CN113676145A - 一种频段可重构的宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频段可重构的宽带低噪声放大器，属于射频集成电路技术领域。该放大器通过耦合线结构将宽带信号分成两个频段信号，使得电路可以针对每段信号的噪声、增益等性能进行优化设计，并通过单刀双掷开关切换实现了频率的可重构，具有低噪声、高增益、宽频带可重构的优点。同时本发明提升了电路设计的灵活性，同时更加有利于通信系统的小型化和集成化，且易于实现，具有很好的实用价值。

Description

一种频段可重构的宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种频段可重构的宽带低噪声放大器。

背景技术

当今，无线通信技术迅猛发展，手机、无线局域网、物联网、数字高清电视等产业对人们的日常生活方式带来巨大的变革的同时，也对射频芯片设计技术提出了更高的要求。许多应用设备的功能集成度越来越高，某一系统往往集成了多个功能子系统。以民用方面的手机为例，它同时集成了GSM、W-CDMA、5G、WIFI、蓝牙和导航等功能。传统的多功能集成设备接收机前端的每个子功能系统作为一个单独的链路工作，对低噪声放大器、功率放大器等通用模块进行了大量重复使用(不同的应用对应不同频段的子功能系统)，在造成设备的体积和成本大幅提高的同时，可靠性和机动性明显降低。

为解决多功能集成设备接收机中需要多个低噪声放大器的问题，研究人员转向能够涵盖更多网络制式的超宽带低噪声放大器。理想的低噪声放大器是在希望的频带内具有低噪声、高增益和良好的输入输出匹配，但实现低噪声的最佳噪声匹配和实现高增益的共扼匹配不能同时满足，且只能在相对窄的带宽上进行匹配，因此，对于超宽带低噪声放大器的设计，往往需要一些特殊的结构。

目前，已经被提出的超宽带低噪声放大器的结构有平衡式放大器、分布式放大器以及并联-串联反馈式放大器。平衡式放大器虽然可以工作在最佳噪声或者最大增益状态，但是由于需要两个混合网络和两个分开的放大器，存在着电路尺寸大、功耗高的问题；分布式放大器的带宽很宽，理论上可以实现到晶体管的截止频率，但由于使用了多个螺旋电感或传输线，使得其芯片面积大、功耗高；并联-串联反馈结构可以在整个宽带上提供良好的宽带匹配和增益，但是难以满足噪声和增益之间的平衡。

因此，有必要设计一款具备带宽调节功能，且具有低噪声、高增益、宽频段综合优异性能的频段可重构低噪声放大器。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种频段可重构的宽带低噪声放大器。该放大器通过端接电感和端接电容的耦合线结构的耦合端和直通端将宽带信号分成两个频段信号，经单刀双掷开关进行频带选择，实现频段的可重构，实现频段内噪声系数、增益等性能都处于最优状态。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种频段可重构的宽带低噪声放大器，包括宽带低噪声放大级、耦合线、直通端端接电感、直通端端接电容、隔离端端接电容、高频段放大级和单刀双掷开关；

所述宽带低噪声放大级的输出端与耦合线的输入端相连，耦合线的直通端与单刀双掷开关的第一转动端、直通端端接电感的一端、直通端端接电容的一端相连，耦合线的耦合端与高频段放大级的输入端相连，高频段放大级的输出端与单刀双掷开关的第二转动端相连，耦合线的隔离端与隔离端端接电容的一端相连，直通端端接电感、直通端端接电容和隔离端端接电容的另一端均接地，宽带低噪声放大级的输入端作为所述频段可重构宽带低噪声放大器的输入端，单刀双掷开关的固定端作为所述频段可重构宽带低噪声放大器的输出端；

所述宽带低噪声放大级用于将输入的宽带信号进行放大处理，并输入至耦合线的输入端，所述耦合线的耦合端和直通端将放大输入的宽带信号分为高频段信号和低频段信号，

所述高频段信号经高频段放大级放大后与低频段信号通过单刀双掷开关进行选择输出。

进一步的，所述宽带低噪声放大级主要用于输入宽频带信号的低噪声放大，其特点具有非常低的噪声，其增益波动可以通过后级放大器补偿的方式来减小增益波动。

进一步的，所述宽带低噪声放大级由两个基于电阻负反馈和感性负反馈的电感峰化共源共栅结构子放大级组成，其中，单个电感峰化共源共栅结构子放大级包括共栅极晶体管、共源极晶体管、电感、电容和电阻；共栅极晶体管的栅极连接有栅极电感，共栅极晶体管的源极和共源极晶体管的漏极之间连接有中间电感，共栅极晶体管的漏极和电源之间连接有负载电感，共栅极晶体管的漏极和共源极晶体管的栅极均由电阻、电容串联构成的负反馈网络连接。

进一步的，所述耦合线和直通端端接电感、直通端端接电容三者形成频带耦合，通过调节耦合线的长度、宽度、线间距和端接电感、端接电容的值确定通过直通端口和耦合端口信号的频率，实现频段重构。

进一步的，所述高频段放大级主要用来提高高频段信号的增益，同时补偿宽带信号经耦合线耦合造成的增益衰减，减小带内增益波动。

进一步的，所述高频段放大级包括两个子放大级结构，第一子放大级与宽带低噪声放大级的子放大级相同，为基于电阻负反馈和感性负反馈的电感峰化共源共栅结构，第二子放大级为共源极放大结构，共源极晶体管的漏极和电源之间连接有负载电感，漏极和栅极连接有电阻、电容串联组成的负反馈网络，源极连接到地。

进一步的，若信号经宽带低噪声放大级放大后再通过耦合线直通端得到的低频段信号增益相比于高频段信号增益较小，则可在单刀双掷开关第一转动端和耦合线直通端之间设置低频段放大级，以减小带内增益波动。

进一步地，所述低频段放大级可采用与高频段放大级相同的电路结构。

进一步的，所述单刀双掷开关优选由4个开关晶体管和一个匹配电感连接形成，但不限于该种结构。

本发明的机理为：利用包含端接电感和端接电容的耦合线结构将经宽带低噪声放大级放大后的宽带信号通过耦合线结构的耦合端和直通端分成两个频段信号，这两个频段信号经过后面增益级放大后，分别连接到单刀双掷开关进行输出，通过开关实现高频段和低频段信号输出的切换，由此实现了低噪放频带可重构。另外，本发明利用单刀双掷开关的高隔离度特点，避免两个频段信号直接的干扰，提高放大器的稳定性，使得重构的频段内噪声系数、增益、稳定性等性能都处于最优状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所提出的频段可重构宽带低噪声放大器，通过耦合线结构将宽带信号分成两个频段信号，使得电路可以针对每段信号的噪声、增益等性能进行优化设计，如提高增益，减小增益波动等，并通过单刀双掷开关切换实现了频率的可重构，具有低噪声、高增益、宽频带可重构的优点。同时本发明提升了电路设计的灵活性，同时更加有利于通信系统的小型化和集成化，且易于实现，具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1频段可重构的宽带低噪声放大器架构示意图。

图2为本发明实施例1频段可重构的宽带低噪声放大器的电路实现结构图。

图3为本发明实施例2频段可重构的宽带低噪声放大器架构示意图。

图4为本发明实施例1频段可重构的宽带低噪声放大器的噪声性能图。

图5为本发明实施例1频段可重构的宽带低噪声放大器的增益性能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种频段可重构的宽带低噪声放大器，其架构图如图1所示，包括宽带低噪声放大级、耦合线、直通端端接电感、直通端端接电容、隔离端端接电容、高频段放大级和单刀双掷开关；所述宽带低噪声放大级的输出端与耦合线的输入端1相连，耦合线的直通端2与单刀双掷开关的第一转动端、直通端端接电感Lc的一端、直通端端接电容Cc1的一端相连，耦合线的耦合端4与高频段放大器的输入端相连，高频段放大器的输出端与单刀双掷开关的第二转动端相连，耦合线的隔离端3与隔离端端接电容Cc2的一端相连，耦合线端接电感、耦合线端接电容和隔离端端接电容的另一端均接地，宽带低噪声放大级的输入端作为宽带低噪声放大器的输入端，单刀双掷开关的固定端作为宽带低噪声放大器的输出端。

宽带低噪声放大级为第一级放大器，负责对输入的宽频带信号进行低噪声放大，其特点具有非常低的噪声，并具有一定的增益，其增益波动可以通过后级放大器补偿的方式来减小增益波动。耦合线的直通端口2，连接着端接电感Lc和端接电容Cc1，主要走低频段信号；耦合端4主要走耦合过来的高频段信号；高频端放大级为高频端第二放大级，主要放大耦合过来的高频信号，将高频段的增益放大到和低频段的增益大致相同，因为经宽带低噪声放大后的信号在低频段增益比较高，而高频段增益比较低，所以设置高频段放大级来将高频带信号放大到和低频段的增益差不多，以减小整个宽带内的增益波动；单刀双掷开关连接高频段信号和低频段信号以及信号输出端口。

本实施例的电路结构图如图2所示，一种频段可重构的宽带低噪声放大器，包括宽带低噪声放大级、耦合线、耦合线端接电感、耦合线端接电容、高频段放大器和单刀双掷开关；

所述宽带低噪声放大级包括两个结构相同的子放大级，每个子放大级都采用基于电阻负反馈和感性负反馈的电感峰化共源共栅结构；第一个子放大级包括晶体管M1、M2，栅极电感Lg1、源极退化电感Ls1，源漏中间电感L1，漏极电感Ld1，反馈电阻Rf1、栅极电阻Rg1、Rg2以及隔直电容Cf1、C1；第二个子放大级由晶体管M3、M4，栅极电感Lg2、源极退化电感Ls2、源漏中间电感L2、漏极电感Ld2，反馈电阻Rf2、栅极电阻Rg3、Rg4以及隔直电容Cf2、C2组成，其整体结构与第一子级相同。

第一个子放大级中的第一晶体管M1的栅极连接电感Lg1的一端、电容Cf1的一端和电阻Rg1的一端，漏极连接电感L1的一端，源极连接电感Ls1的一端，第二晶体管M2的源极连接电感L1的另一端，栅极连接电阻Rg2的一端，漏极连接电感Ld1的一端、电阻Rf1的一端和电容C1的一端；电感Lg1的另一端作为宽带输入信号的输入端，电阻Rg1的另一端接第一偏置电压Vbias1，电阻Rg2的另一端接第二偏置电压Vbias2；电感Ld1的另一端与供电电源Vdd1相连，电感Ls1的另一端接地，电容C1的另一端与第二子放大级中的电感Lg2的一端相连；

第二个子放大级中的第三晶体管M3的栅极连接电感Lg2的另一端、电容Cf2的一端和电阻Rg3的一端，漏极连接电感L2的一端，源极连接电感Ls2的一端，第四晶体管M4的源极连接电感L2的另一端，栅极连接电阻Rg4的一端，漏极连接电感Ld2的一端、电阻Rf2的一端和电容C2的一端；电阻Rg3的另一端接第一偏置电压Vbias1，电阻Rg4的另一端接第二偏置电压Vbias2；电感Ld2的另一端与供电电源Vdd1相连，电感Ls2的另一端接地，电容C1的另一端与耦合线的输入端1相连。

第一个子放大级中的晶体管M1、M2与电感L1、Ld1组成电感峰化共源共栅结构，以保证宽带低噪声放大级具有一定的增益；电阻Rf1与电容Cf1组成的负反馈网络与栅极电感Lg1和源极退化电感Ls1共同构成输入匹配网络，完成射频低噪声输入匹配；栅极电阻Rg1和Rg2为千欧姆量级的大电阻，防止信号泄漏到偏置电源端，电容C1为主要作用是隔直和级间匹配。第二个子放大级的元件之间的连接和作用与第一子放大级相同。

耦合线端口包括1、2、3、4共四个端口。端口1为宽带信号输入端，连接着宽带低噪声放大级的输出端(电容C2的另一端)；端口2为直通端口，与端接电感Lc的一端、端接电容Cc1的一端和单刀双掷开关的第一转动端(晶体管M11的漏端)，主要传输低频段信号；端口3与端接电容Cc2的一端相连，为隔离端口；端口4为耦合端，主要传输耦合过来的高频段信号，连接着高频段放大级的输入端(电感Lg3的一端)。

耦合线的线宽决定了耦合线与地的寄生电容Cp1大小，线宽与Cp1成正比；耦合线的线间距决定了耦合线之间的寄生电容Cp2，线间距与Cp2成反比。耦合线的耦合因子K与Cp1和Cp2的关系如下：

信号从耦合线输入端进入，大部分高频信号会耦合至耦合端，剩余信号会从直通端流出，极少部分从耦合端流出。信号从输入端至耦合端的电压传输方程为：

其中，θ是耦合线的电长度，是传输线的机械长度(或几何长度)与线上传输电磁波的波长比值，C为耦合传输系数，j为虚数单位，Vin为输入到输入端的电压信号，Vcoupled为从耦合端流出的电压信号。信号从输入端至直通端的电压传输方程为：

其中，T为直通传输系数，Vthrough为从直通端输出的电压信号。通过调整耦合线的线宽、长度、线间距，来调整信号从输入端到耦合端及直通端的电压传输方程，从而改变从耦合端和直通端流出信号的频率范围。

由于电容的电抗和频率成反比，因此高频时，Cc1和Cc2的电抗是非常小的。耦合线的直通端和隔离端分别加上旁路电容Cc1和Cc2后，高频时，耦合线的直通端和隔离端相当于短接到地。此时，耦合线信号输入端的信号，其部分高频信号会耦合到耦合端口，剩余部分高频信号会和低频信号流入至直通端。由于对高频信号而言，直通端短接到地，因此会被反射，反射后的高频信号则会耦合至隔离端，由于隔离端同样短接电容，高频信号会再一次被反射，最终从耦合段流出。从以上过程可以看出，通过在耦合线的直通端和隔离端加上旁路电容来反射高频信号，可以将输入信号分成高频和低频信号。增大Cc1和Cc2的容值，高频和低频信号的分界点会向低频移动。

综上，调节耦合线的线宽、长度、线间距、电容Cc1和Cc2的值，可以调节经1端口进入的信号从2端口和4端口直通和耦合出的信号的频率范围，实现频段重构。

高频段放大级为高频段信号提供一定的增益，使信号经高频段放大级后高频段的增益与低频段增益保持一致，平衡与低频段信号之间的增益波动，由两个子放大级组成。第一子放大级由晶体管M5、M6，电感Lg3、Ls3、L3、Ld3，电阻Rf3、Rg5、Rg6和电容Cf3组成，其整体结构与宽带低噪声放大级的第一个子放大级相同。第二子放大级由晶体管M5、电感Ld4、电容Cf4和电阻Rf4、Rg7组成，电阻Rf4和电容Cf4负反馈网络，结合负载电感Ld4与共源极晶体管M5实现对宽带信号的放大。

第一个子放大级中的第五晶体管M5的栅极连接电感Lg3的一端、电容Cf3的一端和电阻Rg5的一端，漏极连接电感L3的一端，源极连接电感Ls3的一端；第六晶体管M6的源极连接电感L3的另一端，栅极连接电阻Rg5的一端，漏极连接电感Ld3的一端、电阻Rf3的一端和电容C3的一端；电感Lg3的另一端作为高频段信号的输入端，电阻Rg5的另一端接第一偏置电压Vbias1，电阻Rg6的另一端接第二偏置电压Vbias2；电感Ld3的另一端与输入电源Vdd1相连，电感Ls3的另一端接地，电容C3的另一端与第二子放大级中的第七晶体管M7的栅极相连；

第二子放大级中的第七晶体管M7的栅极连接第一子放大级中电容C3的另一端、电阻Rg7的一端和电容Cf4的一端，源极接地，漏极连接电容C4的一端、电阻Rf4的一端和电感Ld4的一端，电阻Rf4的另一端与电容Cf4的另一端相连，电感Ld4的另一端与电源Vdd2相连，电容C4的另一端与单刀双掷开关的第二转动端相连。

耦合线2端口直通过来的低频段信号相比于端口4耦合出的高频段信号增益较高，因此不设置低频段放大级，信号直接与单刀双掷开关的第一转动端相连。

单刀双掷开关其两个转动端分别连接高频段放大级的输出端(电容C4的另一端)和耦合线的直通端2，由四个晶体管M8、M9、M10、M11，匹配电感L4、栅极电阻Rg8、Rg9、Rg10、Rg11组成。第八晶体管M8的栅极连接栅极电阻Rg8的一端，源极连接电容C4的另一端和第十晶体管M10源极，漏极接地；第九晶体管M9的栅极连接栅极电阻Rg9的一端，源极接地，漏极与耦合线的直通端2、第十一晶体管M11的漏极相连；第十晶体管M10的栅极连接栅极电阻Rg10的一端、栅极电阻Rg9的另一端，漏极连接匹配电感L4的一端和第十一晶体管M11的源极；第十一晶体管M11的栅极与栅极电阻Rg8另一端、栅极电阻Rg11的一端相连，栅极电阻Rg11的另一端与电压Vswith2相连，栅极电阻Rg10的另一端与电压Vswith1相连，匹配电感L4的另一端为宽带低噪声放大器的输出端。

匹配电感L4主要起到匹配的作用。当Vswitch1置高电平，Vswitch2置低电平，高频段所在支路导通，反之，低频段所在支路导通。

实施例2

若信号经宽带低噪声放大级放大后再通过耦合线直通端过来的低频段信号增益相比于高频段信号增益较小，则可在单刀双掷开关和耦合线结构之间再加一低频段放大级，以减小增益波动，架构示意图如图3所示。

耦合线的直通端将低频段信号输入至低频段放大级，所述低频段放大级电路结构可以与高频放大级相同，经低频段放大级放大输出后的低频段信号高频段放大级输出的高频段信号通过单刀双掷开关选择进行输出。

图4与图5为本发明实施例1的图2所示电路结构基于GaAs工艺所实现的重构噪声图和重构增益性能图，电路实现的全频段为2-18GHz，带宽为16GHz，重构的频段分别为2-5GHz低频段和5-18GHz高频段。图4中，虚线为低频段的噪声曲线，2-5GHz的噪声为1dB，实线为高频段的噪声曲线，5-18GHz的噪声为1.1-1.2dB，从图中可以看出，重构后在2-18GHz的宽频带范围内的噪声为1-1.2dB，实现了非常优异的噪声性能。图5中，虚线为低频段的增益曲线，2-5GHz的增益为24-25dB，实线为高频段的增益曲线，5-18GHz的增益为24-26dB，可以看出重构后在2-18GHz的宽频带范围内的增益为24-26dB，具有增益高、平坦度好的特性。总体来看，本发明所实现的频段可重构低噪声放大器的具有带宽宽，噪声低、增益高、增益平坦度好、灵活性好的优点，具有很好的实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种频段可重构的宽带低噪声放大器，其特征在于，包括宽带低噪声放大级、耦合线、直通端端接电感、直通端端接电容、隔离端端接电容、高频段放大级和单刀双掷开关；

所述宽带低噪声放大级的输出端与耦合线的输入端相连，耦合线的直通端与单刀双掷开关的第一转动端、直通端端接电感的一端、直通端端接电容的一端相连，耦合线的耦合端与高频段放大级的输入端相连，高频段放大级的输出端与单刀双掷开关的第二转动端相连，耦合线的隔离端与隔离端端接电容的一端相连，直通端端接电感、直通端端接电容和隔离端端接电容的另一端均接地，宽带低噪声放大级的输入端作为所述频段可重构宽带低噪声放大器的输入端，单刀双掷开关的固定端作为频段可重构宽带低噪声放大器的输出端；

所述宽带低噪声放大级用于将输入的宽带信号进行放大处理，并输入至耦合线的输入端，所述耦合线的耦合端和直通端将放大输入的宽带信号分为高频段信号和低频段信号，

所述高频段信号经高频段放大级放大后与低频段信号通过单刀双掷开关进行选择输出。

2.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述宽带低噪声放大级主要用于输入宽频带信号的低噪声放大，其增益波动通过后级放大级补偿的方式来减小。

3.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述宽带低噪声放大级由两个基于电阻负反馈和感性负反馈的电感峰化共源共栅结构子放大级组成，其中，单个电感峰化共源共栅结构子放大级包括共栅极晶体管、共源极晶体管、电感、电容和电阻；共栅极晶体管的栅极连接有栅极电感，共栅极晶体管的源极和共源极晶体管的漏极之间连接有中间电感，共栅极晶体管的漏极和电源之间连接有负载电感，共栅极晶体管的漏极和共源极晶体管的栅极均由电阻、电容串联构成的负反馈网络连接。

4.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述耦合线和直通端端接电感、直通端端接电容三者形成频带耦合，通过调节耦合线的长度、宽度、线间距和端接电感、端接电容的值确定通过直通端口和耦合端口信号的频率，实现频段重构。

5.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述高频段放大级主要用来提高高频段信号的增益，同时补偿宽带信号经耦合线耦合造成的增益衰减，减小带内增益波动。

6.如权利要求5所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述高频段放大级包括两个子放大级结构，第一子放大级与宽带低噪声放大级的子放大级相同，为基于电阻负反馈和感性负反馈的电感峰化共源共栅结构，第二子放大级为共源极放大结构，共源极晶体管的漏极和电源之间连接有负载电感，漏极和栅极连接有电阻、电容串联组成的负反馈网络，源极连接到地。

7.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，若信号经宽带低噪声放大级放大后再通过耦合线直通端得到的低频段信号增益相比于高频段信号增益较小，则在单刀双掷开关第一转动端和耦合线直通端之间设置低频段放大级，以减小带内增益波动。

8.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述低频段放大级采用与高频段放大级相同的电路结构。

9.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述单刀双掷开关包括4个开关晶体管和一个匹配电感。

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