CN113904635B - 一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体集成电路设计领域，特别涉及一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器包括输入偏置网络、输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络、输出偏置网络、输入端、输出端和电源端，输入端与输入匹配网络的输入端连接，输入匹配网络的输出端分别作为输入偏置网络以及放大电路的第一输入；输入偏置网输出端作为放大电路的第二输入；放大电路的第一输出端与输出匹配电路的第一输入端连接；放大电路的第二输出端经过输出偏置电路进行偏置处理后作为输出匹配电路的第一输入端；电源端与输出匹配电路的第二输入端连接；输出匹配电路的输出作为高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输出端；本发明有效提升射频放大器的三阶交调点参数，并在很宽的频带内获得很好的功率特性及输入输出匹配特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路设计领域，特别涉及一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器。
背景技术
在无线收发通信系统中，射频放大器是提供功率增益、饱和输出功率等特性的关键元器件，广泛应用于基站、雷达、广播电视、点对点通信、导航等无线通信领域。射频放大器的类型主要有低噪声放大器、驱动功率放大器、功率放大器等，低噪声放大器应用于接收系统的最前端，降低整体系统的噪声系数；驱动功率放大器位于无线收发系统的中间级，为整体系统提供足够的功率增益及合适的驱动功率；功率放大器主要应用于无线发射系统的末级，为发射信号提供驱动功率，或者是为最终的末级信号提供所需要的发射功率。
三阶交调点主要表征射频放大器放大具有一定带宽信号的抗失真性能，因此三阶交调点参数在宽带无线系统中尤为重要。射频放大器的三阶交调点参数和1dB压缩点参数存在一定的比例关系，传统射频放大器的三阶交调点参数通常比1dB压缩点参数高10dB至15dB。
目前，诸如相控阵雷达、电子对抗、卫星通信等超宽带应用对射频放大器的线性度，尤其是三阶交调指标提出了更高的要求，三阶交调点决定了系统的动态范围。因此高线性度的射频系统中，不仅要求射频放大器的1dB压缩点功率很高，同时对三阶交调的指标要求也很高，普通的射频放大器三阶交调点功率比1dB压缩点功率高10dB以上，通过优化电路结构，可以让三阶交调点功率比1dB压缩点功率高15dB以上，满足对抗干扰能力和无杂散动态范围要求高的射频整机系统的需求，因此，设计发明一种高三阶交调点的射频放大器具有重要的研究意义及应用价值。
发明内容
为了提升射频放大器的三阶交调点电特性，使得射频放大器具有良好的线性度，能够更好的应用于对线性度及动态范围要求高的射频收发系统中，本发明提出一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，包括输入偏置网络、输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络、输出偏置网络、输入端、输出端和电源端，高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输入端与输入匹配网络的输入端连接，输入匹配网络的输出端分别作为输入偏置网络以及放大电路的第一输入，用于与放大电路的输入级端口匹配；输入偏置网络输出端作为放大电路的第二输入，为放大电路的第一级放大晶体管栅极提供偏置；放大电路的第一输出端与输出匹配电路的第一输入端连接；放大电路的第二输出端经过输出偏置电路进行偏置处理后作为输出匹配电路的第一输入端；电源端与输出匹配电路的第二输入端连接；输出匹配电路的输出作为高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输出端。
进一步的，输入匹配网络包括电容C1、电容C2、电感L1，电容C1的一端与输入匹配网络的输入端连接，电容C1的另一端与电容C2的一端和电感L1的一端相连，电容C2的另一端接地，电感L1的另一端与输入匹配网络的输出端连接。
进一步的，输入偏置网络包括电阻R1、电阻R3、电阻R4、场效应晶体管M3，电阻R1的一端与输入偏置网络的输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端和场效应晶体管M3的漏极相连；电阻R3的另一端接场效应晶体管M3的栅极；电阻R4的另一端与输入偏置网络的输出端相连；场效应晶体管M3的源级接地。
进一步的，放大电路包括场效应晶体管M1、场效应晶体管M2、电阻R2、电阻R5、电阻R6、电容C3、电感L2、电感L3、二极管D1、二极管D2，场效应晶体管M1的栅极与电阻R2的一端和放大电路的第一输入端连接，场效应晶体管M1的漏极与场效应晶体管M2的源级相连，场效应晶体管M1的源级与电感L2的一端相连；所述电感L2的另一端接地；所述电阻R2的另一端与电容C3的一端相连；所述电容C3的另一端与电阻R5的一端、二极管D1的N端和放大电路的第二输入端连接；所述电阻R5的另一端与电阻R6的一端、电感L3的一端和场效应晶体管M2的漏极相连；所述电阻R6的另一端与二极管D1的P端与二极管D2的N端相连；所述二极管D2的P端与所述电感L3的另一端和放大电路的第一输出端连接；所述场效应晶体管M2的栅极与放大电路的第二输出端相连。
进一步的，场效应晶体管M1、场效应晶体管M2和场效应晶体管M3为相同型号的晶体管，且场效应晶体管M1、场效应晶体管M2和场效应晶体管M3的型号为GaAs E-pHEMT、GaN E-pHEMT、RF CMOS的NMOS中的一种。
进一步的，二极管D1和二极管D2为相同型号的二极管，且二极管D1、二极管D2的型号为GaAs Diode、GaN Diode、RF CMOS的Diode中的一种。
进一步的，输出偏置网络包括电容C4、电阻R7、电阻R8、电阻R9，所述电容C4的一端与电阻R8的一端、电阻R9的一端、输出偏置网络的输入端相连；所述电容C4的另一端与电阻R7的一端相连；所述电阻R7的另一端接地；所述电阻R8的另一端接地；所述电阻R9的另一端与输出偏置网络的输出端相连。
进一步的，输出匹配网络包括电容C5、电容C6、电感L4，所述电容C5的一端与电感L4的一端、输出匹配电路的第一输入端相连；所述电容C5的另一端与输出匹配网络的输出端相连；所述电感L4的另一端与电容C6的一端、输出匹配电路的第二输入端相连；所述电容C6的另一端接地。
本发明采用Cascode放大单元架构，在放大单元的输出端引入二极管、电阻、电感的补偿和匹配，同时采用电阻和电容串联的负反馈，在最后的输出端加入电感，能够有效提升射频放大器的三阶交调点参数；此外，本发明采用电阻和电感构成的T型和L型阻抗匹配，在很宽的频带内获得很好的功率特性及输入输出匹配特性；本发明在127mA电源电流条件下，输出1dB压缩点参数可达到23dBm、输出三阶交调点参数可达到45dBm，将中功率射频放大器的三阶交调点参数提升至比1dB压缩点参数高20dB以上。
附图说明
图1为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器整体结构图；
图2为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器中输入匹配网络一种优选实施例；
图3为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器中输入偏置网络一种优选实施例；
图4为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器中放大电路一种优选实施例；
图5为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器中输出偏置网络一种优选实施例；
图6为一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器中输出匹配网络一种优选实施例；
图7为本发明在127mA电源电流条件下输出1dB压缩点和输出三阶交调点参数示意图。
具体实施方式
为使本发明的要解决的技术问题、技术有点和技术成效更佳清晰，以下将结合附图对本发明进行进一步说明，但是不作为本发明的限定。本发明还可通过不同的实施方式进行应用，对于发明中不同的观点和应用，在符合本发明基本精神下可进行合适的改变。
本发明提出一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，包括输入偏置网络、输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络、输出偏置网络、输入端、输出端和电源端，高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输入端与输入匹配网络的输入端连接，输入匹配网络的输出端分别作为输入偏置网络以及放大电路的第一输入，用于与放大电路的输入级端口匹配；输入偏置网络输出端作为放大电路的第二输入，为放大电路的第一级放大晶体管栅极提供偏置；放大电路的第一输出端与输出匹配电路的第一输入端连接；放大电路的第二输出端经过输出偏置电路进行偏置处理后作为输出匹配电路的第一输入端；电源端与输出匹配电路的第二输入端连接；输出匹配电路的输出作为高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输出端。
本实施例提供的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，如图1，包括输入偏置网络、输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络、输出偏置网络、输入端、输出端和电源端；
所述输入匹配网络的1端与输入端相连，输入匹配网络的2端与输入偏置网络的1端和放大电路的2端相连，该输入匹配网络用于放大电路的输入级端口匹配，保证放大器输入端口良好的输入回波损耗指标；
输入偏置网络的1端与输入匹配网络的2端和放大电路的2端相连，输入偏置网络的2端与放大电路的1端相连，该输入偏置网络用于为放大电路的第一级放大晶体管栅极提供偏置；放大电路的1端与输入偏置网络的2端相连，放大电路的2端与输入匹配网络的2端和输入偏置网络的1端相连，放大电路的3端与输出偏置网络的1端相连，放大电路的4端与输出匹配网络的1端和输出偏置网络的2端相连，该放大电路对输入端的射频信号进行放大，提供足够的功率增益、输出功率，同时提供高的三阶交调；输出偏置网络的1端与放大电路的3端相连，输出偏置网络的2端与放大电路的4端、输出匹配网络的1端相连，该输出偏置网络为第二级放大晶体管栅极提供偏置；输出匹配网络的1端与放大电路的4端、输出偏置网络的2端相连，输出匹配网络的2端与输出端相连，输出匹配网络的3端与电源端相连，该输出匹配网络用于放大电路的输出级端口匹配，保证放大器输出端口良好的输出回波损耗指标，并提供电源滤波和放大电路输出端有用信号进行隔离。
如图2所示，所述输入匹配网络包括电容C1、电容C2、电感L1、1端和2端；所述电容C1的一端与输入匹配网络的1端相连，该电容C1的另一端与电容C2的一端和电感L1的一端相连，电容C2的另一端接地，所述电感L1的另一端与输入匹配网络的2端相连。
如图3所示，所述输入偏置网络包括电阻R1、电阻R3、电阻R4、场效应晶体管M3、1端和2端；所述电阻R1的一端与输入偏置网络的1端相连，该电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端和场效应晶体管M3的漏极相连；所述电阻R3的另一端接场效应晶体管M3的栅极；所述电阻R4的另一端与输入偏置网络的2端相连；所述场效应晶体管M3的源级接地。
如图4所示，所述放大电路包括场效应晶体管M1、场效应晶体管M2、电阻R2、电阻R5、电阻R6、电容C3、电感L2、电感L3、二极管D1、二极管D2、1端、2端、3端和4端；所述场效应晶体管M1的栅极与电阻R2的一端和2端相连，场效应晶体管M1的漏极与场效应晶体管M2的源级相连，场效应晶体管M1的源级与电感L2的一端相连；所述电感L2的另一端接地；所述电阻R2的另一端与电容C3的一端相连；所述电容C3的另一端与电阻R5的一端、二极管D1的N端和1端相连；所述电阻R5的另一端与电阻R6的一端、电感L3的一端和场效应晶体管M2的漏极相连；所述电阻R6的另一端与二极管D1的P端与二极管D2的N端相连；所述二极管D2的P端与所述电感L3的另一端和4端相连；所述场效应晶体管M2的栅极与3端相连。
如图5所示，所述输出偏置网络包括电容C4、电阻R7、电阻R8、电阻R9、1端和2端；所述电容C4的一端与电阻R8的一端、电阻R9的一端、1端相连；所述电容C4的另一端与电阻R7的一端相连；所述电阻R7的另一端接地；所述电阻R8的另一端接地；所述电阻R9的另一端与2端相连。
如图6所示，所述输出匹配网络包括电容C5、电容C6、电感L4、1端、2端和3端；所述电容C5的一端与电感L4的一端、1端相连；所述电容C5的另一端与2端相连；所述电感L4的另一端与电容C6的一端、3端相连；所述电容C6的一端接地。
作为一种优选实施方式，场效应晶体管M1、场效应晶体管M2和场效应晶体管M3为相同型号的晶体管，该场效应晶体管M1、场效应晶体管M2和场效应晶体管M3的型号为GaAs E-pHEMT、GaN E-pHEMT、RF CMOS的NMOS中的一种。
作为一种优选实施方式，二极管D1和二极管D2为相同型号的二极管，该二极管D1、二极管D2的型号为GaAs Diode、GaN Diode、RF CMOS的Diode中的一种。
本发明的工作原理如下：
场效应晶体管M1、场效应晶体管M2组成Cascode结构单元，电阻R2和电容C3构成负反馈结构，电感L2构成放大结构的源级负反馈，保证电路高频的功率特性，同时提升整体电路的稳定性，电阻R5、电阻R6、电感L3、二极管D1和二极管D2提供部分的反馈特性，电感L3、二极管D1和二极管D2引入高频补偿，提升放大电路的线性度。电容C1、电容C2、电感L1构成输入匹配网络，保证电路良好的输入匹配特性。电阻R1、电阻R3、电阻R4、场效应晶体管M3构成场效应晶体管M1的栅极偏置网络，提供场效应晶体管M1的静态工作点。电容C4、电阻R7、电阻R8、电阻R9构成场效应晶体管M2的栅极偏置网络，提供场效应晶体管M2的静态工作点。电容C5、电感L4构成放大电路的输出匹配网络，电容C6对电源进行滤波。整个射频放大器输入和输出端采用电容和电感进行了匹配，保证电路良好的输入和输出匹配特性，同时通过引入高频的补偿及电阻和电容的负反馈，提升放大器电路的三阶交调点。
如图7所示，本发明在127mA电源电流条件下，输出1dB压缩点参数低频最高可达到23dBm、输出三阶交调点参数可达到45dBm，射频放大器的输出三阶交调点功率比输出1dB压缩点功率高20dB以上。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，包括输入偏置网络、输入匹配网络、放大电路、输出匹配网络、输出偏置网络、输入端、输出端和电源端，高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输入端与输入匹配网络的输入端连接，输入匹配网络的输出端分别作为输入偏置网络以及放大电路的第一输入，用于与放大电路的输入级端口匹配；输入偏置网络输出端作为放大电路的第二输入，为放大电路的第一级放大晶体管栅极提供偏置；放大电路的第一输出端与输出匹配网络的第一输入端连接；放大电路的第二输出端经过输出偏置电路进行偏置处理后作为输出匹配网络的第一输入端；电源端与输出匹配网络的第二输入端连接；输出匹配网络的输出作为高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器的输出端；放大电路包括场效应晶体管M 1、场效应晶体管M 2、电阻R 2、电阻R 5、电阻R 6、电容C 3、电感L 2、电感L 3、二极管D 1、二极管D 2，场效应晶体管M 1的栅极与电阻R 2的一端和放大电路的第一输入端连接，场效应晶体管M 1的漏极与场效应晶体管M 2的源极相连，场效应晶体管M 1的源极与电感L 2的一端相连；所述电感L 2的另一端接地；所述电阻R 2的另一端与电容C 3的一端相连；所述电容C 3的另一端与电阻R 5的一端、二极管D 1的N端和放大电路的第二输入端连接；所述电阻R 5的另一端与电阻R 6的一端、电感L 3的一端和场效应晶体管M 2的漏极相连；所述电阻R 6的另一端与二极管D 1的P端与二极管D 2的N端相连；所述二极管D 2的P端与所述电感L 3的另一端和放大电路的第一输出端连接；所述场效应晶体管M 2的栅极与放大电路的第二输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，输入匹配网络包括电容C 1、电容C 2、电感L 1，电容C 1的一端与输入匹配网络的输入端连接，电容C 1的另一端与电容C 2的一端和电感L 1的一端相连，电容C 2的另一端接地，电感L 1的另一端与输入匹配网络的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，输入偏置网络包括电阻R 1、电阻R 3、电阻R 4、场效应晶体管M 3，电阻R 1的一端与输入偏置网络的输入端连接，电阻R 1的另一端与电阻R 3的一端、电阻R 4的一端和场效应晶体管M 3的漏极相连；电阻R 3的另一端接场效应晶体管M 3的栅极；电阻R 4的另一端与输入偏置网络的输出端相连；场效应晶体管M 3的源极接地。
4.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，场效应晶体管M 1、场效应晶体管M 2和场效应晶体管M 3为相同型号的晶体管，且场效应晶体管M 1、场效应晶体管M 2和场效应晶体管M 3的型号为GaAs E-pHEMT、GaN E-pHEMT、RF CMOS的NMOS中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，二极管D 1和二极管D 2为相同型号的二极管，且二极管D 1、二极管D 2的型号为GaAs Diode、GaNDiode、RF CMOS的Diode中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，输出偏置网络包括电容C 4、电阻R 7、电阻R 8、电阻R 9，所述电容C 4的一端与电阻R 8的一端、电阻R 9的一端、输出偏置网络的输入端相连；所述电容C 4的另一端与电阻R 7的一端相连；所述电阻R 7的另一端接地；所述电阻R 8的另一端接地；所述电阻R 9的另一端与输出偏置网络的输出端相连。
7.根据权利要求1所述的一种高三阶交调点的场效应晶体管射频放大器，其特征在于，输出匹配网络包括电容C 5、电容C 6、电感L 4，所述电容C 5的一端与电感L 4的一端、输出匹配网络的第一输入端相连；所述电容C 5的另一端与输出匹配网络的输出端相连；所述电感L 4的另一端与电容C 6的一端、输出匹配网络的第二输入端相连；所述电容C 6的另一端接地。
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| CN113904635A (zh) | 2022-01-07 |
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