CN114362689A - 两级宽带高增益低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，包括：第一级放大器，其被配置为通过第一可调节晶体管形成，并且被配置为带退化电感的共源放大器，并且其输出通过第二电感器和第二电容器连接到第二级放大器的输入；第二级放大器，其被配置为通过第二可调节晶体管形成的共源放大器，其中，在所述第一级放大器的输出节点和所述第二级放大器的虚拟地节点之间连接有第一电感器，并且其中，在所述第一级放大器和所述第二级放大器串联连接在同一个电源和接地节点之间，以复用同一个电流。

Description

两级宽带高增益低噪声放大器

技术领域

本公开总体上涉及放大器，特别的，涉及增益可调的宽带高增益低噪声放大器。

背景技术

在传统的低噪声放大器中，利用了输入端的电感电容组件来实现输入端口的阻抗匹配。在对整体的低噪声的要求下，往往需要使用比较高品质因子的电容电感。结果，该低噪声放大器往往工作在窄带。当希望实现宽带宽时，如果增加源极电感，则放大器的增益会减低。因此，在高频下(5G的sub-6GHz频带，例如，N77频带3.3GH-4.2GH)，一般很难在一个合理的功耗下做到整个带宽内20dB的增益。

发明内容

技术问题

对于传统的低噪声放大器，存在增益和带宽的一个折中。在合理功耗的情况下，往往不能在高频频带内实现较高的增益。

解决方案

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，包括：第一级放大器，其被配置为通过第一可调节晶体管形成，并且被配置为带退化电感的共源放大器，并且其输出通过第二电感器和第二电容器连接到第二级放大器的输入；第二级放大器，其被配置为通过第二可调节晶体管形成的共源放大器，其中，在所述第一级放大器的输出节点和所述第二级放大器的虚拟地节点之间连接有第一电感器，并且其中，在所述第一级放大器和所述第二级放大器串联连接在同一个电源和接地节点之间，以复用同一个电流。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在饱和区工作。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管和接地节点之间连接有退化电感，其中，所述退化电感为可调节源极电感器，其中，所述可调节源极电感器是包括两个或更多个电感器以及相应的开关的并联或串联电路的组合电路。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管包括两个或更多个晶体管以及相应的开关的组合电路。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在栅极和漏极之间的存在附加的栅漏电容器，以扩展所述第一级放大器的带宽。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在栅极和源极之间存在附加的栅源电容器。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管包括两个或更多个晶体管以及相应的开关的组合电路。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管被配置为在栅极和漏极之间连接具有可变大小的第一反馈电阻器，用于调整所述第二级放大器的增益。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管还被配置为在其漏极和所述反馈电阻器之间串联有第一反馈电容器。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管还被配置为包括第二电阻器，所述第二电阻器的一端连接到所述第二可调节晶体管的栅极，以用于对所述第二可调节晶体管进行偏置。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二放大器的虚拟地节点和接地节点之间连接有第三电容器。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二级放大器的输出节点与附加的匹配网络和可编程衰减器连接。

根据本公开的实施例提供了一种增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二级放大器的输出节点通过相移器和第一开关连接到所述第一级放大器的输入节点，其中，当需要增益小于0dB时，闭合所述第一开关。

技术效果

本公开通过一个两级的放大器实现高增益，并且利用反馈实现宽带的匹配，实现一个增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器。

附图说明

从以下结合附图的描述中，本公开的特定实施例的上述和其他方面、特征和优点将变得更加明显，其中：

图1示出了传统的低噪声放大器的电路图。

图2示出了根据本公开的实施例的增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器的电路图；

图3示出了根据本公开的替代实施例的可调节源极电感器；以及

图4示出了根据本公开的替代实施例的可调节晶体管。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级可以具有不同的方式。

以下讨论的图1至图4以及用于描述本专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或设备中实施。

图1示出了传统的低噪声放大器的电路图。

在图1中，低噪声放大器包括串联连接的晶体管M1和M2，其中M1的漏极与M2的源极相连。此外，M1的源极通过源极电感器Ls1接地，并且M1的栅极通过栅极电感器Lg连接到输入Vin。另外，M1的栅极和源极之间存在栅源寄生电容或者包括附加的电容器。

晶体管M2的漏极通过漏极电感器Ld连接到电源VDD，并且还作为输出节点输出。此外，输出节点通过输出电容器Cout接地。另外，M2的栅极通过一个电阻器连接到偏置电压Vb2，并且还通过电容器C1接地。

低噪声放大器利用了Ls1、Lg、Cgs和M1来实现输入射频端口的阻抗匹配，并且M2作为级联晶体管减轻了M1晶体管的栅漏寄生电容(未示出)的密勒效应也同时起到了放大器输入输出的隔离作用来提高稳定性。输入输出的匹配的频率位置是由各自输入输出的那些电感器电容器决定。在对整体的低噪声的要求下，电路中使用的电感器和电容器一般具有比较高的品质因子。这样的设计一般是一个窄带设计效果。如果希望实现宽带宽，往往需要电感器Ls的值比较大才行，但是因为电感器Ls是这个共源放大器的源级电感器，这个电感器值越大，放大器的增益就越低。因此，这样一个单级的放大器结构是很难实现既是高增益又是宽带宽的性能。通常对于高频下(5G的sub6GHz频带，例如N77频带3.3GH-4.2GH)一般很难在一个合理的功耗下做到整个带宽内20dB的增益。

图2示出了根据本公开的实施例的增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器的电路图。

在图2中，根据本公开的实施例，放大器为两级结构，因此容易实现高增益。核心的电路结构部分由虚框内所示，第一级放大器由电感器Ls和L1，电容器Cc、Cgs、Cgd和C3以及晶体管M1组成。其中电感器Ls为源极电感器。VB1由模拟偏置电路产生，通过一个电阻器R1给晶体管M1的栅极提供偏置。Cc一般用作隔直电容，也可以在一定条件下参与输入匹配。Cgs是晶体管M1的栅极和源极之间的电容，它可以是晶体管本身的栅源寄生电容，也可以根据需要是设计另加的一个电容。Cgd可以是晶体管本身的栅漏寄生电容，也可以是根据需要设计另加的一个电容。Ls是这级放大器的退化电感并且可以是可变大小的。M1是工作在饱和区的晶体管并且可以是可变大小的。输入Vin一般会串联一个电感器Lg(可以是片内或者片外电感器，也可以只是一根导线)一起组成第一级输入。这个输入和图1所示的传统低噪声放大器类似，可以选取合适的电感电容值及合适的晶体管偏置来实现对应频率点的输入阻抗匹配。第一级放大器的输出是节点N3。

第一级放大器的输出电感是L1。C3可以认为是第一级的电源电容，这里N6节点可以认为是第一级放大器的电源节点。在高频下，由于C3的存在，我们可以把节点N6当成AC地。这样第一级放大器就是一个带退化电感的共源放大器。这里有两个因素可以帮助实现输入的宽带匹配。相较于图1的传统结构，根据本申请的实施例的放大器因为是两级设计，整体增益是A1xA2(A1是第一级增益，A2是第二级增益)，因此对每一级的增益的要求就相对不那么高。因此在这个设计中源极电感器Ls可以选取相对较大的电感值帮助实现宽带的匹配。同时，相较于图1的结构，这个第一级放大器并不是一个共源共栅放大器结构，它并没有级联晶体管。这样Cgd的密勒效应就比较明显，这个密勒效应也帮助了宽带匹配的实现，也就是说，Cgd可以认为是一个负反馈通路，该负反馈通路有利于放大器的带宽拓展。

第二级放大器由电容器C2、Cf、电感器L2、L3、电阻器Rf以及晶体管M2构成。VB2可以由模拟偏置电路产生，通过一个电阻器R2(比较大，例如，其可以是几k或者几十k欧姆或者更大的第一阈值)给晶体管M2的栅极提供偏置。因为C3的存在，节点N6相当于第二级放大器的地，也就是说晶体管M2的源极是接地的，这样晶体管M2和电感器L3形成了一个共源放大器。此外，反馈电阻器Rf通过反馈电容器Cf连接在节点N5和节点N7之间。这相当于增加了一个负反馈通道。此外，第一级放大器的输出节点N3的信号通过电感L2和电容C2连到了晶体管M2的栅极。其中，L2和C2的位置可以交换。由于负反馈的存在，输出实现了宽带匹配。图2所示的电阻器R2左端连接到VB2，右端连接到N5。替代地，电阻器R2的右端可以连接到节点N4或者N8，而不会影响电路的功能和性能。此外，反馈电阻器Rf是可变大小的，因此可以影响第二级放大器的增益，从而影响总增益。另外，根据本公开的另一实施例，反馈电容器Cf和电阻器R2可以不存在，此时，晶体管M2仍可以有偏置。

从图2的结构可以看出，流经两个晶体管的电流是一样的，并且是串联在同一个电源上的。因此，相对于图1的传统的一级放大器结构，根据本公开的实施例的放大器的功耗相当，但是实现了两级放大。

另外，输出节点之外还可以连接匹配网络和可编程衰减器，该可编程衰减器也可以用于调整增益。衰减器可以通过使用开关和一些电阻实现，但本公开的实施例不限于此。此外，电路还可以工作在passive模式，在需要增益小于0dB的时候，可以通过开关K1直接把信号从输入连接到匹配网络和可编程衰减器模块，这个时候虚框内的放大器是关闭状态。

图3示出了根据本公开的替代实施例的可调节源极电感器。

在图3中，示出了可调节源极电感器的具体示例。根据本公开的替代实施例，电感器Ls1和Ls2可以串联，并且开关K2可以与电感器Ls1并联，因此有效电感可以为Ls2或者Ls1+Ls2，但本公开的实施例不限于此。根据本公开的另一替代实施例，电感器Ls1和Ls2可以并联，并且开关K3可以与电感器Ls1串联，因此有效电感可以为Ls2或者Ls1//Ls2，但本公开的实施例不限于此。

图4示出了根据本公开的替代实施例的可调节晶体管。

在图4中，示出了可调节晶体管的具体示例。根据本公开的替代实施例，可调节晶体管M2可以为节点N6和节点N7之间的两个或更多个并联的晶体管，其中每个晶体管与相应的开关相连。也就是说，根据操作情况，可以有至少一个晶体管有效。可调节晶体管M1的结构与M2类似，因此省略相同的描述。

文本和附图仅作为示例提供，以帮助理解本公开。它们不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。尽管已经提供了某些实施例和示例，但是基于本文所公开的内容，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所示的实施例和示例进行改变。

根据本公开的实施例，本公开通过一个两级的放大器结构实现了高增益，并且利用反馈实现宽带的匹配，此外还采用了可调节的器件，从而实现了一个增益可调的两级宽带高增益低噪声放大器。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (13)

1.一种两级宽带高增益低噪声放大器，包括：

第一级放大器，其被配置为通过第一可调节晶体管形成，并且被配置为带退化电感的共源放大器，并且其输出通过第二电感器和第二电容器连接到第二级放大器的输入；

第二级放大器，其被配置为通过第二可调节晶体管形成的共源放大器，

其中，在所述第一级放大器的输出节点和所述第二级放大器的虚拟地节点之间连接有第一电感器，并且

其中，在所述第一级放大器和所述第二级放大器串联连接在同一个电源和接地节点之间，以复用同一个电流。

2.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在饱和区工作。

3.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管和接地节点之间连接有退化电感，其中，所述退化电感为可调节源极电感器，

其中，所述可调节源极电感器是包括两个或更多个电感器以及相应的开关的并联或串联电路的组合电路。

4.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管包括两个或更多个晶体管以及相应的开关的组合电路。

5.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在栅极和漏极之间的存在寄生电容器或者附加的栅漏电容器，以扩展所述第一级放大器的带宽。

6.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第一可调节晶体管被配置为在栅极和源极之间存在寄生电容器或者附加的栅源电容器。

7.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管包括两个或更多个晶体管以及相应的开关的组合电路。

8.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管被配置为在栅极和漏极之间连接具有可变大小的第一反馈电阻器，用于调整所述第二级放大器的增益。

9.根据权利要求8所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管还被配置为在其漏极和所述反馈电阻器之间串联有第一反馈电容器。

10.根据权利要求9所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二可调节晶体管还被配置为包括第二电阻器，所述第二电阻器的一端连接到所述第二可调节晶体管的栅极，以用于对所述第二可调节晶体管进行偏置。

11.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二放大器的虚拟地节点和接地节点之间连接有第三电容器。

12.根据权利要求1所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二级放大器的输出节点与附加的匹配网络和可编程衰减器连接。

13.根据权利要求12所述的两级宽带高增益低噪声放大器，其中，所述第二级放大器的输出节点通过相移器和第一开关连接到所述第一级放大器的输入节点，

其中，当需要增益小于0dB时，闭合所述第一开关。

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