CN103944518B - 一种宽带低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带低噪声放大器，包括与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连的电调电路，所述电调电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管的输出端与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，所述第一晶体管的输入端和控制端相连，并接收控制电压。本发明提供的宽带低噪声放大器中所述电调电路与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，通过改变电调电路接收的控制电压的大小，调节所述宽带低噪声放大器的输入匹配电路和控制所述低噪声放大器的输入阻抗，从而降低宽带低噪声放大器的噪声系数，增大低噪声放大器的增益，达到宽带低噪声放大器在电路制作完成后仍可调节的效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体的说是涉及一种宽带低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）作为射频前段的关键模块，是通信系统设备中的基本部件，宽带低噪声放大器更是组成收发机芯片和下变频芯片的关键部件。目前，传统宽带低噪声放大器主要采用平衡式、分布式或电容电感匹配来实现，但是由于其体积大、功耗高，因此难以适应现代无线通信系统发展的要求。
随着单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，简称MMIC）技术的迅猛发展，出现了射频单片宽带低噪声放大器，射频单片宽带低噪声放大器是采用MMIC技术制得的宽带低噪声放大器，此类宽带低噪声放大器比较常见的有平衡式宽带低噪声放大器和反馈式宽带低噪声放大器等，此类宽带低噪声放大器具有高增益、低噪声、高隔离度、高线性度和易于使用等特点，从而代替了传统宽带低噪声放大器应用于现代无线通信系统中。
但发明人发现，无论上述哪种宽带低噪声放大器在电路制作完成后均没有可调节性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种宽带低噪声放大器，以解决现有技术中宽带低噪声放大器在电路制作完成后不可调节的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽带低噪声放大器，包括与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连的电调电路，所述电调电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管的输出端与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，所述第一晶体管的输入端和控制端相连，并接收控制电压。
优选地，所述电调电路还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一晶体管的控制端相连，另一端与所述第一晶体管的输入端相连，所述第一晶体管的输入端接收控制电压。
优选地，所述宽带低噪声放大器为并联反馈的两级射频放大器，包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的输出端相连，作为两级射频放大器的信号输入端；
所述第二晶体管的控制端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端同时与所述第五电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述第四晶体管的输出端相连；所述第二电阻与所述第五电阻的公共端与所述第四电阻的一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第四晶体管的控制端相连；
所述第二晶体管的输出端接地；
所述第二晶体管的输入端、所述第三晶体管的控制端、输入端以及所述第四晶体管的输入端均与电源相连；
所述第三晶体管的控制端与所述第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的输入端相连；
所述第三晶体管的输出端与所述第四晶体管的控制端相连；
所述第四晶体管的输入端作为两级射频放大器的信号输出端将信号输出。
优选地，还包括源端反馈电路，所述源端反馈电路包括第一阻抗网络和第二阻抗网络；
所述第一阻抗网络的一端与所述第二晶体管的输出端相连，另一端接地；
所述第二阻抗网络的一端与所述第四晶体管的输出端相连，另一端接地。
优选地，所述第一阻抗网络和第二阻抗网络均为电阻电容并联网络。
优选地，所述第一晶体管为场效应管或NPN三极管。
优选地，所述第二晶体管为场效应管或NPN三极管。
优选地，所述第三晶体管为场效应管或NPN三极管。
优选地，所述第四晶体管为场效应管或NPN三极管
经由上述的技术方案可知，本发明提供的宽带低噪声放大器包括电调电路，所述电调电路与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，通过改变电调电路接收的控制电压的大小，调节所述宽带低噪声放大器的输入匹配电路和控制所述低噪声放大器的输入阻抗，从而降低宽带低噪声放大器的噪声系数，增大低噪声放大器的增益，达到宽带低噪声放大器在电路制作完成后仍可调节的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种宽带低噪声放大器结构示意图；
图2为本发明提供的另一种宽带低噪声放大器结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的具体电路噪声系数仿真结果图；
图4为本发明实施例二提供的具体电路的S21参数仿真结果图；
图5为本发明实施例二提供的具体电路的S11参数仿真结果图；
图6为本发明实施例二提供的具体电路的S22参数仿真结果图；
图7为本发明实施例二提供的具体电路的S12参数仿真结果图；
图8为本发明实施例二提供的具体电路的线性度仿真结果图；
图9为本发明实施例二提供的具体电路的稳定性仿真结果图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中的宽带低噪声放大器在制作完成后没有可调节性，发明人发现，出现上述现象的原因是，现有的宽带低噪声放大器在制作完成后被封装起来，内部结构无法改变，因此无法控制放大电路的性能。
基于此，发明人经过研究发现，通过在宽带低噪声放大器的信号输入端并联一个电调电路，即可通过改变电调电路所接收的控制电压的值调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，从而调节宽带低噪声放大器的性能。本发明提供一种宽带低噪声放大器，包括与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连的电调电路，所述电调电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管的输出端与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，所述第一晶体管的输入端和控制端相连，并接收控制电压。
由上述的技术方案可知，本发明提供的宽带低噪声放大器，在宽带低噪声放大器的外部还有一个电调电路，电调电路与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，能够通过外部调节改变放大器的输入阻抗，降低宽带低噪声放大器的噪声系数，增大低噪声放大器的增益，从而达到宽带低噪声放大器在电路制作完成后仍可调节的效果。
以上是本申请的核心思想，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
下面通过几个实施例具体描述。
实施例一
本发明实施例公开了一种宽带低噪声放大器，如图1所示，包括宽带低噪声放大器1和电调电路2，电调电路2与宽带低噪声放大器1的信号输入端RFin相连，电调电路2包括晶体管M1，晶体管M1的输出端与宽带低噪声放大器1的信号输入端RFin相连，晶体管M1的输入端和其控制端相连并接收外部的控制电压VCtrl。
需要说明的是，本实施例中并不限定宽带低噪声放大器的具体型号，及其具体的内部结构，只要宽带低噪声放大器的输入阻抗可以通过调节电调电路接收的控制电压调节，则所述宽带低噪声放大器均落入本实施例的保护范围。
本实施例中公开的宽带低噪声放大器能够在电路制作完成，各个元件都封装起来之后，通过调节电调电路接收的控制电压改变宽带低噪声放大器的输入阻抗，优化宽带低噪声放大器的噪声系数、增益与反射系数等指标，从而实现电路的可调节。
另外，所述电调电路还可以微调宽带低噪声放大器输入端阻抗以达到精确的输入匹配效果，从而克服制造工艺、工作电压与环境温度变化导致的宽带低噪声放大器的电路性能偏差。
实施例二
本实施例较上一实施例更加具体，所述宽带低噪声放大器包括宽带低噪声放大器、电调电路、源端反馈电路。
所述并联反馈的两级射频放大器包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻。
第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的输出端相连，作为两级射频放大器的信号输入端；所述第二晶体管的控制端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端同时与所述第五电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述第四晶体管的输出端相连；所述第二电阻与所述第五电阻的公共端与所述第四电阻的一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第四晶体管的控制端相连；所述第二晶体管的输入端、所述第三晶体管的控制端、输入端以及所述第四晶体管的输入端均与电源相连；所述第三晶体管的控制端与所述第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的输入端相连；所述第三晶体管的输出端与所述第四晶体管的控制端相连；所述第四晶体管的输入端作为两级射频放大器的信号输出端将信号输出。
所述电调电路还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一晶体管的控制端相连，另一端与所述第一晶体管的输入端相连，所述第一晶体管的输入端接收控制电压。
所述源端反馈电路包括第一阻抗网络和第二阻抗网络；所述第一阻抗网络的一端与所述第二晶体管的输出端相连，另一端接地；所述第二阻抗网络的一端与所述第四晶体管的输出端相连，另一端接地。
具体可参见图2所示的宽带低噪声放大器，包括并联反馈的两级射频放大器1、电调电路2、源端反馈电路3。
所述并联反馈的两级射频放大器1由晶体管M2、M3、M4及电阻R2、R3、R4、R5组成。具体连接方式如下：
晶体管M2的输入端与晶体管M3的控制端相连，晶体管M2的控制端与晶体管M3的输出端间连接电阻R2与电阻R4。
需要说明的是，晶体管M2的控制端与晶体管M3的输出端间连接的电阻R2与电阻R4，与晶体管M2、晶体管M3构成负反馈。
晶体管M2的控制端与晶体管M4的输出端间连接电阻R2与电阻R5。
需要说明的是，晶体管M2的控制端与M4的输出端间连接的电阻R2与电阻R5，与晶体管M2、晶体管M4构成负反馈。
更需要说明的是，电阻R2、R4、R5一起作用于晶体管M2的控制端，调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，使得宽带低噪声放大器的输入阻抗在宽频带范围内达到最优的噪声系数，同时起到了稳定的作用，使整个宽带低噪声放大电路处于不震荡状态。
晶体管M3的控制端与晶体管M3的输入端之间连接电阻R3。
需要说明的是，晶体管M3的控制端与晶体管M3的输入端之间连接的电阻R3，与晶体管M3组成并联负反馈网络，可以提升宽带低噪声放大器的高频段增益，同时调节宽带低噪声放大器的输出端阻抗匹配特性。
晶体管M3的输出端与晶体管M4的控制端相连，构成达林顿管对，达林顿管对的放大倍数是两个晶体管的放大倍数之积，从而可以提高宽带低噪声放大器的整体增益；晶体管M2、M3、M4的输入端均连接于电源，电源提供电路所需的电压VDD。
电调电路2还包括电阻R1，电阻R1的两端分别连接晶体管M1的控制端和M1的输入端，所述M1的输入端同时接收控制电压VCtrl。
需要说明的是，M1的控制端和M1的输入端之间连接有电阻R1，构成电调电路，可以有效调节输入阻抗以达到良好的输入匹配与最佳的噪声系数。
需要重点说明的是，电调电路2根据控制电压VCtrl的不同，可以具备有源电感与二极管两种功能；当控制电压VCtrl的值在晶体管M1的阈值电压至控制电压VCtr1＝0时的晶体管M2的控制端电压之间时，电调电路为有源电感，可以作为输入匹配电路，优化宽带低噪声放大器的噪声系数、增益与反射系数等指标；当控制电压VCtrl的值大于控制电压VCtr1＝0时的晶体管M2的控制端电压时，电调电路具有二极管导通时的特性，即控制电压VCtrl可以线性控制低噪声放大器的静态工作点，从而改变宽带低噪声放大器的增益与噪声系数。
源端反馈电路3由两路阻抗网络Z1与Z2与组成，一路阻抗网络Z1的一端与晶体管M2的输出端相连，另一端与地相连；另一路阻抗网络Z2的一端与晶体管M4的输出端相连，另一端与地相连。
源端反馈电路中的第一阻抗网络Z1采用了电阻电容并联网络，一方面调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，一方面调节晶体管M2的控制端与输出端之间的电压，使得晶体管M2进入低噪声与高增益的偏置区域；源端反馈电路的第二阻抗网络Z2也采用了电阻电容并联网络，调节晶体管M3的控制端与输出端之间的电压和晶体管M4的控制端与输出端之间的电压，使得晶体管M3与晶体管M4进入高增益的偏置区域。
需要说明的是，上述电调电路可以调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，第一阻抗网络Z1也可以调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，电阻R2、R4、R5一起作用于晶体管M2的控制端，也可以调节宽带低噪声放大器的输入阻抗，但其中只有电调电路是在电路制作完成之后，通过调节电调电路的控制电压VCtrl来调节宽带低噪声放大器的输入阻的，其他的两种调节方式，均是在电路设计阶段，改变宽带低噪声放大器的内部元件的参数性能来实现调节宽带低噪声放大器的输入阻抗的。
需要说明的是，上述第一晶体管可以为场效应管，也可以为NPN三极管，当晶体管为场效应管时，所述晶体管的控制端、输出端和输入端分别对应场效应管的栅极、源极、漏极，当晶体管为NPN三极管时，所述晶体管的控制端、输出端和输入端分别对应NPN三极管的基极、发射极和集电极。
所述第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管可以同时为场效应管，也可以同时为NPN三极管，所述第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管也可以不同时为场效应管或NPN三极管。当晶体管为场效应管时，所述晶体管的控制端、输出端和输入端分别对应场效应管的栅极、源极、漏极，当晶体管为NPN三极管时，所述晶体管的控制端、输出端和输入端分别对应NPN三极管的基极、发射极和集电极。
下面给出实施例二提供的宽带低噪声放大器的一个具体的例子，相关的电路元件参数如下：
晶体管采用pHEMT（赝高电子迁移率晶体管）工艺，沟道长度为0.5μm；
R2=540.0Ω，R3=1500.0Ω，R4=15.8Ω，R5=180.0Ω，R1=1000Ω；
WM2=8×25μm，WM3=2×100μm，WM4=2×75μm，WM1=2×100μm；示例WM2=8×25μm，其中WM2表示晶体管M2的宽度，8代表该晶体管的管脚数，25表示每个管脚所占用宽度。
Z1阻抗网络由电阻与电容并联构成，电阻为5.1Ω，电容为8.3pF；
Z2阻抗网络由电阻与电容并联构成，电阻为5.6Ω，电容为5.6pF
电路的工作电压VDD为3.3V，工作电流为24mA，功耗为79.2mW，芯片版图尺寸为905μm×786μm=0.711mm2。
电路仿真结果如图3至图9所示，图中分别表示了电调电路控制电压VCtrl在0.45V至0.85V变化中，电路各个指标特性的改变。可见通过调节电调电路的控制电压VCtrl可以改变电路的增益系数和噪声系数。
由于在电路的S参数中，S21为正向传输系数，也即电路的增益系数，因此S21的值越大越好，而S11为输入反射系数，也即输入回波损耗，表示有多少能量杯反射回输入端，电路中输入回波损耗越小越好，即S11越小电路的性能越好，从图4至图9中可以读出在电调电路控制电压VCtrl为0.55V时，电路处于最佳宽带工作的特性，且电路的工作频段为0.7GHz-6GHz，S11＜-12dB，S22＜-20dB，S21＞20dB，S12＜-40dB，而结合上述参数范围及当电路工作在0.7GHz-6GHz频段范围内时，从图3中可以读出该电路的噪声系数小于2.2dB。
本实施例提供的宽带低噪声放大器，能够通过调节电调电路的控制电压的值，使电调电路具备有源电感或二极管两种功能，当控制电压VCtrl的值较低时，电调电路作为宽带低噪声放大器的输入匹配电路，优化放大器的噪声系数，提高增益；当控制电压VCtrl的值较高时，电调电路的控制电压VCtrl能够线性控制宽带低噪声放大器的静态工作点，从而改变宽带低噪声放大器的增益与噪声系数。
对所公开的实施例的上述说明，将本领域专业技术人员能够实现或将用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于，包括与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连的电调电路，所述电调电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管的输出端与所述宽带低噪声放大器的信号输入端相连，所述第一晶体管的输入端和控制端相连，并接收控制电压，通过调节电调电路接收的控制电压改变宽带低噪声放大器的输入阻抗。
2.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述电调电路还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一晶体管的控制端相连，另一端与所述第一晶体管的输入端相连，所述第一晶体管的输入端接收控制电压。
3.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述宽带低噪声放大器为并联反馈的两级射频放大器，包括第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
第二晶体管的控制端与所述第一晶体管的输出端相连，作为两级射频放大器的信号输入端；
所述第二晶体管的控制端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端同时与所述第五电阻的一端相连，所述第五电阻的另一端与所述第四晶体管的输出端相连；所述第二电阻与所述第五电阻的公共端与所述第四电阻的一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第四晶体管的控制端相连；
所述第二晶体管的输出端接地；
所述第二晶体管的输入端、所述第三晶体管的控制端、输入端以及所述第四晶体管的输入端均与电源相连；
所述第三晶体管的控制端与所述第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的输入端相连；
所述第三晶体管的输出端与所述第四晶体管的控制端相连；
所述第四晶体管的输入端作为两级射频放大器的信号输出端将信号输出。
4.根据权利要求3所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，还包括源端反馈电路，所述源端反馈电路包括第一阻抗网络和第二阻抗网络；
所述第一阻抗网络的一端与所述第二晶体管的输出端相连，另一端接地；
所述第二阻抗网络的一端与所述第四晶体管的输出端相连，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一阻抗网络和第二阻抗网络均为电阻电容并联网络。
6.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一晶体管为场效应管或NPN三极管。
7.根据权利要求3-5任意一项所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二晶体管为场效应管或NPN三极管。
8.根据权利要求3-5任意一项所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三晶体管为场效应管或NPN三极管。
9.根据权利要求3-5任意一项所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第四晶体管为场效应管或NPN三极管。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20220505 Address after: 510000 room 710, Jianshe building, No. 348, Kaifa Avenue, Huangpu District, Guangzhou, Guangdong Patentee after: Ruili flat core Microelectronics (Guangzhou) Co.,Ltd. Address before: 510000 601, building a, 136 Kaiyuan Avenue, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee before: AoXin integrated circuit technology (Guangdong) Co.,Ltd. |