CN101136613A - 一种单片高增益低噪声放大器 - Google Patents

一种单片高增益低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单片高增益低噪声放大器，它包括：第一级放大电路、第二级放大电路、一个电阻反馈网络、一个输入匹配网络、一个输出匹配网络。本发明的低噪声放大器工作在10MHz～550MHz频带内，无须外部输入输出匹配，电路简单，体积小，有效地克服了单片两级放大结构中噪声系数与带宽、输入匹配间矛盾、工作带宽窄，输入阻抗匹配困难等缺点和混合低噪声放大器工作温度范围窄、一致性差的缺点。具有较好的电路性能，便于大批量生产，在航空电子、无线通信领域中有非常广泛的应用。

Description

一种单片高增益低噪声放大器
(一)技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器，特别涉及一种单片高增益低噪声放大器，它直接应用于电子通讯、无线通信等领域。
(二)背景技术
低噪声放大器是无线通信产品中的关键元器件，通常它可以用于无线基站的接收系统、雷达接收系统、卫星通信接收系统等领域。低噪声放大器的关键参数有噪声系数、交调特性、输出功率等。低噪声放大器的宽带集成设计决定它是否能够灵活地应用到产品中。目前，普遍应用的低噪声放大器器件属于混合电路和模块电路，主要实现方式是通过单个晶体管和外围匹配电路组成。它的体积比较大，工作温度范围比较小，只能满足工业级要求，无法应用于军用电子以及航天电子领域。例如，在50MHz～550MHz这个频段内，国外M/A-COM公司有相应的产品，但只能工作在-40℃～85℃的温度范围内，无法满足军事电子和航空电子的需求；它采用单个晶体管通过外部匹配网络实现输入输出匹配，一致性不好；它通过陶瓷薄膜工艺进行二次集成，散热性能较差，封装采用SM08，体积比较大，且成本较高。
目前单片低噪声放大器的典型结构主要有：达林顿结构和两级放大结构。两级放大电路图如图1所示。它主要由第一级放大电路V1、第二级放大电路V2、V3和电阻反馈网络R1、R2、R3、R4、R5构成。为了降低噪声，它必须将第一级输入晶体管V1的面积增大和电阻R1的阻值增大，但将晶体管V1和电阻R1的面积增大，必然会导致工作带宽变窄，输入阻抗匹配困难。图2为这种结构的电路仿真图。
(三)发明内容
本发明所要解决的技术问题在于发明一种单片高增益低噪声放大器，以克服混合低噪声放大器电路中温度范围窄、一致性差、体积大和单片低噪声放大器中噪声系数与带宽、输入匹配间矛盾、工作带宽窄，输入阻抗匹配困难的缺点，在保证低的噪声的同时，提高单片低噪声放大器的工作频率和输入驻波，使其达到体积小、温度范围宽、一致性好的目的。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于本发明的单片高增益低噪声放大器含有：
第一级放大电路，对来自输入端IN的信号进行第一级处理和放大，包括：
一个双极晶体管V1，V1管的基极与输入端IN耦合连接，V1管的发射极接地；
第二级放大电路，将从所述第一级放大电路输出的信号进行第二级处理和放大，包括：
两个双极晶体管V2和V3，V2管的基极与所述第一级放大电路V1管的集电极连接，V2管的发射极与V3管的基极连接，V2管的集电极与V3管的集电极相连，并与电源Vdd及输出OUT连接；
一个电阻反馈网络，实现噪声匹配和阻抗匹配，包括：
电阻R1、R2、R3、R4，R5，电阻R1一端连接所述第一级放大电路V1管的基极，其另一端经电阻R2与所述第二级放大电路V2管的发射极连接，经电阻R3与V3管的发射极连接，电阻R4一端与V3管的发射极连接，其另一端接地，电阻R5一端与V1管的集电极连接，其另一端与V2管的集电极连接；
一个输入匹配网络，实现输入阻抗匹配，包括：
电容C3和电阻R7，电容C3一端与所述第一级放大电路V1管的集电极连接，其另一端经电阻R7接地；
一个输出匹配网络，实现输出阻抗匹配，包括：
电容C4、C5和电阻R8、R9，电容C4一端与所述第二级放大电路V3管的集电极连接，其另一端经电阻R8接地，电容C5一端与V3管的发射极连接，其另一端经电阻R9接地。
所述双极晶体管V1、V2、V3均为Vceo为6V的高压双极晶体管，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9均为具有负温度系数的多晶硅负电阻。
有益效果：
与普通混合和单片两级放大结构的低噪声放大器结构对比，本发明的单片高增益低噪声放大器具有以下优点：
1.由于本发明通过增加了一个输入匹配网络、一个输出匹配网络，实现了电阻和电容网络的匹配。输入匹配网络中的电容C3和电阻R7实现了输入阻抗匹配和提高电路的稳定性。输出匹配网络中的电容C4和电阻C8实现了输出阻抗匹配和提高电路的稳定性；输出匹配网络中的电容C5和电阻R9有利于稳定性的提高和带宽的拓宽。本发明的单片高增益低噪声放大器在相同仿真情况下，输入驻波更优秀，普通低噪声放大器仿真输入驻波为最大为2.03，本发明的低噪声放大器的仿真输入驻波为1.81；同时带宽也更宽，普通的低噪声放大器仿真带宽为720MHz，本发明的低噪声放大器的仿真工作带宽为950MHz。
2.本发明的低噪声放大器在10MHz～550MHz频带内，不需要任何外部匹配和优化，相对于混合低噪声放大器，其体积更小型化；本发明的低噪声放大器电路可直接替换M/A-COM公司相应产品SMA80。
3.本发明的低噪声放大器具有高增益(31.5dB)、较低噪声系数(2.13dB)、高输出功率(14dBm)、宽的工作温度范围(在-55℃～125℃)，因而在无线通信领域有着非常广泛的使用范围，特别是在航空电子领域。
(四)附图说明
图1为普通低噪声放大器电路图；
图2位普通低噪声放大器电路仿真图；
图3为本发明的低噪声放大器的结构框图；
图4为本发明的低噪声放大器的电路结构图；
图5为本发明的低噪声放大器的电路仿真结果图；
图6为本发明的低噪声放大器的电路实测结果图。
在图2、图5和图6中，(a)是功率增益与频率的关系曲线图，(b)是输入驻波与频率的关系曲线图，(c)是输出驻波与频率的关系曲线图，(d)是噪声系数与频率的关系曲线图。
(五)具体实施方式
本发明说明书中的发明内容就是具体的实施例，这里不再重复叙述。下面仅结合附图进一步说明其工作原理及对各元件参数的要求。
本发明的低噪声放大器电路框图如图3所示，本发明的低噪声放大器电路包括第一级放大电路、第二级放大电路、一个电阻反馈网络、一个输入匹配网络、一个输出匹配网络。
本发明的低噪声放大器电路结构图如图4所示。
本电路通过放大部分电路主要包括两级，信号通过第一级共射放大器实现信号的第一次放大，然后通过第二级由共集共射的两个三极管V2、V3组成的达林顿复合管实现信号的第二次放大，通过两级放大实现高的功率放大增益。电阻R1主要决定低噪声放大器的增益、带宽和噪声，同时也为第一级三极管提供直流偏置。电容C3和电阻R7实现输入阻抗匹配和提高电路的稳定性。电容C4和电阻C8实现输出阻抗匹配和提高电路的稳定性。电阻R4的作用是为了增加电路的稳定性和负载能力的提高。电阻R5有利于增益的增加和带宽的减小，电阻R1有利于低频增益的增加和噪声系数的降低，合理优化R1值有利于拓宽工作带宽。电容C5和电阻R9有利于工作带宽的增加，电容C5和电阻R9有利于稳定性的提高和带宽的拓宽。
利用Candence软件，在Spectre仿真环境下，对本发明的电路原理图进行仿真。本发明的低噪声放大器的电路后仿真结果图如图5所示，在仿真过程中主要采用了以下步骤：
1)电路的S参数仿真分析：通过手动优化，实现功率增益32dB，输入输出驻波<2.0，噪声系数<3.0dB，输出功率大于12.5dBm，K>1；
2)版图后仿真的S参数分析：通过后仿真和手动优化，实现功率增益31dB，输入输出驻波<2.0，噪声系数<3.0dB，输出功率>12.5dBm，K>1。
本发明的低噪声放大器的电路实测结果图如图6所示。实测结果：工作温度为-55℃～125℃条件下，增益为29dB，输入输出驻波<2.0，噪声系数<3.0dB，输出功率>12.5dBm，K>1时工作频带大于550MHz。
本发明的低噪声放大器的版图尺寸为0.35mm×0.35mm，面积较小。
本发明的低噪声放大器采用0.35μm SiGe BiCMOS工艺制造。
所述双极晶体管V1、V2、V3均为Vceo为6V的高压双极晶体管，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R7均为具有负温度系数的多晶硅负电阻。它们的参数分别为：电阻R1＝800Ω，R2＝150Ω，R3＝150Ω，R4＝14Ω，R5＝500Ω，R7＝10Ω，R8＝15Ω，  R9＝10Ω，电容C3＝1pF，C4＝1pF，C5＝2pF。

Claims (2)

1.一种单片高增益低噪声放大器，其特征在于，该低噪声放大器含有：
第一级放大电路，对来自输入端IN的信号进行第一级处理和放大，包括：
一个双极晶体管V1，V1管的基极与输入端IN耦合连接，V1管的发射极接地；
第二级放大电路，将从所述第一级放大电路输出的信号进行第二级处理和放大，包括：
两个双极晶体管V2和V3，V2管的基极与所述第一级放大电路V1管的集电极连接，V2管的发射极与V3管的基极连接，V2管的集电极与V3管的集电极相连，并与电源Vdd及输出OUT连接；
一个电阻反馈网络，实现噪声匹配和阻抗匹配，包括：
电阻R1、R2、R3、R4，R5，电阻R1一端连接所述第一级放大电路V1管的基极，其另一端经电阻R2与所述第二级放大电路V2管的发射极连接，经电阻R3与V3管的发射极连接，电阻R4一端与V3管的发射极连接，其另一端接地，电阻R5一端与V1管的集电极连接，其另一端与V2管的集电极连接；
一个输入匹配网络，实现输入阻抗匹配，包括：
电容C3和电阻R7，电容C3一端与所述第一级放大电路V1管的集电极连接，其另一端经电阻R7接地；
一个输出匹配网络，实现输出阻抗匹配，包括：
电容C4、C5和电阻R8、R9，电容C4一端与所述第二级放大电路V3管的集电极连接，其另一端经电阻R8接地，电容C5一端与V3管的发射极连接，其另一端经电阻R9接地。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于所述双极晶体管V1、V2、V3均为Vceo为6V的高压双极晶体管，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9均为具有负温度系数的多晶硅负电阻。
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