CN107846195A - 一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器 - Google Patents

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    • H03F1/342—Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback in field-effect transistor amplifiers

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Abstract

本发明公开了一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器，实现了超宽带和超宽低噪声。该带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器包括输入模块(1)、级间有源多路反馈模块(2)和输出模块(3)。本发明中的有源多路反馈由FET晶体管构成的源级跟随器及反馈电阻组成。通过使用有源多路反馈，实现了低噪声放大器的阻抗匹配，工作稳定和增益平坦。此外，通过使用源端负反馈电路，进一步补偿了低噪声放大器的高频响应。大面积的背孔接地降低了接地电感效应，提升了带宽。本发明为全片上单片微波集成电路，无电感、级间隔直电容设计，结构简单，易集成，占用芯片面积小。

Description

一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器
技术领域
本发明属于微波集成电路技术领域，具体涉及一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器，具有超宽带和超低噪声的特点。
背景技术
低噪声放大器电路具有十分广泛的应用，其不仅使用在通信接收机前端电路中，还使用在许多对噪声敏感的片上系统芯片中。
随着通信容量、通信速率和通信质量的提升，以及不同通信标准的要求，能够适应多种工作频段和超低噪声的宽带微波低噪声放大器设计越来越受到重视。此外，因为芯片尺寸和成本成正相关关系，进一步提高芯片集成度，减小芯片尺寸，也成为了各大芯片设计制造厂商研发的方向。常见的单片微波集成低噪声放大器因为需要一个或多个片上电感，浪费了芯片面积，使得芯片成本较高。一种无电感的微波集成低噪声放大器通过源级跟随器电路构成的有源反馈来实现宽带阻抗匹配。该方法没有使用片上电感，节省了部分芯片面积。(参见Henrik Morkner,Wayne Kennan,Tony Niedzwiecki and Tim Galla,“A NovelSmall PHEMT LNA that Integrates Active Matching for 1to 20GHz and 1.1dB NFPerformance,”The 6th European Microwave Integrated Circuits Conference,pp.370-373,Dec.2011.)。但由于该设计在级间使用隔直电容进行交流耦合，会导致低噪声放大器低频响应的退化。较大的级间隔直电容也会占据部分芯片面积，导致成本上升。此外，三级放大器均使用共源共栅的堆叠结构，造成低噪声放大器的线性度性能有所下降。该设计共使用6个晶体管，管子数量的增加提升了制造难度和设计复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器。通过使用级间有源多路反馈，来实现和提升低噪声放大器的输入输出匹配、放大器稳定性、反向隔离度和带宽。并联电阻电容构成的源端负反馈提升了低噪声放大器的高频响应。无电感和无级间隔直电容设计，进一步节省了芯片面积，降低了制造成本。该带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器可以用于LTE、BLE、5G移动通信和量子通信接收前端电路等系统中。
为此，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器，包括输入模块、级间有源多路反馈模块和输出模块，其中：
输入模块由FET晶体管NM1以及负载电阻RD1构成，NM1为共源放大组态，输入信号通过隔直电容Cin交流耦合至NM1的栅端，NM1的漏端连接RD1通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，NM1的源端通过背孔Backvia1接地；
级间有源多路反馈模块由FET晶体管NM2以及反馈电阻RF1、RF2、RF3和RF4构成，NM2为源级跟随器组态，RF1、RF2和RF3相连构成公共节点A，RF1跨接在NM1的栅端和节点A之间，RF2连接NM2的源端和节点A，RF3连接NM3的源端和节点A，RF4跨接在NM1的源端和NM2的漏端之间，NM2的栅端与NM1的漏端直接相连，其中NM2、RF1和RF2构成第一路有源负反馈，实现了低噪声放大器的输入阻抗匹配，源级跟随器的使用，直流上隔离了NM1和NM2，使得NM1和NM2可以独立偏置，交流上将经过NM1共源放大的信号耦合至NM3的栅端，提高了低噪声放大器的反向隔离性能，RF4构成另一路负反馈，稳定了低噪声放大器的增益，并为NM2提供交流负载，RF2、RF3和NM3构成了第三路负反馈，调节了NM3的直流偏置状态，提升了低噪声放大器的增益，此外，RF1和RF3串联跨接在NM1栅端和NM3源端之间，构成了第四路反馈，使得一部分输入信号交流耦合至NM3源端，提升了低噪声放大器的输出匹配特性；
输出模块由FET晶体管NM3及反馈电阻RE1、电容CE1构成，NM3为共源放大组态；NM3的栅端与NM2的源端相连，NM3的源端通过并联电容CE1和电阻RE1与背孔Backvia2相连接地，NM3的漏端与NM2的漏端相连，且通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，输出信号通过输出隔直电容Cout由NM3的漏端引出；并联电容CE1和电阻RE1构成了源端负反馈电路，补偿了低噪声放大器的高频特性，提升了低噪声放大器的稳定性。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明为单片微波集成电路，无片上电感、级间隔直电容，芯片面积小，成本较低。实现了良好的宽带特性，并具有较好的噪声性能和较大增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明提供的带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器；
图2是本发明的一个实施例的输入输出匹配特性S参数示意图；
图3是本发明的一个实施例的幅频响应特性示意图；
图4是本发明的一个实施例的噪声系数特性示意图。
具体实施方式
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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器，由输入模块(1)、级间有源多路反馈模块(2)和输出模块(3)组成。输入模块(1)将输入信号Vin通过隔直电容Cin交流耦合至FET晶体管NM1的栅端，NM1的漏端连接RD1通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，NM1的源端通过背孔Backvia1接地。级间有源多路反馈模块(2)中的FET晶体管NM2为源级跟随器组态，反馈电阻RF1、RF2和RF3相连构成公共节点A，RF1跨接在NM1的栅端和节点A之间，RF2连接NM2的源端和节点A，RF3连接NM3的源端和节点A，RF4跨接在NM1的源端和NM2的漏端之间，NM2的栅端与NM1的漏端直接相连。输出模块(3)中的FET晶体管NM3为共源放大组态。NM3的栅端与NM2的源端相连，NM3的源端通过并联电容CE1和电阻RE1与背孔Backvia2相连接地，NM3的漏端与NM2的漏端相连，且通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，输出信号通过输出隔直电容Cout由NM3的漏端引出。
图2至图4给出了一个250nm GaAs工艺实施例的性能示意图，可以看出本发明的工作频段为DC-4.0GHz，工作频段内满足输入输出匹配要求(50Ω匹配，S11、S22<-10dB),增益为21.27±0.25dB，噪声系数NF为1.83-2.02dB。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器，其特征在于：包括输入模块(1)、级间有源多路反馈模块(2)和输出模块(3)，其中，
输入模块(1)由FET晶体管NM1以及负载电阻RD1构成，NM1为共源放大组态，输入信号通过隔直电容Cin交流耦合至NM1的栅端，NM1的漏端连接RD1通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，NM1的源端通过背孔Backvia1接地；
级间有源多路反馈模块(2)由FET晶体管NM2以及反馈电阻RF1、RF2、RF3和RF4构成，NM2为源级跟随器组态，RF1、RF2和RF3相连构成公共节点A，RF1跨接在NM1的栅端和节点A之间，RF2连接NM2的源端和节点A，RF3连接NM3的源端和节点A，RF4跨接在NM1的源端和NM2的漏端之间，NM2的栅端与NM1的漏端直接相连，其中NM2、RF1和RF2构成第一路有源负反馈，实现了低噪声放大器的输入阻抗匹配，源级跟随器的使用，直流上隔离了NM1和NM2，使得NM1和NM2可以独立偏置，交流上将经过NM1共源放大的信号耦合至NM3的栅端，提高了低噪声放大器的反向隔离性能，RF4构成另一路负反馈，稳定了低噪声放大器的增益，并为NM2提供交流负载，RF2、RF3和NM3构成了第三路负反馈，调节了NM3的直流偏置状态，提升了低噪声放大器的增益，此外，RF1和RF3串联跨接在NM1栅端和NM3源端之间，构成了第四路反馈，使得一部分输入信号交流耦合至NM3源端，提升了低噪声放大器的输出匹配特性；
输出模块(3)由FET晶体管NM3及反馈电阻RE1、电容CE1构成，NM3为共源放大组态；NM3的栅端与NM2的源端相连，NM3的源端通过并联电容CE1和电阻RE1与背孔Backvia2相连接地，NM3的漏端与NM2的漏端相连，且通过片外高频扼流圈电感Lchock与电源VDD相连，输出信号通过输出隔直电容Cout由NM3的漏端引出；并联电容CE1和电阻RE1构成了源端负反馈电路，补偿了低噪声放大器的高频特性，提升了低噪声放大器的稳定性。
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