CN103746663B - 一种超宽带低噪声单片集成放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带低噪声单片集成放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路，第一级放大电路包括第一晶体三极管，第二级放大电路包括第二晶体三极管和第三晶体三极管，其中，超宽带低噪声单片集成放大器还包括第三级放大电路，第三级放大电路包括控制电流输入端、第四电阻、第一滤波电容和第四晶体三极管,控制电流输入端通过第四电阻联接到第三晶体三极管的基极，第四电阻与第三晶体三极管的基极之间同时通过第一滤波电容接地；第三晶体三极管的发射极联接到第四晶体三极管的基极，第四晶体三极管的集电极是第三级放大电路的信号输出端。本发明大大延长了电池使用寿命，大大降低了寄生电感，提高高频增益，扩展带宽范围。

Description

一种超宽带低噪声单片集成放大器

技术领域

本发明涉及一种集成放大器，尤其涉及一种超宽带低噪声单片集成放大器。

背景技术

面对紧张的无线通信资源，自FCC（美国联邦通信委员会）将3.1GHz-10.6GHz的频带分配给超宽带UWB（Ultra-Wide Band）并批准超宽带UWB民用后，在无线个人局域网络（WPAN)、家庭网络连接和短距离雷达等领域取得了快速地发展，因而具有广阔的市场应用前景。

目前，超宽带通信主要有两种方式，一种是脉冲超宽带，采用时域很短的冲击脉冲作为信息载体，通过PPM、PAM等方式携带信息，信息数据符号通过对窄脉冲(脉冲宽度通常在纳秒级)进行调制，以获得非常宽的带宽；另一种是多频带超宽带，通过MB-OFDM，DS-UWB等调制方式携带信息。在这两种方案的通信系统中，接收机都使用了宽带低噪声放大器（LNA）模块。低噪声放大器是接收机前端中最关键的模块之一，其作用就是将天线接收到的微弱信号放大并抑制接收后级电路的噪声，这就要求低噪声放大器必须提供足够的增益，这使供电的电池寿命大大缩短。另外，在7.5GHz带宽内保持良好的输入输出匹配，增益平坦度以及低噪声也很难达到性能要求。

目前的超宽带集成放大器主要采用分布式技术、宽带滤波器技术和电阻反馈技术等，常用的一种结构是利用电阻进行耦合和匹配单片低噪声放大器，通过键合线连接封装引脚和芯片PAD。但是，随着频率的升高和电感阻抗增大，因该结构采用的是键合线电感，在高频时增益大大降低，工作带宽不能满足UWB应用要求，而且放大器在数据空白期也工作，大大降低了电池的使用寿命，在移动通信领域的应用也受到很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超宽带低噪声单片集成放大器，大大延长了电池使用寿命，大大降低了寄生电感，提高高频增益，扩展带宽范围，同时具有良好的宽带输入输出匹配、低噪声系数、高增益等性能指标。

实现上述目的的技术方案是：

本发明公开了一种超宽带低噪声单片集成放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路包括第一晶体三极管，所述第二级放大电路包括第二晶体三极管和第三晶体三极管，其中，所述超宽带低噪声单片放大器还包括第三级放大电路，所述第三级放大电路包括控制电流输入端、第四电阻、第一滤波电容和第四晶体三极管，其中：

所述第一晶体三极管的基极联接信号输入端，所述第一晶体三极管的集电极是第一级放大电路的信号输出端；

所述第一晶体三极管的集电极同时与第二晶体三极管的基极联接，所述第二晶体三极管的发射极与第三晶体三极管的集电极联接，所述第二晶体三极管的集电极是第二级放大电路的信号输出端；

所述控制电流输入端通过第四电阻联接到第三晶体三极管的基极，所述第四电阻与第三晶体三极管的基极之间同时通过第一滤波电容接地；所述第三晶体三极管的发射极联接到第四晶体三极管的基极，所述第四晶体三极管的集电极是第三级放大电路的信号输出端；

所述第一级放大电路的信号输出端、第二级放大电路的信号输出端和第三级放大电路的信号输出端一方面串联地联接第四电容然后接地，另一方面串联地联接第五电感然后信号输出。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间联接有第二电阻。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间串联地联接有第一电阻和第三电阻。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述信号输入端与第一晶体三极管的基极之间联接有第三电感。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第一晶体三极管的基极与第三电感之间通过联接第三电容然后接地。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第一晶体三极管的基极与第三晶体三极管的发射极之间串联地联接有第七电阻和第五电阻。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第三晶体三极管的发射极通过第五电阻串联地联接第六电阻和第二电感然后接地。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第一晶体三极管的发射极联接第一电感然后接地。

上述的超宽带低噪声单片集成放大器，其中，所述第四晶体三极管的发射极通与接地之间联接有第八电阻和第二电容，所述第八电阻与第二电容并联联接。

本发明的有益效果是：本发明提供一种超宽带低噪声单片集成放大器，利用电阻进行耦合和匹配的单片低噪声集成放大器中增添控制开关，在数据空白时间内关断放大器，实现了电路只在脉冲时间导通起作用，使在其它时间关闭不起作用，大大延长了电池使用寿命；而且，本发明的技术方案替代现有的键合线技术，大大降低了寄生电感，提高高频增益，扩展带宽范围，同时具有良好的宽带输入输出匹配、低噪声系数、高增益等性能指标。

附图说明

图1是本发明的一种超宽带低噪声单片集成放大器的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，本发明一种超宽带低噪声单片集成放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路，第一级放大电路包括第一晶体三极管HBT1，第二级放大电路包括第二晶体三极管HBT2和第三晶体三极管HBT3，本发明还包括第三级放大电路，第三级放大电路包括控制电流输入端Control circuit、第四电阻R4、第一滤波电容C1和第四晶体三极管HBT4。

第一晶体三极管HBT1的基极联接信号输入端，第一晶体三极管HBT1的集电极是第一级放大电路的信号输出端。

第一晶体三极管HBT1的集电极同时与第二晶体三极管HBT2的基极联接，第二晶体三极管HBT2的发射极与第三晶体三极管HBT3的集电极联接，第二晶体三极管HBT2的集电极是第二级放大电路的信号输出端。

控制电流输入端通过第四电阻R4联接到第三晶体三极管HBT3的基极，第四电阻R4与第三晶体三极管HBT3的基极之间同时通过第一滤波电容C1接地；第三晶体三极管HBT3的发射极联接到第四晶体三极管HBT4的基极，第四晶体三极管HBT4的集电极是第三级放大电路的信号输出端。

第一级放大电路的信号输出端、第二级放大电路的信号输出端和第三级放大电路的信号输出端一方面串联地联接第四电容C4然后接地，另一方面串联地联接第五电感L5然后信号输出。

第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间联接有第二电阻R2。

第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间串联地联接有第一电阻R1和第三电阻R3。

信号输入端与第一晶体三极管HBT1的基极之间联接有第三电感L3。

第一晶体三极管HBT1的基极与第三电感L3之间通过联接第三电容C3然后接地。

第一晶体三极管HBT1的基极与第三晶体三极管HBT3的发射极之间串联地联接有第七电阻R7和第五电阻R5。

第三晶体三极管HBT3的发射极通过第五电阻R5，并串联地联接第六电阻R6和第二电感L2，然后接地。

第一晶体三极管HBT1的发射极联接第一电感L1然后接地

第四晶体三极管HTB3的发射极通与接地之间联接有第八电阻R8和第二电容C2，第八电阻R8与第二电容C2并联联接。

为了扩充带宽，本发明在电路方面主要采用电阻负反馈技术、电容峰值技术、并联峰值技术等技术来实现，在器件方面主要通过TSV(Through Silicon Vias）结构取代键合线来扩展带宽。其中，本发明包含三种反馈电阻：第八电阻R8，与第四晶体三极管HBT4的发射极联接的串联电流反馈；第二电阻R2，为局部的并联电压反馈电阻；第二电阻R7，为全局的并联电流反馈电阻。其中，第二电阻R7从第三晶体三极管HBT3的发射极反馈到第一晶体三极管HBT1的基极，使输入电阻减小有益于输入阻抗匹配，但也有不想要的噪声电流反馈到输入端，恶化了噪声性能。因此要仔细选择第七电阻R7的值来平衡输入阻抗匹配和噪声性能，另外第七电阻R7对第一晶体三极管HBT1进行偏置；同样第二电阻R2也影响了增益和输出阻抗匹配之间的平衡。

直流供电电源一端通过第四电感L4，并联接在第一电阻R1和第三电阻R3之间；直流供电电源另一端接地。

第一电感L1和第二电感L2由TSV结构寄生产生，使GND接地通过TSV向下连接到基岛，而不采用向上连接到PAD，再用键合线连接到封装框架上，大大降低了寄生电感，提高了高频增益，从而扩展了工作带宽。第三电感L3、第四电感L4和第五电感L5是键合线电感，第三电容C3和第四电容C4是PAD电容。第二电容C2是MIM电容，在电路中R8和C2构成电容峰值技术，引入零点来消除极点的影响，达到扩展带宽的目的。同电容峰值技术一样，并联峰值技术通过负载电阻串联键合线电感L4引入一个零点，来消除极点影响扩展带宽。

第三晶体三极管HBT3对该放大器进行开关控制，在控制电路提供高电平时，导通放大器，功耗在毫瓦级；当控制电路提供一个低电平时，关断放大器，电路只有一个皮瓦级的功耗。UWB系统利用脉冲信号取代连续的正弦波（sine waves）来传送数据，通过控制电路，只在脉冲时段内导通放大器，在其他数据空白期内关断放大器，大大降低了功耗，从而延长了电池的使用寿命。

本发明通过控制电路，利用电阻进行耦合和匹配的单片低噪声放大器中增添控制开关，只在信号脉冲时间期间导通起作用，而在数据空白时间内关断放大器，从而降低功耗，大大延长了电池寿命；在单片宽带低噪声放大器中用TSV结构代替现有的键合线技术，大大降低了寄生电感，提高高频增益，扩展工作带宽，同时具有良好的宽带输入输出匹配、低噪声系数、高增益等性能指标。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，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。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超宽带低噪声单片集成放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路包括第一晶体三极管，所述第二级放大电路包括第二晶体三极管和第三晶体三极管，其特征在于：所述超宽带低噪声单片集成放大器还包括第三级放大电路，所述第三级放大电路包括控制电流输入端、第四电阻、第一滤波电容和第四晶体三极管,其中：

所述第一晶体三极管的基极联接信号输入端，所述第一晶体三极管的集电极是第一级放大电路的信号输出端；

所述第一晶体三极管的集电极同时与第二晶体三极管的基极联接，所述第二晶体三极管的发射极与第三晶体三极管的集电极联接，所述第二晶体三极管的集电极是第二级放大电路的信号输出端；

所述控制电流输入端通过第四电阻联接到第三晶体三极管的基极，所述第四电阻与第三晶体三极管的基极之间同时通过第一滤波电容接地；所述第三晶体三极管的发射极联接到第四晶体三极管的基极，所述第四晶体三极管的集电极是第三级放大电路的信号输出端；

所述第一级放大电路的信号输出端、第二级放大电路的信号输出端和第三级放大电路的信号输出端一方面串联地联接第四电容然后接地，另一方面串联地联接第五电感然后信号输出。

2.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间联接有第二电阻。

3.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第一级放大电路的输出端与第二级放大电路的输出端之间串联地联接有第一电阻和第三电阻。

4.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述信号输入端与第一晶体三极管的基极之间联接有第三电感。

5.根据权利要求4所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第一晶体三极管的基极与第三电感之间通过联接第三电容然后接地。

6.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第一晶体三极管的基极与第三晶体三极管的发射极之间串联地联接有第七电阻和第五电阻。

7.根据权利要求6所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第三晶体三极管的发射极通过第五电阻串联地联接第六电阻和第二电感然后接地。

8.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第一晶体三极管的发射极联接第一电感然后接地。

9.根据权利要求1所述的超宽带低噪声单片集成放大器，其特征在于：所述第四晶体三极管的发射极通与接地之间联接有第八电阻和第二电容，所述第八电阻与第二电容并联联接。