CN110752829A - 应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路 - Google Patents

应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，公开了应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路。放大器电路可以分为两个模式，一种为主路模式，一路是旁路模式。偏置电路包括旁路及开关管偏置电路、共源共栅极偏置电路：旁路及开关管偏置电路包括为放大器电路的开关管和旁路提供偏置电压，通过调节偏置电压使开关管导通或关断，开关管导通或关断使放大器电路选择主路模式或者旁路模式；共源共栅极偏置电路为主路的共源管和共栅管提供偏置电压。上述偏置电路还设置了分压稳压电路，实现稳压功能；设置温度补偿电路，实现温度补偿功能；能够起到提高放大器低端稳定性的作用，对放大器的增益平坦度也有较好影响。上述偏置电路结构简单，有利于小型化设计。

Description

应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路。
背景技术
MMIC既然称为单片式微波集成电路，就应该具有单片及集成双重优势，所以偏置电路也应该要做到单片当中，偏置电路是MMIC的重要组成部分，选择合适的偏置网络也是电路设计的关键。
单片电路的一大优点是将有源器件的偏置电路与有源器件集成到一起，不仅使电路的体积大大缩小、方便使用，更主要是偏置电路的保护功能在使用时由外置的保护变为电路自身的保护，很大程度上提高了电路器件的可靠性，可见偏置电路是单片电路的重要组成部分，因此选择合适的偏置网络是设计电路的关键一步。直流偏置电路设计的目的是选择合适的静态工作点，使电路能根据应用需要发挥性能，并且针对电流、电压、温度的脉动采取维持芯片稳定工作的措施。
偏置电路设计要求在带内直流电源与传输线是信号隔离，形成滤波网络，滤除信号，尽量只让直流通过。这样，一方面无论何种电源都不会对放大器的带内特性产生影响，另一方面偏置电路内有耗元件产生的噪声不会给放大器引入太多额外的噪声。
电路中偏置馈电电路的功能主要有以下几点：
1)提供晶体管所需的稳定电压，给晶体管提供所需的最大值的电流；
2)在放大器的工作频率范围内，保证晶体管的工作稳定性；
3)滤除由电源和外界发出的各种杂波、谐波，起到一定去耦滤波的作用。
4)隔离信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了满足偏置电路对稳定性、温度特性的要求，提供了一种应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路、放大器电路。
本发明采用的技术方案如下：应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路，包括旁路及开关管偏置电路、共源共栅极偏置电路，
旁路及开关管偏置电路包括电压端VDD和电压端V0、分压稳压电路和反相器，所述反相器的电压端连接电压端VDD，所述反相器的输入端通过分压稳压电路连接电压端V0，所述反相器的输出端为低噪声放大器的旁路提供偏置电压；所述电压端V0并联偏置电压输出端Vs，所述偏置电压输出端Vs为噪声放大器主路的开关管Q12源极提供偏置电压；
共源共栅极偏置电路包括镜像晶体管组成的镜像电压源、电压端V1，所述镜像电压源一端连接电压端V1，所述镜像电压源另一端连接分压稳压电路，所述镜像晶体管的栅极连接电阻后分别为噪声放大器主路的共源管和共栅管提供偏置电压，所述镜像晶体管之间设置可调电阻用于调节偏置电压大小。
进一步的，所述反相器包括第一晶体管Q1和第二电阻R2，所述第一晶体管Q1的源极连接电压端VDD，所述第二电阻R2的两端分别与第一晶体管Q1的漏极和栅极连接，所述第一晶体管Q1的栅极连接第一电阻R1后为低噪声放大器的旁路提供偏置电压。
进一步的，所述分压稳压电路第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5和第三电阻R3、第四电阻R4，所述第二晶体管Q2的漏极分别连接电压端V0和偏置电压输出端Vs，所述第二晶体管Q2的源极依次连接第三电阻R3、第四电阻R4、镜像晶体管(第六晶体管Q6和第七晶体管Q7组成)，所述第二晶体管Q2的栅极连接第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的栅极，所述第三晶体管Q3的源极连接第一晶体管Q1的栅极，所述第三晶体管Q3的漏极连接第四晶体管Q4的源极，所述第四晶体管Q4的漏极连接第五晶体管Q5源极，所述第五晶体管Q5的漏极连接镜像晶体管的一个漏极，所述第四晶体管Q4的栅极连接第三电阻R3和第四电阻R4。
进一步的，所述共源共栅极偏置电路还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括第八电阻R8和第八晶体管Q8，所述第八电阻R8两端分别和第八晶体管Q8的栅极和漏极连接，所述第八晶体管Q8的栅极和镜像晶体管连接，所述第八晶体管Q8的源极连接电压端V1。
本发明还公开了与上述偏置电路配合的放大器电路，包括主路和旁路，
所述主路包括输入匹配模块、级间匹配模块、输出匹配模块、共源共栅极结构和开关管，所述输入匹配模块、共源共栅极结构、级间匹配模块依次设置，所述共源共栅极结构的共源管和共栅管分别连接共源共栅极偏置电路提供的偏置电压，所述级间匹配模块连接开关管的源极，所述开关管的漏极连接输出匹配模块，所述偏置电压输出端Vs连接开关管的源极用于控制开关管Q12的开断；
所述旁路连接输出匹配网络，所述旁路连接旁路及开关管偏置电路中反相器输出端提供的偏置电压。
进一步的，所述共源共栅极结构包括第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第二电感L2、第三电感L3，第二电容C2，所述第十晶体管Q10的源极连接第三电感，所述第十晶体管Q10的漏极连接第十一晶体管Q11的源极，所述第十一晶体管Q11的漏极连接第二电感L2，所述第二电感L2和第三电感L3的接地，所述放大器输入端连接输入匹配模块，所述输入匹配电路连接第十晶体管Q10的栅极，所述第十一晶体管Q11的栅极连接第二电容C2后接地，所述第十晶体管Q10和第十一晶体管Q11的栅极连接共源共栅极偏置电路提供的偏置电压，所述第十一晶体管Q11的漏极连接级间匹配模块。
进一步的，所述放大器输入端和输入匹配模块之间设置串联的LC电路。
进一步的，所述串联的LC电路由第一电感L1和第一电容C1组成，所述第一电感L1接地，第一电容C1与放大器输入端、输入匹配模块连接。
进一步的，所述开关管Q12的栅极连接第零电阻R0后接地。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)该5G WiFi通信低噪声放大器，所有元件，包括偏置电路的元件均在片内集成，实现小型化。
(2)所述应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路具有选择功能，通过偏置电压控制开关管的关断，可以使低噪声放大器切换两种状态。
(3)所述应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路具有分压稳压电路，实现稳压功能；具有温度补偿电路，实现温度补偿功能；能够起到提高放大器低端稳定性的作用，同时对放大器的增益平坦度也有较好影响。
(4)所述应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路体积较小，有利于小型化设计，且节约成本。
(5)所述应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路结构简单，减小设计难度，增加设计的可靠性。
附图说明
图1是本发明5G WiFi通信低噪声放大器电路原理图。
图2是本发明应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路原理图。
图3是本发明应用于5G WiFi通信低噪声放大器的共源共栅偏置电路原理图。
图4是本发明应用于5G WiFi通信低噪声放大器的旁路及开关管偏置电路原理图。
图5是本发明的偏置电路在主路模式下5G WiFi通信低噪声放大器工作电路原理图。
图6是本发明的偏置电路在旁路模式下5G WiFi通信低噪声放大器工作电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明应用于5G WiFi通信低噪声放大器的整体电路设计仿真中，偏置电路的重要性是不言而喻的。直流偏置电路的结构很大程度上决定了整个MMIC LNA电路性能的好坏，直流偏置电路设计没有考虑到稳压、温度特性、敏感度等都会使低噪声放大器电路性能下降甚至无法正常工作。偏置电路的作用可以分为以下几点：(1)给电路中的晶体管提供稳定的静态工作电压；(2)使整体电路的稳定性提高；(3)通直流阻交流；(4)参与匹配。
在所有的GaAs PHEMT中直流偏置电路的类型有很多，大体上可以有供电方式分为单电源供电和双电源供电，也可以通过有源无源器件分为有源偏置和无源偏置。本论文设计的MMIC低噪声放大器对直流偏置电路要求很高，所以选择双电源的有源偏置电路，其提供的静态工作点稳定，温度特性好，同时对整体低噪声放大器电路的稳定性，增益平坦度都有影响。
如图1是本发明5G WiFi通信低噪声放大器电路原理图，包括输入匹配模块，级间匹配模块，输出匹配模块。整个低噪声放大器电路可以分为两个模式，一种为主路模式，另一种是旁路模式。
如图1所述发明的主路模式放大电路为cascode结构，采用的是源极电感负反馈优化整体电路性能，其中第三电感L3为源极负反馈电感，可以提高电路的稳定性，提供输入电阻的实部。电路发明在2.4GHz处有抑制要求，第一电感L1、第一电容C1形成串联LC电路，对2.4GHz处实现谐波抑制。第二电容C2提供交流地，同时避免电源端产生寄生参数对整体电路的破坏。电阻R是一个电阻值较大的电阻，WIN提供的工艺库中最大阻值为2900Ω，需要几个电阻串联实现，其目的是为了阻断交流信号直接进入地且提供栅极的偏置电压。Vg1、Vg2分别为共源管(第十晶体管Q10)的栅源电压和共栅管(第十一晶体管Q11)的栅源电压，由偏置电路提供电压。
如图1所述发明的旁路模式放大电路由几个开关型晶体管组成，其目的是为了当低噪声放大器接收到信号强度高的信号时，可以不经过放大器放大信号，信号直接进入旁路模式。这样可以降低MMIC低噪声放大器放大电路的晶体管不被烧坏，保护电路；其次也可以降低整体电路的的功耗，并且改善线性度。
如图2是所述发明的低噪声放大器电路的整体偏置电路，其主要由对电感负反馈共源共栅结构和旁路电路、cascode后级的开关管提供直流偏置电路。
如图3是所述发明的对低噪声放大器放大电路电感负反馈共源共栅结构的共源管栅源电压Vg1和共栅管栅源电压Vg2供电的直流偏置电路原理图。
共源共栅偏置电路：
所述发明的cascode的直流偏置电路原理图，其中第六晶体管Q6、第七晶体管Q7组成一个镜像电压源，两个管子的尺寸一样，通过调节第六晶体管Q6、第七晶体管Q7之间的第六电阻R6的阻值控制偏置电压的大小。从第六晶体管Q6、第七晶体管Q7栅极接的第五电阻R5、第七电阻R7的阻值要非常大，其作用是稳压和减少栅极噪声从而减少整个电路的噪声系数。所述第六晶体管Q6、第七晶体管Q7栅极接的第五电阻R5、第七电阻R7后为放大器电路提供共源管栅源电压Vg1和共栅管栅源电压Vg2。
温度补偿部分：所述共源共栅极偏置电路还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括第八电阻R8和第八晶体管Q8，所述第八电阻R8两端分别和第八晶体管Q8的栅极和漏极连接，所述第八晶体管Q8的栅极和镜像晶体管连接，所述第八晶体管Q8的源极连接电压端V1。第八电阻R8与场效应管Q8的漏极相连有效地优化了静态工作点的稳定性，降低了偏置电压随温度变化的影响，温度特性也变的更好。
如图4是所述发明的旁路电路和cascode后级的开关管的直流偏置电路结构。
BY_EN是给旁路电路提供偏置电压，偏置电压输出端Vs是给开关管Q12源极提供偏置电压，VDD为电源电压等于5V。
图4所述发明的偏置电路中的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4全部为大电阻，有稳压的作用。其中第一晶体管Q1与第二电阻R2组成反相器。电压端VDD给反相器提供工作电压，反相器的输入端为第二电阻R2以及第一晶体管Q1栅极端，反相器的输入端通过分压稳压电路获取电压端V0的电压，第一晶体管Q1的栅极通过第一电阻R1稳压后为旁路提供偏置电压BY_EN。
第三电阻R3、第四电阻R4为栅极限流电阻，因栅极电流很小。第一电阻R1为限流电阻，起到保护放大器不会因电压不稳定产生瞬间大电流而烧毁的作用。
上述结构不仅能够起到提高放大器低端稳定性的作用，同时对放大器的增益平坦度也有一定影响。
本文发明中，从开关管Q12源极加偏置电压输出端Vs，控制开关管的状态。选择低噪声放大器模式。
如图5是本发明的偏置电路在主路模式下5G WiFi通信低噪声放大器工作电路原理图。其工作条件为VDD＝5V，V0＝0V，V1＝3V。当Vs＝0V时，开关管处于打开状态，整个主路模式的放大电路导通。
如图6是本发明的偏置电路在旁路模式下5G WiFi通信低噪声放大器工作电路原理图。其工作条件为VDD＝5V，V0＝3V，V1＝3V。当Vs＝3V时，开关处于截止状态，整个主路模式的放大电路截止，旁路模式导通。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (9)

1.应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路，其特征在于，包括旁路及开关管偏置电路、共源共栅极偏置电路，
旁路及开关管偏置电路包括电压端VDD和电压端V0、分压稳压电路和反相器，所述反相器的电压端连接电压端VDD，所述反相器的输入端通过分压稳压电路连接电压端V0，所述反相器的输出端为低噪声放大器的旁路提供偏置电压；所述电压端V0并联偏置电压输出端Vs，所述偏置电压输出端Vs为噪声放大器主路的开关管源极提供偏置电压；
共源共栅极偏置电路包括镜像晶体管组成的镜像电压源、电压端V1，所述镜像电压源一端连接电压端V1，所述镜像电压源另一端连接分压稳压电路，所述镜像晶体管的栅极连接电阻后分别为噪声放大器主路的共源管和共栅管提供偏置电压，所述镜像晶体管之间设置可调电阻用于调节偏置电压大小。
2.如权利要求1所述的应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路，其特征在于，所述反相器包括第一晶体管和第二电阻，所述第一晶体管的源极连接电压端VDD，所述第二电阻的两端分别与第一晶体管的漏极和栅极连接，所述第一晶体管的栅极连接第一电阻后为低噪声放大器的旁路提供偏置电压。
3.如权利要求2所述的应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路，其特征在于，所述分压稳压电路第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第三电阻、第四电阻，所述第二晶体管的漏极分别连接电压端V0和偏置电压输出端Vs，所述第二晶体管的源极依次连接第三电阻、第四电阻、镜像晶体管，所述第二晶体管的栅极连接第三晶体管和第四晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极连接第一晶体管的栅极，所述第三晶体管的漏极连接第四晶体管的源极，所述第四晶体管的漏极连接第五晶体管源极，所述第五晶体管的漏极连接镜像晶体管的一个漏极，所述第四晶体管的栅极连接第三电阻和第四电阻。
4.如权利要求1所述的应用于5G WiFi通信低噪声放大器的偏置电路，其特征在于，所述共源共栅极偏置电路还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括第八电阻和第八晶体管，所述第八电阻两端分别和第八晶体管的栅极和漏极连接，所述第八晶体管的栅极和镜像晶体管连接，所述第八晶体管的源极连接电压端V1。
5.与权利要求1所述的偏置电路配合的放大器电路，其特征在于，包括主路和旁路，
所述主路包括输入匹配模块、级间匹配模块、输出匹配模块、共源共栅极结构和开关管，所述输入匹配模块、共源共栅极结构、级间匹配模块依次设置，所述共源共栅极结构的共源管和共栅管分别连接共源共栅极偏置电路提供的偏置电压，所述级间匹配模块连接开关管的源极，所述开关管的漏极连接输出匹配模块，所述偏置电压输出端Vs连接开关管的源极用于控制开关管的开断；
所述旁路连接输出匹配网络，所述旁路连接旁路及开关管偏置电路中反相器输出端提供的偏置电压。
6.如权利要求5所述的放大器电路，其特征在于，所述共源共栅极结构包括第十晶体管、第十一晶体管、第二电感、第三电感，第二电容，所述第十晶体管的源极连接第三电感，所述第十晶体管的漏极连接第十一晶体管的源极，所述第十一晶体管的漏极连接第二电感，所述第二电感和第三电感的接地，所述放大器输入端连接输入匹配模块，所述输入匹配电路连接第十晶体管的栅极，所述第十一晶体管的栅极连接第二电容后接地，所述第十晶体管和第十一晶体管的栅极连接共源共栅极偏置电路提供的偏置电压，所述第十一晶体管的漏极连接级间匹配模块。
7.如权利要求5所述的放大器电路，其特征在于，所述放大器输入端和输入匹配模块之间设置串联的LC电路。
8.如权利要求7所述的放大器电路，其特征在于，所述串联的LC电路由第一电容和第一电感组成，所述第一电感接地，所述第一电容连接放大器输入端和输入匹配模块。
9.如权利要求5所述的放大器电路，其特征在于，所述开关管的栅极连接第零电阻后接地。
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