CN108736850B - 一种低噪声的分布式放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低噪声的分布式放大器。本发明将电阻‑电容并联结构换成单电容结构，并且在各个增益单元内晶体管的第一端设置稳定电阻，从而使得电阻的噪声不会在信号放大的通路上，且依然具有稳定效果，同时低频时因为电阻回路阻抗较低，低频信号会经过电阻到地，从而吸收部放大后的低频信号，减小低频段的增益，从而提高了低频段的增益平坦度，提高低频段的稳定性，解决了采用电阻‑电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻‑电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。

Description

一种低噪声的分布式放大器
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种低噪声的分布式放大器。
背景技术
无线通信技术的飞速发展对通信系统的数据传输率和带宽提出了更高要求，传统的宽带放大器技术包括电抗/电阻性网络结构、并联电阻性反馈结构、反馈结构和分布式结构。
单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)是一种把有源器件和无源器件制作在同一个半导体基片上的微波电路。
在分布式放大器(DistributedAmplifier,DA)中，通过将一定数量的晶体管的输入和输出电容合并进入人工传输线结构之中，解决了宽带匹配晶体管的输入和输出阻抗所面临的问题，具有简单的电路拓扑，能够获得极宽的工作频带，并且其性能对工艺参数的变化不敏感。
目前的分布式放大器已出现各种类型的结构，包括非均匀结构和分布级联结构等，通常分布式放大器都会在栅极接入电阻-电容并联结构来提高其稳定性，但是这种结构会引入电阻的噪声，使得输入信号经过增益单元后噪声性能明显下降。
并且电阻-电容并联结构在低频段提高放大器稳定性的能力有限，考虑到增益单元在低频段通常具有较高的增益，所以在低频段的增益会明显变得陡峭，严重时会造成放大器不稳定，这样整个分布式放大器的增益带宽就无法向低频段扩展。
因此，导致了采用电阻-电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻-电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种低噪声的分布式放大器，解决了采用电阻-电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻-电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。
本发明提供了一种低噪声的分布式放大器，包括：漏极传输线、栅极传输线、信号输入单元、信号输出单元、漏极接地单元、栅极偏置单元、稳定电阻、增益单元和栅极连接电容；
漏极传输线由N+1个漏极电感依次电连接组成，栅极传输线由N+1个栅极电感依次电连接组成，N为预置的正整数；
第i个漏极电感的第二端和第i+1个漏极电感的第一端与第i个增益单元的第一端电连接，第i个栅极电感的第二端和第i+1个栅极电感的第一端与第i个栅极连接电容的第一端电连接，第i个栅极连接电容的第二端与第i个增益单元的控制端电连接，各个增益单元的第二端接地，i为小于或等于N的正整数；
第一个漏极电感的第一端与漏极接地单元的输入端电连接，第N+1个漏极电感的第二端与信号输出单元的输入端电连接；
第一个栅极电感的第一端与信号输入单元的输出端电连接，第N+1个栅极电感的第二端与栅极偏置单元的输出端电连接；
各个增益单元内晶体管与稳定电阻为一一对应的关系，每一个晶体管的第一端与其对应的稳定电阻的第一端电连接，各个稳定电阻的第二端均接地。
优选地，漏极接地单元具体包括：第一漏极接地电阻、第二漏极接地电阻和漏极接地电容；
第一个漏极电感的第一端与第一漏极接地电阻的第一端电连接，第一漏极接地电阻的第二端与第二漏极接地电阻的第一端电连接，第二漏极接地电阻的第二端与漏极接地电容的第一端电连接，漏极接地电容的第二端接地。
优选地，栅极偏置单元具体包括：第一栅极偏置电阻、第二栅极偏置电阻、第一栅极偏置电压源和栅极旁路电容；
第N+1个栅极电感的第二端与第一栅极偏置电阻的第一端电连接，第一栅极偏置电阻的第二端与第二栅极偏置电阻的第一端电连接；
第二栅极偏置电阻的第二端分别与栅极旁路电容的第一端和第一栅极偏置电压源的输出端电连接，栅极旁路电容的第二端接地。
优选地，信号输入单元具体包括：第一隔直电容；
第一个栅极电感的第一端与第一隔直电容的第一端电连接，第一隔直电容的第二端为信号输入端。
优选地，信号输出单元具体包括：漏极偏置电压源和T型偏置器；
T型偏置器具体包括：扼流电感和第二隔直电容，扼流电感和第二隔直电容的第一端与第N+1个漏极电感的第二端电连接，扼流电感的第二端与漏极偏置电压源的输出端电连接，第二隔直电容的第二端为信号输出端。
优选地，增益单元具体包括：场效应晶体管；
增益单元的第一端和晶体管的第一端为场效应晶体管的漏极，增益单元的第二端为场效应晶体管的源极，增益单元的控制端为场效应晶体管的栅极。
优选地，还包括：第三栅极偏置电阻和第二栅极偏置电压源；
增益单元具体包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；
第一场场效应晶体管和第二场效应晶体管的源极接地，第一场效应晶体管的漏极与第二场效应晶体管的栅极电连接；
增益单元的第一端为第二场效应晶体管的漏极，增益单元的第二端为第一场效应晶体管的栅极，各个增益单元的第二场效应晶体管的栅极均与第三栅极偏置电阻的第一端电连接，第三栅极偏置电阻的第二端与第二栅极偏置电压源的输出端电连接；
各个晶体管的第一端为各个场效应晶体管的漏极。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种低噪声的分布式放大器，包括：漏极传输线、栅极传输线、信号输入单元、信号输出单元、漏极接地单元、栅极偏置单元、稳定电阻和栅极连接电容；漏极传输线由N+1个漏极电感依次电连接组成，栅极传输线由N+1个栅极电感依次电连接组成，N为预置的正整数；第i个漏极电感的第二端和第i+1个漏极电感的第一端与第i个增益单元的第一端电连接，第i个栅极电感的第二端和第i+1个栅极电感的第一端与第i个栅极连接电容的第一端电连接，第i个栅极连接电容的第二端与第i个增益单元的控制端电连接，各个增益单元的第二端接地，i为小于或等于N的正整数；第一个漏极电感的第一端与漏极接地单元的输入端电连接，第N+1个漏极电感的第二端与信号输出单元的输入端电连接；第一个栅极电感的第一端与信号输入单元的输出端电连接，第N+1个栅极电感的第二端与栅极偏置单元的输出端电连接；各个增益单元内晶体管与稳定电阻为一一对应的关系，每一个晶体管的第一端与其对应的稳定电阻的第一端电连接，各个稳定电阻的第二端均接地。
本发明的一种低噪声的分布式放大器将电阻-电容并联结构换成单电容结构，并且在各个增益单元内晶体管的第一端设置稳定电阻，从而使得电阻的噪声不会在信号放大的通路上，且依然具有稳定效果，同时低频时因为电阻回路阻抗较低，低频信号会经过电阻到地，从而吸收部放大后的低频信号，减小低频段的增益，从而提高了低频段的增益平坦度，提高低频段的稳定性，解决了采用电阻-电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻-电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种低噪声的分布式放大器的结构拓扑图；
图2为本发明实施例提供的另一种低噪声的分布式放大器的结构拓扑图；
图3为本发明实施例提供的稳定性对比图；
图4为本发明实施例提供的噪声系数对比图；
图5为本发明实施例提的放大器增益对比图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种低噪声的分布式放大器，解决了采用电阻-电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻-电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参与图1至图5，本发明实施例提供了一种低噪声的分布式放大器的一个实施例，包括：漏极传输线、栅极传输线、信号输入单元、信号输出单元、漏极接地单元、栅极偏置单元、稳定电阻2、增益单元1和栅极连接电容；
漏极传输线由N+1个漏极电感依次电连接组成，栅极传输线由N+1个栅极电感依次电连接组成，N为预置的正整数；
第i个漏极电感的第二端和第i+1个漏极电感的第一端与第i个增益单元1的第一端电连接，第i个栅极电感的第二端和第i+1个栅极电感的第一端与第i个栅极连接电容的第一端电连接，第i个栅极连接电容的第二端与第i个增益单元1的控制端电连接，各个增益单元1的第二端接地，i为小于或等于N的正整数；
栅极连接电容为Cg1至CgN。
第一个漏极电感LD1的第一端与漏极接地单元的输入端电连接，第N+1个漏极电感LDN+1的第二端与信号输出单元的输入端电连接；
第一个栅极电感LG1的第一端与信号输入单元的输出端电连接，第N+1个栅极电感LGN+1的第二端与栅极偏置单元的输出端电连接；
各个增益单元1内晶体管与稳定电阻2为一一对应的关系，每一个晶体管的第一端与其对应的稳定电阻2的第一端电连接，各个稳定电阻2的第二端均接地。
需要说明的是，漏极传输线由N+1个漏极电感依次电连接组成，栅极传输线由N+1个栅极电感依次电连接组成，N为预置的正整数，N的具体取值可以根据需要进行选择。
第i个漏极电感的第二端和第i+1个漏极电感的第一端与第i个增益单元1的第一端电连接，例如第2个漏极电感的第二端和第3个漏极电感的第一端与第2个增益单元1的第一端电连接。
第i个栅极电感的第二端和第i+1个栅极电感的第一端与第i个栅极连接电容的第一端电连接，例如第2个栅极电感的第二端和第3个栅极电感的第一端与第2个栅极连接电容的第一端电连接.
第i个栅极连接电容的第二端与第i个增益单元1的控制端电连接，例如第2个栅极连接电容的第二端与第2个增益单元1的控制端电连接.
各个增益单元1的第二端接地，i为小于或等于N的正整数。
漏极传输线的第一端为第一个漏极电感LD1的第一端，与漏极接地单元的输入端电连接，漏极传输线的第二端为第N+1个漏极电感LDN+1的第二端，与信号输出单元的输入端电连接，通过信号输出单元输出放大后的信号。
栅极传输线的第一端为第一个栅极电感LG1的第一端，与信号输入单元的输出端电连接，接收信号输入单元输入的信号，栅极传输线的第二端为第N+1个栅极电感LGN+1的第二端，与栅极偏置单元的输出端电连接。
各个增益单元1内晶体管与稳定电阻2为一一对应的关系，每一个晶体管的第一端与其对应的稳定电阻2的第一端电连接，各个稳定电阻2的第二端均接地，由于稳定电阻2的回路阻抗较小，部分低频信号会经过稳定电阻2到底，提高了低频段的增益平坦度，提高了低频段的稳定性，同时因为稳定电阻2的噪声不在信号放大的通路上，所以提高了信号放大的噪声性能。
进一步地，漏极接地单元具体包括：第一漏极接地电阻RD1、第二漏极接地电阻RD2和漏极接地电容C3；
第一个漏极电感LD1的第一端与第一漏极接地电阻RD1的第一端电连接，第一漏极接地电阻RD1的第二端与第二漏极接地电阻RD2的第一端电连接，第二漏极接地电阻RD2的第二端与漏极接地电容C3的第一端电连接，漏极接地电容C3的第二端接地。
需要说明的是，漏极接地单元的结构可选为第一漏极接地电阻RD1、第二漏极接地电阻RD2和漏极接地电容C3的组合。
此时第一个漏极电感LD1的第一端与第一漏极接地电阻RD1的第一端电连接，第一漏极接地电阻RD1的第二端与第二漏极接地电阻RD2的第一端电连接，第二漏极接地电阻RD2的第二端与漏极接地电容C3的第一端电连接，漏极接地电容C3的第二端接地。
进一步地，栅极偏置单元具体包括：第一栅极偏置电阻RG1、第二栅极偏置电阻RG2、第一栅极偏置电压源Vgate和栅极旁路电容C4；
第N+1个栅极电感LGN+1的第二端与第一栅极偏置电阻RG1的第一端电连接，第一栅极偏置电阻RG1的第二端与第二栅极偏置电阻RG2的第一端电连接；
第二栅极偏置电阻RG2的第二端分别与栅极旁路电容C4的第一端和第一栅极偏置电压源Vgate的输出端电连接，栅极旁路电容C4的第二端接地。
需要说明的是，栅极偏置单元可由第一栅极偏置电阻RG1、第二栅极偏置电阻RG2、第一栅极偏置电压源Vgate和栅极旁路电容C4组成，通过第一栅极偏置电阻RG1和第二栅极偏置电阻RG2接入第一栅极偏置电压。
进一步地，信号输入单元具体包括：第一隔直电容C2；
第一个栅极电感LG1的第一端与第一隔直电容C2的第一端电连接，第一隔直电容C2的第二端为信号输入端RFIN。
需要说明的是，信号输入单元具体包括第一隔直电容C2，第一隔直电容C2的大小根据需要进行设置，例如可以选择100nF的第一隔直电容C2。
第一隔直电容C2的第一端即是信号输入单元的输出端，与第一个栅极电感LG1的第一端电连接，第一隔直电容C2的第二端为信号输入端RFIN，用于接入外界输入的信号。
进一步地，信号输出单元具体包括：漏极偏置电压源Vdrain和T型偏置器；
T型偏置器具体包括：扼流电感和第二隔直电容C1，扼流电感和第二隔直电容C1的第一端与第N+1个漏极电感LDN+1的第二端电连接，扼流电感的第二端与漏极偏置电压源Vdrain的输出端电连接，第二隔直电容C1的第二端为信号输出端RFOUT。
需要说明的是，信号输出端RFOUT具体包括：偏置电压源和T型偏置器(bias tee)，偏置电压源为宽带低阻抗的T型偏置器提供350mA的工作电源，T型偏置器内扼流电感和第二隔直电容C1的第一端与第N+1个漏极电感LDN+1的第二端电连接，T型偏置器内扼流电感的第二端与偏置电压源的输出端电连接，第二隔直电容C1的第二端为信号输出端RFOUT，通过信号输出端RFOUT输出放大后的信号。
进一步地，增益单元1具体包括：场效应晶体管；
增益单元1的第一端和晶体管的第一端为场效应晶体管的漏极，增益单元1的第二端为场效应晶体管的源极，增益单元1的控制端为场效应晶体管的栅极。
需要说明的是，增益单元1可由单个场效应晶体管组成，此时增益单元1的第一端和晶体管的第一端为场效应晶体管的漏极，增益单元1的第二端均为场效应晶体管的源极，增益单元1的控制端为场效应晶体管的栅极，具体结构如图1所示。
进一步地，还包括：第三栅极偏置电阻RG3和第二栅极偏置电压源Vgate2；
增益单元1具体包括：第一场效应晶体管4和第二场效应晶体管3；
第一场场效应晶体管和第二场效应晶体管3的源极接地，第一场效应晶体管4的漏极与第二场效应晶体管3的栅极电连接；
增益单元1的第一端为第二场效应晶体管3的漏极，增益单元1的第二端为第一场效应晶体管4的栅极，各个增益单元1的第二场效应晶体管3的栅极均与第三栅极偏置电阻RG3的第一端电连接，第三栅极偏置电阻RG3的第二端与第二栅极偏置电压源Vgate2的输出端电连接；
各个晶体管的第一端为各个场效应晶体管的漏极。
需要说明的是，增益单元1除了由单个场效应晶体管组成之外，还可以由两个场效应晶体管堆叠组成。
此时第一场场效应晶体管和第二场效应晶体管3的源极接地，第一场效应晶体管4的漏极与第二场效应晶体管3的栅极电连接，组成堆叠结构。
并且还需要设置第三栅极偏置电阻RG3和第二栅极偏置电压源Vgate2，第二栅极偏置电压源Vgate2通过第三栅极偏置电阻RG3为各个第二场效应晶体管3的栅极提供第二栅极偏置电压。
各个晶体管的第一端为各个场效应晶体管的漏极，即各个场效应集体管的漏极与其对应的稳定电阻2的第一端电连接，具体结构示意图如图2所示。
本实施例的低噪声的分布式放大器将电阻-电容并联结构换成单电容结构，并且在各个增益单元1内晶体管的第一端设置稳定电阻2，从而使得电阻的噪声不会在信号放大的通路上，且依然具有稳定效果，同时低频时因为电阻回路阻抗较低，低频信号会经过电阻到地，从而吸收部放大后的低频信号，减小低频段的增益，从而提高了低频段的增益平坦度，提高低频段的稳定性，且不会对高频成分造成太大影响。
增益单元1可以根据需要选择场效应晶体管、双极性晶体管或双场效应晶体管堆叠结构等。
如图3所示，曲线StabF_1为传统在漏极添加电阻-电容并联结构的分布式放大器的稳定性曲线，曲线StabF_2为本实施例的分布式放大器的稳定性曲线，从图3可看出本实施例的分布式放大器较传统的分布式放大器有更好的稳定性能。
如图4所示，曲线NF_1为传统在漏极添加电阻-电容并联结构的分布式放大器的噪声系数曲线，曲线NF_2为本实施例的分布式放大器的稳定性曲线，从图4可看出本实施例的分布式放大器较传统的分布式放大器有更好的噪声性能。
如图5所示，曲线gain_1为传统在漏极添加电阻-电容并联结构的分布式放大器的增益曲线，曲线gain_2为本实施例的分布式放大器的增益曲线，从图5可看出本实施例的分布式放大器较传统的分布式放大器有更好的增益平坦度。
综上所述，本实施例的低噪声的分布式放大器与传统的分布式放大器相比，提高了稳定性，降低了噪声系数，且拥有更好的增益平坦度，解决了采用电阻-电容并联结构提高分布式放大器的稳定性时会引入电阻的噪声，降低输入信号的噪声性能，并且电阻-电容并联结构在低频段增稳效果较差的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，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技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种低噪声的分布式放大器，其特征在于，包括：漏极传输线、栅极传输线、信号输入单元、信号输出单元、漏极接地单元、栅极偏置单元、稳定电阻、增益单元和栅极连接电容；
漏极传输线由N+1个漏极电感依次电连接组成，栅极传输线由N+1个栅极电感依次电连接组成，N为预置的正整数；
第i个漏极电感的第二端和第i+1个漏极电感的第一端与第i个增益单元的第一端电连接，第i个栅极电感的第二端和第i+1个栅极电感的第一端与第i个栅极连接电容的第一端电连接，第i个栅极连接电容的第二端与第i个增益单元的控制端电连接，各个增益单元的第二端接地，i为小于或等于N的正整数；
第一个漏极电感的第一端与漏极接地单元的输入端电连接，第N+1个漏极电感的第二端与信号输出单元的输入端电连接；
第一个栅极电感的第一端与信号输入单元的输出端电连接，第N+1个栅极电感的第二端与栅极偏置单元的输出端电连接；
各个增益单元内晶体管与稳定电阻为一一对应的关系，每一个晶体管的第一端与其对应的稳定电阻的第一端电连接，各个稳定电阻的第二端均接地；
漏极接地单元具体包括：第一漏极接地电阻、第二漏极接地电阻和漏极接地电容；
第一个漏极电感的第一端与第一漏极接地电阻的第一端电连接，第一漏极接地电阻的第二端与第二漏极接地电阻的第一端电连接，第二漏极接地电阻的第二端与漏极接地电容的第一端电连接，漏极接地电容的第二端接地；
栅极偏置单元具体包括：第一栅极偏置电阻、第二栅极偏置电阻、第一栅极偏置电压源和栅极旁路电容；
第N+1个栅极电感的第二端与第一栅极偏置电阻的第一端电连接，第一栅极偏置电阻的第二端与第二栅极偏置电阻的第一端电连接；
第二栅极偏置电阻的第二端分别与栅极旁路电容的第一端和第一栅极偏置电压源的输出端电连接，栅极旁路电容的第二端接地。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声的分布式放大器，其特征在于，信号输入单元具体包括：第一隔直电容；
第一个栅极电感的第一端与第一隔直电容的第一端电连接，第一隔直电容的第二端为信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声的分布式放大器，其特征在于，信号输出单元具体包括：漏极偏置电压源和T型偏置器；
T型偏置器具体包括：扼流电感和第二隔直电容，扼流电感和第二隔直电容的第一端与第N+1个漏极电感的第二端电连接，扼流电感的第二端与漏极偏置电压源的输出端电连接，第二隔直电容的第二端为信号输出端。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声的分布式放大器，其特征在于，增益单元具体包括：场效应晶体管；
增益单元的第一端和晶体管的第一端为场效应晶体管的漏极，增益单元的第二端为场效应晶体管的源极，增益单元的控制端为场效应晶体管的栅极。
5.根据权利要求1所述的一种低噪声的分布式放大器，其特征在于，还包括：第三栅极偏置电阻和第二栅极偏置电压源；
增益单元具体包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；
第一场场效应晶体管和第二场效应晶体管的源极接地，第一场效应晶体管的漏极与第二场效应晶体管的栅极电连接；
增益单元的第一端为第二场效应晶体管的漏极，增益单元的第二端为第一场效应晶体管的栅极，各个增益单元的第二场效应晶体管的栅极均与第三栅极偏置电阻的第一端电连接，第三栅极偏置电阻的第二端与第二栅极偏置电压源的输出端电连接；
各个晶体管的第一端为各个场效应晶体管的漏极。
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