CN107332517A - 一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器 - Google Patents

一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，包括依次连接的二堆叠低噪声放大网络、级间匹配网络和二堆叠增益扩张放大网络；以及与所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均连接的第一供电偏置网络和第二供电偏置网络。本发明采用两个不同尺寸的晶体管实现串联堆叠结构，并结合了RLC反馈网络实现超宽带噪声和阻抗匹配；同时利用增益压缩补偿技术，通过二堆叠增益扩张放大网络在一定偏置范围内抵消二堆叠低噪声放大网络的增益压缩特性，提高了放大器的线性度指标，使得整个低噪声放大器获得了良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器
技术领域
本发明涉及场效应晶体管射频低噪声放大器和集成电路领域，特别是针对超宽带接收机前端的接收模块应用的一种高线性度、宽带、低功耗低噪声放大器。
背景技术
随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网(WLAN)等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，射频前端接收器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高增益、高线性度、低功耗、低噪声的射频与微波低噪声放大器芯片。
然而，当传统射频与微波低噪声放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现：
(1)低功耗、高增益、低噪声放大指标相互制约：由于市场的驱使，射频前端接收器的待机功耗需要尽量降低，从而实现节能的功能，但是传统的共源(或共射)低噪声放大器设计中，满足实现噪声最优的最佳噪声偏置点，和满足增益与跨导最大的偏置点往往不能实现放大器的功耗最低，因此两个指标不能很好地兼容。
(2)低功耗和高线性度指标相互制约：传统共源(或共射)低噪声放大器设计中，高线性度指标需要在固定工艺下选择功率容量高且1dB压缩点高的放大器晶体管，而高功率容量往往需要消耗较大的直流功耗，因此低功耗和线性度两者不能很好的兼容。
常见的低功耗、高线性度低噪声放大器的电路结构有很多，最典型的是电流复用式共源(或共射)放大器，但是，典型电流复用式共源(或共射)放大器，仍然存在一些设计不足，主要体现在：
(1)电流复用结构需要采用馈电电感和大电容实现两个共源(或共射)放大器的静态偏置复用，这种大电感和大电容馈电结构的自谐振频率点较低，在实现超宽带放大的时候，有可能自谐振频率点会落入放大频带内，从而恶化射频特性；同时大电感和电容往往占用较大的芯片面积，从而提高了芯片成本；
(2)电流复用结构往往采用传统AB类偏置状态为了获得高增益和低噪声系数，仍无法很好地解决低功耗和高线性度指标相互制约的固有问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，利用增益压缩补偿技术和晶体管堆叠技术，实现超宽带下低功耗、高增益、高线性度、低噪声以及良好的输入输出匹配特性且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，包括依次连接的二堆叠低噪声放大网络、级间匹配网络和二堆叠增益扩张放大网络；以及与所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均连接的第一供电偏置网络和第二供电偏置网络。
本发明的有益效果是：采用二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络的优势是高增益，良好的输入输出匹配，便于实现增益压缩补偿；同时采用了增益压缩补偿技术，利用二堆叠增益扩张放大网络在一定偏置范围内抵消二堆叠低噪声放大网络的增益压缩特性，这样可以在低静态功耗的条件下，实现较高的1dB压缩点，从而改善放大器的线性度指标。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络结构相同；所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均由两个不同尺寸的晶体管按照顶层晶体管的源极与底层晶体管的漏极通过微带线相连堆叠构成；所述底层晶体管的源极接负反馈微带线，栅极连接匹配微带线；所述顶层晶体管的栅极连接串联的外挂稳定电阻和外挂匹配电容。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用晶体管堆叠技术，两个晶体管堆叠的结构可以在低静态功耗的条件下实现较高的增益，同时实现较高的功率容量，而且不需要像传统共源(或共射)电流复用放大器中必须采用大电感和大电容实现直流复用；采用两个不同尺寸的晶体管，可以改善堆叠晶体管的寄生参数在高频段所导致的栅源失配现象，在实现超宽带匹配的时候，微带线用于补偿堆叠晶体管间的高频失配，同时可以改善谐波频率处的放大器的稳定性；外挂稳定电阻是稳定电阻，提高了稳定性，外挂匹配电容作用是调整堆叠晶体管之间的匹配。
进一步，所述顶层晶体管的漏极通过微带线串接负反馈电阻、电容和电感，并反馈到底层晶体管的栅极匹配微带线。
采用上述进一步方案的有益效果是：反馈电路的优势是可以实现超宽带的噪声和阻抗匹配。
进一步，射频输入信号输入端IN通过输入隔直耦合电容连接所述二堆叠低噪声放大器网络的底层晶体管的栅极匹配微带线；
所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管的漏极通过微带线连接所述级间匹配网络的匹配电感，所述级间匹配网络的匹配电容连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管的栅极匹配微带线。
采用上述进一步方案的有益效果是：二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管的漏极通过微带线连接所述级间匹配网络的匹配电感，有助于提升输出网络的电抗特性，并改善负反馈网络的超宽带匹配特性，同时级间匹配电感可以提高二堆叠增益扩张放大网络的输入阻抗，改善二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络的级间匹配特性。
进一步，所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管的漏极通过微带线及隔直耦合电容连接射频信号的输出端OUT。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用漏极微带线及隔直耦合电容可以配合复反馈网络实现超宽带输出阻抗匹配。
进一步，所述第一供电偏置网络包括第一偏置电压、以及均与所述第一偏置电压连接的第一分压电路和第二分压电路，所述第一分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管的栅极，所述第二分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管的栅极。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过调节二堆叠低噪声放大网络在AB类偏置状态，二堆叠增益扩张放大网络在C类偏置状态，可以实现增益补偿。
进一步，所述第一分压电路和第二分压电路结构相同。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用相同结构的分压电路结构，可以使得电路的对于加工工艺的敏感度降低，提升集成电路的批次一致性。
进一步，所述第二供电偏置网络包括第二偏置电压、以及均与所述第二偏置电压连接的第三分压电路和第四分压电路，所述第三分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的底层晶体管的栅极匹配微带线，所述第四分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管的栅极匹配微带线。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用上述结构可以在不恶化放大器噪声系数的同时，实现良好的栅极馈电及宽带匹配功能。
进一步，所述第三分压电路和第四分压电路结构相同。
附图说明
图1为本发明低噪声放大器原理框图；
图2为本发明中基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明提供了一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器,是一种以二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络为核心的超宽带高线性度堆叠低噪声放大器，采用集成电路工艺进行设计。
该低噪声放大器包括依次连接的二堆叠低噪声放大网络、级间匹配网络和二堆叠增益扩张放大网络；以及与所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均连接的第一供电偏置网络和第二供电偏置网络。所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均为有源网络，第一供电偏置网络和第二供电偏置网络均为无源网络。
采用二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络的优势是高增益，良好的输入输出匹配；同时采用了增益压缩补偿技术，利用二堆叠增益扩张放大网络在一定偏置范围内抵消二堆叠低噪声放大网络的增益压缩特性，这样可以在低静态功耗的条件下，实现较高的1dB压缩点，从而改善放大器的线性度指标。所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络结构相同；所述二堆叠低噪声放大网络由两个不同尺寸的晶体管Md1、Md2，按照顶层晶体管Md2的源极与底层晶体管Md1的漏极通过微带线TL3相连堆叠构成；所述底层晶体管Md1的源极接负反馈微带线TL2，栅极连接匹配微带线TL1；所述顶层晶体管Md2的栅极连接串联的外挂稳定电阻R2和外挂匹配电容C2。所述顶层晶体管Md2的漏极通过微带线TL4串接负反馈电阻R1、电容C3和电感L1，并反馈到底层晶体管的栅极匹配微带线TL1，可以实现超宽带的噪声和阻抗匹配。
所述二堆叠增益扩张放大网络由两个不同尺寸的晶体管Md3、Md4，按照顶层晶体管Md4的源极与底层晶体管Md3的漏极通过微带线TL7相连堆叠构成；所述底层晶体管Md3的源极接负反馈微带线TL6，栅极连接匹配微带线TL5；所述顶层晶体管Md4的栅极连接串联的外挂稳定电阻R4和外挂匹配电容C6。所述顶层晶体管Md4的漏极通过微带线TL8串接负反馈电阻R3、电容C5和电感L3，并反馈到底层晶体管的栅极匹配微带线TL5，可以实现超宽带的噪声和阻抗匹配。
采用晶体管堆叠技术，两个晶体管堆叠的结构可以在低静态功耗的条件下实现较高的增益，同时实现较高的功率容量，而且不需要像传统共源(或共射)电流复用放大器中必须采用大电感和大电容实现直流复用；采用两个不同尺寸的晶体管，可以改善堆叠晶体管的寄生参数在高频段所导致的栅源失配现象，在实现超宽带匹配的时候，微带线用于补偿堆叠晶体管间的高频失配，同时可以改善谐波频率处的放大器的稳定性；外挂稳定电阻是稳定电阻，提高了稳定性，外挂匹配电容作用是调整堆叠晶体管之间的匹配。
射频输入信号输入端IN通过输入隔直耦合电容C1连接所述二堆叠低噪声放大器网络的底层晶体管Md1的栅极匹配微带线TL1；所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管Md4的漏极通过微带线TL8及隔直耦合电容C7连接射频信号的输出端OUT，利用漏极微带线TL8及隔直耦合电容C7可以配合复反馈网络实现超宽带输出阻抗匹配。
所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管Md2的漏极通过微带线TL4连接所述级间匹配网络的匹配电感L2，所述级间匹配网络的匹配电容C4连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管Md3的栅极匹配微带线TL5。二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管Md2的漏极通过微带线TL4连接所述级间匹配网络的匹配电感L2，有助于提升输出网络的电抗特性，并改善负反馈网络的超宽带匹配特性，同时级间匹配电感L2可以提高二堆叠增益扩张放大网络的输入阻抗，改善二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络的级间匹配特性。
所述第一供电偏置网络包括第一偏置电压VDD、以及均与所述第一偏置电压VDD连接的第一分压电路和第二分压电路，所述第一分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管Md2的栅极，所述第二分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管Md4的栅极。通过调节二堆叠低噪声放大网络在AB类偏置状态，二堆叠增益扩张放大网络在C类偏置状态，可以实现增益补偿。
所述第一分压电路和第二分压电路结构相同，采用相同结构的分压电路结构，可以使得电路的对于加工工艺的敏感度降低，提升集成电路的批次一致性。其中，第一分压电路和第二分压电路可以为现有技术的常见分压电路。第一分压电路也可以为与第一偏置电压VDD连接的串接的分压电阻R5、R7，在分压电阻R5、R7的连接线上连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接顶层晶体管Md2的栅极，在R7与VDD连接线之间连接接地电容C8，且在在R7与VDD连接线之间和级间匹配网络的匹配电感L2的输入端连接一电阻。同理，第二分压电路也可以为与第一偏置电压VDD连接的串接的分压电阻R8、R10，在分压电阻R8、R10的连接线上连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接顶层晶体管Md4的栅极，在R10与VDD连接线之间连接接地电容C9，且在在R10与VDD连接线之间和顶层晶体管Md4的漏极微带线TL4连接一电阻。
所述第二供电偏置网络包括第二偏置电压VGG、以及均与所述第二偏置电压VGG连接的第三分压电路和第四分压电路，所述第三分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的底层晶体管Md1的栅极匹配微带线TL1，所述第四分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管Md3的栅极匹配微带线TL5，采用此结构可以在不恶化放大器噪声系数的同时，实现良好的栅极馈电及宽带匹配功能
所述第三分压电路和第四分压电路结构相同，可以为现有技术的常见分压电路。第三分压电路也可以为与第二偏置电压VGG连接的串接分压电阻R13、电感L4和电阻R11，其中，电阻R11连接至底层晶体管Md1的栅极匹配微带线TL1，在分压电阻R13和电感L4之间连接接地分压电阻R12，在电阻R11和电感L4之间连接接地电容C10。同理，第四分压电路也可以为与第二偏置电压VGG连接的串接分压电阻R14、电感L5和电阻R16，其中，电阻R16连接至底层晶体管Md3的栅极匹配微带线TL5，在分压电阻R14和电感L5之间连接接地分压电阻R15，在电阻R16和电感L5之间连接接地电容C11。
通过调节第一供电偏置网络和第二供电偏置网络中的分压电阻R5、R7和R12、R13的大小，使得二堆叠低噪声放大网络的晶体管工作在弱AB类偏置状态，此时二堆叠低噪声放大网络呈现的是AB类放大器的高增益、低噪声状态，同时随着输入功率的增大，AB类放大器呈现增益压缩特性；通过调节第一供电偏置网络和第二供电偏置网络中的分压电阻R8、R10和R14、R15的大小，使得二堆叠增益扩张放大网络的晶体管工作在弱C类偏置状态，此时二堆叠增益扩张放大网络呈现的静态功耗很低，同时随着输入功率的增大，增益先扩张后压缩特性。
本发明的工作过程为：射频输入信号通过输入端IN进入电路，通过输入隔直耦合电容C1，然后进入从p1点进入栅极匹配微带线TL1，然后进入晶体管Md1和Md2、微带线TL3和外挂稳定电阻R2、外挂匹配电容C2、源极负反馈微带线TL2构成的二堆叠低噪声放大器网络，然后从该网络中Md2的漏极输出、然后进入微带线TL4，然后从p2点进入级间匹配网络中的匹配电感L2，同时p2点有部分信号以负反馈的方式通过负反馈电阻R1、电容C3、电感L1返回到二堆叠低噪声放大器网络的输入端p1点，通过匹配电感L2的信号进入隔直耦合电容C4，然后进入从p3点进入栅极匹配微带线TL5，然后进入晶体管Md3和Md4、微带线TL7和外挂稳定电阻R4、外挂匹配电容C6、源极负反馈微带线TL6构成的二堆叠增益扩张放大网络，然后从该网络中Md4的漏极输出、然后进入微带线TL8，然后从p4点进入隔直耦合电容C7，同时有部分信号以负反馈的方式通过负反馈电阻R3、电容C5、电感L3返回到二堆叠增益扩张放大网络的输入端p3点，通过隔直耦合电容C7的信号从输出端口输出。
基于以上电路分析，本发明提出的一种基于增益补偿技术的高线性度堆叠低噪声放大器与以往的基于集成电路工艺的低噪声放大器结构的不同之处在于：
1.核心架构采用二堆叠放大网络。
二堆叠放大网络与传统单一晶体管，以及传统共源(或共射)电流复用放大器在结构上有很大不同，此处不做赘述。
二堆叠放大网络与传统Cascode晶体管的不同之处在于堆叠的栅极补偿电容上，二堆叠放大网络的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，而传统Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地。
2.基于增益补偿技术的双级低噪声放大架构：
以往设计方法中往往采用两级或者两级以上的放大器实现高增益指标，各级放大器均工作在AB类状态，放大器呈现增益压缩特性，这样末级放大器就必须采用压缩点较高的大尺寸晶体管来提升线性度指标，而本发明中采用工作在弱C类状态的二堆叠增益扩张放大网络来抵消弱AB类状态的二堆叠低噪声放大网络的增益压缩特性，从而提升1dB压缩点指标，同时又具有很低的静态功耗。
在整个基于增益补偿技术的高线性度堆叠低噪声放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容、反馈器件的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在超宽带条件下的低噪声、高增益、高线性度和良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，包括依次连接的二堆叠低噪声放大网络、级间匹配网络和二堆叠增益扩张放大网络；以及与所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均连接的第一供电偏置网络和第二供电偏置网络。
2.根据权利要求1所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络结构相同；所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均由两个不同尺寸的晶体管按照顶层晶体管的源极与底层晶体管的漏极通过微带线相连堆叠构成；所述底层晶体管的源极连接负反馈微带线，栅极连接匹配微带线；所述顶层晶体管的栅极连接串联的外挂稳定电阻和外挂匹配电容。
3.根据权利要求2所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述顶层晶体管的漏极通过微带线串接负反馈电阻、电容和电感，并反馈到底层晶体管的栅极匹配微带线。
4.根据权利要求3所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，射频输入信号输入端I N通过输入隔直耦合电容连接所述二堆叠低噪声放大器网络的底层晶体管的栅极匹配微带线；
所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管的漏极通过微带线连接所述级间匹配网络的匹配电感，所述级间匹配网络的匹配电容连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管的栅极匹配微带线。
5.根据权利要求4所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管的漏极通过微带线及隔直耦合电容连接射频信号的输出端OUT。
6.根据权利要求2所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述第一供电偏置网络包括第一偏置电压、以及均与所述第一偏置电压连接的第一分压电路和第二分压电路，所述第一分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的顶层晶体管的栅极，所述第二分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的顶层晶体管的栅极。
7.根据权利要求6所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述第一分压电路和第二分压电路结构相同。
8.根据权利要求2所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述第二供电偏置网络包括第二偏置电压、以及均与所述第二偏置电压连接的第三分压电路和第四分压电路，所述第三分压电路连接所述二堆叠低噪声放大网络的底层晶体管的的栅极匹配微带线，所述第四分压电路连接所述二堆叠增益扩张放大网络的底层晶体管的栅极匹配微带线。
9.根据权利要求8所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述第三分压电路和第四分压电路结构相同。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于增益补偿技术的高线性宽带堆叠低噪声放大器，其特征在于，所述二堆叠低噪声放大网络和二堆叠增益扩张放大网络均为有源放大网络，第一供电偏置网络和第二供电偏置网络均为无源网络。
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