CN113630090A - 基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器 - Google Patents

基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，设有输入匹配单元、放大单元、反馈单元以及负载单元。射频输入单端信号连接输入匹配单元，输入匹配单元的输出连接放大单元，放大单元连接到反馈单元输入，反馈单元连接到输入匹配单元的输入，放大单元同时连接到输出负载单元，输出负载单元输出射频双端射频信号。本发明能在保证宽带特性的基础上，降低放大器的噪声，提高放大器的增益和线性度，并且实现单端信号输入，双端信号输出的有益效果。

Description

基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，尤其涉及一种基于无源Balun宽带匹配的高线性度低噪声放大器。
背景技术
在通信系统中，经常需要利用被称为低噪声放大器的电路作为接收链路第一级将某一频段的信号进行初步放大，在保证具有足够增益的条件下引入较低的噪声。低噪声放大器在无线接收机中是极为关键的模块，在设计时面临各种各样的设计指标要求，例如：低噪声、低功耗、高增益、高线性度和大带宽。由于有些设计指标之间本身存在矛盾，因此在设计时往往很难全部兼顾，需要进行折中或者采用一些技术手段。
传统宽带低噪声放大器往往采用共栅放大器或者电阻反馈共源放大器，其中共栅放大器为了满足宽带输入匹配，晶体管的跨导受到限制，导致放大器噪声性能和增益性能较差。传统电阻反馈共源放大器电路如图1所示，射频信号由晶体管M1的栅极输入，晶体管M1的漏极接晶体管M2的源极，晶体管M2的漏极作为信号的输出端，同时也通过电阻R1和电容C1反馈回晶体管M1的栅极。通过调整晶体管M1的跨导和反馈电阻R1可以实现宽带50Ω输入匹配，通过调整负载电阻R2可以得到不同的增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽，同时具有一定增益，但是，传统电阻反馈共源放大器具有以下缺点：
第一是增益低，为了满足宽带输入匹配，传统电阻反馈共源放大器需要比较小的反馈电阻值，这会导致负反馈较强，并且晶体管M1的跨导受到限制，增益较低。
第二是噪声性能差，反馈电阻导致共源晶体管的增益降低，共栅晶体管和负载电阻引入的噪声会增大，并且反馈电阻本身也会引入较大的噪声，所以，传统电阻反馈共源放大器的噪声性能比较差。
第三是线性度差，传统电阻反馈共源放大器为了保证较大的增益带宽，采用电阻作为负载，电阻消耗一部分电源电压，导致放大器线性度比较差。
第四是传统电阻反馈共源放大器是单端信号输入，单端信号输出，目前的混频器多以差分信号输入结构为主，传统电阻反馈共源放大器与差分信号输入的混频器并不兼容。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器,以解决能在保证宽带特性的基础上，降低放大器的噪声，提高放大器的增益和线性度，并且实现单端信号输入，双端信号输出的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，包括输入匹配单元、放大单元、反馈单元以及负载单元；
射频输入单端信号连接输入匹配单元，输入匹配单元的输出连接放大单元，放大单元连接到反馈单元输入，反馈单元连接到输入匹配单元的输入，放大单元同时连接到输出负载单元，输出负载单元输出射频双端射频信号。
进一步的，所述输入匹配单元包括电感L1和电感L2；
所述放大单元包括晶体管M1和晶体管M2；
所述反馈单元包括电阻R1和电容C1；
所述负载单元包括电容C2、C3，电阻R2、变压器T1；
所述变压器T1包括电感L3、L4；
射频输入信号分别连接输入匹配单元的电感L1和反馈单元中的电容C1，电感L1连接放大单元中的晶体管M1的栅极，晶体管M1的源极连接电感L2，电感L2接地，晶体管M1的漏极接晶体管M2的源极，晶体管M1的栅极连接偏置电压VG，晶体管M2的栅极连接电源电压，由电源电压提供晶体管M2的偏置电压，晶体管M2的漏极分别连接反馈单元中的电阻R1、负载单元中的电容C2和变压器T1中的电感L3，反馈单元中的电阻R1连接电容C1，负载单元中的电容C2和变压器T1中的电感L3连接电源电压，变压器T1中的电感L4和电容C3以及电阻R2并联，同时接到输出射频信号。
进一步的，所述电感L1设有放射状屏蔽层以增大Q值，降低输入信号在电感L1上的损耗。
进一步的，所述晶体管M1采用四个相同晶体管并联以降低晶体管栅极电阻。
本发明的一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器具有以下优点：
(1)本发明引入无源Balun将单端信号转为差分信号，利用无源Balun的两个电感和负载单元中的电容谐振形成两个负载峰值，大大提高了增益带宽和输入匹配带宽；
(2)本发明引入无源Balun参与宽带匹配，反馈单元中的电阻值可以取1～2kΩ，本发明相较于传统的带反馈电阻的共源放大器，反馈电阻值更大，负反馈强度更低，具有更高的增益；
(3)本发明引入输入匹配单元中的两个电感参与匹配，放大单元中共源晶体管的跨导可以随意调节，以获得最优的噪声性能，较大的反馈电阻引入的噪声更低，本发明相对于传统的带电阻反馈的放大器，噪声系数大幅降低；
(4)本发明仅有两个有源器件，引入非线性因素少，采用电阻反馈结构提高非线性性能，相较于传统的带电阻反馈的低噪声放大器，采用Balun作为负载，拥有更高的线性度；
(5)本发明提出的基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，可以大幅提高匹配和增益带宽，降低噪声系数，提高电压增益和线性度，通过配置电感、电容和变压器的参数，可灵活运用于低、中、高各频段，设计简单且具有良好的噪声和匹配性能。
附图说明
图1是传统电阻反馈共源放大器的电路原理图；
图2是本发明低噪声放大器的电路框图；
图3是本发明低噪声放大器的电路原理图；
图4是本发明低噪声放大器的输入回波损耗曲线；
图5是本发明低噪声放大器的电压增益曲线；
图6是本发明低噪声放大器的噪声系数曲线。
图中标记说明：1、输入匹配单元；2、放大单元；3、反馈单元；4、负载单元。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器做进一步详细的描述。
如图2所示，本发明设有输入匹配单元1、放大单元2、反馈单元3以及负载单元4。射频输入单端信号连接输入匹配单元1，输入匹配单元1的输出连接放大单元，放大单元2连接到反馈单元3输入，反馈单元3连接到输入匹配单元1的输入，放大单元2同时连接到输出负载单元4，输出负载单元4输出射频双端射频信号。
如图3所示，射频输入信号通过输入匹配单元1，经放大单元2进行放大，放大后的信号一部分通过反馈单元3到输入信号，另一部分通过负载单元4最终输出射频输出信号。其中：匹配单元1设有电感L1、L2；放大单元2设有NMOS管M1、M2；反馈单元3设有电阻R1和电容C1；负载单元4设有电容C2、C3，电阻R2以及变压器T1，变压器T1包括电感L3、L4。电路的连接关系如下：
射频输入信号分别连接输入匹配单元1的电感L1和反馈单元3中的电容C1，电感L1连接放大单元2中的晶体管M1的栅极，晶体管M1的源极连接电感L2，电感L2接地，晶体管M1的漏极接晶体管M2的源极，晶体管M1的栅极连接偏置电压VG，晶体管M2的栅极连接电源电压，由电源电压提供晶体管M2的偏置电压，晶体管M2的漏极分别连接反馈单元3中的电阻R1、负载单元4中的电容C2和变压器T1中的电感L3，反馈单元3中的电阻R1连接电容C1，负载单元中的电容C2和变压器T1中的电感L3连接电源电压，变压器T1中的电感L4和电容C3以及电阻R2并联，同时接到输出射频信号。本发明引入输入匹配单元的电感L1和电感L2，配合晶体管M1实现输入50Ω匹配，调整电感L1和L2的参数可以在不同晶体管M1的跨导下实现输入匹配，参看图4可见，本发明的输入回波损耗(S11)在2.3～6.3GHz带宽内都小于-10dB。
通过调控晶体管M1的跨导，使本发明的低噪声放大器获得最优的噪声系数性能，电感L1设有放射状屏蔽层以增大Q值，降低输入信号在电感L1上的损耗，降低噪声系数，晶体管M1采用四个相同晶体管并联以降低晶体管栅极电阻，降低输入信号损耗，提高噪声性能，参看图6可见，图6是本发明低噪声放大器的噪声系数(NF)曲线，本发明的噪声系数在6GHz以内小于1.48dB。
负载单元4中，本发明引入片上无源Balun作为负载，将输入单端信号在片上转为双端，并且用变压器的一个电感连接在电源电压和晶体管M2的漏极之间，相比较于传统电阻反馈共源放大器的电阻作负载，不会消耗过多电源电压，使得电路线性度不会受到负载的限制，相同电源电压下，线性度性能远超传统的共栅放大器以及电阻反馈共源放大器。
负载单元4中电容C2与变压器T1中的电感L3并联谐振，形成一个负载峰值，电容C3与变压器T1中的电感L4并联谐振，形成另一个负载峰值，合理调整电容C2、C3以及电感L3、L4的参数，将两个并联谐振峰值分别置于高低频段，可以扩展增益带宽，并且在带内实现更加平坦的增益性能，参看图5，图5是本发明低噪声放大器的电压增益(Voltage Gain)曲线，本发明电压增益在24dB左右,增益带宽为2～6.4GHz。本发明中无源Balun可以根据所需的带宽及增益要求灵活调整，可以采用垂直耦合或者侧边耦合的Balun结构，只需变压器耦合系数以及电感值满足带宽及增益要求即可。电阻R2可以减小变压器电感Q值，以免谐振峰值过高导致带内增益不平坦。
本发明设计的低噪声放大器在1V电源电压下工作，该低噪声放大器增益3dB带宽为2～6.4GHz，电压增益约为24dB，带内噪声系数约为1.31～1.57dB。其带宽、增益及噪声性能远远优于传统的共栅结构低噪声放大器及电阻反馈共源低噪声放大器。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，其特征在于，包括输入匹配单元(1)、放大单元(2)、反馈单元(3)以及负载单元(4)；
射频输入单端信号连接输入匹配单元(1)，输入匹配单元(1)的输出连接放大单元(2)，放大单元(2)连接到反馈单元(3)输入，反馈单元(3)连接到输入匹配单元(1)的输入，放大单元(2)同时连接到输出负载单元(4)，输出负载单元(4)输出射频双端射频信号。
2.根据权利要求1所述的基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配单元(1)包括电感L1和电感L2；
所述放大单元(2)包括晶体管M1和晶体管M2；
所述反馈单元(3)包括电阻R1和电容C1；
所述负载单元包括电容C2、C3，电阻R2、变压器T1；
所述变压器T1包括电感L3、L4；
射频输入信号分别连接输入匹配单元(1)的电感L1和反馈单元(3)中的电容C1，电感L1连接放大单元(2)中的晶体管M1的栅极，晶体管M1的源极连接电感L2，电感L2接地，晶体管M1的漏极接晶体管M2的源极，晶体管M1的栅极连接偏置电压VG，晶体管M2的栅极连接电源电压，由电源电压提供晶体管M2的偏置电压，晶体管M2的漏极分别连接反馈单元(3)中的电阻R1、负载单元(4)中的电容C2和变压器T1中的电感L3，反馈单元(3)中的电阻R1连接电容C1，负载单元中的电容C2和变压器T1中的电感L3连接电源电压，变压器T1中的电感L4和电容C3以及电阻R2并联，同时接到输出射频信号。
3.根据权利要求2所述的基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，其特征在于，所述电感L1设有放射状屏蔽层以增大Q值，降低输入信号在电感L1上的损耗。
4.根据权利要求2所述的基于无源Balun的宽带高增益高线性度低噪声放大器，其特征在于，所述晶体管M1采用四个相同晶体管并联以降低晶体管栅极电阻。
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