CN105141268A - 低功耗超宽带低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低功耗超宽带低噪声放大器，工作在3-8GHz频带内。该放大器包括：输入级电路，该输入级电路的输入端连接信号输入端，接收信号输入端输入的输入信号；两级共射阻容耦合放大级电路，该两级共射阻容耦合放大级电路的输入端连接所述输入级电路的输出端，对所述输入信号进行放大，并输出放大后的信号；输出缓冲级电路，该输出缓冲级电路的输入端与所述两级共射阻容耦合放大级电路的输出端连接，输出所述放大后的信号至信号输出端。本发明的放大器具有低噪声、功耗低、带宽宽的优点。
Description
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，特别是指一种低功耗超宽带低噪声放大器。
背景技术
随着射频通信技术的发展，人们对高速射频通信质量的要求越来越高，作为射频前端接收机的第一级，传统的低噪声放大器显然满足不了人们对于数据传输的多种要求。由于超宽带射频通信系统是更高质量、更安全以及更快速度的短距离无线通信技术，所以超宽带低噪声放大器可以更好的满足人们的需求。
由于承载射频信息功能的接收机需要持续处于等待状态或者信息收发的状态，低噪声放大器又是整个接收机中功耗较大的模块，所以它的功耗问题一直是人们研究的焦点，因此设计并实现低功耗的低噪声放大器是解决射频接收机续航能力的核心问题。
然而，现有的低噪声放大器存在功耗高，频带窄的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低功耗超宽带低噪声放大器，该放大器可以工作在3-8GHz频段，得以解决了传统低噪声放大器功耗高、带宽窄的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种低功耗超宽带低噪声放大器，包括：
输入级电路，该输入级电路的输入端接收信号输入端输入的输入信号；
两级共射阻容耦合放大级电路，该两级共射阻容耦合放大级电路的输入端连接所述输入级电路的输出端，对所述输入信号进行放大，并输出放大后的信号；
输出缓冲级电路，该输出缓冲级电路的输入端与所述两级共射阻容耦合放大级电路的输出端连接，输出所述放大后的信号至信号输出端。
其中，所述输入级电器包括：第一异质结双极型晶体管以及第二异质结双极型晶体管；其中，
所述第一异质结双极型晶体管的基极分别与第三电阻的第二端、第五电感的第二端以及第五电容的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管的发射极分别与第五电容的第二端和第七电感的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管的集电极与第二异质结双极型晶体管的发射极连接；
所述第二异质结双极型晶体管的集电极分别与第三电感的第二端和第四电容的第一端，且所述第三电感的第一端与第一电阻的第二端连接。
其中，所述两级共射阻容耦合放大级电路包括：第三异质结双极型晶体管以及第四异质结双极型晶体管；其中，
所述第三异质结双极型晶体管的基极与第四电容的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管的集电极分别与第三电容的第二端和第四电感的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管的发射极与第六电感的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管的基极分别与第三电容的第一端和第二电阻的第二端连接，所述第二电阻的第一端与所述第二电感的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管的集电极分别与第二电感的第二端和第一电感的第二端及第二电容的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管的发射极分别与第一电容的第一端和第四电感的第一端连接。
其中，所述输出缓冲级电路包括：第五异质结双极型晶体管；其中，
所述第五异质结双极型晶体管的基极分别与第二电容的第二端和第四电阻的第二端连接；
所述第五异质结双极型晶体管的集电极分别与第六电感的第二端和第六电容的第一端连接；
所述第五异质结双极型晶体管的发射极与第五电阻的第一端连接。
其中，所述第二异质结双极型晶体管的基极和第一电阻的第一端均与第一电压源连接；
所述第一电感的第一端连接第二电压源；
所述第三电阻的第一端连接第三电压源；
所述第四电阻的第一端连接第四电压源；
所述第七电感的第二端、第一电容的第二端、第六电容的第二端及第五电阻的第二端均与接地端连接；
所述信号输入端连接第五电感的第一端；
所述第五异质结双极型晶体管的发射极和第五电阻的第一端均与信号输出端连接。
其中，所述第一异质结双极型晶体管、第二异质结双极型晶体管、第三异质结双极型晶体管、第四异质结双极型晶体管以及第五异质结双极型晶体管均为硅锗异质结双极型晶体管。
其中，所述第二电压源提供直流偏置电压，第二电压源的电压等于2.84V。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明电路结构通过采用Cascode结构作为输入级电路，在提高系增益的同时，实现了输入阻抗匹配和噪声匹配；两级共射阻容耦合放大级对信号进行了二次放大，其中第四异质结双极型晶体管(Q4)的负载采用并联峰化电感L1及L2和R2的并联反馈，增加了电路系统的增益平坦度，并拓展了系统的带宽；输出缓冲级电路实现了系统的输出阻抗匹配。两级共射阻容耦合放大级和输出缓冲级采用电流复用技术级联，工作在一个直流通路上，大大降低了系统的功耗。
附图说明
图1为本发明的3-8GHz低功耗超带宽低噪声放大器的结构框图；
图2为本发明所述的3-8GHz低功耗超带宽低噪声放大器的电路图；
图3为本发明所述的3-8GHz低功耗超带宽低噪声放大器的输入匹配、输出匹配的仿真结果；
图4为本发明所述的3-8GHz低功耗超带宽低噪声放大器增益的仿真结果；
图5为本发明所述的3-8GHz低功耗超带宽低噪声放大器噪声系数的仿真结果。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，一种低功耗超宽带低噪声放大器，可以工作在3-8GHz频带内，包括：
输入级电路，该输入级电路的输入端连接信号输入端RFin，接收信号输入端RFin输入的输入信号；
两级共射阻容耦合放大级电路，该两级共射阻容耦合放大级电路的输入端连接所述输入级电路的输出端，对所述输入信号进行放大，并输出放大后的信号；
输出缓冲级电路，该输出缓冲级电路的输入端与所述两级共射阻容耦合放大级电路的输出端连接，输出所述放大后的信号至信号输出端RFout。
本发明的实施例中，所述的放大器由Cascode输入级、两级共射阻容耦合放大级和输出缓冲级构成。采用电流复用技术把两级共射阻容耦合放大级和输出缓冲级连接起来，大大降低了本低噪声放大器的功耗。其中两级共射阻容耦合放大级的负载采用并联峰化电感L1及L2和R2的并联反馈，增加了电路系统的增益平坦度，并拓展了系统的带宽。
如图2所示，所述输入级电器包括：第一异质结双极型晶体管Q1以及第二异质结双极型晶体管Q2；其中，所述第一异质结双极型晶体管Q1的基极分别与第三电阻R3的第二端、第五电感L5的第二端以及第五电容C5的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管Q1的发射极分别与第五电容C5的第二端和第七电感L7的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管Q1的集电极与第二异质结双极型晶体管Q2的发射极连接；
所述第二异质结双极型晶体管Q2的集电极分别与第三电感L3的第二端和第四电容C4的第一端，且所述第三电感L3的第一端与第一电阻R1的第二端连接。
本发明的实施例中，第一异质结双极型晶体管Q1和第二异质结双极型晶体管Q2构成的Cascode结构作为输入级电路，在提高系增益的同时，实现了输入阻抗匹配和噪声匹配，偏置电压分别由V3和V1提供，使其工作在在饱和状态，提高了电路的增益，L5、R3、C5以及L7组成输入匹配网络，实现了系统的输入阻抗匹配和噪声匹配。其中V1＝1.54V，V3＝0.97V，R1＝2Ω，R3＝245Ω，L3＝7.26nH，L5＝0.9nH，L7＝0.4nH，C5＝0.18pF。
如图2所示，所述两级共射阻容耦合放大级电路包括：第三异质结双极型晶体管Q3以及第四异质结双极型晶体管Q4；其中，所述第三异质结双极型晶体管Q3的基极与第四电容C4的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管Q3的集电极分别与第三电容C3的第二端和第四电感L4的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管Q3的发射极与第六电感L6的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管Q4的基极分别与第三电容C3的第一端和第二电阻R2的第二端连接，所述第二电阻R2的第一端与所述第二电感L2的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管Q4的集电极分别与第二电感L2的第二端和第一电感L1的第二端及第二电容C2的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管Q4的发射极分别与第一电容C1的第一端和第四电感L4的第一端连接。
本发明的实施例中，第三异质结双极型晶体管Q3和第四异质结双极型晶体管Q4构成两级共射阻容耦合放大结构，L4阻隔经Q3放大后的交流信号到Q4的发射极，C1提供交流地，使经Q3共射放大后的交流信号由耦合电容C3送到Q4的基极进行二次共射放大，再经耦合电容C2送到输出缓冲级，从而进一步提高了系统的增益。为了拓展带宽，加入并联峰化电感L1及L2和R2的并联反馈，L2和R2的并联反馈同时还提高了系统的增益平坦度和稳定性。其中V2＝2.84V，C1＝3.25pF，C2＝0.41pF，C3＝0.6pF，L1＝31.53nH，L2＝3.04nH，L4＝2.79nH，R2＝5KΩ。
如图2所示，所述输出缓冲级电路包括：第五异质结双极型晶体管Q5；其中，所述第五异质结双极型晶体管Q5的基极分别与第二电容C2的第二端和第四电阻R4的第二端连接；
所述第五异质结双极型晶体管Q5的集电极分别与第六电感L6的第二端和第六电容C6的第一端连接；
所述第五异质结双极型晶体管Q5的发射极与第五电阻R5的第一端连接。
本发明的实施例中，所述第二异质结双极型晶体管Q2的基极和第一电阻R1的第一端均与第一电压源V1连接；所述第一电感L1的第一端连接第二电压源V2；所述第三电阻R3的第一端连接第三电压源V3；所述第四电阻R4的第一端连接第四电压源V4；所述第七电感L7的第二端、第一电容C1的第二端、第六电容C6的第二端及第五电阻R5的第二端都连接接地端；所述信号输入端RFin连接第五电感L5的第一端；所述第五异质结双极型晶体管Q5的发射极和第五电阻R5的第一端均与信号输出端RFout连接。
本发明的实施例中，第五异质结双极型晶体管Q5构成了系统的输出缓冲级，在起到电压缓冲的同时实现了系统的输出阻抗匹配，由V4和R4提供偏置。其中V4＝0.93V，R4＝263Ω，L6＝12nH，C6＝0.5pF，R6＝71Ω。采用电流复用技术把Q4、Q3、Q5连接起来，从而大大降低了系统的功耗。
本文采用Jazz0.35umSiGeHBT工艺库，利用安捷伦公司的射频集成电路设计工具ADS对电路进行仿真验证。
图3为本发明所述3-8GHz低功耗超宽带低噪声放大器输入、输出匹配的仿真结果。由此可以看出，在3-8GHz频带范围内，S11(输入反射系数)和S22(输出反射系数)都在-13.5dB以下，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内实现了良好的输入和输出阻抗匹配。
图4为本发明所述3-8GHz低功耗超宽带低噪声放大器增益的仿真结果。由此可以看出，在3-8GHz频带范围内，平均增益(S21)为19.2dB，最小增益为18.8dB，最大增益为19.6dB，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内增益平坦度良好。
图5为本发明所述3-8GHz低功耗超宽带低噪声放大器噪声系数的仿真结果。由此可以看出，在3-8GHz频带范围内，NF(噪声系数)都在2.8dB以下，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内具有良好的噪声系数。
本发明采用Cascode结构作为输入级，在提高系增益的同时，实现了噪声匹配和输入阻抗匹配；两级共射阻容耦合放大级对信号进行了二次放大，进一步提高了系统的增益，其中第四异质结双极型晶体管Q4的负载采用并联峰化电感L1及L2和R2的并联反馈，增加了电路系统的增益平坦度，并拓展了系统的带宽；输出缓冲级实现了系统的输出阻抗匹配。其中两级共射阻容耦合放大级和输出缓冲级采用电流复用技术级联，工作在一个直流通路上，大大降低了系统的功耗。
以上实施例仅用以说明本发明的电路结构，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的电路结构进行修改，或者对其中部分电路结构进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应电路结构的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括：
输入级电路，该输入级电路的输入端接收信号输入端输入的输入信号；
两级共射阻容耦合放大级电路，该两级共射阻容耦合放大级电路的输入端连接所述输入级电路的输出端，对所述输入信号进行放大，并输出放大后的信号；
输出缓冲级电路，该输出缓冲级电路的输入端与所述两级共射阻容耦合放大级电路的输出端连接，输出所述放大后的信号至信号输出端。
2.根据权利要求1所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入级电器包括：第一异质结双极型晶体管(Q1)以及第二异质结双极型晶体管(Q2)；其中，
所述第一异质结双极型晶体管(Q1)的基极分别与第三电阻(R3)的第二端、第五电感(L5)的第二端以及第五电容(C5)的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管(Q1)的发射极分别与第五电容(C5)的第二端和第七电感(L7)的第一端连接；
所述第一异质结双极型晶体管(Q1)的集电极与第二异质结双极型晶体管(Q2)的发射极连接；
所述第二异质结双极型晶体管(Q2)的集电极分别与第三电感(L3)的第二端和第四电容(C4)的第一端，且所述第三电感(L3)的第一端与第一电阻(R1)的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述两级共射阻容耦合放大级电路包括：第三异质结双极型晶体管(Q3)以及第四异质结双极型晶体管(Q4)；其中，
所述第三异质结双极型晶体管(Q3)的基极与第四电容(C4)的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管(Q3)的集电极分别与第三电容(C3)的第二端和第四电感(L4)的第二端连接；
所述第三异质结双极型晶体管(Q3)的发射极与第六电感(L6)的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管(Q4)的基极分别与第三电容(C3)的第一端和第二电阻(R2)的第二端连接，所述第二电阻(R2)的第一端与所述第二电感(L2)的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管(Q4)的集电极分别与第二电感(L2)的第二端和第一电感(L1)的第二端及第二电容(C2)的第一端连接；
所述第四异质结双极型晶体管(Q4)的发射极分别与第一电容(C1)的第一端和第四电感(L4)的第一端连接。
4.根据权利要求3所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出缓冲级电路包括：第五异质结双极型晶体管(Q5)；其中，
所述第五异质结双极型晶体管(Q5)的基极分别与第二电容(C2)的第二端和第四电阻(R4)的第二端连接；
所述第五异质结双极型晶体管(Q5)的集电极分别与第六电感(L6)的第二端和第六电容(C6)的第一端连接；
所述第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极与第五电阻(R5)的第一端连接。
5.根据权利要求4所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，
所述第二异质结双极型晶体管(Q2)的基极和第一电阻(R1)的第一端均与第一电压源(V1)连接；
所述第一电感(L1)的第一端连接第二电压源(V2)；
所述第三电阻(R3)的第一端连接第三电压源(V3)；
所述第四电阻(R4)的第一端连接第四电压源(V4)；
所述第七电感(L7)的第二端、第一电容(C1)的第二端、第六电容(C6)的第二端及第五电阻(R5)的第二端均与接地端连接；
所述信号输入端连接第五电感(L5)的第一端；
所述第五异质结双极型晶体管(Q5)的发射极和第五电阻(R5)的第一端均与信号输出端连接。
6.根据权利要求5所述的低功耗超宽带低噪声放大器，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)以及第五异质结双极型晶体管(Q5)均为硅锗异质结双极型晶体管。
7.根据权利要求6所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二电压源(V2)提供直流偏置电压，且第二电压源的电压等于2.84V。
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