CN113904629A - 一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，放大器包括输入匹配网络、第一级放大电路单元、级间匹配网络、第二级放大电路单元和输出匹配网络五个模块，并且五个模块按照先后顺序依次连接，信号从输入匹配网络的输入端进入，从输出匹配网络的输出端输出。本发明的有益效果为：(1)级间匹配和输出匹配采用变压器匹配，可实现较宽频率范围内的平坦增益响应和较小的芯片面积；(2)第二级放大电路单元采用全差分结构，抵消了放大器输出信号中的偶次谐波，同时提高了放大器的IIP2指标和IP1dB指标；(3)第二级放大电路单元采用了三阶跨导抵消技术，提高了IIP3指标。
Description
技术领域
本发明属于射频、微波与毫米波集成电路技术领域，具体涉及一种高线性度毫米波低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器作为通信接收机系统中的第一个有源电路模块，其噪声系数特性决定了接收机的噪声性能，其线性度特性决定了接收机的灵敏度和动态范围。5G毫米波通信系统需要实现数千兆比特速率，因而对毫米波低噪声放大器的线性度和带宽等提出了更高的要求。
低噪声放大器的线性度特性主要由指标输入1dB压缩点IP1dB、输入二阶交调点IIP2和输入三阶交调点IIP3来衡量。传统的线性化技术，主要针对窄带频率范围内的某个线性度指标进行优化，没有同时综合考虑三个线性度指标。因此，传统的低噪声放大器线性化技术已经不能满足目前5G毫米波通信系统的高线性度和宽带需求。
发明内容
为了解决上述问题，本申请的目的在于提供一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，所述放大器包括输入匹配网络、第一级放大电路单元A1、级间匹配网络、第二级放大电路单元A2和输出匹配网络五个模块，并且五个模块按照先后顺序依次连接，信号从输入匹配网络的输入端进入，依次经过第一级放大电路单元A1、级间匹配网络、第二级放大电路单元A2后，从输出匹配网络的输出端输出。
其中，所述输入匹配网络包括第一电容C1、第一电感L1和第二电感L2，所述第一级放大电路单元A1包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2组成的共发射极共集电极结构，所述第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的发射极连接；所述第一晶体管Q1的基极与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端接第一偏置电压Vb1；所述第一晶体管Q1的发射极与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端接地；所述第二晶体管Q2的集电极与级间匹配电路的输入端连接。
其中，所述级间匹配网络包括第一变压器TF1和第二电容C2，实现宽带的级间阻抗匹配，并且实现射频信号从单端至差分的转换。
其中，所述第二级放大电路单元A2包括由第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b、第三电容C4a、第四电容C4b、第五电容CNa、第六电容CNb组成的差分共发射极结构，所第三晶体管Q3a与第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a与第六晶体管Q4b具有相同的尺寸；所述第三电容C4a与第四电容C4b、第五电容CNa与第六电容CNb具有相同的尺寸和电容值；所述第三晶体管Q3a的基极连接正相输入IN+端，所述第四晶体管Q3b的基极连接正相输入IN-端；所述第五晶体管Q4a的基极与第三晶体管Q3a的基极通过第三电容C4a连接，所述第六晶体管Q4b的基极与第四晶体管Q3b的基极通过第四电容C4b连接；所述第三晶体管Q3a与第五晶体管Q4a的集电极互相连接，所述第四晶体管Q3b与第六晶体管Q4b的集电极互相连接；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的发射极接地；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极与第四晶体管Q3b的基极通过第一中和电容CNa连接，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极与第三晶体管Q3a的基极通过第二中和电容CNb连接；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极连接同相输出端OUT+，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极连接反相输出端OUT-；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的偏置由第二偏置电压Vb2a提供，所述第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的偏置由第三偏置电压Vb2b提供。
其中，所述第二级放大电路单元A2中采用了三阶跨导抵消技术，通过调节第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的第三偏置电压Vb2b来调整其三阶跨导值gm3_Q4，使其与第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的三阶跨导值gm3_Q3互相抵消，从而提高低噪声放大器的IIP3。
其中，所述输出匹配网络包括第二变压器TF2和第七电容C3构成，实现宽带的阻抗匹配，并实现射频信号由单端至差分的转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)级间匹配和输出匹配采用变压器匹配，可实现较宽频率范围内的平坦增益响应和较小的芯片面积；
(2)第二级放大电路单元A2中采用全差分结构，抵消了放大器输出信号中的偶次谐波，同时提高了放大器的IIP2指标和IP1dB指标；
(3)第二级放大电路单元A2中采用了三阶跨导抵消技术，提高了IIP3指标。
附图说明
图1是本发明一种高线性度毫米波低噪声放大器的电路拓扑结构示意图。
图2是本发明的第二级放大电路单元的电路拓扑结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，本实施例公开了一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，所述放大器包括输入匹配网络、第一级放大电路单元A1、级间匹配网络、第二级放大电路单元A2和输出匹配网络五个模块，并且五个模块按照先后顺序依次连接，信号从输入匹配网络的输入端进入，依次经过第一级放大电路单元A1、级间匹配网络、第二级放大电路单元A2后，信号经过放大后，信号从输出匹配网络的输出端口输出至负载。
其中，所述输入匹配网络包括第一电容C1、第一电感L1和第二电感L2，所述第一级放大电路单元A1包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2组成的共发射极共集电极(共源共栅)结构，所述第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的发射极连接；所述第一晶体管Q1的基极与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端接第一偏置电压Vb1；所述第一晶体管Q1的发射极与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端接地；所述第二晶体管Q2的集电极与级间匹配电路的输入端连接。
其中，所述级间匹配网络包括第一变压器TF1和第二电容C2，实现宽带的级间阻抗匹配，并且实现射频信号从单端至差分的转换。
如图2所示，所述第二级放大电路单元A2包括由第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b、第三电容C4a、第四电容C4b、第五电容CNa、第六电容CNb组成的差分共发射极结构，所第三晶体管Q3a与第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a与第六晶体管Q4b具有相同的尺寸；所述第三电容C4a与第四电容C4b、第五电容CNa与第六电容CNb具有相同的尺寸和电容值；所述第三晶体管Q3a的基极连接正相输入IN+端，所述第四晶体管Q3b的基极连接正相输入IN-端；所述第五晶体管Q4a的基极与第三晶体管Q3a的基极通过第三电容C4a连接，所述第六晶体管Q4b的基极与第四晶体管Q3b的基极通过第四电容C4b连接；所述第三晶体管Q3a与第五晶体管Q4a的集电极互相连接，所述第四晶体管Q3b与第六晶体管Q4b的集电极互相连接；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的发射极接地；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极与第四晶体管Q3b的基极通过第一中和电容CNa连接，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极与第三晶体管Q3a的基极通过第二中和电容CNb连接；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极连接同相输出端OUT+，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极连接反相输出端OUT-；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的偏置由第二偏置电压Vb2a提供，所述第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的偏置由第三偏置电压Vb2b提供。
其中，所述第二级放大电路单元A2中采用了三阶跨导抵消技术，通过调节第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的第三偏置电压Vb2b来调整其三阶跨导值gm3_Q4，使其与第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的三阶跨导值gm3_Q3互相抵消，从而提高低噪声放大器的IIP3。
其中，所述输出匹配网络包括第二变压器TF2和第七电容C3构成，实现宽带的阻抗匹配，并实现射频信号由单端至差分的转换。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述放大器包括输入匹配网络、第一级放大电路单元(A1)、级间匹配网络、第二级放大电路单元(A2)和输出匹配网络五个模块，并且五个模块按照先后顺序依次连接，信号从输入匹配网络的输入端进入，依次经过第一级放大电路单元(A1)、级间匹配网络、第二级放大电路单元(A2)后，从输出匹配网络的输出端输出。
2.根据权利要求1所述的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括第一电容(C1)、第一电感(L1)和第二电感(L2)，所述第一级放大电路单元(A1)包括第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)组成的共发射极共集电极结构，所述第一晶体管(Q1)的集电极与第二晶体管(Q2)的发射极连接；所述第一晶体管(Q1)的基极与第一电感(L1)的一端连接，第一电感(L1)的另一端接第一偏置电压(Vb1)；所述第一晶体管(Q1)的发射极与第二电感(L2)的一端连接，第二电感(L2)的另一端接地；所述第二晶体管(Q2)的集电极与级间匹配电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配网络包括第一变压器(TF1)和第二电容(C2)，实现宽带的级间阻抗匹配，并且实现射频信号从单端至差分的转换。
4.根据权利要求1所述的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路单元(A2)包括由第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b、第三电容C4a、第四电容C4b、第五电容CNa、第六电容CNb组成的差分共发射极结构，所第三晶体管Q3a与第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a与第六晶体管Q4b具有相同的尺寸；所述第三电容C4a与第四电容C4b、第五电容CNa与第六电容CNb具有相同的尺寸和电容值；所述第三晶体管Q3a的基极连接正相输入IN+端，所述第四晶体管Q3b的基极连接正相输入IN-端；所述第五晶体管Q4a的基极与第三晶体管Q3a的基极通过第三电容C4a连接，所述第六晶体管Q4b的基极与第四晶体管Q3b的基极通过第四电容C4b连接；所述第三晶体管Q3a与第五晶体管Q4a的集电极互相连接，所述第四晶体管Q3b与第六晶体管Q4b的集电极互相连接；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b、第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的发射极接地；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极与第四晶体管Q3b的基极通过第一中和电容CNa连接，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极与第三晶体管Q3a的基极通过第二中和电容CNb连接；所述第三晶体管Q3a和第五晶体管Q4a的集电极连接同相输出端OUT+，所述第四晶体管Q3b和第六晶体管Q4b的集电极连接反相输出端OUT-；所述第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的偏置由第二偏置电压(Vb2a)提供，所述第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的偏置由第三偏置电压(Vb2b)提供。
5.根据权利要求4所述的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路单元(A2)中采用了三阶跨导抵消技术，通过调节第五晶体管Q4a、第六晶体管Q4b的第三偏置电压(Vb2b)来调整其三阶跨导值gm3_Q4，使其与第三晶体管Q3a、第四晶体管Q3b的三阶跨导值gm3_Q3互相抵消，从而提高低噪声放大器的IIP3。
6.根据权利要求4所述的一种高线性度宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配网络包括第二变压器(TF2)和第七电容(C3)构成，实现宽带的阻抗匹配，并实现射频信号由单端至差分的转换。
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