CN110034738B - 一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，包括依次相连的用于对超宽带信号进行一级放大的第一放大电路，用于实现第一放大电路与第二放大电路阻抗匹配的级间阻抗匹配网络，用于进一步对超宽带信号进行二级放大的第二放大电路，用于对第二放大电路进行输出阻抗匹配的输出缓冲器。每个放大电路中均包括由电感、电阻、电容构成的负反馈匹配网络，用于对放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配。本发明基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，通过改善输入阻抗匹配网络、级间阻抗匹配网络和输出阻抗网络，在一定程度上缓解了匹配网络和其他性能如噪声系数之间的相互制约，并具有较好的性能；且本发明电路结构简单、整体面积较小。

Description

一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，特别是一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器。
背景技术
在大部分的接收系统中，低噪声放大器通常都是作为第一级有源电路出现的。由于接收到的信号通常较弱，无法直接对其进行处理，所以需要低噪声放大器具有一定的增益对其进行放大，同时根据噪声理论可知，前端电路较大的增益可以有效地抑制后级电路对整体噪声的贡献。此外，作为第一级电路必须具有足够小的噪声，因为其噪声系数会完全地加在整体的噪声系数中。
随着射频技术的不断发展，低噪声放大器在满足基本功能的基础上，往往还需要具备一些新的功能。各类宽带系统应用的出现，要求低噪声放大器也必须具有超宽带工作的特性。超宽带低噪声放大器需要在数GHz的宽频带中保持良好的匹配以减小回波损耗，同时还要具备高且平坦的增益以便后级电路对信号的处理。
随着对超宽带低噪声放大器的深入研究，学者们提出了几种较为经典的拓扑结构，但这些结构都由于自身具备的一些缺点，在应用中受到了一定的限制。源级退化电感式放大器具有较小的带宽，宽带滤波网络式放大器引入过大噪声的同时还占用了较大的芯片面积，电阻反馈式放大器为了获得较大的带宽需要牺牲一定的噪声性能，分布式放大器设计复杂同时由于多管级联导致电路面积过大等。而这些缺点的出现，往往都和匹配网络和其他性能如噪声系数之间的相互制约有关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能缓解匹配网络和其他性能如噪声系数之间的相互制约的超宽带低噪声放大器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，包括依次相连的第一放大电路、级间阻抗匹配网络、第二放大电路、输出缓冲器；
所述第一放大电路，用于对超宽带信号进行一级放大，该电路中包括第一负反馈匹配网络，用于对第一放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
所述级间阻抗匹配网络，用于实现第一放大电路与第二放大电路阻抗匹配；
所述第二放大电路，用于进一步对超宽带信号进行二级放大，该电路中包括第二负反馈匹配网络，用于对第二放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
所述输出缓冲器，用于对第二放大电路进行输出阻抗匹配。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)两个放大电路中，均通过一个电阻、一个电感、一个电容构成负反馈匹配网络，在优化高频输入匹配实现超宽带匹配的同时，提高高频增益，从而遏制场效应管的增益在高频处的衰减效应，改善增益平坦度；2)由两个电容、一个电感构成T型级间阻抗匹配网络，实现两个放大电路之间阻抗匹配，能够进行最佳的功率传输，并且可以实现高通滤波器的滤波性能，消除低频干扰；3)两个放大电路的输出端均通过电感与电源相连，不仅能隔绝射频信号进入直流通路，而且能进行电感峰值谐振，拓展输出信号带宽；4)由两个场效应管构成输出缓冲器，其中一个场效应管为另一个场效应管提供电流，该另一个场效应管作为源级跟随器，利用源级跟随器的特性实现超宽带的输出阻抗匹配，结构、原理简单；5)本发明整体电路结构简单、面积小。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器的电路示意图。
图2为本发明基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器的输入端小信号示意图。
图3为本发明基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器的级间阻抗匹配示意图。
图4为本发明实施例中低噪声放大器的S参数仿真图。
图5为本发明实施例中低噪声放大器的噪声系数和稳定性仿真图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，包括依次相连的第一放大电路、级间阻抗匹配网络、第二放大电路、输出缓冲器；
第一放大电路，用于对超宽带信号进行一级放大，该电路中包括第一负反馈匹配网络，用于对第一放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
级间阻抗匹配网络，结合图3，用于实现第一放大电路与第二放大电路阻抗匹配；
第二放大电路，用于进一步对超宽带信号进行二级放大，该电路中包括第二负反馈匹配网络，用于对第二放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
输出缓冲器，用于对第二放大电路进行输出阻抗匹配。
进一步地，第一放大电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第一电感L1、第一电阻R1、第二电容C2；第一电感L1、第一电阻R1、第二电容C2构成第一负反馈匹配网络；射频输入信号RFin通过第一电容C1与第一电感L1的一端、第一场效应管M1的栅极相连，第一电感L1的另一端通过第一电阻R1、第二电容C2与第一场效应管M1的漏极、第二场效应管M2的源极相连，第一场效应管M1的源极接地；第二场效应管M2的栅极与电源Vdd相连，第二场效应管M2的漏极通过第二电感L2与电源Vdd相连，同时与级间阻抗匹配网络的输入端相连；第一场效应管M1的栅极接入偏置电压Vb1。
进一步地，级间阻抗匹配网络包括第四电容C4、第五电容C5和第三电感L3；第四电容C4的一端连接于第二场效应管M2与第二电感L2之间，第四电容C4的另一端与第三电感L3的一端、第五电容C5的一端相连，第三电感L3的另一端接地，第五电容C5的另一端与第二放大电路的输入端相连。
进一步地，第二放大电路与第一放大电路的结构相同，包括第三场效应管M3、第四场效应管M4、第二电阻R2、第四电感L4、第六电容C6；第三场效应管M3的栅极、第四电感L4的一端均与所述第五电容C5的另一端相连，第三场效应管M3的源极接地；第四电感L4的另一端通过第二电阻R2、第六电容C6与第四场效应管M4的源极、第三场效应管M3的漏极相连，第三场效应管M3的源极接地；第四场效应管M4的栅极与电源Vdd相连，第四场效应管M4的漏极通过第五电感L5与电源Vdd相连，同时通过第七电容C7与输出缓冲器的输入端相连；第三场效应管M3的栅极接入偏置电压Vb2。
进一步地，输出缓冲器包括第五场效应管M5、第六场效应管M6；第五场效应管M5的栅极与第七电容C7相连，其漏极与电源Vdd相连，其源极与第六场效应管M6的漏极相连并输出放大后的射频信号RFout，第六场效应管M6的源极接地，其栅极接入偏置电压Vb3并与漏极相连。
进一步优选地，电源Vdd通过第三电容C3接地，以滤除电源泄露的杂波。
示例性优选地，场效应管均采用0.25um GaAs工艺的PHEMT晶体管。
本发明的工作原理为：信号经第一电容C1进入第一场效应管M1的栅级，经过放大后从漏级输出，一部分信号通过第一电阻R1、第二电容C2、第一电感L1组成的网络进行负反馈，从而进行超宽带的输入阻抗匹配，另一部分信号进入作为共栅管的第二场效应管M2，减小了第一场效应管M1的密勒效应，从而提高了稳定性。小信号如图2所示，通过对小信号图进行输入阻抗分析和增益分析可知，第一电感L1在高频处可以引入一个阻抗零点，对输入阻抗在高频处的极点进行抵消，从而能够进行带宽更宽的输入阻抗匹配，同时在高频处的等效负载电容会使增益大幅衰减，而第一电感L1的引入可以抵消一部分容性电抗，从而提高高频处的增益，改善了增益平坦度。之后信号进入由第四电容C4、第五电容C5和第三电感L3构成的级间阻抗匹配网络如图3所示，该网络将第一放大电路的输出阻抗的共轭阻抗变换为第二放大电路的输入阻抗的共轭阻抗，从而能够进行最佳的功率传输，并且该网络还可以实现高通滤波器的滤波性能，消除低频干扰。之后信号进入第二放大电路，第二放大电路结构与第一放大电路相同，用于将超宽带的信号进一步放大。最终信号进入由第五场效应管M5和第六场效应管M6构成的输出缓冲器，第六场效应管M6为第五场效应管M5提供电流，第五场效应管M5为源级跟随器，利用源级跟随器的特性完成了超宽带的输出阻抗匹配。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
对本发明的低噪声放大器进行S参数仿真，仿真图如图4所示，由图可知，本发明的低噪声放大器在6GHz-18GHz的工作频率范围内的整体增益在14dB左右，且增益平坦度为±1dB，效果较好，S11及S22在上述工作频率范围内，均小于-10dB，具有良好的超宽带匹配性能。
图5为本发明低噪声放大器的噪声系数和稳定性仿真图，由图可知，本发明低噪声放大器的噪声系数的典型值为2.4dB，稳定性系数K在整个频带范围内均大于15，处于无条件稳定状态。
综上所述，本发明基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，通过改善输入级间阻抗匹配网络、级间级间阻抗匹配网络和输出阻抗网络，在一定程度上缓解了匹配网络和其他性能如噪声系数之间的相互制约，并具有较好的性能；且本发明电路结构简单、整体面积较小。

Claims (4)

1.一种基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括依次相连的第一放大电路、级间阻抗匹配网络、第二放大电路、输出缓冲器；
所述第一放大电路，用于对超宽带信号进行一级放大，该电路中包括第一负反馈匹配网络，用于对第一放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
所述级间阻抗匹配网络，用于实现第一放大电路与第二放大电路阻抗匹配；
所述第二放大电路，用于进一步对超宽带信号进行二级放大，该电路中包括第二负反馈匹配网络，用于对第二放大电路进行超宽带的输入阻抗匹配；
所述输出缓冲器，用于对第二放大电路进行输出阻抗匹配；
所述第一放大电路包括第一场效应管(M1)、第二场效应管(M2)、第一电感(L1)、第一电阻(R1)、第二电容(C2)；第一电感(L1)、第一电阻(R1)、第二电容(C2)构成第一负反馈匹配网络；射频输入信号RFin通过第一电容(C1)与第一电感(L1)的一端、第一场效应管(M1)的栅极相连，第一电感(L1)的另一端通过第一电阻(R1)、第二电容(C2)与第一场效应管(M1)的漏极、第二场效应管(M2)的源极相连，第一场效应管(M1)的源极接地；第二场效应管(M2)的栅极与电源Vdd相连，第二场效应管(M2)的漏极通过第二电感(L2)与电源Vdd相连，同时与阻抗匹配网络的输入端相连；第一场效应管(M1)的栅极接入偏置电压Vb1；
所述级间阻抗匹配网络包括第四电容(C4)、第五电容(C5)和第三电感(L3)；第四电容(C4)的一端连接于第二场效应管(M2)与第二电感(L2)之间，第四电容(C4)的另一端与第三电感(L3)的一端、第五电容(C5)的一端相连，第三电感(L3)的另一端接地，第五电容(C5)的另一端与第二放大电路的输入端相连；
所述第二放大电路与第一放大电路的结构相同，包括第三场效应管(M3)、第四场效应管(M4)、第二电阻(R2)、第四电感(L4)、第六电容(C6)；第三场效应管(M3)的栅极、第四电感(L4)的一端均与所述第五电容(C5)的另一端相连，第三场效应管(M3)的源极接地；第四电感(L4)的另一端通过第二电阻(R2)、第六电容(C6)与第四场效应管(M4)的源极、第三场效应管(M3)的漏极相连，第三场效应管(M3)的源极接地；第四场效应管(M4)的栅极与电源Vdd相连，第四场效应管(M4)的漏极通过第五电感(L5)与电源Vdd相连，同时通过第七电容(C7)与输出缓冲器的输入端相连；第三场效应管(M3)的栅极接入偏置电压Vb2。
2.根据权利要求1所述的基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出缓冲器包括第五场效应管(M5)、第六场效应管(M6)；第五场效应管(M5)的栅极与第七电容(C7)相连，其漏极与电源Vdd相连，其源极与第六场效应管(M6)的漏极相连并输出放大后的射频信号RFout，第六场效应管(M6)的源极接地，其栅极接入偏置电压Vb3并与漏极相连。
3.根据权利要求2所述的基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述电源Vdd通过第三电容(C3)接地，以滤除电源泄露的杂波。
4.根据权利要求3所述的基于改进型阻抗匹配网络的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述场效应管均采用0.25umGaAs工艺的PHEMT晶体管。
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