CN111934628B - 一种5g基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器 - Google Patents

一种5g基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器，包括输入匹配网络、功率保护网络、驱动达林顿放大网络、驱动基极偏置网络、级间匹配偏置网络、末级功率放大网络、末级基极偏置网络和输出匹配偏置网络，本发明利用多级放大网络技术，实现一种能够应用于5G基站的宽带、高线性度、低噪声的驱动放大器结构。本发明采用达林顿管作为驱动放大网络，显著提升了放大器的驱动带宽并降低了噪声系数，同时采用了功率保护网络使得驱动放大器具有良好的抗烧毁特性，结合末级高线性功率放大网络，使得整个放大器具有高线性、高增益、低噪声等优点。

Description

一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器
技术领域
本发明属于5G通信和集成电路技术领域，具体涉及一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器的设计。
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、低功耗、低噪声的射频与微波驱动放大器芯片。然而，当前传统射频与微波驱动放大器芯片设计中，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）放大器设计中，满足实现噪声最优的最佳噪声偏置点，和满足增益与跨导最大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）低功耗和高线性度指标相互制约：传统共源（或共射）放大器设计中，高线性度指标需要在固定工艺下选择功率容量高且1dB压缩点高的放大器晶体管，而高功率容量往往需要消耗较大的直流功耗，因此低功耗和线性度两者不能很好的兼容。
此外，典型的高线性度低噪声驱动放大器不具备大功率信号卸放通道，在面对5G基站前端应用过程中，存在大功率烧毁的风险。
发明内容
本发明的目的是提出一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器，利用达林顿管放大技术、功率保护卸放技术和多级放大网络技术，实现一种能够应用于5G基站的宽带、高线性度、低噪声的驱动放大器结构。
本发明的技术方案为：一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器，包括输入匹配网络、功率保护网络、驱动达林顿放大网络、驱动基极偏置网络、级间匹配偏置网络、末级功率放大网络、末级基极偏置网络和输出匹配偏置网络；输入匹配网络的输入端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输入端，其输出端与驱动达林顿放大网络的输入端连接；输入匹配网络还与功率保护网络连接，驱动基极偏置网络分别与功率保护网络以及驱动达林顿放大网络连接；级间匹配偏置网络的输入端与驱动达林顿放大网络的输出端连接，其输出端与末级功率放大网络的输入端连接；末级功率放大网络还与末级基极偏置网络连接；输出匹配偏置网络的输入端与末级功率放大网络的输出端连接，其输出端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输出端。
本发明的有益效果是：本发明采用达林顿管作为驱动放大网络，显著提升了放大器的驱动带宽并降低了噪声系数，同时采用了功率保护网络使得驱动放大器具有良好的抗烧毁特性，结合末级高线性功率放大网络，整个放大器具有高线性、高增益、低噪声等优点。
进一步地，输入匹配网络包括电感L1、接地电感L2、电容C1、接地电容C2以及电感L3，电感L1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与接地电感L2以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与接地电容C2以及电感L3的一端连接，电感L3的另一端作为输入匹配网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：输入匹配网络可以同时实现驱动达林顿放大网络的噪声匹配和阻抗匹配，并且具有ESD保护功能。
进一步地，功率保护网络包括三极管M1和三极管M2，三极管M1的基极分别与接地电阻R1、电阻R3的一端以及电容C3的一端连接，其集电极与电阻R2的一端连接，其发射极分别与电阻R4的一端、接地电阻R5以及接地电容C4连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的另一端以及控制电源Vct连接，电容C3的另一端与电容C1和电感L3的连接节点连接；三极管M2的基极与电阻R4的另一端连接，其集电极与驱动基极偏置网络连接，其发射极接地。
上述进一步方案的有益效果是：功率保护网络所引入的插损较小，同时具备大功率卸放能力，当输入功率过大时，功率保护电路呈现对地低阻抗状态，形成卸放通路，使得驱动达林顿放大网络中的驱动放大器具有良好的抗烧毁特性。
进一步地，驱动达林顿放大网络包括三极管M6和三极管M7，三极管M6的基极与电感L4的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输入端，其集电极与电阻R9的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输出端，其发射极分别与电感L5的一端以及接地电阻R11连接，电感L4的另一端与驱动基极偏置网络连接；三极管M7的基极与电阻R10的一端连接，其集电极与电阻R9的另一端连接，其发射极与接地电阻R12连接，电阻R10的另一端与电感L5的另一端连接。
上述进一步方案的有益效果是：驱动达林顿放大网络具有宽带、高增益特性，同时噪声系数较低，并且基极匹配电阻提高了驱动达林顿放大管的稳定性。
进一步地，驱动基极偏置网络包括三极管M3、三极管M4和三极管M5，三极管M3的基极分别与其集电极、电阻R6的一端以及三极管M2的集电极连接，其发射极分别与三极管M4的基极、三极管M4的集电极、三极管M5的基极以及接地电容C5连接，三极管M4的发射极与接地电阻R7连接，三极管M5的集电极分别与电阻R6的另一端以及偏置电源Vb1连接，其发射极与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电感L4连接。
上述进一步方案的有益效果是：驱动基极偏置网络具有抑制温漂的功能，当放大器工作温度较高时，HBT晶体管具有正温度系数，静态电流增加，此时驱动基极偏置网络中电阻R8的分压升高，晶体管M5的分压降低，晶体管M5的分压降低将导致其静态电流降低，一定程度补偿了放大器静态电流随温度升高的特性，稳定了全温下的静态工作点。
进一步地，级间匹配偏置网络包括电感L6，电感L6的一端作为级间匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L7的一端以及电容C7的一端连接，电感L7的另一端分别与接地电容C6、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及供电电源Vc1连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，电容C7的另一端与电感L8的一端连接，电感L8的另一端作为级间匹配偏置网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：级间匹配网络实现了驱动达林顿放大网络的良好的输出阻抗匹配，同时实现了末级功率放大网络良好的输入匹配，且引入的插损较小。
进一步地，末级功率放大网络包括三极管M11和三极管M12，三极管M11的基极与电阻R16的一端连接，其集电极与三极管M12的集电极连接，并作为末级功率放大网络的输出端，其发射极接地，三极管M12的基极与电阻R19的一端连接，其发射极接地；电阻R16的另一端分别与电阻R17的一端以及电容C9的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R18的一端以及电容C10的一端连接，电容C9的另一端与电容C10的另一端连接，并作为末级功率放大网络的输入端，电阻R17的另一端分别与电阻R18的另一端以及电感L9的一端连接，电感L9的另一端与末级基极偏置网络连接。
上述进一步方案的有益效果是：末级功率放大网络采用多路共射放大器合成放大的结构，提高了放大器的线性度和功率容量，同时采用基极整流的电路结构，抑制了HBT放大器电流不均衡所导致的潜在不稳定因素。
进一步地，末级基极偏置网络包括三极管M8、三极管M9以及三极管M10，三极管M8的基极分别与其集电极以及电阻R13的一端连接，其发射极分别与三极管M9的基极、三极管M9的集电极、三极管M10的基极以及接地电容C8连接，三极管M9的发射极与接地电阻R14连接，三极管M10的集电极分别与电阻R13的另一端以及偏置电源Vb2连接，其发射极与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与电感L9连接。
上述进一步方案的有益效果是：末级基极偏置网络具有抑制温漂的功能，当放大工作温度较高时，HBT晶体管具有正温度系数，静态电流增加，此时驱动基极偏置网络中电阻R15的分压升高，晶体管M10的分压降低，晶体管M10的分压降低将导致其静态电流降低，一定程度补偿了放大器静态电流随温度升高的特性，稳定了全温下的静态工作点。
进一步地，输出匹配偏置网络包括电感L10，电感L10的一端作为输出匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L11的一端、接地电容C12以及电容C13的一端连接，电感L11的另一端分别与接地电容C11、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及供电电源Vc2连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地，电容C13的另一端分别与二极管D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出匹配偏置网络的输出端，二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地。
上述进一步方案的有益效果是：输出匹配偏置网络实现了良好的谐波抑制功能，提高了放大器的OIP3指标，同时实现了良好的输出匹配，且引入的插损较小。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器电路图。
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基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器，如图1所示，包括输入匹配网络、功率保护网络、驱动达林顿放大网络、驱动基极偏置网络、级间匹配偏置网络、末级功率放大网络、末级基极偏置网络和输出匹配偏置网络。
输入匹配网络的输入端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输入端，其输出端与驱动达林顿放大网络的输入端连接。
输入匹配网络还与功率保护网络连接，驱动基极偏置网络分别与功率保护网络以及驱动达林顿放大网络连接。
级间匹配偏置网络的输入端与驱动达林顿放大网络的输出端连接，其输出端与末级功率放大网络的输入端连接。
末级功率放大网络还与末级基极偏置网络连接。
输出匹配偏置网络的输入端与末级功率放大网络的输出端连接，其输出端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输出端。
如图2所示，输入匹配网络包括电感L1、接地电感L2、电容C1、接地电容C2以及电感L3，电感L1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与接地电感L2以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与接地电容C2以及电感L3的一端连接，电感L3的另一端作为输入匹配网络的输出端。
如图2所示，功率保护网络包括三极管M1和三极管M2，三极管M1的基极分别与接地电阻R1、电阻R3的一端以及电容C3的一端连接，其集电极与电阻R2的一端连接，其发射极分别与电阻R4的一端、接地电阻R5以及接地电容C4连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的另一端以及控制电源Vct连接，电容C3的另一端与电容C1和电感L3的连接节点连接；三极管M2的基极与电阻R4的另一端连接，其集电极与驱动基极偏置网络连接，其发射极接地。
如图2所示，驱动达林顿放大网络包括三极管M6和三极管M7，三极管M6的基极与电感L4的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输入端，其集电极与电阻R9的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输出端，其发射极分别与电感L5的一端以及接地电阻R11连接，电感L4的另一端与驱动基极偏置网络连接；三极管M7的基极与电阻R10的一端连接，其集电极与电阻R9的另一端连接，其发射极与接地电阻R12连接，电阻R10的另一端与电感L5的另一端连接。
如图2所示，驱动基极偏置网络包括三极管M3、三极管M4和三极管M5，三极管M3的基极分别与其集电极、电阻R6的一端以及三极管M2的集电极连接，其发射极分别与三极管M4的基极、三极管M4的集电极、三极管M5的基极以及接地电容C5连接，三极管M4的发射极与接地电阻R7连接，三极管M5的集电极分别与电阻R6的另一端以及偏置电源Vb1连接，其发射极与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电感L4连接。
如图2所示，级间匹配偏置网络包括电感L6，电感L6的一端作为级间匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L7的一端以及电容C7的一端连接，电感L7的另一端分别与接地电容C6、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及供电电源Vc1连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，电容C7的另一端与电感L8的一端连接，电感L8的另一端作为级间匹配偏置网络的输出端。
如图2所示，末级功率放大网络包括三极管M11和三极管M12，三极管M11的基极与电阻R16的一端连接，其集电极与三极管M12的集电极连接，并作为末级功率放大网络的输出端，其发射极接地，三极管M12的基极与电阻R19的一端连接，其发射极接地。
电阻R16的另一端分别与电阻R17的一端以及电容C9的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R18的一端以及电容C10的一端连接，电容C9的另一端与电容C10的另一端连接，并作为末级功率放大网络的输入端，电阻R17的另一端分别与电阻R18的另一端以及电感L9的一端连接，电感L9的另一端与末级基极偏置网络连接。
如图2所示，末级基极偏置网络包括三极管M8、三极管M9以及三极管M10，三极管M8的基极分别与其集电极以及电阻R13的一端连接，其发射极分别与三极管M9的基极、三极管M9的集电极、三极管M10的基极以及接地电容C8连接，三极管M9的发射极与接地电阻R14连接，三极管M10的集电极分别与电阻R13的另一端以及偏置电源Vb2连接，其发射极与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与电感L9连接。
如图2所示，输出匹配偏置网络包括电感L10，电感L10的一端作为输出匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L11的一端、接地电容C12以及电容C13的一端连接，电感L11的另一端分别与接地电容C11、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及供电电源Vc2连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地，电容C13的另一端分别与二极管D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出匹配偏置网络的输出端，二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频芯片通过RFin进入宽带高线性度低噪声驱动放大器，经过输入匹配网络的多级LC网络进行噪声和阻抗匹配后，进入驱动达林顿放大网络中的晶体管M6的基极，经过M6和M7等构成的达林顿管的放大后，进入级间匹配偏置网络，经过级间匹配网络中多级LC网络的阻抗变换后，进入末级功率放大网络，经过末级功率放大网络中的电容C9~C10以及电阻R16~R19的功率分配作用后，同时进入共射放大器晶体管M11和M12，经过其放大后，进入输出匹配偏置网络，经过输出阻抗变换后，通过RFout输出给放大器的负载。其中，当输入功率>P0时，功率保护网络的偏置网络被大功率信号的摆幅冲开，功率保护网络呈现对地低阻抗状态，形成卸放通路，保护了电路不被大信号烧毁。
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 (7)

1.一种5G基站的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、功率保护网络、驱动达林顿放大网络、驱动基极偏置网络、级间匹配偏置网络、末级功率放大网络、末级基极偏置网络和输出匹配偏置网络；
所述输入匹配网络的输入端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输入端，其输出端与驱动达林顿放大网络的输入端连接；
所述输入匹配网络还与功率保护网络连接，所述驱动基极偏置网络分别与功率保护网络以及驱动达林顿放大网络连接；
所述级间匹配偏置网络的输入端与驱动达林顿放大网络的输出端连接，其输出端与末级功率放大网络的输入端连接；
所述末级功率放大网络还与末级基极偏置网络连接；
所述输出匹配偏置网络的输入端与末级功率放大网络的输出端连接，其输出端作为宽带高线性度低噪声驱动放大器的射频输出端；
所述输入匹配网络包括电感L1、接地电感L2、电容C1、接地电容C2以及电感L3，所述电感L1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与接地电感L2以及电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端分别与接地电容C2以及电感L3的一端连接，所述电感L3的另一端作为输入匹配网络的输出端；
所述功率保护网络包括三极管M1和三极管M2，所述三极管M1的基极分别与接地电阻R1、电阻R3的一端以及电容C3的一端连接，其集电极与电阻R2的一端连接，其发射极分别与电阻R4的一端、接地电阻R5以及接地电容C4连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的另一端以及控制电源Vct连接，所述电容C3的另一端与电容C1和电感L3的连接节点连接；所述三极管M2的基极与电阻R4的另一端连接，其集电极与驱动基极偏置网络连接，其发射极接地。
2.根据权利要求1所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述驱动达林顿放大网络包括三极管M6和三极管M7，所述三极管M6的基极与电感L4的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输入端，其集电极与电阻R9的一端连接，并作为驱动达林顿放大网络的输出端，其发射极分别与电感L5的一端以及接地电阻R11连接，所述电感L4的另一端与驱动基极偏置网络连接；所述三极管M7的基极与电阻R10的一端连接，其集电极与电阻R9的另一端连接，其发射极与接地电阻R12连接，所述电阻R10的另一端与电感L5的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述驱动基极偏置网络包括三极管M3、三极管M4和三极管M5，所述三极管M3的基极分别与其集电极、电阻R6的一端以及三极管M2的集电极连接，其发射极分别与三极管M4的基极、三极管M4的集电极、三极管M5的基极以及接地电容C5连接，所述三极管M4的发射极与接地电阻R7连接，所述三极管M5的集电极分别与电阻R6的另一端以及偏置电源Vb1连接，其发射极与电阻R8的一端连接，所述电阻R8的另一端与电感L4连接。
4.根据权利要求1所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述级间匹配偏置网络包括电感L6，所述电感L6的一端作为级间匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L7的一端以及电容C7的一端连接，所述电感L7的另一端分别与接地电容C6、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及供电电源Vc1连接，所述二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，所述电容C7的另一端与电感L8的一端连接，所述电感L8的另一端作为级间匹配偏置网络的输出端。
5.根据权利要求1所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述末级功率放大网络包括三极管M11和三极管M12，所述三极管M11的基极与电阻R16的一端连接，其集电极与三极管M12的集电极连接，并作为末级功率放大网络的输出端，其发射极接地，所述三极管M12的基极与电阻R19的一端连接，其发射极接地；
所述电阻R16的另一端分别与电阻R17的一端以及电容C9的一端连接，所述电阻R19的另一端分别与电阻R18的一端以及电容C10的一端连接，所述电容C9的另一端与电容C10的另一端连接，并作为末级功率放大网络的输入端，所述电阻R17的另一端分别与电阻R18的另一端以及电感L9的一端连接，所述电感L9的另一端与末级基极偏置网络连接。
6.根据权利要求5所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述末级基极偏置网络包括三极管M8、三极管M9以及三极管M10，所述三极管M8的基极分别与其集电极以及电阻R13的一端连接，其发射极分别与三极管M9的基极、三极管M9的集电极、三极管M10的基极以及接地电容C8连接，所述三极管M9的发射极与接地电阻R14连接，所述三极管M10的集电极分别与电阻R13的另一端以及偏置电源Vb2连接，其发射极与电阻R15的一端连接，所述电阻R15的另一端与电感L9连接。
7.根据权利要求1所述的宽带高线性度低噪声驱动放大器，其特征在于，所述输出匹配偏置网络包括电感L10，所述电感L10的一端作为输出匹配偏置网络的输入端，其另一端分别与电感L11的一端、接地电容C12以及电容C13的一端连接，所述电感L11的另一端分别与接地电容C11、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及供电电源Vc2连接，所述二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地，所述电容C13的另一端分别与二极管D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出匹配偏置网络的输出端，所述二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地。
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