CN113541615B - 一种可降低成本的多级低噪声放大器 - Google Patents

一种可降低成本的多级低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可降低成本的多级低噪声放大器，包括：多级放大电路，每级放大电路之间通过中间级匹配电路、不同级电源滤波电路连接，输入端的第一级放大电路通过输入级匹配电路与信号输入端连接，输出端的最后一级放大电路通过输出级匹配电路与信号输出端连接；不同级电源滤波电路与每级放大电路的供电端连接，不同级电源滤波电路与最后一级放大电路第二端连接。本发明所述的一种低成本的多级低噪声放大器，通过合理设计输出匹配，将两端口复用，在实现输出射频信号的同时提供了直流供电，保证低噪声放大器的正常功能。

Description

一种可降低成本的多级低噪声放大器
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其是涉及一种可降低成本的多级低噪声放大器。
背景技术
在射频通信、卫星遥感等领域，噪声系数的大小决定了接收机的灵敏度。对于一个多级系统，位于第一级的放大器往往决定了整个系统的噪声系数。因此，具有低噪声系数等特点的低噪声放大器，成为了接收机前端中不可缺少的部分。而随着无线通信以及高速计算等业务的增长，尤其是5G技术的发展，对于射频芯片的需求日益增加；而低噪声放大器作为射频前端中不可缺少的部分，其需求量和价值也随之增加。面对如此大量的需求，任何可以使低噪声放大器成本降低的方法，都可以使得整个成本极大地降低。而成本往往与性能存在着折中关系；因此，如何在保证放大器性能的条件下，降低芯片的成本成为了十分重要的考虑因素。
基于上述需求，本发明提出一种可降低成本的多级低噪声放大器。传统的低噪声放大器需要电源、地、射频输入和射频输出四种引脚，本文通过减少必要引脚的数目来减小芯片成本以及后续键合封装的成本；同时加上一定的辅助电路保证了在这种方法下放大器可以正确工作。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种可低成本的多级低噪声放大器，通过将射频输出端口与供电端口共用，以解决降低低噪声放大器成本，以及应用于多级低噪声放大器时存在振荡的风险；因为射频输出端口与供电端口共用，因此在为前级放大器供电时会将射频输出信号反馈至前级放大器，导致信号被不断放大从而振荡的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可降低成本的多级低噪声放大器，其特征在于包括：多级放大电路，每级放大电路之间通过中间级匹配电路、不同级电源滤波电路连接，输入端的第一级放大电路通过输入级匹配电路与信号输入端连接，输出端的最后一级放大电路通过输出级匹配电路与信号输出端连接；
不同级电源滤波电路与除最后一级放大电路的供电端连接，不同级电源滤波电路与最后一级放大电路第二端连接。
进一步的，输出级匹配电路包括：第一电感L1和第八电容C8，第八电容C8第一端与最后一级放大电路电源供电相连，第八电容C8第二端与地端口相连，所述第一电感L1第一端与最后一级放大电路第二端相连，第一电感L1第二端与信号输出相连。
进一步的，不同级之间电源滤波电路由第六电感L6、第九电容C9和第十电容C10组成，所述第九电容C9第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第九电容C9第二端与地端口相连，第六电感L6第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第六电感L6第二端与最后一级放大电路的第二端相连，第十电容C10第一端与最后一级放大电路的第二端相连，第十电容C10第二端与地端口相连。
进一步的，输入级匹配电路包括第十一电容C11、第七电感L7，第十一电容第一端、第七电感L7第一端与第一级放大电路第一端连接，第十一电容C11第二端与信号输入端连接，第七电感L7第二端与地端口连接。
进一步的，所述中间级匹配电路包括第十二电容C12，第十二电容C12第一端与多级放大电路的前一级放大电路第二端连接，第十二电容C12第一端与多级放大电路的后一级放大电路第一端连接，每级放大电路依次排列。
进一步的，每级放大电路结构一致，每级放大电路分别包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；
所述第一晶体管M1漏极与第二晶体管M2源极相连，第三晶体管M3漏极与第四晶体管M4源极相连；
第一电容C1第一端与输入匹配电路第二端相连，第一电容C1第二端与第五电感L5第一端相连、第五电感L5第二端与偏置电压vbias端相连，第二电容C2第一端与第一晶体管M1栅极相连，第二电容C2第二端与第一电阻R1第一端相连，第一电阻R2第二端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4第一端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4的第二端与第三晶体管M3的栅极连接，第三电阻R3第一端与第三晶体管M3栅极连接，第三电阻R3的第二端与偏置电压vbias端相连，第三电容C3第一端与第二晶体管M2漏极、第二电感L2第一端相连，第三电容C3第二端与地端口相连，第二电感L2第二端与第四晶体管M4漏极相连，第五电容C5第一端与第二电感L2第二端相连，第五电容C5第二端与地端口相连，第六电容C6第一端与第四晶体管M4漏极连接，第六电容C6第二端与第二电阻R2第一端相连，第二电阻R2第二端与地端口相连，第七电容C7第一端口与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第一端与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的第二端，第四电感L4第一端与第三电感L3第二端相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的供电端。
相对于现有技术，本发明所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器具有以下优势：(1)本发明所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，通过合理设计输出匹配，将两端口复用，在实现输出射频信号的同时提供了直流供电，保证低噪声放大器的正常功能。
(2)本发明所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，将供电端口与射频输出端口合并，在实现输出匹配的同时实现了直流供电，降低了成本以及后续键合封装的成本。
(3)本发明所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，在最后一级放大器与前级放大器供电连接中加入滤波网络，使得两级放大器之间不会形成反馈，以保证了放大器的正常工作，避免了信号被不断放大而震荡的问题，以及通过合理设计输出匹配，将放大器输出阻抗共轭匹配到50Ω，从而使得输出交流信号可以正常输出；又因为输出匹配网络的串联支路没有隔直电容，使得直流电压可以正常供电。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器电路图；
图2为本发明实施例所述的两级低噪声放大器的电路原理图；
图3为本发明实施例所述的仿真示意图一；
图4为本发明实施例所述的仿真示意图二。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种可降低成本的多级低噪声放大器，包括每级放大电路、输入级匹配电路、中间级匹配电路、输出级匹配电路，不同级之间电源滤波电路，所述输入级匹配电路的第一端与信号输入端相连，第二端与第一级放大电路的第一端相连；所述每级放大电路的第一端与上一级的级间匹配电路第二端相连，第二端与下一级的级间匹配电路的第一端相连；所述输出级匹配电路的第一端与最后一级放大电路第二端相连，第二端与电路输出相连，同时又为最后一级放大电路供电；所述不同级电源之间滤波电路的第一端与每级的放大电路供电端相连，第二端与最后一级放大电路的第二端相连。
所述输出级匹配电路由第一电感L1和第八电容C8组成，所述第八电容C8第一端与最后一级放大电路电源供电相连，第八电容C8第二端与地端口相连，所述第一电感L1第一端与最后一级放大电路第二端相连，第一电感L1第二端与信号输出端相连；通过这种匹配方式在实现输出匹配的同时实现了直流供电，减少了引脚个数，降低成本。
不同级之间电源滤波电路由第六电感L6、第九电容C9和第十电容C10组成，所述第九电容C9第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第九电容C9第二端与地端口相连，第六电感L6第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第六电感L6第二端与最后一级放大电路的第二端相连，第十电容C10第一端与最后一级放大电路第二端相连，第十电容C10第二端与地端口相连。避免了在为除最后一级放大电路供电时振荡的风险。
如图2所示，此时低噪声放大器的级数为两级。一般的两级放大器需要五个引脚：供电、两级放大器的两个供地引脚、射频输入以及输出引脚。通过将供电和射频输出段端口合并，使得芯片可以采用2×2封装形式，减小了芯片成本以及封装成本。
整个两级低噪声放大器包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。
所述第一晶体管M1漏极与第二晶体管M2源极相连，形成共源共栅结构作为第一级放大器；第三晶体管M3漏极与第四晶体管M4源极相连，形成共源共栅结构作为第二级放大器。
第一电容C1第一端与输入匹配电路第二端相连，第一电容C1第二端与第五电感L5第一端相连、第五电感L5第二端与偏置电压vbias端相连，第二电容C2第一端与第一晶体管M1栅极相连，第二电容C2第二端与第一电阻R1第一端相连，第一电阻R2第二端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4第一端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4的第二端与第三晶体管M3的栅极连接，第三电阻R3第一端与第三晶体管M3栅极连接，第三电阻R3的第二端与偏置电压vbias端相连，第三电容C3第一端与第二晶体管M2漏极、第二电感L2第一端相连，第三电容C3第二端与地端口相连，第二电感L2第二端与第四晶体管M4漏极相连，第五电容C5第一端与第二电感L2第二端相连，第五电容C5第二端与地端口相连，第六电容C6第一端与第四晶体管M4漏极连接，第六电容C6第二端与第二电阻R2第一端相连，第二电阻R2第二端与地端口相连，第七电容C7第一端口与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第一端与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的第二端，第四电感L4第一端与第三电感L3第二端相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的供电端，第二晶体管M2的栅极端与第四晶体管M4的栅极端均与偏置电压vbias端相连。
所述第一电容C1与第五电感L5相连，作为第一级放大器的输入匹配；第四电容C4与第二电感L2相连作为第一级放大器与第二级放大器的级间匹配；同时第一电阻R1与第二电容C2相连作为第一级放大器的反馈，拓宽了第一级放大器的输入带宽和级间带宽。
所述第七电容C7与第三电感L3相连，作为第二级放大器的输出匹配；第六电容C6与第二电阻R2拓宽了输出匹配带宽。
所述第三电容C2、第五电容C5和第二电感L2相连，作为滤波网络，既为第一级提供了稳定的交流“地”，也滤除了第二级输出反馈至第一级的交流信号，保证了两级低噪声放大的正常工作。
如图3、图4所示，为实施例中两级低噪声放大器的仿真结果，图3为小信号状态下S参数仿真，其输入回波(S11)、输出回波损耗(S22)小于-10dB，增益(S21)大于33.5dB；图4为噪声系数仿真，其噪声系数(NF)在工作频带内小于1.25dB。结合仿真结果可以看出，该实施例在复用输出与电源引脚，减少成本的条件下，依然较好的实现了低噪声放大器的功能。
具体实施例如下：
在本申请实施例中，电路结构如图2所示，首先根据工艺特性选择放大管M1、2、3、4合适的尺寸以及直流偏置；然后进行输入噪声匹配(本实施例中采用L型匹配网络C1、L5)，其次进行级间匹配(本实施例中采用L型匹配网络C4、L2)；最后进行输出匹配，注意在进行输出匹配时，应当通过合理设计使输出阻抗共轭匹配到50欧姆(保证输出交流信号正常输出)，同时确保输出匹配网络的串联支路没有隔直电容，使得直流电压可以供电。除此之外，在两级供电端相连时，加入滤波网络避免输出信号反馈回输入导致振荡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可降低成本的多级低噪声放大器，其特征在于包括：多级放大电路，每级放大电路之间通过中间级匹配电路、不同级电源滤波电路连接，输入端的第一级放大电路通过输入级匹配电路与信号输入端连接，输出端的最后一级放大电路通过输出级匹配电路与信号输出端连接；
不同级电源滤波电路与除最后一级放大电路的供电端连接，不同级电源滤波电路与最后一级放大电路第二端连接；
第一电感L1和第八电容C8，第八电容C8第一端与最后一级放大电路电源供电相连，第八电容C8第二端与地端口相连，所述第一电感L1第一端与最后一级放大电路第二端相连，第一电感L1第二端与信号输出相连；
不同级之间电源滤波电路包括第六电感L6、第九电容C9和第十电容C10，所述第九电容C9第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第九电容C9第二端与地端口相连，第六电感L6第一端与每级的放大电路供电端相连，第六电感L6第一端与除最后一级的放大电路供电端相连，第十电容C10第一端与最后一级放大电路的第二端相连，第十电容C10第二端与地端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，其特征在于：输入级匹配电路包括第十一电容C11、第七电感L7，第十一电容第一端、第七电感L7第一端与第一级放大电路第一端连接，第十一电容C11第二端与信号输入端连接，第七电感L7第二端与地端口连接。
3.根据权利要求1所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，其特征在于：所述中间级匹配电路包括第十二电容C12，第十二电容C12第一端与多级放大电路的前一级放大电路第二端连接，第十二电容C12第一端与多级放大电路的后一级放大电路第一端连接，每级放大电路依次排列。
4.根据权利要求1所述的一种可降低成本的多级低噪声放大器，其特征在于：每级放大电路结构一致，每级放大电路分别包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；
所述第一晶体管M1漏极与第二晶体管M2源极相连，第三晶体管M3漏极与第四晶体管M4源极相连；
第一电容C1第一端与输入匹配电路第二端相连，第一电容C1第二端与第五电感L5第一端连接，第五电感L5第二端与偏置电压vbias端相连，第二电容C2第一端与第一晶体管M1栅极相连，第二电容C2第二端与第一电阻R1第一端相连，第一电阻R2第二端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4第一端与第二晶体管M2漏极相连，第四电容C4的第二端与第三晶体管M3的栅极连接，第三电阻R3第一端与第三晶体管M3栅极连接，第三电阻R3的第二端与偏置电压vbias端相连，第三电容C3第一端与第二晶体管M2漏极、第二电感L2第一端相连，第三电容C3第二端与地端口相连，第二电感L2第二端与第四晶体管M4漏极相连，第五电容C5第一端与第二电感L2第二端相连，第五电容C5第二端与地端口相连，第六电容C6第一端与第四晶体管M4漏极连接，第六电容C6第二端与第二电阻R2第一端相连，第二电阻R2第二端与地端口相连，第七电容C7第一端口与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第一端与第四晶体管M4漏极相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的第二端，第四电感L4第一端与第三电感L3第二端相连，第三电感L3第二端为本级放大电路的供电端。
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