CN114189222A - 一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，涉及射频低噪声放大器技术领域。本发明包括增益放大器、主动旁路结构以及可编程电阻网络，当开关导通，对称开关关断时，增益放大器最高实现21dB的增益；当开关关断，对称开关导通，信号经过旁路通路，通过并联的可编程电阻网络的电阻衰减，实现0dB至‑11dB的增益衰减，使系统最终实现‑11dB‑21dB的大增益动态范围。本发明通过控制主动旁路的通断情况、可编程的电阻网络，即可实现很高的增益动态范围，主动旁路导通时可实现负增益的动态范围；本电路在实现可变增益的同时，减小了放大器工作在负增益档时，切换增益带来的相位变化，整体相位变化控制在15度以内。

Description

一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频低噪声放大器技术领域，特别是涉及一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器。

背景技术

LNA位于接收机的前端，其噪声系数是决定系统灵敏度高低的关键因素。在多级相连的系统中，第一级噪声系数占重要的比重，后续各级模块噪声由于前级增益提高，其影响将大大减小。因此，LNA作为接收机第一有源电路，其噪声系数将决定这整个系统的噪声系数。同时，为了减小后级电路的设计难度，LNA不仅要有低的噪声系数，还要能提供高的增益。此外，为了满足LTE系统中很大的动态范围要求，低噪声放大器需要提供多种增益模式，其中最低增益模式需要提供-11dB。当然，高增益模式下仍然需要保证较低的噪声以确保整个系统的噪声以及灵敏度。与此同时，在增益变化的同时，要保证放大器的相位变化较小。目前增益可变的LNA备受市场关注。

现有的常见的可实现负增益的低噪声放大器的结构，但是该结构在实现负增益的同时会造成相位变化很大的影响。当开关S1导通时，S2、S3关断，信号经过主放大电路放大，当开关S2、S3导通时，S1关断，信号不经过主放大电路，所以可以实现负增益，但该方案会引起相位的大幅度跳变。其次，该结构的输入匹配随偏置电压Vb1的减小会恶化。所以，提出了本发明这种多增益控制低噪声放大器的方案。

发明内容

本发明提供了一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，解决了以上问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，包括增益放大器、主动旁路结构以及并联的可编程电阻网络，通过控制主动旁路结构的通断情况以及可编程电阻网络，实现大增益动态范围；

所述主动旁路结构包括连接于射频输入端与增益放大器之间的开关，并联于开关两侧的对称开关；所述可编程电阻网络连接于对称开关之间且接地；

当所述开关导通，对称开关关断时，所述增益放大器最高实现21dB的增益；

当所述开关关断，所述对称开关导通，信号经过旁路通路，通过并联的可编程电阻网络的电阻衰减，实现0dB至-11dB的增益控制，使系统最终实现-11dB-21dB的大增益动态范围。

进一步地，当所述开关导通，对称开关关断时，信号未经过衰减直接传送到主放大电路，且在主放大电路中放大；

当开关关断，且对称开关导通时，信号通过对称开关和可编程电阻网络到达增益放大器，经过放大之后，利用对称开关、开关以及并联的可编程电阻网络构成主动旁路结构，使得在可以产生负增益的同时，在负增益档的相位变化减小，并且因为可编程电阻网络的引入，使得在负增益档的输入匹配更易接近50欧姆。

进一步地，所述可编程电阻网络为n组并联接地的电阻组构成，每组电阻组为串联的第一电阻、第二电阻。

本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：

本发明通过控制主动旁路的通断情况、可编程的电阻网络，即可实现很高的增益动态范围，其中主动旁路导通时可实现负增益的动态范围；并且，本电路在实现可变增益的同时，减小了放大器工作在负增益档时，切换增益带来的相位变化，整体相位变化控制在15度以内。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器的结构图；

图2为图1中RBANK的电路示意图；

图3为现有的被动旁路的电路示意图；

图4为本具体实施例中S21的小信号仿真结果示意图；

图5为本具体实施例中S11的小信号仿真结果示意图；

图6为本具体实施例多增益控制低噪声放大器的相位跳变仿真结果示意图；

图7为本具体实施例在Cadence平台上通过SP仿真得到了各档的相位曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“串联”、“并联”等指示方位或位置关系，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组件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。

如图3所示，为一种常见的可实现负增益的低噪声放大器的结构，但是该结构在实现负增益的同时会造成相位变化很大的影响。当图3中的开关S1导通时，S2、S3关断，信号经过主放大电路放大，当开关S2、S3导通时，S1关断，信号不经过主放大电路，所以可以实现负增益，但该方案会引起相位的大幅度跳变。其次，该结构的输入匹配随偏置电压Vb1的减小会恶化。所以，提出了本发明这种多增益控制低噪声放大器的方案。

如图1-2以及图4-6所示，为一种常见的可变增益低噪声放大器的结构，该结构包括增益放大器AMP、主动旁路结构Active Bypass以及并联的可编程电阻网络RBANK，通过控制主动旁路结构Active Bypass的通断情况以及可编程电阻网络RBANK，实现大增益动态范围；

主动旁路结构包括连接于射频输入端RFin与增益放大器AMP之间的开关S4，并联于开关S4两侧的对称开关S5；可编程电阻网络RBANK连接于对称开关S5之间且接地；

当开关S4导通，对称开关S5关断时，增益放大器AMP最高实现21dB的增益；

当开关S4关断，对称开关S5导通，信号经过旁路通路，通过并联的可编程电阻网络RBANK的电阻衰减，实现0dB至-11dB的增益衰减，使系统最终实现-11dB-21dB的大增益动态范围。

其中，当开关S4导通，对称开关S5关断时，信号未经过衰减直接传送到主放大电路，且在主放大电路中放大；

当开关S4关断，且对称开关S5导通时，信号通过对称开关S5和可编程电阻网络RBANK到达增益放大器AMP，经过放大之后，利用对称开关S5、开关S4以及并联的可编程电阻网络RBANK构成主动旁路结构Active Bypass，使得在可以产生负增益的同时，在负增益档的相位变化减小，并且因为可编程电阻网络RBANK的引入，使得在负增益档的输入匹配更易接近50欧姆；

其中，可编程电阻网络RBANK为n组并联接地的电阻组构成，每组电阻组为串联的第一电阻RS、第二电阻Rb，对于哪一组，如第n组的电阻，采用第一电阻RSn，第二电阻Rbn表示，第1组的电阻，采用第一电阻RS1，第二电阻Rb1表示；

本具体实施例中，如图2所示，该模块由两个电阻并联而成，如果电路需要，可并联更多的电阻，产生更大的衰减，两个电阻Rb1为400欧姆，Rb2为200欧姆，当开关RS1与RS2都打开时，等效衰减电阻为150欧姆，当开关RS1打开且RS2关断时，等效衰减电阻为400欧姆，当开关RS1关断且RS2打开时，等效衰减电阻为200欧姆。

具体的，如图1所示，当开关S4导通时，开关S5断开，信号直接经过主放大电路放大，当开关S4关断时，开关S5导通，信号经过Bypass通路到达主放大电路，此时可通过可编程电阻网络RBANK来实现增益的控制。因为S5的引入，可编程电阻网络RBANK中的开关尺寸可以更大一点，因为可编程电阻网络RBANK不工作时，对称开关S5会断开，这样就不会在电路中引入较大的等效负载，该可编程电阻网络RBANK的等效负载对电路的影响降低，同时电阻网络每一路的开关尺寸都可以有所增加，利用主动旁路Active Bypass通路，经过RBANK的衰减之后，即可实现电路的负增益，当可编程电阻网络RBANK衰减全开时，最低的增益档为-11dB，大大提高了接收机系统的动态范围。

在主动旁路结构Active Bypass中，信号如果经过旁路Bypass，就不会再经过增益放大器AMP，所以无源器件引起的相位变化会很大，但在主动旁路结构Active Bypass的方案中，尽管经过旁路Bypass通路，信号也依旧会经过主放大电路，这样在负增益档时，调整增益带来的相位变化就会很小。同时，因为在Active Bypass通路上并联了可编程电阻网络RBANK，所以即便在负增益档，低噪声放大器的相位也可以达到15度以下。

如图4所示，本方案在Cadence平台上，通过SP仿真，得到了各档的S21曲线，S21_A对应20dB增益，S21_B对应-4dB，S21_C对应-6dB，S21_D对应-9dB，S21_E对应-11dB。

如图5所示，本方案在Cadence平台上，通过SP仿真，得到了各档的S11曲线，S11_A对应20dB时的S11为-5dB，S11_B对应16dB时的S11为-6dB，S21_C对应-3dB时的S11为-18dB，S21_D对应-6dB时的S11为-18dB，S21_E对应-11dB时的S11为-11dB。

如图6所示，Passive Bypass方案通过SP仿真得到了各档的相位曲线，在3.4GHz时，所有档的相位变化为122度，在3.6GHz时，所有档的相位变化为133度，在3.8GHz时，所有档的相位变化为146度。

如图7所示，本方案在Cadence平台上，通过SP仿真，得到了各档的相位曲线，在3.4GHz时，所有档的相位变化为17度，在3.6GHz时，所有档的相位变化为9度，在3.8GHz时，所有档的相位变化为13度。

有益效果：

本发明通过控制主放大电路的电流大小、通断情况以及串联增益衰减器的衰减量，即可实现-12dB～18dB的增益动态范围，其中增益控制步长为3dB，此外，该电路在实现可变增益的同时，降低了电路的功耗，在负增益档功耗基本降为0。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，其特征在于，包括增益放大器、主动旁路结构以及并联的可编程电阻网络，通过控制主动旁路结构的通断情况以及可编程电阻网络，实现大增益动态范围；

所述主动旁路结构包括连接于射频输入端与增益放大器之间的开关，并联于开关两侧的对称开关；所述可编程电阻网络连接于对称开关之间且接地；

当所述开关导通，对称开关关断时，所述增益放大器最高实现21dB的增益；

当所述开关关断，所述对称开关导通，信号经过旁路通路，通过并联的可编程电阻网络的电阻衰减，实现0dB至-11dB的增益控制，使系统最终实现-11dB-21dB的大增益动态范围。

2.根据权利要求1所述的一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，其特征在于：

当所述开关导通，对称开关关断时，信号未经过衰减直接传送到主放大电路，且在主放大电路中放大；

当开关关断，且对称开关导通时，信号通过对称开关和可编程电阻网络到达增益放大器，经过放大之后，利用对称开关、开关以及并联的可编程电阻网络构成主动旁路结构，使得在可以产生负增益的同时，在负增益档的相位变化减小，并且因为可编程电阻网络的引入，使得在负增益档的输入匹配更易接近50欧姆。

3.根据权利要求2所述的一种改进相位跳变的多增益控制低噪声放大器，其特征在于，所述可编程电阻网络为n组并联接地的电阻组构成，每组电阻组为串联的第一电阻、第二电阻。

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