CN114172476B - 一种宽带负反馈放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带负反馈放大器，包括输入匹配供电网络、驱动级高增益放大网络、级间匹配供电网络、功率级高增益放大网络、第一反馈网络和第二反馈网络。本发明采用共栅双反馈的双级堆叠放大结构，可以提高电路的可靠性，实现高增益和高线性度指标，同时具有较高的宽带特性。此外，本发明通过共栅双反馈作用，可以改善工艺波动以及温度波动对放大器射频性能的影响。

Description

一种宽带负反馈放大器
技术领域
本发明属于5G通信和集成电路技术领域，具体涉及一种宽带负反馈放大器。
背景技术
随着移动通信用户的不断增加，用户通信质量的需求不断提升，业界加速了无线通信系统的发展节奏。目前通信设备迫切需求射频前端具有高性能、高集成和低功耗的方向发展，从而减少表面贴装器件数量以降低成本，因此市场迫切的需求宽带、高增益、高线性度、低功耗射频放大器芯片。
常见的宽带、高增益、高线性度、低功耗低噪声放大器的电路结构有很多，最典型的是采用基于传统RLC负反馈技术的电流复用式共源（或共射）放大器，但是，此种放大器存在一些设计不足，主要体现在：（1）采用基于传统RLC负反馈技术，往往是从放大器管芯的输出端口（漏极或集电极），直接通过一条RLC反馈回路连接到（栅极或基极），但是这种直接反馈的方式，将直接压制低频增益指标，恶化低频线性度指标，甚至因输出到输入产生了直接反馈环路引入高频不稳定谐振，造成电路的稳定性恶化；（2）电流复用放大器结构需要采用馈电电感和大电容实现两个共源（或共射）放大器的静态偏置复用，这种结构浪费较大的芯片面积，并且可能因为电感和电容的自谐振频率问题造成电路的可靠性风险，并且功率容量较低，线性度指标有待提升。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种宽带负反馈放大器。
本发明的技术方案是：一种宽带负反馈放大器包括输入匹配供电网络、驱动级高增益放大网络、级间匹配供电网络、功率级高增益放大网络、第一反馈网络和第二反馈网络；
输入匹配供电网络的输入端作为宽带负反馈放大器的输入端，其输出端与驱动级高增益放大网络的第一输入端连接；
功率级高增益放大网络的第一输出端作为宽带负反馈放大器的输出端，其输入端与级间匹配供电网络的输出端连接；
驱动级高增益放大网络的输出端与级间匹配供电网络的输入端连接；
第一反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第二输出端连接，其输出端与驱动级高增益放大网络的第二输入端连接；
第二反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第三输出端连接，其输出端与驱动级高增益放大网络的第三输入端连接。
本发明的有益效果是：本发明采用共栅双反馈的双级堆叠放大结构，可以提高电路的可靠性，实现高增益和高线性度指标，同时具有较高的宽带特性。此外，本发明通过共栅双反馈作用，可以改善工艺波动以及温度波动对放大器射频性能的影响。
进一步地，输入匹配供电网络包括电阻R1、接地电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、接地电容C1、接地电容C2、电容C3和接地电容C4；
电感L2的一端作为输入匹配供电网络的输入端，并与接地电感L1连接；电感L2的另一端分别与接地电容C1和电容C3的一端连接；电容C3的另一端分别与电阻R1的一端和电感L4的一端连接；电阻R1的另一端分别与电感L3的一端和接地电容C4连接；电感L3的另一端分别与接地电容C2和栅极供电电压Vg1连接；电感L4的另一端作为输入匹配供电网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，输入匹配网络可以实现放大器的宽带输入匹配，以及宽带增益均衡，并且保证栅极供电电路的稳定性。
进一步地，驱动级高增益放大网络包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、电感L5、电感L6、电感L7、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、接地电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、电容C6和接地电容C7；
晶体管M1的栅极作为驱动级高增益放大网络的第一输入端；晶体管M1的源极接地；晶体管M1的漏极作为驱动级高增益放大网络的第二输入端，并与电感L5的一端连接；晶体管M2的栅极分别与电阻R2的一端和电容C5的一端连接；晶体管M2的源极和电感L5的另一端连接；晶体管M2的漏极作为驱动级高增益放大网络的第三输入端，并与电感L6的一端连接；晶体管M3的栅极分别与电阻R3的一端和电容C6的一端连接；晶体管M3的源极和电感L6的另一端连接；晶体管M3的漏极作为驱动级高增益放大网络的输出端，并与电感L7的一端和电阻R8的一端连接；电感L7的另一端分别与接地电容C7和漏极偏置电源Vd1连接；电阻R2的另一端分别与接地电阻R6和电阻R7的一端连接；电容C5的另一端和接地电阻R4连接；电容C6的另一端和接地电阻R5连接；电阻R7的另一端分别与电阻R3的另一端和电阻R8的另一端连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，驱动级高增益放大网络采用三级堆叠结构的放大器网络，同传统电流复用式共源（或共射）放大器相比，芯片面积相对较小，增益和稳定性有显著提升。采用自偏置结构，供电网络较为简单。
进一步地，级间匹配供电网络包括接地电容C8、电容C9、接地电容C10、接地电容C11、电感L8、电感L9和电阻R9；
电感L8的一端作为级间匹配供电网络的输入端，其另一端分别与接地电容C8和电容C9的一端连接；电容C9的另一端作为级间匹配供电网络的输出端，并与电阻R9的一端连接；电阻R9的另一端分别与电感L9的一端和接地电容C10连接；电感L9的另一端分别与接地电容C11和栅极供电电压Vg2连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，级间匹配供电网络用于实现驱动级高增益放大网络和功率级高增益放大网络级联时良好的级间匹配，并且为功率级高增益放大网络提供稳定的栅极供电。
进一步地，第一反馈网络包括接地电感L16、电容C17和电容C18；
电容C17的一端作为第一反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L16和电容C18的一端连接；电容C18的另一端作为第一反馈网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，采用LC负反馈网络，可以直接将功率级高增益放大网络中的第二共栅放大器的栅极射频信号反馈到驱动级高增益放大网络中的第一共源放大器的漏极，在实现射频信号负反馈的同时规避了传统RLC反馈网络从输出到输入的直接反馈方式，提高了电路的稳定性。
进一步地，第二反馈网络包括接地电感L17、电容C19和电容C20；
电容C19的一端作为第二反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L17和电容C20的一端连接；电容C20的另一端作为第二反馈网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，采用LC负反馈网络，可以直接将功率级高增益放大网络中的第三共栅放大器的栅极射频信号反馈到驱动级高增益放大网络中的第二共栅放大器的漏极，在实现射频信号负反馈的同时规避了传统RLC反馈网络从输出到输入的直接反馈方式，提高了电路的稳定性。
进一步地，功率级高增益放大网络包括电感L10、电感L11、电感L13、电感L14、接地电感L15、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R10、接地电阻R11、电阻R12、接地电阻R13、接地电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C12、电容C13、接地电容C14、接地电容C15和电容C16；
电感L10的一端作为功率级高增益放大网络的输入端，其另一端和晶体管M4的栅极连接；晶体管M4的源极接地；晶体管M4的漏极和电感L11的一端连接；晶体管M5的栅极作为功率级高增益放大网络的第二输出端，并与电阻R10的一端和电容C12的一端连接；晶体管M5的源极和电感L11的另一端连接；晶体管M5的漏极和电感L12的一端连接；晶体管M6的栅极作为功率级高增益放大网络的第三输出端，并与电阻R12的一端和电容C13的一端连接；晶体管M6的源极和电感L12的另一端连接；晶体管M6的漏极分别与电感L13的一端、电阻R16的一端和电感L14的一端连接；电阻R10的另一端分别与接地电阻R14和电阻R15的一端连接；电阻R15的另一端分别与电阻R12的另一端和电阻R16的另一端连接；电容C12的另一端和接地电阻R11连接；电容C13的另一端和接地电阻R13连接；电感L14的另一端分别与接地电容C14和电容C16的一端连接；电容C16的另一端作为功率级高增益放大网络的第一输出端，并与接地电感L15连接；电感L13的另一端分别与接地电容C15和漏极偏置电源Vd2连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，功率级高增益放大网络采用三级堆叠结构的放大器网络，同传统电流复用式共源（或共射）放大器相比，芯片面积相对较小，增益和稳定性有显著提升。采用自偏置结构，供电网络较为简单。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种宽带负反馈放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种宽带负反馈放大器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种宽带负反馈放大器，包括输入匹配供电网络、驱动级高增益放大网络、级间匹配供电网络、功率级高增益放大网络、第一反馈网络和第二反馈网络；
输入匹配供电网络的输入端作为宽带负反馈放大器的输入端，其输出端与驱动级高增益放大网络的第一输入端连接；
功率级高增益放大网络的第一输出端作为宽带负反馈放大器的输出端，其输入端与级间匹配供电网络的输出端连接；
驱动级高增益放大网络的输出端与级间匹配供电网络的输入端连接；
第一反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第二输出端连接，其输出端与驱动级高增益放大网络的第二输入端连接；
第二反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第三输出端连接，其输出端与驱动级高增益放大网络的第三输入端连接。
在本发明实施例中，如图2所示，输入匹配供电网络包括电阻R1、接地电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、接地电容C1、接地电容C2、电容C3和接地电容C4；
电感L2的一端作为输入匹配供电网络的输入端，并与接地电感L1连接；电感L2的另一端分别与接地电容C1和电容C3的一端连接；电容C3的另一端分别与电阻R1的一端和电感L4的一端连接；电阻R1的另一端分别与电感L3的一端和接地电容C4连接；电感L3的另一端分别与接地电容C2和栅极供电电压Vg1连接；电感L4的另一端作为输入匹配供电网络的输出端。
在本发明实施例中，如图2所示，驱动级高增益放大网络包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、电感L5、电感L6、电感L7、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、接地电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、电容C6和接地电容C7；
晶体管M1的栅极作为驱动级高增益放大网络的第一输入端；晶体管M1的源极接地；晶体管M1的漏极作为驱动级高增益放大网络的第二输入端，并与电感L5的一端连接；晶体管M2的栅极分别与电阻R2的一端和电容C5的一端连接；晶体管M2的源极和电感L5的另一端连接；晶体管M2的漏极作为驱动级高增益放大网络的第三输入端，并与电感L6的一端连接；晶体管M3的栅极分别与电阻R3的一端和电容C6的一端连接；晶体管M3的源极和电感L6的另一端连接；晶体管M3的漏极作为驱动级高增益放大网络的输出端，并与电感L7的一端和电阻R8的一端连接；电感L7的另一端分别与接地电容C7和漏极偏置电源Vd1连接；电阻R2的另一端分别与接地电阻R6和电阻R7的一端连接；电容C5的另一端和接地电阻R4连接；电容C6的另一端和接地电阻R5连接；电阻R7的另一端分别与电阻R3的另一端和电阻R8的另一端连接。
在本发明实施例中，如图2所示，级间匹配供电网络包括接地电容C8、电容C9、接地电容C10、接地电容C11、电感L8、电感L9和电阻R9；
电感L8的一端作为级间匹配供电网络的输入端，其另一端分别与接地电容C8和电容C9的一端连接；电容C9的另一端作为级间匹配供电网络的输出端，并与电阻R9的一端连接；电阻R9的另一端分别与电感L9的一端和接地电容C10连接；电感L9的另一端分别与接地电容C11和栅极供电电压Vg2连接。
在本发明实施例中，如图2所示，第一反馈网络包括接地电感L16、电容C17和电容C18；
电容C17的一端作为第一反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L16和电容C18的一端连接；电容C18的另一端作为第一反馈网络的输出端。
在本发明实施例中，如图2所示，第二反馈网络包括接地电感L17、电容C19和电容C20；
电容C19的一端作为第二反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L17和电容C20的一端连接；电容C20的另一端作为第二反馈网络的输出端。
在本发明实施例中，如图2所示，功率级高增益放大网络包括电感L10、电感L11、电感L13、电感L14、接地电感L15、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R10、接地电阻R11、电阻R12、接地电阻R13、接地电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C12、电容C13、接地电容C14、接地电容C15和电容C16；
电感L10的一端作为功率级高增益放大网络的输入端，其另一端和晶体管M4的栅极连接；晶体管M4的源极接地；晶体管M4的漏极和电感L11的一端连接；晶体管M5的栅极作为功率级高增益放大网络的第二输出端，并与电阻R10的一端和电容C12的一端连接；晶体管M5的源极和电感L11的另一端连接；晶体管M5的漏极和电感L12的一端连接；晶体管M6的栅极作为功率级高增益放大网络的第三输出端，并与电阻R12的一端和电容C13的一端连接；晶体管M6的源极和电感L12的另一端连接；晶体管M6的漏极分别与电感L13的一端、电阻R16的一端和电感L14的一端连接；电阻R10的另一端分别与接地电阻R14和电阻R15的一端连接；电阻R15的另一端分别与电阻R12的另一端和电阻R16的另一端连接；电容C12的另一端和接地电阻R11连接；电容C13的另一端和接地电阻R13连接；电感L14的另一端分别与接地电容C14和电容C16的一端连接；电容C16的另一端作为功率级高增益放大网络的第一输出端，并与接地电感L15连接；电感L13的另一端分别与接地电容C15和漏极偏置电源Vd2连接。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：射频信号进入输入匹配供电网络，经过输入阻抗匹配后，进入驱动级高增益放大网络进行驱动放大，之后进入级间匹配供电网络，经过级间阻抗匹配后，进入驱动级高增益放大网络进行最终的功率放大，同时，本发明中的第一反馈网络和第二反馈网络实现射频信号的负反馈作用，并且规避采用传统RLC直接反馈模式，在保证良好的稳定性条件下拓展放大器的工作带宽，改善宽带阻抗匹配特性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种宽带负反馈放大器，其特征在于，包括输入匹配供电网络、驱动级高增益放大网络、级间匹配供电网络、功率级高增益放大网络、第一反馈网络和第二反馈网络；
所述输入匹配供电网络的输入端作为宽带负反馈放大器的输入端，其输出端与驱动级高增益放大网络的第一输入端连接；
所述功率级高增益放大网络的第一输出端作为宽带负反馈放大器的输出端，其输入端与级间匹配供电网络的输出端连接；
所述驱动级高增益放大网络的输出端与级间匹配供电网络的输入端连接；
所述第一反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第二输出端连接，其输出端与所述驱动级高增益放大网络的第二输入端连接；
所述第二反馈网络的输入端与功率级高增益放大网络的第三输出端连接，其输出端与所述驱动级高增益放大网络的第三输入端连接；
所述驱动级高增益放大网络包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、电感L5、电感L6、电感L7、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、接地电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、电容C6和接地电容C7；
所述晶体管M1的栅极作为驱动级高增益放大网络的第一输入端；所述晶体管M1的源极接地；所述晶体管M1的漏极作为驱动级高增益放大网络的第二输入端，并与电感L5的一端连接；所述晶体管M2的栅极分别与电阻R2的一端和电容C5的一端连接；所述晶体管M2的源极和电感L5的另一端连接；所述晶体管M2的漏极作为驱动级高增益放大网络的第三输入端，并与电感L6的一端连接；所述晶体管M3的栅极分别与电阻R3的一端和电容C6的一端连接；所述晶体管M3的源极和电感L6的另一端连接；所述晶体管M3的漏极作为驱动级高增益放大网络的输出端，并与电感L7的一端和电阻R8的一端连接；所述电感L7的另一端分别与接地电容C7和漏极偏置电源Vd1连接；所述电阻R2的另一端分别与接地电阻R6和电阻R7的一端连接；所述电容C5的另一端和接地电阻R4连接；所述电容C6的另一端和接地电阻R5连接；所述电阻R7的另一端分别与电阻R3的另一端和电阻R8的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的宽带负反馈放大器，其特征在于，所述输入匹配供电网络包括电阻R1、接地电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、接地电容C1、接地电容C2、电容C3和接地电容C4；
所述电感L2的一端作为输入匹配供电网络的输入端，并与接地电感L1连接；所述电感L2的另一端分别与接地电容C1和电容C3的一端连接；所述电容C3的另一端分别与电阻R1的一端和电感L4的一端连接；所述电阻R1的另一端分别与电感L3的一端和接地电容C4连接；所述电感L3的另一端分别与接地电容C2和栅极供电电压Vg1连接；所述电感L4的另一端作为输入匹配供电网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的宽带负反馈放大器，其特征在于，所述级间匹配供电网络包括接地电容C8、电容C9、接地电容C10、接地电容C11、电感L8、电感L9和电阻R9；
所述电感L8的一端作为级间匹配供电网络的输入端，其另一端分别与接地电容C8和电容C9的一端连接；所述电容C9的另一端作为级间匹配供电网络的输出端，并与电阻R9的一端连接；所述电阻R9的另一端分别与电感L9的一端和接地电容C10连接；所述电感L9的另一端分别与接地电容C11和栅极供电电压Vg2连接。
4.根据权利要求1所述的宽带负反馈放大器，其特征在于，所述第一反馈网络包括接地电感L16、电容C17和电容C18；
所述电容C17的一端作为第一反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L16和电容C18的一端连接；所述电容C18的另一端作为第一反馈网络的输出端。
5.根据权利要求1所述的宽带负反馈放大器，其特征在于，所述第二反馈网络包括接地电感L17、电容C19和电容C20；
所述电容C19的一端作为第二反馈网络的输入端，其另一端分别与接地电感L17和电容C20的一端连接；所述电容C20的另一端作为第二反馈网络的输出端。
6.根据权利要求1所述的宽带负反馈放大器，其特征在于，所述功率级高增益放大网络包括电感L10、电感L11、电感L13、电感L14、接地电感L15、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R10、接地电阻R11、电阻R12、接地电阻R13、接地电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C12、电容C13、接地电容C14、接地电容C15和电容C16；
所述电感L10的一端作为功率级高增益放大网络的输入端，其另一端和晶体管M4的栅极连接；所述晶体管M4的源极接地；所述晶体管M4的漏极和电感L11的一端连接；所述晶体管M5的栅极作为功率级高增益放大网络的第二输出端，并与电阻R10的一端和电容C12的一端连接；所述晶体管M5的源极和电感L11的另一端连接；所述晶体管M5的漏极和电感L12的一端连接；所述晶体管M6的栅极作为功率级高增益放大网络的第三输出端，并与电阻R12的一端和电容C13的一端连接；所述晶体管M6的源极和电感L12的另一端连接；所述晶体管M6的漏极分别与电感L13的一端、电阻R16的一端和电感L14的一端连接；所述电阻R10的另一端分别与接地电阻R14和电阻R15的一端连接；所述电阻R15的另一端分别与电阻R12的另一端和电阻R16的另一端连接；所述电容C12的另一端和接地电阻R11连接；所述电容C13的另一端和接地电阻R13连接；所述电感L14的另一端分别与接地电容C14和电容C16的一端连接；所述电容C16的另一端作为功率级高增益放大网络的第一输出端，并与接地电感L15连接；所述电感L13的另一端分别与接地电容C15和漏极偏置电源Vd2连接。
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