CN112653396B - 一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器 - Google Patents

一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，该放大器包括用于实现宽频带且低噪声匹配的低噪声放大器，用于实现宽频带且最大功率匹配的功率放大器，单刀双掷开关A和单刀双掷开关B，并超宽带双向放大器的开关管两端分别设置有相同的5V正压控制开关单元。这种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器能够实现超宽带的同时又高频覆盖至10.6GHz，并且具有Rx路LNA放大器和Tx路PA放大器优异的性能。此外设置在两端的5V正压控制开关单元将负压控制的开关管变为正压控制，使用更加方便。

Description

一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器
技术领域
本发明涉及双向放大器技术领域，具体涉及一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器。
背景技术
在半导体材料外延技术不断进步的推动下，近年来，芯片集成电路也随之快速发展。硅(Si)、锗硅(SiGe)、砷化镓(GaAs)等材料常被用于芯片制作，传统的放大器一般基于Si基CMOS工艺制作。然而，基于Si基CMOS工艺制作的低噪声放大器、功率放大器等收发系统中的常用组件在噪声、功率等指标性能上却存在不足。基于GaAs pHEMT工艺的放大器芯片研究已成为焦点，推动了放大器在超宽带系统中的应用。500nm GaAs pHEMT工艺虽然成本低，但是此工艺截至频率较低，对于设计实现高频覆盖的双向放大器芯片将十分困难，在高频覆盖的同时还要实现超宽带将更加困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，实现高频覆盖至10.6GHz的同时具有超宽带，并获得Rx路LNA放大器和Tx路PA放大器优异的性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，包括低噪声放大器、功率放大器、单刀双掷开关A和单刀双掷开关B；低噪声放大器包括信号输入端Rx_input和信号输出端Rx_output，用于实现宽频带且低噪声匹配；功率放大器包括输入端Tx_input和信号输出端Tx_output，用于实现宽频带且最大功率匹配；当单刀双掷开关A选择信号输入端Rx_input，单刀双掷开关B选择信号输出端Rx_output时，信号从信号输入端Rx_input输入低噪声放大器，经过拓宽频带和降低噪声处理后从信号输出端Rx_output输出；当单刀双掷开关B选择信号输入端Tx_input，单刀双掷开关B选择信号输出端Tx_output时，信号从信号输入端Tx_input输入功率放大器，经过拓宽频带和增大功率处理后从信号输出端Tx_output输出。
作为对本发明的进一步描述，低噪声放大器包括输入匹配单元1、输出匹配单元1、晶体管M8和晶体管M9；信号输入低噪声放大器依次经过输入匹配单元1、晶体管M9、晶体管M8和输出匹配单元1后输出低噪声放大器；功率放大器包括输入匹配单元2、输出匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组；信号输入功率放大器后依次经过输入匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组和输出匹配单元2后输出功率放大器。
作为对本发明的进一步描述，低噪声放大器还包括偏置电路1、偏置电路2、偏置电路3、反馈单元1和电容C16；偏执电路1连接晶体管M8的漏极，用于为晶体管M8供电；偏置电路2连接晶体管M9的栅极，用于为晶体管M9供电；偏置电路3连接晶体管M8的栅极用于为晶体管M8供电，并与电容C16连接后接地；反馈单元1的一端连接晶体管M9的栅极，另一端连接晶体管M8的漏极，用于提升晶体管M8、晶体管M9的稳定性和增益平坦度。
功率放大器还包括偏置电路4、偏置电路5、偏置电路6、偏置电路7、反馈单元2和反馈单元3；偏置电路4连接晶体管M5的栅极，偏置电路5连接晶体管M5的漏极，用于为晶体管M5供电；偏置电路6连接晶体管组的栅极，偏置电路7连接晶体管组的漏极，用于为晶体管组供电；反馈单元2的一端连接晶体管M5的栅极，另一端连接晶体管M5的漏极，用于提升晶体管M5的稳定性和增益平坦度；反馈单元3的一端连接晶体管组的栅极，另一端连接晶体管组的漏极，用于提升晶体管M6、晶体管M7的稳定性和增益平坦度。
作为对本发明的进一步描述，输入匹配单元1包括电容C17和电感L20，电感L20的一端与与电容C17连接后接地，另一端连接晶体管M9的栅极；晶体管M9的源极接地，漏级连接所述晶体管M8的源级。
输出匹配单元1包括电容C14和电感L16，电感L16的一端连接晶体管M8的漏极，另一端与电容C14连接后接地。
输入匹配单元2包括电容C5、电容C6、电感L6和电感L7，电感L6的一端连接信号输入端Tx_input，另一端与电感L7连接后再连接到晶体管M5的栅极；电容C5连接在信号输入端Tx_input和电感L6之间并接地，电容C6连接在电感L6和电感L7之间并接地；晶体管M5的源级接地，漏级与级间匹配单元的输入端连接；级间匹配单元包括电容C8、电容C9、电感L10和电感L11，电感L10的一端连接晶体管M5的漏级，另一端依次连接电感L11和电容C10后再与晶体管组的栅极连接；电容C8连接在所述晶体管M5的漏级和电感L10之间并接地，电容C9连接在电感L10和电感L11之间并接地；晶体管组包括晶体管M6和晶体管M7，晶体管M6和晶体管M7并联，晶体管M6和晶体管M7的源级均接地。
输出匹配电路2包括电容C12、电容C13、电感L14和电感L15，电容C12与电容C13串联后，一端连接晶体管组的漏极，另一端连接信号输出端Tx_output；电感L14的一端连接在所述电感C12和电感C13之间，另一端接地；电感L15的一端连接在所述电容C13和信号输出端Tx_output之间，另一端接地。
作为对本发明的进一步描述，偏置电路1包括电源VDD1和电感L17，电感L17的一端连接电源VDD1，另一端连接晶体管M8的漏极；偏置电路2包括电源VG1和电感L19，电感L19的一端连接电源VG1，另一端连接晶体管M9的栅极；偏置电路3包括电源VG2和电感L18，电感L18的一端连接电源VG2，另一端连接晶体管M8的栅极；反馈单元1包括电容C15和电阻R11，电阻R11的一端连接电容C15后与晶体管M8的漏极连接，另一端与晶体管M8的栅极连接；偏执电路4包括电源电感L10的一端连接电源VG3，另一端连接晶体管M5的栅极；偏执电路5包括电源VDD2和电感L9，电感L9的一端连接电源VDD2，另一端连接晶体管M5的漏极；偏置电路6包括电源VG4和电感L12，电感L12的一端连接电源VG4，另一端连接晶体管组的栅极；偏置电路7包括电源VDD3和电感L13，电感L13的一端连接电源VDD3，另一端连接晶体管组的漏极；反馈单元2包括电阻R10、电感L8和电容C7，电阻R10的一端连接晶体管M5的栅极，另一端依次连接电感L8和电容C7后连接晶体管M5的漏极；反馈单元3包括电容C11和电阻R12，所述电阻R12的一端连接源级放大晶体管组7的栅极，另一端连接电容C11后连接晶体管组的漏级。
作为对本发明的进一步改进，为解决开关管是负压控制不方便使用的问题，在双向放大器的两端分别设置有相同的正压控制开关单元，所述正压控制开关单元包括2个相同的开关电路和1个外接电源a，所述外接电源a为开关管提供5V电压。
作为对本发明的进一步描述，开关电路包括第一晶体管、第二晶体管、电源Vcnt1、电源Vcnt2、第一电源、第二电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电容；其中第一晶体管的源极连接双向放大器；第一电阻的一端连接第一晶体管的栅极，另一端连接电源Vcnt1；第二电阻的一端连接第一电源，另一端连接在第一晶体管的源极和双向放大器之间；第二晶体管的源极连接第一电容后接地，漏级连接到第二电阻和双向放大器之间；第三电阻的一端连接电源Vcnt2，另一端连接第二晶体管的栅极；第四电阻的一端连接第二电源，另一端连接到第二晶体管的源极和第一电容之间；第一电源、第二电源均为5V。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，与现有相同工艺双向放大器相比既能有效实现超宽带，又能使最高工作频率接近二分之一截止频率；
2.本发明一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，其中包括具有优异性能的Rx路LNA放大器和Tx路PA放大器；
3.本发明一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，使工艺中的开关管由负压控制变为正压控制，更方便使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为超宽带双向放大器结构简化图。
图2为低噪声放大器电路结构图。
图3为功率放大器电路结构图。
图4为包括低噪声放大器和功率放大器的双向超宽带放大器电路结构图。
图5为低噪声放大器效果图。
图6为功率放大器效果图。
图7为正压控制开关结果原理图。
图8为增加有正压控制开关的超宽带双向放大器电路结构图。
图9为5V和0V两种控制电压切换导通与关断的效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，包括低噪声放大器、功率放大器、单刀双掷开关A和单刀双掷开关B。
其中，低噪声放大器用于实现宽频带且低噪声匹配，功率放大器用于实现宽频带且最大功率匹配。当单刀双掷开关A与低噪声放大器的输入端Rx_input连接，单独双掷开关B与低噪声放大器的输出端Rx_output连接时，电流信号从输入端Rx_input输入，通过单刀双掷开关A进入低噪声放大器，经过拓宽频带和降低噪声处理后从输出端Rx_output输出；当单刀双掷开关B与功率放大器的输入端Tx_input连接，单刀双掷开关A与功率放大器的输出端Tx_output连接时，电流信号从输入端Tx_input输入，通过单刀双掷开关B进入功率放大器，经过拓宽频带和增大功率处理后从输出端Tx_output输出。
如图2所示，低噪声放大器包括输入匹配单元1、输出匹配单元1、晶体管M8和晶体管M9。当电流信号从输入端Rx_input输入低噪声放大器时，电流信号依次经过输入匹配单元1、晶体管M9、晶体管M8和输出匹配单元1，实现宽频带噪声匹配后从输出端Rx_output输出低噪声放大器。
其中，输入匹配单元1包括电容C17和电感L20，电感L20的一端与电容C17连接后接地，另一端连接晶体管M9的栅极；晶体管M9的源极接地，漏级连接所述晶体管M8的源级；输出匹配单元1包括电容C14和电感L16，电感L16的一端连接晶体管M8的漏极，另一端与电容C14连接后接地。
此外，该低噪声放大器还包括3个偏执电路，分别为：偏置电路1、偏置电路2、偏置电路3，另有1个反馈单元1和1个电容C16。其中，偏置电路1连接晶体管M8的漏极；偏置电路2连接晶体管M9的栅极；偏置电路3与电容C16连接后接地；反馈单元1的一端连接晶体管M9的栅极，另一端连接晶体管M8的漏极。
具体地，偏置电路1包括电源VDD1和电感L17，电感L17的一端连接电源VDD1，另一端连接晶体管M8的漏极；偏置电路2包括电源VG1和电感L19，电感L19的一端连接电源VG1，另一端连接晶体管M9的栅极；偏置电路3包括电源VG2和电感L18，电感L18的一端连接电源VG2，另一端连接晶体管M8的栅极；反馈单元1包括电容C15和电阻R11，电阻R11的一端连接电容C15后与晶体管M8的漏极连接，另一端与晶体管M8的栅极连接。
实现过程中，将牵引得到的最佳噪声的具体阻抗点匹配到50Ω，并选择较高的频率点阻抗可以使放大器工作频率覆盖至10.6GHz。该低噪声放大器获得的增益、回波损耗及噪声系数如图5所示。
如图3所示，功率放大器包括输入匹配单元2、输出匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组。当电流信号从输入端Tx_input输入功率放大器后，依次经过输入匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组和输出匹配单元2，实现宽频带最大输出功率匹配后从输出端Tx_output输出功率放大器。
其中，输入匹配单元2包括电容C5、电容C6、电感L6和电感L7，电感L6的一端连接信号输入端Tx_input，另一端与电感L7连接后再连接到晶体管M5的栅极；电容C5连接在信号输入端Tx_input和电感L6之间并接地，电容C6连接在电感L6和电感L7之间并接地；晶体管M5的源级接地，漏级与级间匹配单元的输入端连接；级间匹配单元包括电容C8、电容C9、电感L10和电感L11，电感L10的一端连接晶体管M5的漏级，另一端依次连接电感L11和电容C10后再与晶体管组的栅极连接；电容C8连接在所述晶体管M5的漏级和电感L10之间并接地，电容C9连接在电感L10和电感L11之间并接地；晶体管组包括晶体管M6和晶体管M7，晶体管M6和晶体管M7并联，晶体管M6和晶体管M7的源级均接地；输出匹配电路2包括电容C12、电容C13、电感L14和电感L15，电容C12与电容C13串联后，一端连接晶体管组的漏极，另一端连接信号输出端Tx_output；电感L14的一端连接在所述电感C12和电感C13之间，另一端接地；电感L15的一端连接在所述电容C13和信号输出端Tx_output之间，另一端接地。
此外，该功率放大器还包括偏置电路4、偏置电路5、偏置电路6、偏置电路7、反馈单元2和反馈单元3。其中，偏置电路4连接晶体管M5的栅极；偏置电路5连接晶体管M5的漏极；偏置电路6连接晶体管组的栅极；偏置电路7连接晶体管组的漏极；反馈单元2的一端连接晶体管M5的栅极，另一端连接晶体管M5的漏极；反馈单元3的一端连接晶体管组的栅极，另一端连接晶体管组的漏极。
具体地，偏执电路4包括电源电感L10的一端连接电源VG3，另一端连接晶体管M5的栅极；偏执电路5包括电源VDD2和电感L9，电感L9的一端连接电源VDD2，另一端连接晶体管M5的漏极；偏置电路6包括电源VG4和电感L12，电感L12的一端连接电源VG4，另一端连接晶体管组的栅极；偏置电路7包括电源VDD3和电感L13，电感L13的一端连接电源VDD3，另一端连接晶体管组的漏极；反馈单元2包括电阻R10、电感L8和电容C7，电阻R10的一端连接晶体管M5的栅极，另一端依次连接电感L8和电容C7后连接晶体管M5的漏极。
实现过程中，将牵引得到的最大输出功率的具体阻抗点匹配到50Ω，并选择较高的频率点阻抗可以使放大器工作频率覆盖至10.6GHz。该功率放大器获得的增益、回波损耗及输出功率如图6所示。
实施例2：
如图7所示，正压控制开关单元包括2个相同的开关电路和1个外接电源a。其中，开关电路包括第一晶体管、第二晶体管、电源Vcnt1、电源Vcnt2、第一电源、第二电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电容；第一晶体管的源极连接双向放大器；第一电阻的一端连接第一晶体管的栅极，另一端连接电源Vcnt1；第二电阻的一端连接第一电源，另一端连接在第一共晶体管的源极和双向放大器之间；第二晶体管的源极连接第一电容后接地，漏级连接到第二电阻和双向放大器之间；第三电阻的一端连接电源Vcnt2，另一端连接第二晶体管的栅极；第四电阻的一端连接第二电源，另一端连接到第二晶体管的源极和第一电容之间；第一电源、第二电源均为5V。
如图8所示，将2个相同的正压控制开关单元分别设置在双向放大器的两端，对双向放大器的开关管两端分别施加5V的电压，将负压控制的开关管变为正压控制。获得的技术效果如图9所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，其特征在于，包括低噪声放大器、功率放大器、单刀双掷开关A和单刀双掷开关B；
低噪声放大器包括信号输入端Rx_input和信号输出端Rx_output，用于实现宽频带且低噪声匹配；低噪声放大器还包括输入匹配单元1、输出匹配单元1、晶体管M8、晶体管M9、偏置电路1、偏置电路2、偏置电路3、反馈单元1和电容C16；信号从信号输入端Rx_input输入，依次经过输入匹配单元1、晶体管M9、晶体管M8和输出匹配单元1后从信号输出端Rx_output输出；
输入匹配单元1包括电容C17和电感L20，电感L20的一端与电容C17连接后接地，另一端连接晶体管M9的栅极；晶体管M9的源极接地，漏级连接所述晶体管M8的源级；
输出匹配单元1包括电容C14和电感L16，电感L16的一端连接晶体管M8的漏极，另一端与电容C14连接后接地；
偏置电路1包括电源VDD1和电感L17，电感L17的一端连接电源VDD1，另一端连接晶体管M8的漏极；偏置 电路1连接晶体管M8的漏极，用于为晶体管M8供电；
偏置电路2包括电源VG1和电感L19，电感L19的一端连接电源VG1，另一端连接晶体管M9的栅极；偏置电路2连接晶体管M9的栅极，用于为晶体管M9供电；
偏置电路3包括电源VG2和电感L18，电感L18的一端连接电源VG2，另一端连接晶体管M8的栅极；偏置电路3连接晶体管M8的栅极用于为晶体管M8供电，并与电容C16连接后接地；
反馈单元1包括电容C15和电阻R11，电阻R11的一端连接电容C15后与晶体管M8的漏极连接，另一端与晶体管M8的栅极连接；反馈单元1的一端连接晶体管M9的栅极，另一端连接晶体管M8的漏极，用于提升晶体管M8、晶体管M9的稳定性和增益平坦度；
功率放大器包括输入端Tx_input和信号输出端Tx_output，用于实现宽频带且最大功率匹配；
当单刀双掷开关A选择信号输入端Rx_input，单刀双掷开关B选择信号输出端Rx_output时，信号从信号输入端Rx_input输入低噪声放大器，经过宽带匹配电路和降低噪声处理后从信号输出端Rx_output输出；当单刀双掷开关B选择信号输入端Tx_input，单刀双掷开关B选择信号输出端Tx_output时，信号从信号输入端Tx_input输入功率放大器，经过宽带匹配电路和增大功率处理后从信号输出端Tx_output输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，其特征在于，功率放大器包括输入匹配单元2、输出匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组、偏置电路4、偏置电路5、偏置电路6、偏置电路7、反馈单元2和反馈单元3；信号从信号输入端Tx_input输入，依次经过输入匹配单元2、晶体管M5、级间匹配单元、电容C10、晶体管组和输出匹配单元2后从信号输出端Tx_output输出；
输入匹配单元2包括电容C5、电容C6、电感L6和电感L7，电感L6的一端连接信号输入端Tx_input，另一端与电感L7连接后再连接到晶体管M5的栅极；电容C5连接在信号输入端Tx_input和电感L6之间并接地，电容C6连接在电感L6和电感L7之间并接地；
输出匹配电路2包括电容C12、电容C13、电感L14和电感L15，电容C12与电容C13串联后，一端连接晶体管组的漏极，另一端连接信号输出端Tx_output；电感L14的一端连接在所述电容C12和电容C13之间，另一端接地；电感L15的一端连接在所述电容C13和信号输出端Tx_output之间，另一端接地；
晶体管M5的源级接地，漏级与级间匹配单元的输入端连接；
级间匹配单元包括电容C8、电容C9、电感L10和电感L11，电感L10的一端连接晶体管M5的漏级，另一端依次连接电感L11和电容C10后再与晶体管组的栅极连接；电容C8连接在所述晶体管M5的漏级和电感L10之间并接地，电容C9连接在电感L10和电感L11之间并接地；
晶体管组包括晶体管M6和晶体管M7，晶体管M6和晶体管M7并联，晶体管M6和晶体管M7的源级均接地；
偏置 电路4包括电源电感L10的一端连接电源VG3，另一端连接晶体管M5的栅极；偏置电路4连接晶体管M5的栅极；
偏置 电路5包括电源VDD2和电感L9，电感L9的一端连接电源VDD2，另一端连接晶体管M5的漏极；偏置电路5连接晶体管M5的漏极，用于为晶体管M5供电；
偏置电路6包括电源VG4和电感L12，电感L12的一端连接电源VG4，另一端连接晶体管组的栅极；偏置电路6连接晶体管组的栅极；
偏置电路7包括电源VDD3和电感L13，电感L13的一端连接电源VDD3，另一端连接晶体管组的漏极；偏置电路7连接晶体管组的漏极，用于为晶体管组供电；
反馈单元2包括电阻R10、电感L8和电容C7，电阻R10的一端连接晶体管M5的栅极，另一端依次连接电感L8和电容C7后连接晶体管M5的漏极；反馈单元3包括电容C11和电阻R12，所述电阻R12的一端连接源级放大晶体管组7的栅极，另一端连接电容C11后连接晶体管组的漏级；反馈单元2的一端连接晶体管M5的栅极，另一端连接晶体管M5的漏极，用于提升晶体管M5的稳定性和增益平坦度；
反馈单元3的一端连接晶体管组的栅极，另一端连接晶体管组的漏极，用于提升晶体管M6、晶体管M7的稳定性和增益平坦度。
3.根据权利要求2所述的一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，其特征在于，双向放大器的两端分别设置有相同的正压控制开关单元，正压控制开关单元包括2个相同的开关电路和1个外接电源a，外接电源a为开关管提供5V电压。
4.根据权利要求3所述的一种基于500nm GaAs pHEMT工艺的超宽带双向放大器，其特征在于，开关电路包括第一晶体管、第二晶体管、电源Vcnt1、电源Vcnt2、第一电源、第二电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电容；
第一晶体管的源极连接双向放大器；
第一电阻的一端连接第一晶体管的栅极，另一端连接电源Vcnt1；
第二电阻的一端连接第一电源，另一端连接在第一共晶体管的源极和双向放大器之间；
第二晶体管的源极连接第一电容后接地，漏级连接到第二电阻和双向放大器之间；
第三电阻的一端连接电源Vcnt2，另一端连接第二晶体管的栅极；
第四电阻的一端连接第二电源，另一端连接到第二晶体管的源极和第一电容之间；
第一电源、第二电源均为5V。
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