CN111130466A

CN111130466A - 一种频率可调的宽带低噪声放大器

Info

Publication number: CN111130466A
Application number: CN202010019343.8A
Authority: CN
Inventors: 夏冬; 盖川; 蒋一帆
Original assignee: Nanjing Milewei Corp
Current assignee: Nanjing Milewei Corp
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明公开了一种频率可调的宽带低噪声放大器，其包括匹配网络、开关电容阵列选频网络和共源共栅极放大电路，共源共栅极放大电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容、第三电感、第四电感、第五电感及第四电容；匹配网络的一端连接信号输入端，另一端连接第一晶体管的栅极；第二晶体管的漏极分别连接第四电感的一端和开关电容阵列选频网络，第四电感的另一端与信号输出端连接；第一晶体管的漏极与第二晶体管的源极相连。本发明输入网络具有宽带特性，输出网络具有窄带和频率可调特性，实现了工作频率灵活易行地可调转换，并在多个频段上动态优化小信号增益和噪声，提高了增益平坦度和接收机灵敏度。

Description

一种频率可调的宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频微波技术领域，特别涉及一种宽带低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，国际上制定了一系列无线通信协议。为了满足各种应有需求，多频多模移动终端成为无线通信发展的新方向。另一方面，便携式设备的快速普及，对设备的小型化、低功耗有更严格的要求，无线通信射频模块的小型化、低功耗更加迫切。低噪声放大器作为无线通信的重要器件，需处理天线接收的信号和减弱通信模块的噪声。因此低噪声放大器对于整个无线通信系统的意义非常重要。

在多频射频前段低噪声放大器的设计是最大的挑战之一。低噪声放大器在所有的频段都应该提供较低的噪声，在每个模式下都因有足够的带宽，多频带的频率覆盖范围广，增益高。

针对多频段系统提出了多种解决办法，如结合窄带低噪声放大器和波段之间的切换，导致模具的面积更大，功耗更高，成本更高；单片宽带低噪声放大器也较为常用，它能够覆盖所有工作频段，但单片宽带低噪声放大器通常是以牺牲噪声和增益换取带宽，通过前端的滤波器进行选频，而接收机的接受灵敏度下限受到噪声的影响，这将会恶化接收机的灵敏度。而且由于接收机的非线性，宽带模式更容易受到带外信号的干扰。

因此，需要提供一种频率可调的低噪声放大器解决上述问题。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种频率可调的宽带低噪声放大器。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种频率可调的宽带低噪声放大器，其包括匹配网络、开关电容阵列选频网络和共源共栅极放大电路，所述共源共栅极放大电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容、第三电感、第四电感、第五电感及第四电容；

所述匹配网络的一端连接信号输入端，另一端连接所述第一晶体管的栅极；

所述第二晶体管的栅极连接第三电容后接地，所述第一晶体管的源极连接第三电感后接地，所述第二晶体管的漏极分别第五电感的一端和第四电容的一端连接，第五电感的另一端和第四电容的另一端均接地；

所述第二晶体管的漏极还分别连接了第四电感的一端和开关电容阵列选频网络，所述第四电感的另一端与信号输出端连接；

所述第一晶体管的漏极与第二晶体管的源极相连。

优选的，所述第一晶体管和第二晶体管均采用互补式金属氧化物半导体晶体管。

优选的，所述匹配网络包括并联的第一电感和第一电容，以及串联的第二电感和第二电容；

所述第一电感和第一电容的一端均同时与信号输入端、第二电感的一端相连，第一电感和第一电容的另一端均接地；

所述第二电容的一端同时与第二电感的另一端和第一晶体管的栅极相连，第二电容的另一端与第一晶体管的漏极相连。

作为优选的，所述开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对，其中N为大于0的自然数；各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，每个“开关-电容”对被分配成非零的偶数个单元电容器元件，用于对称电容器分配。

优选的，所述开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对，其中N为大于0的自然数；各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，每个“开关-电容”对中包括若干单元电容器元件。

进一步优选的，每个“开关-电容”对中包括非零的偶数个结构相同的单元电容器元件。

进一步优选的，每个“开关-电容”对中的若干单元电容器元件结构相同。

进一步优选的，所述各单元电容器元件中包括第五电容、第五电阻、第五晶体管和第五反相器；

所述第五电容的一端连接共源共栅极放大电路，另一端连接第五晶体管的漏极；第五晶体管的栅极连接与之对应的控制信号；第五晶体管的源级接地；

所述第五反相器的一端与第五晶体管的栅极连接，另一端与第五电阻的一端连接；第五电阻的另一端与第五晶体管的漏极连接。

优选的，各单元电容器元件通过各自的第五电容的一端与共源共栅极放大电路中第二晶体管的漏极相连，实现各单元电容器元件与共源共栅极放大电路的连接。

有益效果：本发明提供的一种频率可调的宽带低噪声放大器，结合放大电路的共源共栅结构的高隔离性结构设计，以及位于信号输出端的开关电容阵列选频网络，在不影响输入噪声匹配的情况下，通过控制输出开关电容阵列选频网络实现灵活的可调频率选择功能；同时通过调节开关电容阵列选频网络，实现工作频率灵活易行地转换，并在多个频段上动态优化小信号增益和噪声，改善增益和噪声指标，有效提高低噪声放大器在各个频段上的性能，提高了全频带的增益平坦度，提高了接收机灵敏度。

本发明提供的频率可调的宽带低噪声放大器中，通过双电感电容谐振回路的宽带噪声匹配网络的这一结构构造，有效地拓展了阻抗带宽，并同时实现了宽带噪声匹配，提高了放大器噪声性能。

本发明提供的频率可调的宽带低噪声放大器中，输入网络具有宽带特性，输出网络具有窄带和频率可调特性，并可实现80％的可调宽带；同时体积较小，有利于小型化设计，且节约成本。

附图说明

图1是其中一个实施例提供的频率可调的宽带低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明提供的频率可调的宽带低噪声放大器的电路结构原理框图；

图3是其中一个实施例中的匹配网络的结构示意图；

图4是图1中的其中1个单元电容器元件的电路结构原理放大图；

图5是图1中的开关电容阵列选频网络的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施列对本发明不构成限定。

本实施例提供的一种频率可调的宽带低噪声放大器，如图2所示，其包括匹配网络(即图2中的宽带阻抗匹配和噪声匹配网络，也可称为宽带阻抗匹配网络)、开关电容阵列选频网络和共源共栅极放大电路。其中共源共栅极放大电路为cascode(共源共栅极)结构，其采用共源极晶体管：包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三电容C3、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5及第四电容C4。

其中匹配网络的一端连接信号输入端RFin，另一端连接所述第一晶体管Q1的栅极。

其中第一晶体管Q1的漏极与第二晶体管Q2的源极相连，采用源极电感负反馈优化整体电路性能，其中第一晶体管Q1的源极连接第三电感L3后接地，该结构中第三电感L3为源极负反馈电感，连接第一晶体管Q1的源极，可以提高电路的稳定性，提供输入电阻的实部。其中第二晶体管Q2的栅极连接第三电容C3后接地，这一结构中第三电容C3连接第二晶体管Q2的栅极，提供交流接地，同时有效避免电源端产生寄生参数造成对整体电路的破坏。

同时第二晶体管Q2的漏极分别第五电感L5的一端和第四电容C4的一端连接，第五电感L5的另一端和第四电容C4的另一端均接地。

与此同时，该第二晶体管Q2的漏极还分别连接了第四电感L4的一端和开关电容阵列选频网络，所述第四电感的另一端与信号输出端RFout连接。

在本实施例中，所述第一晶体管和第二晶体管均采用互补式金属氧化物半导体晶体管。

在本实施例中，宽带阻抗匹配网络选用双电感电容谐振回路，如图3所示，由并联LC谐振网络(第一电感L1、第一电容C1)、串联LC谐振网络(第二电感L2、第二电容C2)和晶体管输入等效电阻组成。具体来说，该匹配网络包括并联的第一电感L1和第一电容C1，以及串联的第二电感L2和第二电容C2；结合图1、2、3可见，其中第一电感L1和第一电容C1的一端均同时与信号输入端、第二电感L2的一端相连，第一电感L1和第一电容C1的另一端均接地；其中第二电容C2的一端同时与第二电感L2的另一端和第一晶体管Q1的栅极相连，第二电容C2的另一端与第一晶体管Q1的源级相连。在这一结构构造下，并联LC谐振网络、串联LC谐振网络在相同频率

谐振，当共源极晶体管的输入阻抗和最佳噪声阻抗以及双电感电容谐振回路阻抗共轭时，同时实现噪声和功率匹配。

本发明中上述开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对，其中N为大于0的自然数；各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，每个“开关-电容”对中包括若干单元电容器元件。

在某些实施例中，每个“开关-电容”对中包括非零的偶数个单元电容器元件。在这一结构构造中，每个“开关-电容”对被分配成非零的偶数个单元电容器元件，用于对称电容器分配。

在本实施例中，每个“开关-电容”对中的若干单元电容器元件结构相同，也即每个“开关-电容”对中包括若干结构相同的单元电容器元件。本实施例中的开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对(也可称为电容组)，各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，具体在本实施例中如图1和图5所示，各“开关-电容”对通过控制信号Vb0到VbN-1控制，且每个“开关-电容”对中包括四个单元电容器元件，每个单元电容器元件结构相同，用于对称电容器分配(也即每个“开关-电容”对被分配成四个结构相同的单元电容器元件)。

具体在本实施例中，由图1、图4和图5给出的开关电容阵列选频网络中的各个单元电容器元件的电路结构原理图可见，各单元电容器元件中包括第五电容(包括图1中的C5、C9、C13、C17，图4中的C5)、第五电阻(包括图1中的R1、R5、R9、R11，图4中的R1)、第五晶体管(包括图1中的Q3、Q7、Q11、Q15，图4中的Q3)和第五反相器(包括图1中的U1、U5、U9、U11，图4中的U1)。

图4给出了图1和图5中其中1个单元电容器元件的电路结构原理放大图，以图4中的此单元电容器元件为例来阐述各单元电容器元件的结构构造：所述第五电容C5的一端连接共源共栅极放大电路，另一端连接第五晶体管Q3的漏极；第五晶体管Q3的栅极连接与之对应的控制信号的控制引脚Vb0，从而实现第五晶体管的栅极和与之对应的控制信号的连接；第五晶体管Q3的源级接地。所述第五反相器U1的一端与第五晶体管Q3的栅极连接，另一端与第五电阻R1的一端连接；第五电阻R1的另一端与第五晶体管Q3的漏极连接。通过反相器施加与控制电压反相的电压来确保开关管的完全打开和关断。

结合图1、图4和图5可见，各单元电容器元件通过各自的第五电容的一端与共源共栅极放大电路中第二晶体管Q2的漏极相连，实现各单元电容器元件与共源共栅极放大电路的连接。

而在实际应用中，各“开关-电容”对中所包括的单元电容器元件的数量和参数值均可以根据应用场景灵活调整，包括但不限于：位于同一宽带低噪声放大器的开关电容阵列选频网络中的各“开关-电容”对所包括的单元电容器元件数量可以部分或完全相同，也可以部分或完全不同；位于同一“开关-电容”对中的各个单元电容器元件结构相同且元器件参数值也相同；位于不同“开关-电容”对中的单元电容器元件的元器件参数值可以部分和完全相同，也可以部分或完全不同。

以图1给出的其中一个实施例提供的频率可调的宽带低噪声放大器为例进行工作原理说明：信号从信号输入端RFin进入，经过宽带阻抗匹配网络，进入cascode放大电路，实现信号放大，本发明提供的电路结构构造中采用了源极负反馈电路实现阻抗匹配，经输出功率匹配，实现信号增益最优；输出匹配网络包括开关电容阵列选频网络(也可称为开关电容输出选频网络)，通过控制信号Vb0到VbN-1控制N个“开关-电容”对，从而实现选频，并最终由信号输出端RFout输出。输入网络具有宽带特性，输出网络具有窄带和频率可调特性，从而最终实现频率可调的宽带低噪声放大器。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，包括匹配网络、开关电容阵列选频网络和共源共栅极放大电路，所述共源共栅极放大电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三电容、第三电感、第四电感、第五电感及第四电容；

所述第一晶体管的漏极与第二晶体管的源极相连。

2.如权利要求1所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管均采用互补式金属氧化物半导体晶体管。

3.如权利要求1所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述匹配网络包括并联的第一电感和第一电容，以及串联的第二电感和第二电容；

4.如权利要求1所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对，其中N为大于0的自然数；各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，每个“开关-电容”对被分配成非零的偶数个单元电容器元件，用于对称电容器分配。

5.如权利要求1所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述开关电容阵列选频网络包括N个“开关-电容”对，其中N为大于0的自然数；各“开关-电容”对连接与之对应的控制信号，每个“开关-电容”对中包括若干单元电容器元件。

6.如权利要求5所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，每个“开关-电容”对中包括非零的偶数个结构相同的单元电容器元件。

7.如权利要求4或5所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，每个“开关-电容”对中的若干单元电容器元件结构相同。

8.如权利要求4或5所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述各单元电容器元件中包括第五电容、第五电阻、第五晶体管和第五反相器；

9.如权利要求8所述的频率可调的宽带低噪声放大器，其特征在于，各单元电容器元件通过各自的第五电容的一端与共源共栅极放大电路中第二晶体管的漏极相连，实现各单元电容器元件与共源共栅极放大电路的连接。