CN114285383A - 一种电流复用结构的增益放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流复用结构的增益放大模块，包括依次串接的射频信号输入电路、多级放大电路和射频信号输出电路，多级放大电路的各级放大电路之间依次串接，多级放大电路共用一偏置电流，各相邻的两级放大电路之间设置级间匹配电路；各级放大电路均为共源放大结构。本发明解决了现有技术中放大器电路低隔离度、高功耗、增益偏低和窄带宽不足的问题,提供一种高增益、宽带宽、高隔离、低噪声和低功耗要求的放大器电路。

Description

一种电流复用结构的增益放大模块

技术领域

本发明涉及一种电流复用结构的增益放大模块，属于射频电子技术领域。

背景技术

无线通信系统中，数字处理系统与射频信号之间需要有转换“接口”，这个接口就是信号接收机，如图1所示。接收机中第一个放大器便是低噪声放大器。低噪声放大器将天线接收的无线信号放大到特定功率，从而降低后续电路对噪声的敏感度。射频低噪声放大器的关键要求是在不增加额外噪声的前提下放大接收信号到信号处理单元，其关键指标有电流、增益、带宽、隔离度、噪声、驻波、1dB功率压缩点、三阶交调等。

现代移动通信速率的不断提高，对射频接收机的频率带宽要求也越来越高。此外，在5G通信系统中收发通路大大增加，导致基站系统的耗电量大幅增加，这就要求单一系统的功耗尽可能小，要尽可能减小电流消耗的同时保证系统功率增益和线性度等需求。

为了增大放大器的带宽，现有技术中常采用如图2所示的共源并联漏-栅级负反馈拓扑结构。电路使用了RLC负反馈网络，该反馈结构中电容Cf可以提供射频信号反馈通路，隔离漏-栅级之间的直流；电感Lf的使用可以拓宽带宽，提高增益平坦度。但是，电阻Rf的存在会引入额外的热噪声，提高电路的最小噪声系数NFmin，该结构中部分输出信号会通过反馈电路和晶体管本身的寄生电容回到输入端，导致电路的反向隔离恶化。

为了提高放大器的功率增益和隔离度，现有技术中采用如图3所示的级联放大拓扑结构。电路由两级共源结构放大器级联组成，VDD1和VDD2分别为输入、输出级提供偏置电压。在级联放大器中，输入信号经过两级放大，可以有效提高电路的功率增益。此外，两级级联可以保证输入输出之间有足够的隔离度。但是，级联放大器需要引入多路电源偏置，随着级数增多，系统的直流功耗也会随之增加，不能满足现代通信系统对高效率、低功耗的要求。

为了能够提高放大器的增益和隔离度，同时减小电路的直流功耗，现有技术采用了如图4所示的共源共栅Cascode拓扑级联结构。该结构利用了共源放大结构高输入阻抗和高跨导的特点，也结合了共栅放大结构高频响应优良的特点。Cascode结构能够较好地做到噪声、增益和匹配的折中，减小密勒效应，有较好的反向隔离度，在低频电路设计中被广泛使用。但是高频时，Cascode结构的噪声性能会恶化，电路的稳定性也会下降。相较于单级放大器，Cascode结构可以提高功率增益，但是该电路的增益仍然小于多级共源级联电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电流复用结构的增益放大模块，解决现有技术中放大器电路低隔离度、高功耗、增益偏低和窄带宽不足的问题,提供一种高增益、宽带宽、高隔离、低噪声和低功耗要求的放大器电路。

为达到上述目的，本发明提供一种电流复用结构的增益放大模块，包括依次串接的射频信号输入电路、多级放大电路和射频信号输出电路，所述多级放大电路的各级放大电路之间依次串接，多级放大电路共用一偏置电流，各相邻的两级放大电路之间设置级间匹配电路；

所述各级放大电路均为共源放大结构。

进一步地，所述多级放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路；

所述第一级放大电路包括第一射频放大电路模块和源极负反馈电感L4，所述源极负反馈电感L4的一端连接第一射频放大电路模块，所述源极负反馈电感L4的另一端接地；

所述第二级放大电路包括第二射频放大电路模块和源极接地电容C5，所述源极接地电容C5的一端连接第二级射频放大电路，所述源极接地电容C5的另一端接地。

进一步地，所述第一射频放大模块包括晶体管M1；

所述第二射频放大模块包括晶体管M2。

进一步地，所述级间匹配电路包括电容C3、电容C4和电感L3，所述电感L3串接在两相邻级别的放大电路之间，用作射频扼流电感，所述电容C4设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并接地设置；所述电容C3设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并连接下一级放大电路。

进一步地，所述射频信号输出电路包括电感L1、电感L2和隔直电容C2，所述电感L1的一端连接多级放大电路的输出端，所述电感L1的另一端连接电感L2和隔直电容C2，所述隔直电容C2连通射频信号输出电路的输出端。

进一步地，还包括输入电感L5和RC负反馈电路；

所述输入电感L5的一端连接射频信号输入电路，所述输入电感L5的另一端连接多级放大电路；

所述多级放大电路的各级放大电路中均设置从漏极到栅极的RC负反馈电路。。

本发明所达到的有益效果：

1.对于射频信号，本发明优选设置具备两级共源放大电路的串接的多级放大电路结构，使得后级，即第二级放大电路在较小的输入阻抗下亦有益于提高输入与输出之间的隔离度。

2.本发明中多级放大电路共用一偏置电流，相对于现有技术无需使用额外的偏置电流，大大降低了直流功耗。

3.现有的共源共栅结构中，功率增益主要由第一级共源放大结构提供，第二级共源放大结构只提高输出阻抗和减少密勒效应，对功率增益的提高较小，本发明提出的电流复用结构实现了两级共源放大，在不增加额外功耗的前提下提高了功率增益。

4.本发明在射频输出电路中引入电感L1，扩大了频带宽度，提高了电路的增益平坦度，使得同一款噪声放大器可以覆盖更宽的频率范围。

附图说明

图1是天线通讯系统的结构示意图；

图2是共源并联漏-栅极负反馈拓扑结构图；

图3是级联放大拓扑结构图；

图4是共源共栅拓扑级联结构图；

图5是本发明实施例一提供的一种电流复用结构的增益放大模块的结构图；

图6是本发明实施例二提供的一种电流复用结构的增益放大模块的结构图；

图7是输入反射系数S11和输出反射系数S22的测试结果图；

图8是小信号增益S21的测试结果图；

图9是反向隔离度S12的测试结果图;

图10是噪声系数Noise Figure的测试结果图；

图11是输出1dB压缩点OP1dB的测试结果;

图12是输出三阶互调OIP3的测试结果。

图中：1、射频信号输入电路；2、射频信号输出电路；3、第一级放大电路；4、第二级放大电路；5、级间匹配电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

本发明实施例一提供一种电流复用结构的增益放大模块，如图5所示，包括依次串接的射频信号输入电路1、多级放大电路和射频信号输出电路2，多级放大电路的各级放大电路之间均设置级间匹配电路5。

本发明的实施例一中，多级放大电路包括多级串联的共源放大结构，本发明的实施例一中，通过多级的共源放大结构进行串联，可使得后级较小的输入阻抗亦有益于输入端和输出端之间的隔离，对于射频信号可有效提高其反向隔离度，本发明的实施例一中优选多级放大电路的级数设置两级。

本发明的实施例一中，多级放大电路中的各级放大电路共用一偏置电流，相比较现有设计无需使额外的偏置电流，可大大降低直流功耗。

本发明的实施例一中，多级放大电路包括第一级放大电路3和第二级放大电路4；第一级放大电路3包括第一射频放大电路模块和源极负反馈电感L4，源极负反馈电感L4的一端连接第一射频放大电路模块，源极负反馈电感L4的另一端接地，通过引入源极负反馈电感L4可拉近最佳增益匹配点和最佳噪声匹配点，使得二者可同时实现阻抗匹配，以提高稳定性，本发明的实施例一中，第一级射频放大电路模块选用晶体管M1，源极负反馈电感L4的一端连接第一晶体管M1的源极。

本发明的实施例一中，第二级放大电路4包括第二级射频放大电路模块和源极接地电容C5，源极接地电容C5的一端连接第二级射频放大电路，源极接地电容C5的另一端接地，本发明的实施例一中，第二级射频放大电路模块选用晶体管M2，晶体管M2的源极连接源极接地电容C5。

本发明的实施例一中，各相邻级别的放大电路之间均设置级间匹配电路5，将上一级放大电路输出的阻抗值变为适合下一级放大电路的阻抗值，完成前后级阻抗电路的匹配，级间匹配电路5包括电容C3、电容C4和电感L3，电感L3串接在两相邻级别的放大电路之间，用作射频扼流电感；电容C4设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并接地设置；电容C3设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并连接下一级放大电路；本发明的实施例一中，电感L3的一端连接晶体管M1的漏级，电感L3的另一端连接晶体管M2的源极；电容C4的一端设置于电感L3和晶体管M1之间的电节点，电容C4的另一端接地；电容C3的一端设置于电感L3和晶体管M1之间的电节点，电容C3的另一端连接晶体管M2的栅极。

本发明的实施例一中，射频信号输入电路1包括隔直电容C1，隔直电容C1的一端用于接入射频信号，隔直电容C1的另一端连接多级放大电路，本发明的实施例中，隔直电容C1的一端连接第一级放大电路3中晶体管M1的栅极。

本发明的实施例一中，射频信号输出电路2包括电感L1、电感L2和隔直电容C2，电感L1的一端连接多级放大电路的输出端，电感L1的另一端连接电感L2和隔直电容C2，电感L2通过隔直电容C2进行射频信号输出，本发明的实施例一中，所述电感L1连接第二级放大电路4中晶体管M2的漏级，本发明在射频信号输出电路2中引入了电感L1，通过电感L1扩大了射频信号的频带宽度，提高了电路的增益平坦度，使得同一款低噪声放大器可以覆盖更宽大频率范围。

射频信号从射频信号输入电路1进入第一级放大电路3的晶体管M1，然后经晶体管M1放大，因电感L3形成的高阻抗使得射频信号无法进入到第二级放大电路4中晶体管M2的源极，所以晶体管M1的漏极输出的射频信号会通过电容C3耦合到晶体管M2的栅极，然后经射频输出电路输出。电感L3为M1和M2电流复用提供直流偏置通路的同时也可以在第一级放大电路3的反馈回路中拓宽带宽，提高增益的平坦度，Vg1和Vg2分别为晶体管M1和晶体管M2的栅极偏压点，分别为两级共源放大电路提供偏置电压，晶体管M2的漏极串接电感L1亦有益于带宽扩展。

本发明实施例一的有益效果：

对于射频信号，本发明在电路中采用了多级共源放大结构，本发明优选设置两级共源放大结构，使得后级较小的输入阻抗亦有益于输入和输出之间的隔离。

本发明中多级放大电路共用一路偏置电流，本发明中优选两级放大电路共用一路偏置电流，对比现有技术减少了额外的偏置电流的使用，大大降低了直流功耗。

现有技术中共源共栅结构中增益主要由第一级共源管提供，第二级共栅管只提高输出阻抗和减小密勒效应，对提高增益的帮助很小，而本发明提出了两级共源放大的复用结构，在不增加额外功耗的情况下提高了功率增益。

本发明在射频信号输出电路2中引入了电感L1，电感L1与第二级放大电路4中晶圆管M1的漏极串联，扩大了频带宽度，提高了电路的增益平坦度，使得同一款低噪声放大器可以覆盖更宽的频率范围。

实施例二：

本发明实施二基于实施例一提供的一种电流复用结构的增益放大模块，如图6所示，还包括输入电感L5和RC负反馈电路，电感L5的一端连接隔直电感C1，电感L5的另一端连接第一级放大电路3中晶体管M1的栅极，第一级放大电路3中晶体管M1的漏极到栅极之间设置RC负反馈电路，第二级放大电路4中晶体管M2的漏极到栅极之间设置RC负反馈电路。

基于本发明的设计机理，采用GaAs pHEMT工艺设计芯片，进行了流片并测试：电源电压VDD为5V，电流Idd为65mA时的测试结果如图7至图12所示，其中图7是输入反射系数S11和输出反射系数S22的测试结果；图8为小信号增益S21的测试结果；图9为反向隔离度S12的测试结果；图10是噪声系数Noise Figure的测试结果；图11是输出1dB压缩点OP1dB的测试结果；图12是输出三阶互调OIP3的测试结果。结合图示可知，本发明对降低功耗、扩大带宽、提高增益和隔离度方面有显著效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：包括依次串接的射频信号输入电路(1)、多级放大电路和射频信号输出电路(2)，所述多级放大电路的各级放大电路之间依次串接，多级放大电路共用一偏置电流，各相邻的两级放大电路之间设置级间匹配电路(5)；

所述各级放大电路均为共源放大结构。

2.根据权利要求1所述的一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：

所述多级放大电路包括第一级放大电路(3)和第二级放大电路(4)；

所述第一级放大电路(3)包括第一射频放大电路模块和源极负反馈电感L4，所述源极负反馈电感L4的一端连接第一射频放大电路模块，所述源极负反馈电感L4的另一端接地；

所述第二级放大电路(4)包括第二射频放大电路模块和源极接地电容C5，所述源极接地电容C5的一端连接第二级射频放大电路，所述源极接地电容C5的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：

所述第一射频放大模块包括晶体管M1；

所述第二射频放大模块包括晶体管M2。

4.根据权利要求1所述的一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：

所述级间匹配电路(5)包括电容C3、电容C4和电感L3，所述电感L3串接在两相邻级别的放大电路之间，用作射频扼流电感，所述电容C4设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并接地设置；所述电容C3设置于电感L3和上一级放大电路之间的电节点，并连接下一级放大电路。

5.根据权利要求1所述的一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：

所述射频信号输出电路(2)包括电感L1、电感L2和隔直电容C2，所述电感L1的一端连接多级放大电路的输出端，所述电感L1的另一端连接电感L2和隔直电容C2，所述隔直电容C2连通射频信号输出电路(2)的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种电流复用结构的增益放大模块，其特征在于：

还包括输入电感L5和RC负反馈电路；

所述输入电感L5的一端连接射频信号输入电路(1)，所述输入电感L5的另一端连接多级放大电路；

所述多级放大电路的各级放大电路中均设置从漏极到栅极的RC负反馈电路。

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