增益模块放大器芯片。
背景技术
增益模块是一种通用型射频/微波放大器。增益模块内匹配于系统阻抗50Ω，无需额外的匹配网络设计，可直接级联使用。增益模块广泛用于射频通信、射频测量、射频仪器、雷达、电子对抗等射频收发系统中。
从实现工艺方面，增益模块放大器芯片可以采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺、锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)工艺、砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(GaAspHEMT)工艺和砷化镓异质结双极晶体管(GaAs HBT)等设计。CMOS工艺集成度好、成本低，但存在线性度低、耐压值低的缺点。SiGe HBT工艺既有CMOS工艺的集成度和低成本，又有Ⅲ-Ⅴ化合物工艺在速度方面的优势，但在击穿电压、截止频率和功耗等方面仍有欠缺。GaAspHEMT工艺具有低噪声、高动态范围的优点，但其本征增益较低，也不适合高线性度应用。GaAs HBT工艺功率密度高、电流推动能力强、线性度高，是高功率、高效率、高线性度射频放大器的最佳选择。采用GaAs HBT工艺设计的射频放大器具有高跨导增益、高功率密度、高击穿电压和高线性度等优势，另外，它可以实现单电源供电，因而能够简化电路设计和系统实现的难度，尤其适合高增益、高线性度增益模块放大器芯片的实现。
增益模块是射频收发系统重要组成部分，其主要作用是对载波信号提供第一级放大，为末级功率放大器提供预驱动，增益模块很大程度上决定了发射机发射功率的大小，而功率大小则直接决定了无线通信系统的信号覆盖范围；同时，增益模块的线性度还会直接影响整个系统的线性度，而线性度还会直接影响整个系统的线性度，而线性度的好坏则直接决定了无线通信系统的通信质量。增益模块的性能一定程度上制约着整个射频系统的性能，对整个射频系统技术水平的提高有至关重要的作用。因此，研究高性能射频增益模块放大器芯片具有很大的应用前景和现实意义。
发明内容
本发明提供一种射频增益模块放大器芯片，采用共发射极放大结构和达林顿结构级联电路实现高增益，广泛使用负反馈电路改善放大器增益平坦度，实现宽带匹配。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种射频增益模块放大器，包括：共发射极放大结构、达林顿放大结构、静态工作点稳定电路；
所述共发射极放大结构包括晶体管Q1、电感L2、电阻R1、R2和R6，所述晶体管Q1的基极与隔直电容C3一端连接，所述片外隔直电容C3另一端与射频输入端口连接，所述晶体管Q1的发射极与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2另一端和电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端接地，所述晶体管Q1的集电极通过电阻R1与电源端连接；所述晶体管Q1的集电极与达林顿放大结构输入端直接连接，发射极与静态工作点稳定电路一端连接；
所述达林顿放大结构包括晶体管Q2和Q3、电感L3、电阻R3和R4、电容C5，所述晶体管Q2的基极与共发射极放大结构晶体管Q1集电极连接，所述晶体管Q2发射极与所述晶体管Q3的基极连接，晶体管Q2发射极和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地；所述晶体管Q3的发射极与电阻R4的一端和电容C5的一端连接，所述电阻R4的另一端和电容C5的另一端通过电感L3接地，所述电阻R4和电容C5并联；晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的集电极连接在一起，该连接点通过静态工作点稳定电路与共发射极放大结构晶体管Q1发射极连接，该连接点也通过片外扼流电感L1与电源端Vcc连接，该连接点还与片外隔直电容C4一端连接，片外隔直电容C4另一端与射频输出端口t连接；
所述静态工作点稳定电路包括二极管D1和电阻R5，所述二极管D1正极达林顿放大器结构输出节点连接，负极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端与晶体管Q1的发射极连接；
所述晶体管Q3的基极通过电阻R6与所述晶体管Q1的基极连接；
所述共发射极放大结构和达林顿放大结构组成级联电路。
进一步地，所述共发射极放大结构中包括共发射极负反馈结构，共发射极负反馈结构包括电阻R2和电感L2。
进一步地，所述达林顿放大结构中包括末极负反馈结构，所述末极负反馈结构包括电阻R4、电容C5和电感L3。
进一步地，所述电源端通过电阻R1为共发射极放大结构供电；电源端通过片外扼流电感L1为达林顿放大结构供电；片外扼流电感L1为共发射极放大结构和达林顿放大结构提供射频隔离，而能保证单电源供电；电源端连接片外去耦电容C1、C2的一端，所述片外去耦电容C1、C2的另一端接地。
优选的，所述级联电路为多级串行级联，或，并行级联。
优选的，在所述静态工作点稳定电路中，还可以将多个所述静态工作点稳定电路并联形成新的静态工作点稳定电路。
优选的，在所述静态工作点稳定电路中，还可以多个二极管D1并联。
优选的，在所述静态工作点稳定电路，或，新的静态工作点稳定电路中，二极管D1还可改为晶体管的二极管连接方式，即将晶体管的基极与集电极连接。
本发明与现有技术相比，本发明采用共发射极放大结构和达林顿结构级联的方式提高增益，同时也有助于调节并改善增益平坦度。另一方面，其采用了静态工作点稳定电路，稳定了静态点，极大改善了线性度，并减小了电路性能随温度的变化。
该增益模块放大器芯片具有结构简单，尺寸小，增益高、增益平坦度好、线性度高、静态功耗低、回波损耗好等优点，提高了增益模块放大器芯片的实用性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例的电路原理图。
图2为本发明静态电流随温度变化的仿真结果。
图3为本发明在-55℃、-40℃、25℃、85℃、125℃五温条件下小信号增益随频率变化的仿真结果。
图4为本发明在-55℃、-40℃、25℃、85℃、125℃五温条件下噪声系数随频率变化的仿真结果。
图5为本发明在-55℃、-40℃、25℃、85℃、125℃五温条件下输出1dB功率压缩点随频率变化的仿真结果。
图6为本发明在-55℃、-40℃、25℃、85℃、125℃五温条件下输出三阶交调点随频率变化的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。
本发明提供一种射频增益模块放大器芯片，包括：共发射极放大结构1、达林顿放大结构3、静态工作点稳定电路2。一方面，采用共发射极放大结构和达林顿放大结构级联的方式提高增益，也有助于调节并改善增益平坦度。另一方面，采用了静态工作点稳定电路，稳定了静态点，极大改善了线性度，并减小了电路性能随温度的变化。
下面结合附图，通过具体的实施例对本发明实施例提供的一种射频增益模块放大器芯片的电路原理图进行详细的解释说明。
如图1所示，为实施例的电路原理图，可以看出，所述共发射极放大结构1包括晶体管Q1、电感L2、电阻R1、R2和R6，所述晶体管Q1的基极与隔直电容C3一端连接，片外隔直电容C3另一端与射频输入端口RFinput连接，所述晶体管Q1的发射极与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2另一端和电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端接地，所述晶体管Q1的集电极通过电阻R1与电源端Vcc连接；所述晶体管Q1的集电极与达林顿放大结构输入端连接，发射极与静态工作点稳定电路一端连接；
在本发明的实施例中，共发射极放大结构晶体管Q1的基极偏置电压由达林顿结构通过电阻R6引出。
进一步地，R6既是反馈，又为第一级共发射极放大级提供自偏置。
在本发明的实施例中，电阻R1能够调节偏置电流，改善输入和级间匹配。
可以理解，所述共发射极放大结构中包括共发射极负反馈结构，共发射极负反馈结构包括串联的电阻R2和电感L2。所述共发射极负反馈结构具有调节共发射极放大结构静态工作点，改善输入匹配，负反馈电阻R2也起到镇流电阻的作用，从而改善热稳定性。
所述达林顿放大结构3包括晶体管Q2和Q3、电感L3、电阻R3和R4、电容C5，所述晶体管Q2的基极与共发射极放大结构晶体管Q1集电极连接，集电极通过片外扼流电感L1与电源端Vcc连接，发射极与所述晶体管Q3的基极连接，晶体管Q2发射极和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地，所述晶体管Q3的发射极与电阻R4的一端和电容C5的一端连接，所述电阻R4的另一端和电容C5的另一端通过电感L3接地，所述电阻R4和电容C5并联；晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的集电极连接在一起，该连接点通过静态工作点稳定电路与共发射极放大结构晶体管Q1发射极连接，该连接点也通过片外扼流电感L1与电源端Vcc连接，该连接点还与片外隔直电容C4一端连接，片外隔直电容C4另一端与射频输出端口RFoutput连接；
在本发明的实施例中，晶体管Q2与Q3为典型的达林顿管连接方式，集电极与电源供电端通过片外扼流电感L1连接，使其与共发射极放大结构级联，从而提高芯片增益。
在本发明的实施例中，电阻R3与晶体管Q2的发射极(晶体管Q3的基极)连接，另一端接地，以调节达林顿放大结构第一级晶体管偏置电流，增大功率处理能力。
在本发明的实施例中，电阻R4和电容C5并联，该并联结构又与电感L3串联，在上述这一部分中，电阻R4和电容C5的并联用以抬高放大器高频增益，提高增益平坦度，串联电感L3主要为了改善输出回波损耗，R4调节静态偏置电流并作镇流电阻而改善电路热稳定性。
可以理解，所述达林顿放大结构中包括末极负反馈结构，所述末极负反馈结构包括电阻R4、电容C5和电感L3。
所述静态工作点稳定电路2包括二极管D1和电阻R5，所述二极管D1正极与达林顿放大结构输出节点连接，负极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端与晶体管Q1的发射极连接；
静态工作点稳定电路设计原理如下：当电路受到温度或功率影响导致共发射极放大结构电阻R2和电感L2上的总电流增大时，共发射极放大结构晶体管Q1发射极电压节点电压增大，晶体管Q1基极-发射极结偏置电压减小，晶体管Q1集电极电流减小，从而电阻R5和二极管D1反馈支路电流增大，反馈支路电阻R5压降增大，二极管D1压降减小，反馈支路电流减小。同时，它也能够有效抑制温度变化引起的静态工作点漂移，改善电路性能对温度的敏感性。
电阻R5和二极管D1反馈支路不仅影响电路性能，而且进一步稳定了静态工作点，提高放大器线性度，改善电路稳定性。
可选的，在所述静态工作点稳定电路中，还可以将多个所述静态工作点稳定电路并联形成新的静态工作点稳定电路。
进一步地，在所述静态工作点稳定电路中，还可以多个二极管D1并联。
进一步地，在所述静态工作点稳定电路，或，新的静态工作点稳定电路中，二极管D1还可改为晶体管的二极管连接方式，即晶体管的基极与集电极连接。
在本发明提供的实施例中，所述晶体管Q3的基极通过电阻R6与所述晶体管Q1的基极连接，所述二极管的正极和所述晶体管Q2和Q3的集电极相互连接并连接电容C4；所述共发射极放大结构和达林顿放大结构组成级联电路。
可以理解，所述级联电路为多级串行级联，或，并行级联。
优选的，在本发明提供的实施例中，所述电阻与电源端Vcc连接处还分别连接去耦电容C1、C2的一端，所述去耦电容C1、C2的另一端接地。去耦电容C1、C2能够滤除射频泄露信号和电源杂波，防止信号串扰。
在本发明提供地实施例中，射频信号从隔直电容C3输入，经过由静态工作点稳定电路和负反馈电路配置的共发射极放大结构和达林顿结构级联电路后，由隔直电容C4输出。芯片由单电源Vcc供电。片外扼流电感L1使共发射极放大结构供电端和达林顿结构供电端射频隔离，同时也防止了输出功率泄露。
如图2所示，可以看出，在本发明提供的技术方案中，静态电流随着温度的升高而变大。
如图3所示，可以看出，在本发明提供的技术方案中，在不同的温度下，当频率在0-3GHz时，信号增益基本不变，但频率超过3GHz时，信号的增益开始下降。
如图4所示，可以看出，在本发明提供的技术方案中，在不同的温度下，当频率逐步升高时，噪声系数也开始缓慢的逐步增加，但不同的温度对噪声系数具有一定的影响，温度越高，噪声系数的越大。
如图5所示，可以看出，在本发明提供的技术方案中，在不同的温度下，当频率在0-2.5GHz时，输出1dB功率压缩点基本不变，但频率超过2.5GHz时，输出1dB功率压缩点开始明显下降。
如图6所示，可以看出，在本发明提供的技术方案中，在不同温度下，当频率逐步增加时，三阶交调点随频率的增加而减小。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种射频增益模块放大器芯片，其特征在于，包括：共发射极放大结构、达林顿放大结构、静态工作点稳定电路；
所述共发射极放大结构包括晶体管Q1、电感L2、电阻R1、R2和R6，所述晶体管Q1的基极与片外隔直电容C3一端连接，所述片外隔直电容C3另一端与射频输入端口连接，所述晶体管Q1的发射极与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2另一端和电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端接地，所述晶体管Q1的集电极通过电阻R1与电源端连接；所述晶体管Q1的集电极与达林顿放大结构输入端直接连接，发射极与静态工作点稳定电路一端连接；
所述达林顿放大结构包括晶体管Q2和Q3、电感L3、电阻R3和R4、电容C5，所述晶体管Q2的基极与共发射极放大结构晶体管Q1集电极连接，晶体管Q2发射极与所述晶体管Q3的基极连接，晶体管Q2发射极和电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端接地；所述晶体管Q3的发射极与电阻R4的一端和电容C5的一端连接，所述电阻R4的另一端和电容C5的另一端通过电感L3接地，所述电阻R4和电容C5并联；晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的集电极连接于一连接点，该连接点通过静态工作点稳定电路与共发射极放大结构晶体管Q1发射极连接，该连接点也通过片外扼流电感L1与电源端连接，该连接点还与片外隔直电容C4一端连接，片外隔直电容C4另一端与射频输出端口连接；
所述静态工作点稳定电路包括二极管D1和电阻R5，所述二极管D1正极与达林顿放大结构输出节点连接，负极与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端与晶体管Q1的发射极连接；
所述晶体管Q3的基极通过电阻R6与所述晶体管Q1的基极连接；
所述共发射极放大结构和达林顿放大结构组成级联电路。
2.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，所述共发射极放大结构中包括共发射极负反馈结构，共发射极负反馈结构包括电阻R2和电感L2。
3.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，所述达林顿放大结构中包括末极负反馈结构，所述末极负反馈结构包括电阻R4、电容C5和电感L3。
4.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，所述电源端通过电阻R1为共发射极放大结构供电；电源端通过片外扼流电感L1为达林顿放大结构供电；片外扼流电感L1为共发射极放大结构和达林顿放大结构提供射频隔离，而能保证单电源供电；电源端连接片外去耦电容C1、C2的一端，所述片外去耦电容C1、C2的另一端接地。
5.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，所述级联电路为多级串行级联，或，并行级联。
6.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，在所述静态工作点稳定电路中，将多个所述静态工作点稳定电路并联形成新的静态工作点稳定电路。
7.如权利要求1所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，在所述静态工作点稳定电路中，采用多个二极管D1并联。
8.如权利要求1、6、7任一项所述的射频增益模块放大器芯片，其特征在于，在所述静态工作点稳定电路，或，新的静态工作点稳定电路中，二极管D1采用晶体管的二极管连接方式实现，即将晶体管的基极与集电极连接。
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