CN113242021A - 超宽带低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超宽带低噪声放大器，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元；每一级所述功率放大单元均包括共源共栅晶体管模块；每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，其中：第i个PHEMT管的源极与第i‑1个PHEMT管的漏极的连接点处均端接有匹配网络，2≤i≤M；第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连。本发明为芯片提供了额外的稳定性，同时提高了电路的整体增益，使得超宽带低噪声放大器同时满足了稳定性和增益上的性能需求。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种放大器。
背景技术
放大器是发射机系统中不可或缺的一部分，在发射机系统中，发射机的输入端口为放大器。在接收远距离信号及天线端接收来的微弱信号时，放大器通过天线接收信号，并放大信号，为后续链路的混频提取以及信号处理提供足够大的信号幅度。因为天线接收来的信号非常微弱，放大器自身的噪声会很大程度地影响接收机对有用信号的提取和处理。因此放大器在放大的同时本身的器件噪声需要很低。同时随着技术的发展，发射机系统的工作频段在不断变宽，超宽带低噪声放大器的应用和实现显得尤为重要。
现有技术中结合Cascode(共源共栅)结构的超宽带低噪声放大器，其结构一般如图1所示，该结构由每一级的PHEMT N1和PHEMT N2、多个微带线Mline BN和Mline AN、栅极负载电阻R2等构成，N为大于1的正整数。现有设计中如图1所示，PHEMT N1的漏极和PHEMTN2的源极直接相连或通过微带线相连，但是该共源共栅结构很容易有不稳定的情况，一般会牺牲一部分增益来换取该结构的稳定。同时该放大器的噪声会受到栅极负载电阻R2的影响，在5GHz以下的噪声系数一般有2-5dB甚至更高。如此高的噪声系数给超宽带放大器的低频工作造成了不便。
如何兼顾超宽带低噪声放大器的稳定性和增益，进一步在此基础上，如何有效降低超宽带低噪声放大器的低频的噪声系数，这些问题亟待能有更多、更灵活、更优的解决方案。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种超宽带低噪声放大器。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种超宽带低噪声放大器，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；
每一级所述功率放大单元均包括共源共栅晶体管模块；
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，M≥2，其中：第一个PHEMT管的源极接地；第一个PHEMT管的栅极作为该级功率放大单元的第一端；第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点处均端接有匹配网络，2≤i≤M；第M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端；
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连。
作为优选的，每一级功率放大单元中，各个所述匹配网络主要包括串联连接的电阻和电容，各个匹配网络的一端接地；各个匹配网络的另一端，和第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点相连。
更进一步优选的，还包括有源反馈网络；
所述有源反馈网络包括第N级功率放大单元的共源共栅晶体管模块、电阻R2和电容C2；
电阻R2的一端与第N级功率放大单元的第一端相连，电阻R2的另一端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与第N级功率放大单元的第二端相连。
进一步优选的，还包括电阻R1和电容C1；
所述电阻R1的一端与第一级功率放大单元的第二端相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地。
作为优选的，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。
作为优选的，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。
作为优选的，第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
优选的，还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
作为优选的，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至M个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。
进一步优选的，所述射频接地网络为电阻电容串联接地。
有益效果：相比现有技术，本发明提供的超宽带低噪声放大器，通过各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中各PHEMT管的栅极和漏级之间端接匹配网络的结构构造，为芯片提供了额外的稳定性，同时提高了电路的整体增益，使得超宽带低噪声放大器同时满足了稳定性和增益上的性能需求。
进一步的，本发明提供的超宽带低噪声放大器，通过有源反馈网络的结构构造，可有效降低低频端的噪声，很好地改善了分布式放大器的低频噪声问题，为超宽带放大器的低频工作扩展了更多更广阔的应用场景。
本发明提供的超宽带低噪声放大器基于GaAs PHEMT工艺制成单片微波集成电路，可以在0.5GHz-8GHz的超宽频段内实现13dB以上甚至高达17dB的增益，并可在0.5GHz-8GHz的超宽频段内实现小于2dB的噪声，尤其在4GHz以下实现小于1.5dB的噪声，整体而言，在不影响增益的前提下，性能稳定，低频噪声小，可广为推广应用。
附图说明
图1是现有技术中超宽带低噪声放大器的电路结构原理框图；
图2是实施例提供的其中一种超宽带低噪声放大器的电路结构原理框图；
图3是图2提供的超宽带低噪声放大器中包含其中一种匹配网络的电路结构原理框图；
图4是实施例提供的其中一种超宽带低噪声放大器在0.5GHz-8GHz的小信号特性的测试结果示意图；
图5是实施例提供的其中一种超宽带低噪声放大器在0.5GHz-8GHz的噪声特性的测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施列对本发明不构成限定。
本实施例提供的其中一种超宽带低噪声放大器，如图2所示，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；
每一级所述功率放大单元均包括共源共栅晶体管模块；
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，M≥2，其中：第一个PHEMT管的源极接地；第一个PHEMT管的栅极作为该级功率放大单元的第一端；第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点处均端接有匹配网络，2≤i≤M；第M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端；
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连。
在本实施例中，各PHEMT管的栅极均连接有供电电源VGG(图中未示出)。本发明中，如上所述的各个共源共栅晶体管模块中，第一个PHEMT管工作在共源状态，第2-M个PHEMT管工作在共栅状态。
在本实施例提供的超宽带低噪声放大器中，如图2所示，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块均包括2个的PHEMT管，也即M＝2。同时，本实施例中提供的超宽带低噪声放大器，在输入端口与输出端口之间共有4级依次级联的功率放大单元，也即N＝4。
具体的，如图2所示，第一级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括2个的PHEMT管分别为：晶体管PHEMT11和晶体管PHEMT12；第二级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括2个的PHEMT管分别为：晶体管PHEMT21和晶体管PHEMT22；以此类推，第N级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括2个的PHEMT管分别为：晶体管PHEMTN1和晶体管PHEMTN2。
以第一级功率放大单元为例，第一个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11)的源极接地；第一个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11)的栅极作为该级功率放大单元的第一端(也即第一级功率放大单元的第一端)；第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMT12)的栅极端接射频接地网络；第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMT12)的源极与第1个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11)的漏极连接；第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMT12)的漏极作为该级功率放大单元的第二端(也即第一级功率放大单元的第二端)。其他各级功率放大单元依次类推，不再赘述。
在本发明提供的其中一种超宽带低噪声放大器中，如图3所示，在每一级功率放大单元中，各个所述匹配网络主要包括串联连接的电阻和电容，各个匹配网络的一端接地；各个匹配网络的另一端，和第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点相连。亦可以说是各个上述匹配网络主要包括电阻电容串联接地。或者也可以说是：在每一级功率放大单元中，第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点，均通过串联连接的电阻电容接地。在本实施例中，具体如图3所示，各个匹配网络为电阻电容串联接地，在每一级功率放大单元中，各个匹配网络端接于第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点处。
具体的，结合图2和图3所示可见，第一级功率放大单元中，第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMT12)的源极与第1个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11)的漏极的连接点处端接的匹配网络1包括串联连接的电阻R11和电容C11；第二级功率放大单元中，第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMT22)的源极与第1个PHEMT管(也即晶体管PHEMT21)的漏极的连接点处端接的匹配网络2包括串联连接的电阻R21和电容C21；以此类推……；第N级功率放大单元中，第2个PHEMT管(也即晶体管PHEMTN2)的源极与第1个PHEMT管(也即晶体管PHEMTN1)的漏极的连接点处端接的匹配网络N包括串联连接的电阻RN1和电容CN1。以第N级为例：电阻RN1的一端，和晶体管PHEMTN2的源极与晶体管PHEMTN1的漏极的连接点相连，电阻RN1的另一端与电容CN1的一端相连，电容CN1的另一端接地；亦可说是：匹配网络N包括电阻RN1和电容CN1串联连接接地；也可以说是：在第N级功率放大单元中，晶体管PHEMTN2的源极与晶体管PHEMTN1的漏极的连接点，通过串联连接的电阻电容接地。其他级类同，不再赘述。
在某些实施例中，如图2和图3所示，该超宽带低噪声放大器还包括有源反馈网络；所述有源反馈网络包括第N级功率放大单元的共源共栅晶体管模块、电阻R2和电容C2。具体的，电阻R2的一端与第N级功率放大单元的第一端相连，电阻R2的另一端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与第N级功率放大单元的第二端相连。也可以说是：第N级功率放大单元的第一端通过串联连接的电阻R2和电容C2，与第N级功率放大单元的第二端相连。
在某些实施例中，如图2和图3所示，该超宽带低噪声放大器还包括电阻R1和电容C1。具体的，所述电阻R1的一端与第一级功率放大单元的第二端相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地。也即：第一级功率放大单元的第二端端接有电阻电容串联接地。
在某些实施例中，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至M个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。在某些实施例中，所述射频接地网络为电阻电容串联接地。也可以说是：每一级功率放大单元中，第2至M个PHEMT管的栅极通过串联连接的电阻电容接地。
本发明提供的超宽带低噪声放大器中，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。最后一级也即第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。本发明提供的超宽带低噪声放大器中，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连。在这一结构构造下，实现输入端口与输出端口之间若干级功率放大单元的依次级联。
具体在本实施例中，如图2所示，第一级功率放大单元的第二端，与漏极微带线MlineA1的一端相连，漏极微带线MlineA1的另一端与第二级功率放大单元的第二端相连；第二级功率放大单元的第二端同时与漏极微带线MlineA2的一端相连，漏极微带线MlineA2的另一端与第三级功率放大单元(图中未示出)的第二端相连；……其他各级功率放大单元中依次类推，不再赘述。第N-1级功率放大单元(图中未示出)的第二端与漏极微带线MlineAN-1的一端相连，漏极微带线MlineAN-1的另一端与最后一级功率放大单元(也即第N级功率放大单元)中的第二端相连；最后一级功率放大单元的第二端同时与漏极微带线MlineAN的一端相连，漏极微带线MlineAN的另一端与输出端口相连，从而实现第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
同时，具体在本实施例中，如图2所示，第一级功率放大单元的第一端，与栅极微带线MlineB1的一端相连，栅极微带线MlineB1的另一端与输入端口相连，从而实现第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连。第一级功率放大单元的第一端同时与栅极微带线MlineB2的一端相连，栅极微带线MlineB2的另一端与第二级功率放大单元的第一端相连；第二级功率放大单元的第一端同时与栅极微带线MlineB3的一端相连，栅极微带线MlineB3的另一端与第三级功率放大单元(图中未示出)的第一端相连；……其他各级功率放大单元中依次类推，不再赘述。第N-1级功率放大单元(图中未示出)的第一端同时与栅极微带线MlineBN的一端相连，栅极微带线MlineBN的另一端与最后一级功率放大单元(也即第N级功率放大单元)中的第一端相连。
本实施例中，该超宽带低噪声放大器还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
文中所述超宽带低噪声放大器，亦可称为基于GaAs PHEMT工艺的超宽带低噪声放大器，或简称为基于GaAs PHEMT工艺的超宽带放大器。文中所述“/”表示或。文中所述PHEMT，亦可称为pHEMT。文中所述共源共栅晶体管模块，亦可称为晶体管模块。文中所述栅极微带线为微带线。文中所述漏极微带线亦为微带线。
本实施例提供的超宽带低噪声放大器，基于GaAs PHEMT工艺制成单片微波集成电路，可在0.5GHz-8GHz的超宽频段内实现13dB以上甚至高达17dB的增益；该超宽带低噪声放大器在全频带内可以实现绝对稳定状态，不需要在芯片外部设计稳定性匹配电路；该超宽带低噪声放大器可在0.5GHz-8GHz的超宽频段内实现小于2dB的噪声，尤其在4GHz以下实现小于1.5dB的噪声。整体而言，在不影响增益的前提下，性能稳定，低频噪声小。
将上述实施例提供的超宽带分布式功率放大器(M＝2且N＝4)，可基于GaAs PHEMT工艺制成单片微波集成电路，选用带宽0.5GHz-8GHz进行实验测试：
图4为本实施例提供的超宽带低噪声放大器的小信号特性的测试结果示意图，也可以说是该超宽带低噪声放大器的增益特性、输入驻波特性和输出驻波特性的仿真结果示意图，其中：横坐标为频率(也即：工作频率)，单位是GHz；纵坐标为小信号SP值，单位是dB；图中Gain表示增益，S11为输入驻波，S22为输出驻波。
由图4可见，在0.5GHz-8GHz的频率范围内，该超宽带低噪声放大器的典型增益为13-17dB。
同时，由图4可见，在0.5GHz-8GHz频率范围内，该超宽带低噪声放大器的典型输入驻波S11＜-5dB。
同时，由图4可见，在0.5GHz-8GHz的频率范围内，该超宽带低噪声放大器全频带的输出驻波S22＜-10dB，典型值为-15dB。
图5是本实施例提供的超宽带低噪声放大器在0.5GHz-8GHz的噪声特性的测试结果示意图。其中：横坐标为频率，单位是GHz；纵坐标为小信号噪声值，单位是dB。由图5可见，在0.5GHz-8GHz的频率范围内，该超宽带分布式功率放大器的典型噪声小于2dB；进一步由于有源反馈网络的引入，在1-4GHz的频率范围内，该超宽带分布式功率放大器的噪声在1.5dB以下。
图4、5中横坐标对应的频率，为工作频率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超宽带低噪声放大器，其特征在于：包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；
每一级所述功率放大单元均包括共源共栅晶体管模块；
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，M≥2，其中：第一个PHEMT管的源极接地；第一个PHEMT管的栅极作为该级功率放大单元的第一端；第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点处均端接有匹配网络，2≤i≤M；第M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端；
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连。
2.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：每一级功率放大单元中，各个所述匹配网络主要包括串联连接的电阻和电容，各个匹配网络的一端接地；各个匹配网络的另一端，和第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极的连接点相连。
3.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：还包括有源反馈网络；
所述有源反馈网络包括第N级功率放大单元的共源共栅晶体管模块、电阻R2和电容C2；
电阻R2的一端与第N级功率放大单元的第一端相连，电阻R2的另一端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与第N级功率放大单元的第二端相连。
4.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：还包括电阻R1和电容C1；
所述电阻R1的一端与第一级功率放大单元的第二端相连，电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地。
5.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。
6.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。
7.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
8.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
9.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至M个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。
10.如权利要求9所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述射频接地网络为电阻电容串联接地。
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