CN113131875A - 一种高可靠性低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高可靠性低噪声放大器，包括大功率输入保护模块和放大器模块，放大器模块包括放大电路、输入偏置电路和去耦电容，输入偏置电路的第一端连接至放大电路的第一级放大器的输入端，第二端通过去耦电容接地，大功率输入保护模块包括：匹配电路，用于低噪声放大器输入阻抗匹配与隔直；直流电流检测器，用于检测第一级放大器的输入端直流电流，并转换为检测电压对外输出；电平转换电路，用于在检测电压超过预配置的阈值后输出控制信号；限幅电路，其一端匹配电路相连，另一端接地，且控制端与电平转换电路的输出端连接，在收到控制信号后导通以保护放大电路。与现有技术相比，本发明在提高放大器可靠性的同时对放大器其他性能影响很小。

Description

一种高可靠性低噪声放大器
技术领域
本发明涉及电子设备射频前端技术领域，尤其是涉及一种高可靠性低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(Low noise amplifier，LNA)位于通信系统接收机最前端，其主要作用是对天线接收到的带有噪声的微弱信号进行放大，如图1所示，其是通信电子设备中的重要电路模块。在实际应用中，通信设备的工作环境不确定，特别是用于通讯基站等大功率场景时，空间中可能会有强电磁干扰被接收天线接收，在低噪声放大器的输入端出现大功率信号，使其损伤或毁坏。此外，射频发射机进行大功率辐射，在天线处由于失配会存在信号反射，也有可能产生较大能量，施加在低噪声放大器输入端。
针对该问题，传统的解决方案是在低噪声放大器前端增加限幅器或其他保护电路。限幅器电路通常使用PIN二极管或肖特基二极管实现，其原理简单、保护效果好，是应用最广泛的方案，但许多工艺无法实现片上集成。有源的保护电路方案一般先进行功率检测，将得到的检测信号用来控制开关管限幅电路对电路进行保护，这种方式有利于片上集成，但电路实现较为复杂。功率检测常用检波电路来实现。在毫米波频段，检波电路的实现有难度，同时其与开关管限幅电路的寄生参数对低噪声放大器的输入匹配、噪声系数和增益等性能会有很大影响。另外，若采用耗尽型晶体管设计，由于阈值电压为负值，开关管限幅电路的控制电压需特殊设计，一般需要额外的偏置电压，对化合物半导体工艺而言意味着需片外提供额外的电源电压，增加成本。
发明内容
本发明提供了一种高可靠性低噪声放大器。部分类型晶体管，如GaN等高电子迁移率晶体管和双极型晶体管，栅极在大功率信号输入会产生输入直流电流。本发明实现了低噪声放大器与大功率输入保护电路单片集成的同时，利用上述特性用输入直流电流检测器进行功率检测，实现简单，且对低噪声放大器性能无影响。加入电平转换电路后，前端电路无需额外的偏置电压，且经补偿设计在毫米波频段对低噪声放大器可靠性以外性能影响很小。大功率输入保护电路成本低、易实现，有效提高低噪声放大器可靠性，且对其其他性能影响小。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高可靠性低噪声放大器，包括大功率输入保护模块和放大器模块，放大器模块包括放大电路、输入偏置电路和去耦电容，所述输入偏置电路的第一端连接至放大电路的第一级放大器的输入端，第二端通过去耦电容接地，所述大功率输入保护模块包括：
匹配电路，设于信号输入端和放大器电路的输入端之间，用于低噪声放大器输入阻抗匹配与隔直；
直流电流检测器，第一端连接至第一偏置电源的正极，第二端连接至输入偏置电路的第二端，用于检测第一级放大器的输入直流电流，并转换为检测电压对外输出；
电平转换电路，输入端连接至直流电流检测器，用于在所述检测电压超过预配置的阈值后输出控制信号；
限幅电路，其一端与匹配电路连接，另一端接地，且控制端与电平转换电路的输出端连接，在收到所述控制信号后导通以保护放大电路。
进一步的，所述直流电流检测器为检测电阻，所述电平转换电路的输入端连接至所述检测电阻的第二端连接。
更进一步的，所述检测电阻的阻值为：
Figure BDA0003000347800000021
其中：RDET检测电阻的阻值，VGG为第一偏置电源的正极电压，VIN,min为可承受最小输入直流电压，IIN,max为可承受最大输入直流电流。
进一步的，所述电平转换电路包括放大管和负载电阻，所述放大管的栅极连接至直流电流检测器，源极接地，漏极通过负载电阻连接至第二偏置电源的正极，并连接至限幅电路。
进一步的，所述限幅电路包括源极偏置及补偿电路、开关管电路和漏极偏置及补偿电路，所述开关管电路包括开关管和栅极电阻，所述开关管的漏极通过漏极偏置及补偿电路连接至匹配电路，源极通过源极偏置及补偿电路接地。
更进一步的，所述源极偏置及补偿电路包括第二电感和第二电容，所述第二电感的一端连接至第二偏置电源的正极，另一端连接至开关管的源极，并通过第二电容连接至匹配电路；
更进一步的，所述漏极偏置及补偿电路包括第一电感和第一电容，所述第一电感的一端连接至第二偏置电源的正极，另一端连接至开关管的漏极，并通过第一电容连接接地。
再更进一步的，所述第一电感的值为：
Figure BDA0003000347800000031
其中：L1为第一电感的值，ω0为工作频率，Coff为开关管关断寄生电容的值；再更进一步的，所述第一电容的值为：
Figure BDA0003000347800000032
其中：C1为第一电容的值，Lon为开关管导通寄生电感的值。
进一步的，所述放大电路的第一级放大器的输入端为放大管的栅极。
进一步的，所述输入偏置电路为偏置电感。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：实现了低噪声放大器与大功率输入保护电路单片集成的同时，由于是对直流电流进行检测，实现简单，且对低噪声放大器性能无影响。加入电平转换电路后，前端电路无需额外的偏置电压，且经补偿设计在毫米波频段对低噪声放大器可靠性以外性能影响很小。大功率输入保护电路成本低、易实现，有效提高低噪声放大器可靠性，且对其其他性能影响小。
附图说明
图1是通信设备射频前端结构示意图。
图2是本发明涉及的高可靠性低噪声放大器电路示意图。
图3是本发明涉及的高可靠性低噪声放大器中限幅电路及其等效电路示意图。
图4是本发明涉及实施例低噪声放大器的电路示意图。
图5是本发明涉及实施例低噪声放大器中限幅电路等效电路示意图。
图6是未添加大功率输入保护电路的低噪声放大器原理图。
图7是直接添加导通限幅电路的低噪声放大器原理图。
图8是最大可承受输入功率Pin,max原理图仿真结果对比图。
图9是噪声系数和增益原理图仿真结果对比图。
图10是输入匹配S11原理图仿真结果对比图；
其中：1、直流电流检测器，2、电平转换电路，3、前端电路，4、放大器模块，5、匹配电路，6、限幅电路，7、输入偏置电路，8、放大电路，9、开关管电路，10、漏极偏置及补偿电路，11、源极偏置及补偿电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种高可靠性低噪声放大器，如图2和图4所示，包括大功率输入保护模块和放大器模块4，放大器模块4包括放大电路8、输入偏置电路7和去耦电容Cg，放大电路8为共源级三级级联结构放大电路，输入偏置电路7的第一端连接至放大电路8的第一级放大器的输入端，第二端通过去耦电容Cg接地，大功率输入保护模块包括：
匹配电路5，设于信号输入端和放大器电路4的输入端之间，用于输入阻抗匹配和隔直；
直流电流检测器1，第一端连接至第一偏置电源的正极，第二端连接至输入偏置电路7的第二端，用于检测第一级放大器的输入直流电流，并转换为检测电压对外输出；
电平转换电路2，输入端连接至直流电流检测器1，用于在检测电压超过预配置的阈值后输出控制信号；
限幅电路6，其一端连接至匹配电路5，另一端接地，且控制端与电平转换电路2的输出端连接，在收到控制信号后导通以保护放大电路8。
实现了低噪声放大器与大功率输入保护电路单片集成的同时，由于是对直流电流进行检测，实现简单，且对低噪声放大器性能无影响。加入电平转换电路后，前端电路无需额外的偏置电压，且经补偿设计在毫米波频段对低噪声放大器可靠性以外性能影响很小。大功率输入保护电路成本低、易实现，有效提高低噪声放大器可靠性，且对其其他性能影响小。
其中，匹配电路5和限幅电路6一起组成前端电路3，直流电流检测器1的工作原理如下：大功率信号输入时，低噪声放大器主要承受对象是第一级放大器。GaN高电子迁移率晶体管在大功率信号输入下，栅极输入电流会产生直流分量IIN，此时晶体管的可靠性主要受限于最小输入直流电压VIN,min和最大输入直流电流IIN,max，即当VIN＜VIN,min和IIN＞IIN,max时，晶体管会损坏。利用晶体管这一特性，在第一级放大器的输入偏置电路和去耦电容之后添加直流电流检测器，测量输入直流电流IIN的大小，电流大小用检测电压VDET表征，即可实现输入大功率信号的检测。由于直流电流检测器位于去耦电容Cg之后，其对低噪声放大器的其他性能无影响。
电平转换电路2的作用是将检测电压VDET转换为合适的电平，作为控制电压控制功率反射器中开关管的导通或截止。输出控制电压VCTRL高电平为第二偏置电源VDD，低电平为0V。
在正常工作时，前端电路作用为输入匹配；在大功率信号输入时，其起到限幅保护的作用。匹配电路5是低噪声放大器常规设计，其与限幅电路6需根据版图设计等实际情况选择连接的位置，该实施例中，限幅电路6连接在匹配电路5输入端。限幅电路则包括开关管电路9、开关管源极偏置和补偿电路11、开关管漏极偏置和补偿电路10，如图3的(a)所示。其中，开关管的源极和漏极需同时偏置在VDD或者GND，保证开关管处于线性区。选择VDD还是GND，需根据电平转换电路输出电平和开关管的类型(增强型还是耗尽型、N管还是P管)来决定。
具体地看限幅电路6的设计。图3的(b)、(c)是限幅电路在开关管导通、截止时的等效电路。
开关管截止时，其等效为关断电阻Roff和关断寄生电容Coff并联的网络，如图3的(b)所示。其中，关断电阻Roff是个大电阻，其决定了保护电路引起的噪声系数增加量和增益减小量。关断寄生电容Coff主要影响低噪声放大器的输入匹配，该影响在毫米波频段不能被忽略，增加补偿电路，可与之在工作频率上抵消，消除或减小其影响。
开关管导通时，其等效为导通电阻Ron和导通寄生电感Lon串联的网络，如图3的(c)所示。其中，导通电阻Ron是个小电阻，我们希望此时功率反射器的等效阻抗越小越好，但导通寄生电感Lon在毫米波频段会引入较大的阻抗虚部，增加补偿电路，可与之在工作频率上抵消，从而获得尽可能小的导通阻抗，提高大功率信号输入时的输入反射系数，增强保护效果。
在其中一个实施例中，直流电流检测器1为检测电阻，电平转换电路2的输入端连接至检测电阻的第二端连接，直流电流检测器1使用检测电阻RDET来实现。GaN高电子迁移率晶体管在大功率信号输入后，栅极产生输入直流电流IIN，会在RDET上产生压降，从而得到检测电压VDET。根据放大电路8中第一级放大器所用放大管的可承受最小输入直流电压VIN,min和最大输入直流电流IIN,max计算所需检测电阻RDET值：
Figure BDA0003000347800000061
其中：RDET检测电阻的阻值，VGG为第一偏置电源的正极电压，VIN,min为可承受最小输入直流电压，IIN,max为可承受最大输入直流电流。
则当输入直流电流IIN达IIN,max时，输入直流电压VIN同时达到VIN,min。大信号输入保护电路在IIN达IIN,max之前生效，所以可保证保护电路生效之前VIN和IIN均在极限值范围之内。另外，检测电阻RDET位于去耦电容Cg之后，对低噪声放大器的其他性能无影响。
电平转换电路2包括放大管M1和负载电阻R1，放大管M1的栅极连接至直流电流检测器1，源极接地，漏极通过负载电阻连接至第二偏置电源的正极，图中，VDD为第二偏置电源的正极电压，并连接至限幅电路6。其中，负载电阻R1应取较大值。无大功率信号输入时，输入直流电流IIN＝0，检测电压VDET＝VGG，此时放大管M1导通并处于线性区，输出控制电压VCTRL近似为0。由于负载电阻R1较大，电平转换电路消耗电流很小。当大功率信号输入，随着输入直流电流IIN的增大，检测电压VDET减小，晶体管M1截止，输出控制电压VCTRL将转换为高电平VDD。
限幅电路6包括源极偏置及补偿电路11、开关管电路9和漏极偏置及补偿电路10，开关管电路9包括开关管M2和栅极电阻R2，开关管M2的漏极通过漏极偏置及补偿电路10连接至匹配电路5的输入端，源极通过源极偏置及补偿电路11接地。
如图2和图4所示，源极偏置及补偿电路11包括第二电感L2和第二电容C2，第二电感的一端连接至第二偏置电源的正极，另一端连接至开关管的源极，并通过第二电容连接至匹配电路5的输入端；漏极偏置及补偿电路10包括第一电感L1和第一电容C1，第一电感的一端连接至第二偏置电源VDD的正极，另一端连接至开关管的漏极，并通过第一电容连接接地。
开关管M2的源极和漏极均偏置在VDD，保证开关管处于线性区，另外由于GaN高电子迁移率场效应管为耗尽型晶体管，栅极控制电压VCTRL＝0/VDD，源极电压需为VDD才能保证开关管关断。无大功率信号输入时，VCTRL＝0V，开关管M2截止；当大功率信号输入，VCTRL＝5V，开关管M2导通，本实施例中，C2和L2仅做隔直电容和偏置电感，不用做补偿电路，应取尽量大值，C2在工作频率上近似交流短路，L2亦被短路，故二者在等效电路中不考虑。C1和L1不仅做隔直电容和偏置电感，还用于开关管电路的补偿。根据此时的限幅电路6的等效电路，C1需与导通寄生电感Lon谐振抵消，如图5的(a)所示；L1需与关断寄生电容Coff谐振抵消，如图5的(b)所示，Lon和Coff根据开关管电路仿真得到，第一电感的值为：
Figure BDA0003000347800000071
其中：L1为第一电感的值，ω0为工作频率，Coff为开关管关断寄生电容的值；第一电容的值为：
Figure BDA0003000347800000072
其中：C1为第一电容的值，Lon为开关管导通寄生电感的值。
在一些实施例中，输入偏置电路7为偏置电感。
为了验证上述高可靠性低噪声放大器的有益效果，将本实施例和图6所示的未添加本实施例中保护电路的低噪声放大器进行原理图仿真对比。
在可靠性方面，即低噪声放大器的可承受最大输入功率Pin,max方面，因为本实施例中放大电路4中第一级放大器的输入直流电流IIN和输入直流电压IIN同时达到IIN,max和VIN,min，故仅以Ig是否达到IIN,max＝80mA作为判定晶体管是否失效的标准。
图8是不同低噪声放大器随着输入功率增大，第一级放大器的输入直流电流IIN的变化情况。曲线1对应的是如图6所示的无保护电路的低噪声放大器，其可承受最大输入功率Pin,max约为34dBm；曲线2对应的是如图7所示的直接在输入端添加导通的开关管反射电路的低噪声放大器，用于对比参考；曲线3对应的是本实施例涉及的低噪声放大器，其可承受最大输入功率Pin,max约为46dBm，可靠性有很大提升。
在低噪声放大器的其他性能方面，相比于无大功率输入保护电路的低噪声放大器，在工作频率上，本实施例的噪声系数仅增加0.2dB，增益仅减小0.24dB，如图9所示；在工作频率及其附近，输入匹配情况变化很小，如图10所示。可见，大功率输入保护电路对低噪声放大器的噪声系数、增益、输入匹配等性能影响很小。

Claims (9)

1.一种高可靠性低噪声放大器，包括大功率输入保护模块和放大器模块(4)，其特征在于，放大器模块(4)包括放大电路(8)、输入偏置电路(7)和去耦电容，所述输入偏置电路(7)的第一端连接至放大电路(8)的第一级放大器的输入端，第二端通过去耦电容接地，所述大功率输入保护模块包括：
匹配电路(5)，设于信号输入端和放大器电路(4)的输入端之间，用于低噪声放大器输入阻抗匹配与隔直；
直流电流检测器(1)，第一端连接至第一偏置电源的正极，第二端连接至输入偏置电路(7)的第二端，用于检测第一级放大器的输入直流电流，并转换为检测电压对外输出；
电平转换电路(2)，输入端连接至直流电流检测器(1)，用于在所述检测电压超过预配置的阈值后输出控制信号；
限幅电路(6)，其一端与匹配电路(5)相连，另一端接地，且控制端与电平转换电路(2)的输出端连接，在收到所述控制信号后导通以保护放大电路(8)。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述直流电流检测器(1)为检测电阻，所述电平转换电路(2)的输入端连接至所述检测电阻的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述检测电阻的阻值为：
Figure FDA0003000347790000011
其中：RDET检测电阻的阻值，VGG为第一偏置电源的正极电压，VIN,min为可承受最小输入直流电压，IIN,max为可承受最大输入直流电流。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述电平转换电路(2)包括放大管和负载电阻，所述放大管的栅极连接至直流电流检测器(1)，源极接地，漏极通过负载电阻连接至第二偏置电源的正极，并连接至限幅电路(6)。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性低噪声放大
器，其特征在于，所述限幅电路(6)包括源极偏置及补偿电路(11)、开关管电路(9)和漏极偏置及补偿电路(10)，所述开关管电路(9)包括开关管和输入电阻，所述开关管的漏极通过漏极偏置及补偿电路(10)连接至匹配电路(5)的输入端，源极通过源极偏置及补偿电路(11)接地。
6.根据权利要求5所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述源极偏置及补偿电路(11)包括第二电感和第二电容，所述第二电感的一端连接至第二偏置电源的正极，另一端连接至开关管的源极，并通过第二电容连接至匹配电路(5)的输入端；
所述漏极偏置及补偿电路(10)包括第一电感和第一电容，所述第一电感的一端连接至第二偏置电源的正极，另一端连接至开关管的漏极，并通过第一电容连接接地。
7.根据权利要求6所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述第一电感的值为：
Figure FDA0003000347790000021
其中：L1为第一电感的值，ω0为工作频率，Coff为开关管关断寄生电容的值；
所述第一电容的值为：
Figure FDA0003000347790000022
其中：C1为第一电容的值，Lon为开关管导通寄生电感的值。
8.根据权利要求1所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述放大电路(8)的第一级放大器的输入端为晶体管栅极。
9.根据权利要求1所述的一种高可靠性低噪声放大器，其特征在于，所述输入偏置电路(7)为偏置电感。
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