CN106712725A - 一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器 - Google Patents

一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，电路结构依次包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路。偏置电路为放大器提供静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定整个放大器的噪声，按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，考虑输出驻波比和增益。本发明的单片超宽带高增益低噪声放大器，频带可覆盖S波段至Ku波段，并且在超宽带内拥有较低的噪声特性、较高的增益和良好的输入输出阻抗匹配，性能优异，且全频带内性能稳定，适用于射电天文和无线通信宽频接收机。

Description

一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路设计领域，具体涉及一种基于单片微波集成电路(MMIC)的超宽带高增益低噪声放大器，适用于射电天文和无线通信宽频接收机，特别涉及S、C、X、Ku波段外差接收机或毫米波亚毫米波接收机的中频模块。
背景技术
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是微波接收系统的核心器件之一，其主要作用是对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高接收机灵敏度，以供系统解调出所需的信息数据。所以，LNA的设计对整个接收机系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。
70年代，随着半导体器件的成熟、工艺加工技术的改进、GaAs材料设备的完善以及器件成品率的提高，单片微波集成电路(MMIC)的研究进入高潮。MMIC是一种把有源电路和无源电路制作在同一个半导体衬底上的微波电路，其工作频率从1GHz到100GHz以上，具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、结构紧凑和优秀的重复生产能力等特点，因此广泛应用于如军事、航天、民用电子产品等领域。
近年来，为满足微波接收系统小型化、高性能指标，具有低噪声、高增益及良好输入输出匹配等优异性能的MMIC LNA设计变得十分紧要。此外，随着现代科学技术的迅猛发展，在各领域中，信号频率范围不断变高、变宽，设计性能优异的超宽带低噪声放大器芯片变得越来越重要，不仅可以实现多波段的信号放大，更可以节约成本和芯片面积。
一般说来，如果射频电路模块的相对工作带宽低于15％，被划为窄带模块；若高于15％，则被划为宽带模块。相对工作带宽高于125％，且带宽超过1.5GHz，则被划为超宽带模块。其中相对带宽BWr的公式为：
式中，fL为目标带宽的低端频率，fH为目标带宽的高端频率。
传统的窄带低噪声放大器，因其中心频率的频率响应是对整个带宽频率响应的有效近似，只需将设计集中在中心频率，因此通常要求电路有较低的噪声系数、较高的增益及平坦度、优秀的输入输出匹配等。而在超宽带射频电路设计中，必须考虑整个超宽频带范围内的响应，因此实现超宽带下优异的阻抗匹配和较高的增益是本发明除低噪声特性外的另一难点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种MMIC工艺制造的工作在3-15GHz的超宽带高增益低噪声放大器芯片，能够克服上述现有技术的不足之处。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，需兼顾最小噪声、最大增益、端口匹配以及带内平坦度：
进一步，偏置电路在第一级和第二级晶体管T1、T2的漏极采用两颗高阻值的大电感L1、L2，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声并作为扼流电感来隔离射频信号。电源处加上旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定；
进一步，输入匹配电路在第一级晶体管T1的漏极和栅极之间并联电阻R和电容C，反馈电阻R有效降低了低频处的输入电压驻波比，极大扩展了LNA的输入匹配带宽，此外并联负反馈效应很好地提高了系统的稳定性，如图3所示。在第一级晶体管T1的源极串联电感Ls用于提供实阻抗以补偿输入阻抗中由漏极与源极之间的反馈电路产生的虚阻抗，这样不仅能够使器件在低频段稳定，还可以改善噪声系数，有利于将噪声匹配阻抗点移动至功率匹配点，如图4所示。
进一步，级间匹配电路，采用电容和电感串联实现阻抗匹配，从而获得信号从源到负载无相移的最大功率及最小噪声的有效传输；采用感性的微带线代替小电感的方法使得电路结构更加稳定并且节约芯片面积；
进一步，输出匹配电路，对整体电路噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益，采用电容和电感串联实现阻抗匹配。
上述超宽带低噪声放大器电路设计中，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定了整个放大器的噪声，所以必须按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益。
上述超宽带低噪声放大器设计，采用正负双电源供电，四级级联，MMIC工艺制造，四级晶体管均采用pHEMT晶体管。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的单片超宽带高增益低噪声放大器，频带可覆盖S波段至Ku波段，并且在超宽带内拥有较低的噪声特性、较高的增益和良好的输入输出阻抗匹配，性能优异，且全频带内性能稳定，适用于射电天文和无线通信宽频接收机。
附图说明
图1为低噪声放大器电路设计图。
图2为偏置电路示意图。
图3为并联反馈电路图。
图4为串联反馈电路图。
图5为串联反馈等效模型。
图6为稳定性系数仿真结果。
图7为S参数与噪声系数仿真结果。
图8为线性度仿真结果。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
从图1可以看出，本系统的主要组成单元包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定了整个放大器的噪声，所以必须按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益。下面将结合附图做进一步的说明。
一、偏置电路：直流偏置电路的设计对低噪声放大器性能有着非常重要的影响，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定。pHEMT的偏置有多种方式，本设计采用的是正负电压的偏置方式，双电源供电，即漏极加正电压、栅极加负电压以控制漏极电流，由于源极没有偏置电路，所以引入的源极反馈较小，对高频而言比较容易稳定。按照图2所示的偏置电路示意图进行电路的架构，在第一级和第二级晶体管T1、T2的漏极采用两颗高阻值的大电感L1、L2，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声，并且可作为扼流电感来隔离射频信号。小值偏置电阻Rd可降低偏置电感L1、L2在低频处的电感性以降低低频处的输入电压驻波比；高值电阻器Rg用于加载负栅极偏置；电源处加上旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定。
二、输入匹配电路：在第一级晶体管T1的漏极和栅极之间并联电阻R和电容C，其作用是加载一个负反馈回路到pHEMT晶体管，使得输入和输出阻抗接近于50Ω。反馈电阻R是关键的反馈元件，可以有效降低低频处的输入电压驻波比，极大扩展LNA的输入匹配带宽，但是其值决定了互相制约的基本增益和带宽，随着R阻值的减小，LNA的输入匹配带宽虽然会变宽，但其增益损耗会加大，因此，需要折中选取反馈电阻R的阻值。电容C是一个隔直元件，用于将正漏极偏置和负栅极偏置隔离开。此外并联负反馈的引入有效地提高了系统的稳定性，如图3所示。
三、输入匹配电路：如图4所示，在第一级晶体管T1的源极与地之间插入电感Ls，其等效模型如图5所示，输入阻抗表达式为：
式中，Gm为器件固有跨导，Cgs为栅源极间电容，Rds为器件有效输出电阻。
可以看出，反馈电感Ls用于提供实阻抗以补偿输入阻抗中反馈电路产生的虚阻抗，这样不仅能够使器件在低频段稳定，还可以改善噪声系数，有利于将噪声匹配阻抗点移动至功率匹配点。设计时需要电感值很小的电感去实现串联反馈，但实际的电感很难做到，且反馈电感的电感值对整个电路的稳定性有很大影响，所以采用微带线替代有利于电路的设计与优化。
四、级间匹配电路：采用电容和电感串联实现阻抗匹配，从而获得信号从源到负载无相移的最大功率及最小噪声的有效传输；采用感性的微带线代替小电感的方法使得电路结构更加稳定并且节约芯片面积。
五、输出匹配电路：对整体电路噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益，采用电容和电感串联实现阻抗匹配。实现超宽带下优异的阻抗匹配是本设计的另一难点。通常为了将射频模块的阻抗响应从窄带变为宽带，在设计中尽可能缩短回波损耗S22曲线与史密斯圆图中心的距离，距离越短意味着回波损耗越大，相应的带宽越宽，同时尽可能压缩其轨迹在圆图上占据的区域至史密斯圆图中心，以获得明确的宽带性能。
下面给出了一个具体实现的例子：
本实例电路工作频段为3-15GHz，基于MMIC技术，采用0.15μmGaAspHEMT工艺，四级晶体管均采用相同的pHEMT晶体管，工作在同一偏置条件下，电源电压为Vd＝2V，Vg＝-0.7V；引入源极电感串联负反馈和电阻并联负反馈结构，反馈电阻R为700Ω，仿真结果如图6至8所示。该结果表明，3-15GHz工作频带内稳定性系数大于1，其增益在30dB以上，最大增益达到35dB，工作频带内噪声系数低于2dB。此外，芯片在4-12GHz频段内拥有非常优秀的输入输出匹配，回波损耗均优于10dB甚至15dB。1dB压缩点出现在输入功率为-14dBm、输出功率为10dBm处。以上结果表明该放大器在宽带内具有平坦的高增益、良好的输入和输出匹配及较低的噪声系数，性能优异，符合项目需求。
综上所述，本发明的基于单片微波集成电路(MMIC)的超宽带高增益低噪声放大器由偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路组成，采用了四级放大、双电源供电、RC负反馈匹配及源极电感负反馈等技术手段。本发明可实现在3-15GHz超宽带内，芯片不仅结构紧凑、面积小，还具有优秀的工作带宽及良好的输入输出阻抗匹配，并且合理权衡了最小噪声系数和最大功率增益之间的关系，满足了射频接收机的性能需求，可以广泛应用于射电天文和无线通信宽频接收机。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，电路结构依次包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路，其特征在于：偏置电路为放大器提供静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定整个放大器的噪声，按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，考虑输出驻波比和增益。
2.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路在第一级晶体管的漏极和第二级晶体管的漏极采用高阻值的大电感，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声，同时作为扼流电感来隔离射频信号。
3.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路上添加旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定。
4.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路在第一级晶体管的漏极和栅极之间并联反馈电阻和电容，反馈电阻用于降低低频处的输入电压驻波比，扩展LNA的输入匹配带宽，从而使并联负反馈效应提高系统的稳定性。
5.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路在第一级晶体管的源极串联电感，用于提供实阻抗以补偿输入阻抗中由漏极与源极之间的反馈电路产生的虚阻抗，以使器件在低频段稳定和改善噪声系数，从而将噪声匹配阻抗点移动至功率匹配点。
6.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述级间匹配电路及输出匹配电路均采用电容和电感串联实现阻抗匹配，以获得信号从源到负载无相移的最大功率及最小噪声的传输。
7.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述四级级联的整体电路的每一级都包括一个晶体管，晶体管的漏极分别与第一电感的一端以及第一电容的正极相连，第一电感的另一端与第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端分别与正电源和第二电容的正极相连，第二电容的负极接地，第一电容的负极与第二电感的一端连接，第二电感的另一端作为每一级的输出端；晶体管的栅极分别与上一级的输出端以及第二电阻的一端相连，第二电阻的另一端分别与负电源以及第三电容的正极相连，第三电容的负极接地；晶体管的源极接地；输入信号与第五电容的正极相连，第五电容的负极通过一个高值电阻器与第一级晶体管的栅极相连；第一级和第二级的第一电感为对射频信号有较强抑制能力的扼流电感；在第一级晶体管T1的漏极和栅极之间还并联有电阻和电容；在第一级晶体管的源极还串联有电感。
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