CN111682851B - 一种5g通信抗失配宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种5g通信抗失配宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，包括两路并联的高线性度低噪声放大网络、有源偏置网络、无源偏置网络以及RC负反馈网络、输入45°移相网络和输出45°移相网络。本发明采用两个不同尺寸的晶体管组成串联堆叠结构实现低噪声放大网络，并结合了RC负反馈网络实现超宽带低噪声、阻抗匹配与高线性度；同时采用平衡合成结构设计整体电路，在输入输出加入移相网络，提高了该放大器对负载失配容忍度和对负载变化的不敏感性，提高了放大器在非50欧姆系统中的线性度指标，使得整个低噪声放大器不仅在50欧姆系统中具有良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时在非50欧姆系统中，依然保持有较高的OIP3性能。

Description

一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于效应晶体管射频低噪声放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器的设计。
背景技术
随着5G民用通信市场的快速发展，射频前端接收器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高增益、高线性度、低噪声的射频与微波低噪声放大器芯片。
同时随着通信频段的不断扩展，通信系统所采用的band（波段）数量不断增加，各个band之间需要采用多个高性能滤波器切换。此时，放大器在某些频段输入输出阻抗并非50欧姆，在此应用场景下，需要放大器在非50欧姆系统中仍能保持较高的线性度。
然而，在传统射频与微波低噪声放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在：
（1）低功耗、高线性度、高增益、低噪声放大指标相互制约：由于市场的驱使，射频前端接收器的待机功耗需要尽量降低，从而实现节能的功能，但是传统的共源（或共射）低噪声放大器设计中，满足实现噪声最优的最佳噪声偏置点，和满足增益与线性度最佳的偏置点往往不能实现放大器的功耗最低，因此两个指标不能很好地兼容。
（2）高线性度低噪声放大器仅能在50欧姆系统中保持着较高的线性度。由于通信band的不断拓展，不同band之间需要使用高性能滤波器来选择射频信号，而当不同band的滤波器开关时，放大器的输入或输出工作在非50欧姆系统，此时放大器将无法保持高线性度。
常见的高线性度低噪声放大器的电路结构有很多，最典型的是共源（或共射）放大器，但是，典型共源放大器，仍然存在一些设计不足，主要体现在：
（1）电流复用结构需要采用馈电电感和大电容实现两个共源（或共射）放大器的静态偏置复用，这种大电感和大电容馈电结构的自谐振频率点较低，在实现超宽带放大的时候，有可能自谐振频率点会落入放大频带内，从而恶化射频特性；同时大电感和电容往往占用较大的芯片面积，从而提高了芯片成本。
（2）常规高线性度低噪声放大器对输入输出阻抗比较敏感，当输入输出阻抗出现变化时，OIP3（输出三阶交调点）性能将会恶化。
发明内容
本发明的目的是提出一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，不仅在50 欧姆系统中具有良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时在非50 欧姆系统中，依然保持有较高的OIP3性能。
本发明的技术方案为：一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，包括输入45°移相网络、第一高线性度低噪声放大网络、第二高线性度低噪声放大网络、输出45°移相网络、第一有源偏置网络、第二有源偏置网络、第一无源偏置网络、第二无源偏置网络和RC负反馈网络；输入45°移相网络的输入端连接隔直电容C1后作为低噪声放大器的射频输入端，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接；输出45°移相网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与电容C11的一端连接，其第二输出端与电容C12的一端连接，电容C11的另一端与电容C12的另一端连接，并作为低噪声放大器的射频输出端；RC负反馈网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接；第一高线性度低噪声放大网络还分别与第一有源偏置网络以及第一无源偏置网络连接，第二高线性度低噪声放大网络还分别与第二有源偏置网络以及第二无源偏置网络连接。
本发明的有益效果是：本发明采用两个不同尺寸的晶体管组成串联堆叠结构实现低噪声放大网络，并结合了RC负反馈网络实现超宽带低噪声、阻抗匹配与高线性度；同时采用平衡式放大器结构，采用输入/输出45°移相网络，提高了该放大器对负载失配容忍度和对负载变化的不敏感性，提高了放大器在输入输出阻抗失配情况下的线性度指标，使得整个低噪声放大器不仅在50 欧姆系统中具有良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时在非50 欧姆系统中，依然保持有较高的OIP3性能。
进一步地，输入45°移相网络包括电感L1、电容C2、微带线TL1和微带线TL2，电感L1的一端与电容C2的一端连接，并作为输入45°移相网络的输入端，电感L1的另一端与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端作为输入45°移相网络的第一输出端，电容C2的另一端与微带线TL2的一端连接，微带线TL2的另一端作为输入45°移相网络的第二输出端。
输出45°移相网络包括电感L2、接地电感L3、接地电容C9和电容C10，电感L2的一端作为输出45°移相网络的第一输入端，其另一端与接地电容C9连接，并作为输出45°移相网络的第一输出端，电容C10的一端作为输出45°移相网络的第二输入端，其另一端与接地电感L3连接，并作为输出45°移相网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用输入/输出45°移相网络与两路并联的高线性度低噪声放大网络共同实现平衡式放大器结构，当放大器输入阻抗变化，输入阻抗失配时，平衡式放大器仍能保持较高输出功率与OIP3性能。
进一步地，第一高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3和底层晶体管Md1，底层晶体管Md1的源极接地，其栅极作为第一高线性度低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md3的栅极分别与电阻R5的一端以及第一无源偏置网络连接，其漏极作为第一高线性度低噪声放大网络的输出端，电阻R5的另一端与接地电容C3连接。
第二高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md4和底层晶体管Md2，底层晶体管Md2的源极接地，其栅极作为第二高线性度低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md4的栅极分别与电阻R6的一端以及第二无源偏置网络连接，其漏极作为第二高线性度低噪声放大网络的输出端，电阻R6的另一端与接地电容C4连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用晶体管堆叠技术，放大器可以在低静态功耗的条件下实现较高的增益，同时实现较高的功率容量，而且不需要像传统共源（或共射）电流复用放大器中必须采用大电感和大电容实现直流复用；同时每个高线性度低噪声放大网络中采用两个不同尺寸的晶体管，可以改善堆叠晶体管的寄生参数在高频段所导致的栅源失配现象，在实现超宽带匹配的时候，微带线用于补偿堆叠晶体管间的高频失配，同时可以改善谐波频率处的放大器的稳定性；外挂稳定电阻R11和R12是稳定电阻，提高了稳定性，外挂匹配电容C3和C4作用是调整堆叠晶体管之间的匹配。
进一步地，第一无源偏置网络包括电阻R11，电阻R11的一端与顶层晶体管Md3的栅极连接，其另一端分别与电阻R13的一端以及接地电阻R1连接，电阻R13的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
第二无源偏置网络包括电阻R12，电阻R12的一端与顶层晶体管Md4的栅极连接，其另一端分别与电阻R14的一端以及接地电阻R2连接，电阻R14的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
上述进一步方案的有益效果是：无源偏置网络通过同种电阻分压的方式，给高线性度低噪声放大网络中的各级晶体管供电，在工艺波动时，同种电阻的波动方向一致，可以减小工艺波动对性能的影响；同时使用面积较小的电阻组成无源偏置电路可以减小分压网络的面积。
进一步地，第一有源偏置网络包括晶体管Md5，晶体管Md5的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R9的一端以及接地电容C5连接，电阻R7的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，电阻R9的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
第二有源偏置网络包括晶体管Md6，晶体管Md6的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R8的一端、电阻R10的一端以及接地电容C6连接，电阻R8的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，电阻R10的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过有源偏置网络可以有效减小工艺波动与温度变化对电流的影响。
进一步地，RC负反馈网络包括电容C7、电容C8、电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端作为RC负反馈网络的第一输入端，其另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端作为RC负反馈网络的第一输出端，电阻R4的一端作为RC负反馈网络的第二输入端，其另一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端作为RC负反馈网络的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果是：RC负反馈网络可以实现宽带的低噪声、阻抗匹配与带内平坦度。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，如图1所示，包括输入45°移相网络、第一高线性度低噪声放大网络、第二高线性度低噪声放大网络、输出45°移相网络、第一有源偏置网络、第二有源偏置网络、第一无源偏置网络、第二无源偏置网络和RC负反馈网络。
输入45°移相网络的输入端连接隔直电容C1后作为低噪声放大器的射频输入端，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
输出45°移相网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与电容C11的一端连接，其第二输出端与电容C12的一端连接，电容C11的另一端与电容C12的另一端连接，并作为低噪声放大器的射频输出端。
RC负反馈网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
第一高线性度低噪声放大网络还分别与第一有源偏置网络以及第一无源偏置网络连接，第二高线性度低噪声放大网络还分别与第二有源偏置网络以及第二无源偏置网络连接。
如图2所示，输入45°移相网络包括电感L1、电容C2、微带线TL1和微带线TL2，电感L1的一端与电容C2的一端连接，并作为输入45°移相网络的输入端，电感L1的另一端与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端作为输入45°移相网络的第一输出端，电容C2的另一端与微带线TL2的一端连接，微带线TL2的另一端作为输入45°移相网络的第二输出端。
如图2所示，第一高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3和底层晶体管Md1，底层晶体管Md1的源极接地，其栅极作为第一高线性度低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md3的栅极分别与电阻R5的一端以及第一无源偏置网络连接，其漏极作为第一高线性度低噪声放大网络的输出端，电阻R5的另一端与接地电容C3连接。
如图2所示，第一无源偏置网络包括电阻R11，电阻R11的一端与顶层晶体管Md3的栅极连接，其另一端分别与电阻R13的一端以及接地电阻R1连接，电阻R13的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
如图2所示，第一有源偏置网络包括晶体管Md5，晶体管Md5的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R9的一端以及接地电容C5连接，电阻R7的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，电阻R9的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
如图2所示，第二高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md4和底层晶体管Md2，底层晶体管Md2的源极接地，其栅极作为第二高线性度低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md4的栅极分别与电阻R6的一端以及第二无源偏置网络连接，其漏极作为第二高线性度低噪声放大网络的输出端，电阻R6的另一端与接地电容C4连接。
如图2所示，第二无源偏置网络包括电阻R12，电阻R12的一端与顶层晶体管Md4的栅极连接，其另一端分别与电阻R14的一端以及接地电阻R2连接，电阻R14的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
如图2所示，第二有源偏置网络包括晶体管Md6，晶体管Md6的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R8的一端、电阻R10的一端以及接地电容C6连接，电阻R8的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，电阻R10的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
如图2所示，RC负反馈网络包括电容C7、电容C8、电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端作为RC负反馈网络的第一输入端，其另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端作为RC负反馈网络的第一输出端，电阻R4的一端作为RC负反馈网络的第二输入端，其另一端与电容C8的一端连接，电容C8的另一端作为RC负反馈网络的第二输出端。
如图2所示，输出45°移相网络包括电感L2、接地电感L3、接地电容C9和电容C10，电感L2的一端作为输出45°移相网络的第一输入端，其另一端与接地电容C9连接，并作为输出45°移相网络的第一输出端，电容C10的一端作为输出45°移相网络的第二输入端，其另一端与接地电感L3连接，并作为输出45°移相网络的第二输出端。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号经隔直电容C7后进入输入45°移相网络；电感L1与电容C2及微带线TL1与TL2组成的移相网络将射频信号产生±45°相移，实现第一高线性度低噪声放大网络与第二高线性度低噪声放大网络工作处于正交状态。其中一路信号进入晶体管Md1和Md3，外挂稳定电阻R11、外挂稳定电阻R5与电容C3组成的二堆叠低噪声放大网络；同时在Md3漏极以负反馈的方式通过反馈电阻R3与反馈电容C7进入到堆叠低噪声放大网络的底层晶体管Md1的栅极，顶层晶体管Md3的漏极信号为第一高线性度低噪声放大网络的射频输出信号；同理，顶层晶体管Md4的漏极信号为第二高线性度低噪声放大网络的射频输出信号。第一路射频信号分别经由电感L2、电容C9和电容C11组成的45°相移网络到达输出端；第二路射频信号经由电容C10、电感L3和电容C12组成的45°相移网络后到达输出端。由两路移相网络输出的等幅同相信号在输出端口合成为最终的射频输出信号。
基于以上分析，本发明提出一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，该放大器与常规的低噪声放大器结构不同之处在于：
核心结构是由两个二堆叠放大网络组成的平衡式放大器。
二堆叠放大网络与传统Cascode结构的不同之处在于堆叠的栅极补偿电容上，二堆叠放大网络的栅极补偿电容是容值较小，用于实现栅极电压的同步摆动，而传统的Cascode结构栅极补偿电容容值较大，用于实现栅极的交流接地。
使用输入/输出45°移相网络的平衡式放大器，占用空间较小；同时平衡架构的低噪声放大器对负载阻抗变化不敏感，能够在失配的情况下实现较高的功率输出特性与OIP3特性。
在整个低噪声放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容、反馈器件、移相网络的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在超宽带条件下的低噪声、高增益、高线性度和良好的输入输出匹配特性以及抗失配特性、芯片面积小且成本低。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入45°移相网络、第一高线性度低噪声放大网络、第二高线性度低噪声放大网络、输出45°移相网络、第一有源偏置网络、第二有源偏置网络、第一无源偏置网络、第二无源偏置网络和RC负反馈网络；
所述输入45°移相网络的输入端连接隔直电容C1后作为低噪声放大器的射频输入端，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接；
所述输出45°移相网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与电容C11的一端连接，其第二输出端与电容C12的一端连接，所述电容C11的另一端与电容C12的另一端连接，并作为低噪声放大器的射频输出端；
所述RC负反馈网络的第一输入端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，其第一输出端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接；
所述第一高线性度低噪声放大网络还分别与第一有源偏置网络以及第一无源偏置网络连接，所述第二高线性度低噪声放大网络还分别与第二有源偏置网络以及第二无源偏置网络连接；
所述第一高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md3和底层晶体管Md1，所述底层晶体管Md1的源极接地，其栅极作为第一高线性度低噪声放大网络的输入端，所述顶层晶体管Md3的栅极分别与电阻R5的一端以及第一无源偏置网络连接，其漏极作为第一高线性度低噪声放大网络的输出端，所述电阻R5的另一端与接地电容C3连接；
所述第二高线性度低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md4和底层晶体管Md2，所述底层晶体管Md2的源极接地，其栅极作为第二高线性度低噪声放大网络的输入端，所述顶层晶体管Md4的栅极分别与电阻R6的一端以及第二无源偏置网络连接，其漏极作为第二高线性度低噪声放大网络的输出端，所述电阻R6的另一端与接地电容C4连接。
2.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入45°移相网络包括电感L1、电容C2、微带线TL1和微带线TL2，所述电感L1的一端与电容C2的一端连接，并作为输入45°移相网络的输入端，所述电感L1的另一端与微带线TL1的一端连接，所述微带线TL1的另一端作为输入45°移相网络的第一输出端，所述电容C2的另一端与微带线TL2的一端连接，所述微带线TL2的另一端作为输入45°移相网络的第二输出端。
3.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一无源偏置网络包括电阻R11，所述电阻R11的一端与顶层晶体管Md3的栅极连接，其另一端分别与电阻R13的一端以及接地电阻R1连接，所述电阻R13的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一有源偏置网络包括晶体管Md5，所述晶体管Md5的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R9的一端以及接地电容C5连接，所述电阻R7的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输出端连接，所述电阻R9的另一端与第一高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二无源偏置网络包括电阻R12，所述电阻R12的一端与顶层晶体管Md4的栅极连接，其另一端分别与电阻R14的一端以及接地电阻R2连接，所述电阻R14的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二有源偏置网络包括晶体管Md6，所述晶体管Md6的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R8的一端、电阻R10的一端以及接地电容C6连接，所述电阻R8的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输出端连接，所述电阻R10的另一端与第二高线性度低噪声放大网络的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述RC负反馈网络包括电容C7、电容C8、电阻R3和电阻R4，所述电阻R3的一端作为RC负反馈网络的第一输入端，其另一端与电容C7的一端连接，所述电容C7的另一端作为RC负反馈网络的第一输出端，所述电阻R4的一端作为RC负反馈网络的第二输入端，其另一端与电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端作为RC负反馈网络的第二输出端。
8.根据权利要求1所述的5G通信抗失配宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出45°移相网络包括电感L2、接地电感L3、接地电容C9和电容C10，所述电感L2的一端作为输出45°移相网络的第一输入端，其另一端与接地电容C9连接，并作为输出45°移相网络的第一输出端，所述电容C10的一端作为输出45°移相网络的第二输入端，其另一端与接地电感L3连接，并作为输出45°移相网络的第二输出端。
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