CN104362987B - 超宽带可变增益放大器 - Google Patents

超宽带可变增益放大器 Download PDF

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Abstract

超宽带可变增益放大器涉及射频集成电路技术领域。该放大器包括Cascode输入级，电流复用放大级，输出缓冲级和电流镜增益控制级。本发明采用Cascode结构实现输入匹配和噪声匹配，同时获得高增益。本发明采用两级电流复用结构将放大级和输出缓冲级连接起来，有效地降低该放大器的功耗。本发明采用电流镜增益控制结构实现增益可控，同时保证了电路的良好线性度和功率效率。

Description

超宽带可变增益放大器
技术领域
本发明涉及一种射频集成电路技术领域，特别是涉及一种超宽带可变增益放大器。
背景技术：
可变增益放大器是射频接收机前端的核心组件之一。无线通信系统的传输环境复杂多变,为保证数据传输的准确性,需要无线接收机中采用可变增益放大器对接收到的不同幅度的信号进行处理,保持接收机稳定的信号输出.
在集成电路工艺方面，国内外对于VGA的研究大多用GaAs工艺与CMOS工艺实现。然而GaAs工艺不能与成熟的Si平面工艺兼容,不利于集成且成本较高。CMOS工艺成熟,器件成本低。但适合于低频段工作。当前急需具有低成本，高性能且利于集成的工艺来实现可变增益放大器的设计。
超宽带低噪声可变增益放大器作为无线通信射频接收机系统前段的关键模块，其增益可调性、带宽、功耗都会对整个接收机产生重要影响。因此，超宽带低噪声放大器应具有良好的动态增益范围，并且具有高的带宽，同时还要有较低的功耗。
因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新性的设计一种低成本，利于集成，低功耗，高动态变化范围，超宽带的可变增益放大器。
发明内容：
本发明提供一种SiGe BiCMOS超宽带可变增益放大器，提供一种宽带范围为3～8GHz的超宽带可变增益放大器。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
超宽带可变增益放大器，其特征在于该超宽带可变增益放大器包括：第一异质结双极型晶体管(Q1)，第二异质结双极型晶体管(Q2)，第三异质结双极型晶体管(Q3)，第四异质结双极型晶体管(Q4)，第五异质结双极型晶体管(Q5)，第六异质结双极型晶体管(Q6)，第七异质结双极型晶体管(Q7)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)，第七电阻(R7)，第八电阻(R8)，第九电阻(R9)，第十电阻(R10)，第十一电阻(R11)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)，第五电感(L5)，第六电感(L6)，第七电感(L7)，第一电压源(V1)，第二电压源(V2)，第三电压源(V3)，第四电压源(V4)可控电压源Vctrl。其中：第一异质结双极型晶体管(Q1)的基极同时连接第一电容(C1)的一端、第一电感(L1)的一端以及第二电阻(R2)的一端，第一异质结双极型晶体管(Q1)的发射极同时连接第一电容(C1)的另一端和第三电感(L3)的一端，第一异质结双极型晶体管(Q1)的集电极连接第二异质结双极型晶体管(Q2)的发射极；第二异质结双极型晶体管(Q2)的集电极同时连接第二电感(L2)的一端和第二电容(C2)的一端，第二电感(L2)的另一端连接第一电阻(R1)的一端；第三异质结双极型晶体管(Q3)的基极同时连接第二电容(C2)的另一端、第三电阻(R3)的一端、第七异质结双极型晶体管(Q7)的集电极以及第十一电阻(R11)的一端，第三异质结双极型晶体管(Q3)的发射极连接第五电感(L5)的一端，第三异质结双极型晶体管(Q3)的集电极同时连接第五电容(C5)的一端和第四电感(L4)的一端；第四异质结双极型晶体管(Q4)的基极同时连接第六电阻(R6)的一端和第五电容(C5)的另一端，第四异质结双极型晶体管(Q4)的发射极同时连接第四电容(C4)的一端和第四电感(L4)的另一端，第四异质结双极型晶体管(Q4)的集电极同时连接第三电容(C3)的一端、第六电感(L6)的一端以及第七电感(L7)的一端，第六电阻(R6)的另一端连接第七电感(L7)的另一端；第五异质结双极型晶体管(Q5)的基极同时连接第四电阻(R4)的一端、第五电阻(R5)的一端以及第三电容(C3)的另一端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极连接第七电阻(R7)的一端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的集电极同时连接第五电感(L5)的另一端和第六电容(C6)的一端；第六异质结双极型晶体管(Q6)的基极同时连接第七异质结双极型晶体管(Q7)的基极和第十电阻(R10)的一端，第六异质结双极型晶体管(Q6)的发射极连接第八电阻(R8)的一端；第七异质结双极型晶体管(Q7)的发射极连接第九电阻(R9)的一端；第二异质结双极型晶体管(Q2)的基极和第一电阻(R1)的另一端连接第一电压源(V1)；第三电阻(R3)的另一端、第四电阻(R4)的另一端和第六电感(L6)的另一端都连接第二电压源(V2)；第六异质结双极型晶体管(Q6)的集电极连接第三电压源(V3)；第二电阻(R2)的另一端、第三电感(L3)的另一端、第八电阻(R8)的另一端、第九电阻(R9)的另一端、第十一电阻(R11)的另一端、第五电阻(R5)的另一端、第四电容(C4)的另一端、第六电容(C6)的另一端以及第七电阻(R7)的另一端都连接接地端；第十电阻(R10)的另一端连接可控电压源(Vctrl)。
其中，第一电感(L1)的另一端是所述超宽带低噪声可变增益放大器的信号输入端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极和第七电阻(R7)的一端是所述可变增益放大器的信号输出端。
所述第一异质结双极型晶体管(Q1)、第二异质结双极型晶体管(Q2)、第三异质结双极型晶体管(Q3)、第四异质结双极型晶体管(Q4)、第五异质结双极型晶体管(Q5)、第六异质结双极型晶体管(Q6)、第七异质结双极型晶体管(Q7)均为锗硅异质结双极型晶体管。
所述可控电压源(Vctrl)的电压调节范围为0.5～2.5V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用四级结构：Casode输入级，电流复用放大级，输出缓冲级，电流镜增益控制级。输入级采用Cascode结构实现输入阻抗匹配和噪声匹配，采用两级电流复用结构将放大级和输出缓冲级连接起来，有效地降低该放大器的功耗。放大级采用Cascode电流复用结构，以降低功耗。输出缓冲级采用共射级晶体管与放大级中的晶体管复用电流以降低功耗。采用由两个背靠背的晶体管和四个电阻构成的新型电流镜增益控制结构，实现超宽带增益控制同时保证良好线性度和功率效率。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图；
图2是本发明的电路图；
图3是本发明超宽带可变增益放大器的S21与Vctrl的关系图；
图4是本发明超宽带可变增益放大器的S11与Vctrl的关系图；
图5是本发明超宽带可变增益放大器的S22与Vctrl的关系图；
图6是本发明超宽带可变增益放大器的NFmin与Vctrl的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的实施包括四部分：Cascode输入级，电流复用放大级，输出缓冲级，电流镜增益控制级。
如图2所示，Cascode输入级：异质结双极晶体管Q1和Q2构成Cascode结构；R1，L2和偏置电压V1为Cascode结构提供偏置；R2，C1，L1以及L3组成匹配网络，实现输入匹配和噪声匹配。其中V1＝1.2V，R1＝920Ω，R2＝5Ω，L1＝0.9nH，L2＝3.3nH，L3＝0.9nH，＝C1＝0.26pF，V1＝1.2V。
如图2所示，电流复用放大级：异质结双极晶体管Q3和Q4构成Cascode结构，L4阻隔交流信号到Q4的发射极，C4和C6提供交流地，使经Q3放大后的交流信号由C5送到Q4的基极进行二次放大。为了拓展带宽，加入R6和L7并联反馈以及并联峰化电感L6，R6和L7的并联反馈可以提高系统的稳定性和增益平坦度。其中R6＝10kΩ，L4＝20nH，L6＝18.6nH，L7＝20nH，C4＝12.6pF，C5＝10.1pF，C6＝18.4pF。
如图2所示，输出缓冲级：Q5与R7组成输出缓冲级，其中R7＝80.9Ω，同时Q5与Q3和Q4通过两级电流复用配置连接起来，有效降低功耗。
如图2所示，电流镜增益控制级：Q6的集电极与电源VCC相连，Q7的集电极连接所控制晶体管的基极控制电压Vctrl通过R10加在Q6和Q7的基极，其中R10＝3024Ω，Q7主要实现增益控制，Q6保证电路良好的线性度和功率效率，为Q6提供偏置的电压V3＝1V。
调节Vctrl，可以改变Q7集电极的输出电流，从而改变Q3的输入电流，最终获得超宽带可变增益放大器的增益可控。
图3为可变增益放大器在3GHz到8GHz频率范围内的增益S21与控制电压Vctrl的关系。可以看出Vctrl从0.5V变化到2.5V时，4GHz频率下的S21从32dB变化到6dB，同时7GHz频率下的S21从24dB变化到10dB，最大动态增益变化范围为26dB。
图4和图5分别为可变增益放大器在3GHz到8GHz频率范围内，控制电压电压Vctrl与S11的关系和控制电压Vctrl与S22的关系，S11，S22均低于-10dB，输入输出匹配良好。
图6为可变增益放大器在3GHz到8GHz频率范围内，控制电压Vctrl与NFmin的关系，NFmin均低于5dB，噪声性能良好。
在整个超宽带可变增益放大器中，充分利用了BiCMOS技术的优点，采用SiGe HBT代替CMOS晶体管和GaAs晶体管有效降低成本，且利于集成。
本发明的超宽带可变增益放大器可广泛应用在3～8GHz频段内的无线通信系统中。

Claims (3)

1.超宽带可变增益放大器，其特征在于该超宽带可变增益放大器包括：第一异质结双极型晶体管(Q1)，第二异质结双极型晶体管(Q2)，第三异质结双极型晶体管(Q3)，第四异质结双极型晶体管(Q4)，第五异质结双极型晶体管(Q5)，第六异质结双极型晶体管(Q6)，第七异质结双极型晶体管(Q7)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)，第七电阻(R7)，第八电阻(R8)，第九电阻(R9)，第十电阻(R10)，第十一电阻(R11)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)，第五电感(L5)，第六电感(L6)，第七电感(L7)，第一电压源(V1)，第二电压源(V2)，第三电压源(V3)，可控电压源Vctrl；其中：第一异质结双极型晶体管(Q1)的基极同时连接第一电容(C1)的一端、第一电感(L1)的一端以及第二电阻(R2)的一端，第一异质结双极型晶体管(Q1)的发射极同时连接第一电容(C1)的另一端和第三电感(L3)的一端，第一异质结双极型晶体管(Q1)的集电极连接第二异质结双极型晶体管(Q2)的发射极；第二异质结双极型晶体管(Q2)的集电极同时连接第二电感(L2)的一端和第二电容(C2)的一端，第二电感(L2)的另一端连接第一电阻(R1)的一端；第三异质结双极型晶体管(Q3)的基极同时连接第二电容(C2)的另一端、第三电阻(R3)的一端、第七异质结双极型晶体管(Q7)的集电极以及第十一电阻(R11)的一端，第三异质结双极型晶体管(Q3)的发射极连接第五电感(L5)的一端，第三异质结双极型晶体管(Q3)的集电极同时连接第五电容(C5)的一端和第四电感(L4)的一端；第四异质结双极型晶体管(Q4)的基极同时连接第六电阻(R6)的一端和第五电容(C5)的另一端，第四异质结双极型晶体管(Q4)的发射极同时连接第四电容(C4)的一端和第四电感(L4)的另一端，第四异质结双极型晶体管(Q4)的集电极同时连接第三电容(C3)的一端、第六电感(L6)的一端以及第七电感(L7)的一端，第六电阻(R6)的另一端连接第七电感(L7)的另一端；第五异质结双极型晶体管(Q5)的基极同时连接第四电阻(R4)的一端、第五电阻(R5)的一端以及第三电容(C3)的另一端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极连接第七电阻(R7)的一端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的集电极同时连接第五电感(L5)的另一端和第六电容(C6)的一端；第六异质结双极型晶体管(Q6)的基极同时连接第七异质结双极型晶体管(Q7)的基极和第十电阻(R10)的一端，第六异质结双极型晶体管(Q6)的发射极连接第八电阻(R8)的一端；第七异质结双极型晶体管(Q7)的发射极连接第九电阻(R9)的一端；第二异质结双极型晶体管(Q2)的基极和第一电阻(R1)的另一端连接第一电压源(V1)；第三电阻(R3)的另一端、第四电阻(R4)的另一端和第六电感(L6)的另一端都连接第二电压源(V2)；第六异质结双极型晶体管(Q6)的集电极连接第三电压源(V3)；第二电阻(R2)的另一端、第三电感(L3)的另一端、第八电阻(R8)的另一端、第九电阻(R9)的另一端、第十一电阻(R11)的另一端、第五电阻(R5)的另一端、第四电容(C4)的另一端、第六电容(C6)的另一端以及第七电阻(R7)的另一端都连接接地端；第十电阻(R10)的另一端连接可控电压源(Vctrl)；信号输入端RF_in连接第一电感(L1)的另一端，第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极和第七电阻(R7)的一端连接信号输出端RF_out。
2.根据权利要求1所述超宽带可变增益放大器，其特征在于所述第一异质结双极型晶体管(Q1)、第二异质结双极型晶体管(Q2)、第三异质结双极型晶体管(Q3)、第四异质结双极型晶体管(Q4)、第五异质结双极型晶体管(Q5)、第六异质结双极型晶体管(Q6)、第七异质结双极型晶体管(Q7)均为锗硅异质结双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的超宽带可变增益放大器，其特征在于所述可控电压源(Vctrl)的电压调节范围为0.5～2.5V。
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