CN114553155B - 一种覆盖基频的超宽带射频放大器 - Google Patents

一种覆盖基频的超宽带射频放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种覆盖基频的超宽带射频放大器，包括输入三工偏置网络、中频放大器、基频放大器、高频放大器和输出三工偏置网络。本发明基于自偏置共源共栅放大技术，结合RLC负反馈技术和同向行波高频放大技术，并利用三工合成结构，能够实现覆盖基频频段到毫米波频段的超宽带功率放大功能，具有较高的增益指标和增益平坦度，并且功耗较低。

Description

一种覆盖基频的超宽带射频放大器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种覆盖基频的超宽带射频放大器。
背景技术
随着超宽带通信和测试仪表装备的快速发展，射频前端接收器也向超宽带、高集成和低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、低功耗、高平坦度的射频与微波放大器芯片，尤其是需要覆盖4个倍频程，包含基频的放大器芯片的设计挑战较大。常见的传统射频与微波超宽带射频放大器芯片的电路结构有很多，现有放大器存在一些设计不足，主要体现在：（1）基于传统RLC负反馈技术，主要依赖电容电阻和电感负反馈结构，通过抑制低频增益，改善高频输出匹配，从而达到拓展带宽的作用，但是这种结构的放大器往往无法覆盖超过2个倍频程，尤其无法覆盖基频频段；（2）基于传统行波放大器结构，电路频带相应宽，但是这种结构的放大器也很难覆盖超过2个倍频程，当覆盖基频频段时平坦度指标极差，甚至无法满足系统要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种覆盖基频的超宽带射频放大器。
本发明的技术方案是：一种覆盖基频的超宽带射频放大器包括输入三工偏置网络、中频放大器、基频放大器、高频放大器和输出三工偏置网络；
输入三工偏置网络的输入端作为超宽带射频放大器的输入端，其第一输出端与中频放大器的第一输入端连接，其第二输出端与基频放大器的输入端连接，其第三输出端与高频放大器的第一输入端连接；
输出三工偏置网络的输出端作为超宽带射频放大器的输出端，其第一输入端与中频放大器的输出端连接，其第二输入端与基频放大器的第一输出端连接，其第三输入端与高频放大器的输出端连接；
中频放大器的第二输入端与基频放大器的第二输出端连接；基频放大器的第三输出端与高频放大器的第二输入端连接。
本发明的有益效果是：本发明基于自偏置共源共栅放大技术，结合RLC负反馈技术和同向行波高频放大技术，并利用三工合成结构，能够实现覆盖基频频段到毫米波频段的超宽带功率放大功能，具有较高的增益指标和增益平坦度，并且功耗较低。
进一步地，输入三工偏置网络包括电阻R1、电容C1、微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4和微带线TL5；
微带线TL1的一端作为输入三工偏置网络的输入端，并与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端分别与栅极供电电压Vg和接地电容C1连接；微带线TL1的另一端作为输出三工偏置网络的第二输出端，并分别与微带线TL2的一端和微带线TL3的一端连接；微带线TL2的另一端作为输入三工偏置网络的第一输出端，并与开路微带线TL4连接；微带线TL3的另一端作为输入三工偏置网络的第三输出端，并与微带线TL5连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，输入三工偏置网络实现覆盖基频到毫米波频段的射频信号的基频、中频和高频的三工分配功能，具有良好的输入驻波匹配功能，电路结构简单。
进一步地，中频放大器包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、晶体管M1和晶体管M2；
电容C2的一端作为中频放大器的第一输入端，其另一端分别与接地电容C3、电感L1的一端和电感L2的一端连接；电感L1的另一端和晶体管M1的栅极连接；晶体管M1的源极接地；晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极接地；晶体管M2的栅极分别与接地电容C4、接地电阻R2和电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端作为中频放大器的输出端，并分别与晶体管M2的漏极和电容C5的一端连接；电容C5的另一端和电阻R4的一端连接；电阻R4的另一端作为中频放大器的第二输入端，并与于电感L2的另一端连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，中频放大器实现中频频段的射频信号的放大功能，其频段典型值为10MHz到1GHz，具有良好的输入和输出驻波匹配，并且具有自偏置结构，供电电路简单。
进一步地，基频放大器包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C6、晶体管M3、晶体管M4和微带线TL6；
微带线TL6的一端作为基频放大器的输入端，其另一端分别与电阻R8的一端、电阻R7的一端和电阻R9的一端连接；电阻R7的另一端和晶体管M3的栅极连接；晶体管M3的源极接地；晶体管M3的漏极和晶体管M4的源极连接；晶体管M4的栅极分别与接地电阻R5、接地电容C6和电阻R6的一端连接；电阻R6的另一端作为基频放大器的第一输出端，并与晶体管M4的漏极连接；电阻R8的另一端作为基频放大器的第二输出端；电阻R9的另一端作为基频放大器的第三输出端。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，基频放大器实现基频频段的模拟信号的放大功能，其频段典型值为100kHz到10MHz，具有良好的输入和输出驻波匹配，并且具有自偏置结构，供电电路简单，并且具备差模信号抑制功能，提高放大器稳定性。
进一步地，高频放大器包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9和晶体管M10；
电容C15的一端作为高频放大器的第一输入端，其另一端作为基频放大器的第二输入端，并分别与电阻R10的一端、电容C8的一端和电感L3的一端连接；电阻R10的另一端分别与电容C8的另一端和晶体管M5的栅极连接；晶体管M5的源极接地；晶体管M6的栅极分别与接地电阻R11、接地电容C7和电阻R12的一端连接；晶体管M6的源极和晶体管M5的漏极连接；晶体管M6的漏极作为高频放大器的输出端，并分别与电阻R12的另一端和电感L8的一端连接；晶体管M7的栅极分别与电容C10的一端和电阻R13的一端连接；晶体管M7的源极接地；晶体管M8的栅极分别与接地电阻R14、接地电容C9和电阻R15的一端连接；电容C10的另一端分别与电阻R13的另一端、电感L3的另一端和电感L4的一端连接；电阻R15的另一端分别与电感L8的另一端、电感L7的一端和晶体管M8的漏极接地；晶体管M9的栅极分别与电容C12的一端和电阻R16的一端连接；晶体管M9的源极接地；晶体管M9的漏极和晶体管M10的源极连接；晶体管M10的栅极分别与接地电阻R17、接地电容C11和电阻R18的一端连接；晶体管M10的漏极分别与电感L7的另一端、电阻R18的另一端和电感L6的一端连接；电感L4的另一端分别与电阻R16的另一端、电容C12的另一端和电感L5的一端连接；电感L5的另一端和电阻R19的一端连接；电阻R19的另一端和接地电容C13连接；电感L6的另一端和电阻R20的一端连接；电阻R20的另一端和接地电容C14连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，高频放大器实现高频频段的射频信号的放大功能，其频段典型值为1GHz到40GHz，具有良好的输入和输出驻波匹配，平坦度较高，并且具有自偏置结构，供电电路简单。
进一步地，输出三工偏置网络包括电阻R21、电阻R22、电容C16、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9、微带线TL10、微带线TL11、微带线TL12、微带线TL13和电感L9；
微带线TL7的一端作为输出三工偏置网络的第一输入端，并与电阻R21的一端连接，其另一端分别与开路微带线TL8和微带线TL9的一端连接；电阻R21的另一端作为输出三工偏置网络的第二输入端，并分别与微带线TL10的一端和电阻R22的一端连接；电阻R22的另一端作为输出三工偏置网络的第三输入端，并与电感L9的一端连接；微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的另一端、微带线TL13的一端和微带线TL11的一端连接；微带线TL11的另一端分别与开路微带线TL12和电感L9的另一端连接；微带线TL13的另一端作为输出三工偏置网络的输出端，并与电感L10的一端连接；电感L10的另一端分别与漏极偏置电源Vd和接地电容C16连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，输出三工偏置网络实现覆盖基频到毫米波频段的射频信号的基频、中频和高频的三工合成功能，具有良好的输出驻波匹配功能，并且具备差模信号抑制功能，提高放大器稳定性，电路结构简单。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种覆盖基频的超宽带射频放大器原理框图；
图2所示为本发明实施例提供的一种覆盖基频的超宽带射频放大器电路图；
图3所示为本发明实施例提供的一种覆盖基频的超宽带射频放大器的频率分配示意图。
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，本发明提供了一种覆盖基频的超宽带射频放大器，包括输入三工偏置网络、中频放大器、基频放大器、高频放大器和输出三工偏置网络；
输入三工偏置网络的输入端作为超宽带射频放大器的输入端，其第一输出端与中频放大器的第一输入端连接，其第二输出端与基频放大器的输入端连接，其第三输出端与高频放大器的第一输入端连接；
输出三工偏置网络的输出端作为超宽带射频放大器的输出端，其第一输入端与中频放大器的输出端连接，其第二输入端与基频放大器的第一输出端连接，其第三输入端与高频放大器的输出端连接；
中频放大器的第二输入端与基频放大器的第二输出端连接；基频放大器的第三输出端与高频放大器的第二输入端连接。
在本发明实施例中，如图2所示，输入三工偏置网络包括电阻R1、电容C1、微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4和微带线TL5；
微带线TL1的一端作为输入三工偏置网络的输入端，并与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端分别与栅极供电电压Vg和接地电容C1连接；微带线TL1的另一端作为输出三工偏置网络的第二输出端，并分别与微带线TL2的一端和微带线TL3的一端连接；微带线TL2的另一端作为输入三工偏置网络的第一输出端，并与开路微带线TL4连接；微带线TL3的另一端作为输入三工偏置网络的第三输出端，并与微带线TL5连接。
在本发明实施例中，如图2所示，中频放大器包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、晶体管M1和晶体管M2；
电容C2的一端作为中频放大器的第一输入端，其另一端分别与接地电容C3、电感L1的一端和电感L2的一端连接；电感L1的另一端和晶体管M1的栅极连接；晶体管M1的源极接地；晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极接地；晶体管M2的栅极分别与接地电容C4、接地电阻R2和电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端作为中频放大器的输出端，并分别与晶体管M2的漏极和电容C5的一端连接；电容C5的另一端和电阻R4的一端连接；电阻R4的另一端作为中频放大器的第二输入端，并与于电感L2的另一端连接。
在本发明实施例中，如图2所示，基频放大器包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C6、晶体管M3、晶体管M4和微带线TL6；
微带线TL6的一端作为基频放大器的输入端，其另一端分别与电阻R8的一端、电阻R7的一端和电阻R9的一端连接；电阻R7的另一端和晶体管M3的栅极连接；晶体管M3的源极接地；晶体管M3的漏极和晶体管M4的源极连接；晶体管M4的栅极分别与接地电阻R5、接地电容C6和电阻R6的一端连接；电阻R6的另一端作为基频放大器的第一输出端，并与晶体管M4的漏极连接；电阻R8的另一端作为基频放大器的第二输出端；电阻R9的另一端作为基频放大器的第三输出端。
在本发明实施例中，如图2所示，高频放大器包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9和晶体管M10；
电容C15的一端作为高频放大器的第一输入端，其另一端作为基频放大器的第二输入端，并分别与电阻R10的一端、电容C8的一端和电感L3的一端连接；电阻R10的另一端分别与电容C8的另一端和晶体管M5的栅极连接；晶体管M5的源极接地；晶体管M6的栅极分别与接地电阻R11、接地电容C7和电阻R12的一端连接；晶体管M6的源极和晶体管M5的漏极连接；晶体管M6的漏极作为高频放大器的输出端，并分别与电阻R12的另一端和电感L8的一端连接；晶体管M7的栅极分别与电容C10的一端和电阻R13的一端连接；晶体管M7的源极接地；晶体管M8的栅极分别与接地电阻R14、接地电容C9和电阻R15的一端连接；电容C10的另一端分别与电阻R13的另一端、电感L3的另一端和电感L4的一端连接；电阻R15的另一端分别与电感L8的另一端、电感L7的一端和晶体管M8的漏极接地；晶体管M9的栅极分别与电容C12的一端和电阻R16的一端连接；晶体管M9的源极接地；晶体管M9的漏极和晶体管M10的源极连接；晶体管M10的栅极分别与接地电阻R17、接地电容C11和电阻R18的一端连接；晶体管M10的漏极分别与电感L7的另一端、电阻R18的另一端和电感L6的一端连接；电感L4的另一端分别与电阻R16的另一端、电容C12的另一端和电感L5的一端连接；电感L5的另一端和电阻R19的一端连接；电阻R19的另一端和接地电容C13连接；电感L6的另一端和电阻R20的一端连接；电阻R20的另一端和接地电容C14连接。
在本发明实施例中，输出三工偏置网络包括电阻R21、电阻R22、电容C16、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9、微带线TL10、微带线TL11、微带线TL12、微带线TL13和电感L9；
微带线TL7的一端作为输出三工偏置网络的第一输入端，并与电阻R21的一端连接，其另一端分别与开路微带线TL8和微带线TL9的一端连接；电阻R21的另一端作为输出三工偏置网络的第二输入端，并分别与微带线TL10的一端和电阻R22的一端连接；电阻R22的另一端作为输出三工偏置网络的第三输入端，并与电感L9的一端连接；微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的另一端、微带线TL13的一端和微带线TL11的一端连接；微带线TL11的另一端分别与开路微带线TL12和电感L9的另一端连接；微带线TL13的另一端作为输出三工偏置网络的输出端，并与电感L10的一端连接；电感L10的另一端分别与漏极偏置电源Vd和接地电容C16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：
射频信号进入输入三工偏置网络进行频率分配，经过输入阻抗匹配后，同时根据输入三工偏置网络的不同适应工作频段而进入输入三工偏置网络的三个输出端，其基频信号进入第二输出端、中频信号进入第一输出端、高频信号进入第三输出端；三路信号分别经过基频放大器、中频放大器和高频放大器的放大后，进入输出三工偏置网络进行频率合成后进入放大器的输出端口。
下面结合图3对本发明的频率分配进行介绍：
基频放大器、中频放大器和高频放大器分别负责放大不同频段的信号，基频放大器处理典型值在DC~1 MHz的信号、中频放大器处理典型值在1~100 MHz的射频信号、高频放大器处理典型值在100~10000 MHz的射频信号，基频、中频和高频信号在频谱上形成叠加，可以使得整个放大器完成覆盖DC~10000 MHz的典型范围。
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 (5)

1.一种覆盖基频的超宽带射频放大器，其特征在于，包括输入三工偏置网络、中频放大器、基频放大器、高频放大器和输出三工偏置网络；
所述输入三工偏置网络的输入端作为超宽带射频放大器的输入端，其第一输出端与中频放大器的第一输入端连接，其第二输出端与基频放大器的输入端连接，其第三输出端与高频放大器的第一输入端连接；
所述输出三工偏置网络的输出端作为超宽带射频放大器的输出端，其第一输入端与中频放大器的输出端连接，其第二输入端与基频放大器的第一输出端连接，其第三输入端与高频放大器的输出端连接；
所述中频放大器的第二输入端与基频放大器的第二输出端连接；所述基频放大器的第三输出端与高频放大器的第二输入端连接；
所述高频放大器包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电感L8、晶体管M5、晶体管M6、晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9和晶体管M10；
所述电容C15的一端作为高频放大器的第一输入端，其另一端作为基频放大器的第二输入端，并分别与电阻R10的一端、电容C8的一端和电感L3的一端连接；所述电阻R10的另一端分别与电容C8的另一端和晶体管M5的栅极连接；所述晶体管M5的源极接地；所述晶体管M6的栅极分别与接地电阻R11、接地电容C7和电阻R12的一端连接；所述晶体管M6的源极和晶体管M5的漏极连接；所述晶体管M6的漏极作为高频放大器的输出端，并分别与电阻R12的另一端和电感L8的一端连接；所述晶体管M7的栅极分别与电容C10的一端和电阻R13的一端连接；所述晶体管M7的源极接地；所述晶体管M8的栅极分别与接地电阻R14、接地电容C9和电阻R15的一端连接；所述电容C10的另一端分别与电阻R13的另一端、电感L3的另一端和电感L4的一端连接；所述电阻R15的另一端分别与电感L8的另一端、电感L7的一端和晶体管M8的漏极接地；所述晶体管M9的栅极分别与电容C12的一端和电阻R16的一端连接；所述晶体管M9的源极接地；所述晶体管M9的漏极和晶体管M10的源极连接；所述晶体管M10的栅极分别与接地电阻R17、接地电容C11和电阻R18的一端连接；所述晶体管M10的漏极分别与电感L7的另一端、电阻R18的另一端和电感L6的一端连接；所述电感L4的另一端分别与电阻R16的另一端、电容C12的另一端和电感L5的一端连接；所述电感L5的另一端和电阻R19的一端连接；所述电阻R19的另一端和接地电容C13连接；所述电感L6的另一端和电阻R20的一端连接；所述电阻R20的另一端和接地电容C14连接。
2.根据权利要求1所述的覆盖基频的超宽带射频放大器，其特征在于，所述输入三工偏置网络包括电阻R1、电容C1、微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4和微带线TL5；
所述微带线TL1的一端作为输入三工偏置网络的输入端，并与电阻R1的一端连接；所述电阻R1的另一端分别与栅极供电电压Vg和接地电容C1连接；所述微带线TL1的另一端作为输入三工偏置网络的第二输出端，并分别与微带线TL2的一端和微带线TL3的一端连接；所述微带线TL2的另一端作为输入三工偏置网络的第一输出端，并与开路微带线TL4连接；所述微带线TL3的另一端作为输入三工偏置网络的第三输出端，并与微带线TL5连接。
3.根据权利要求1所述的覆盖基频的超宽带射频放大器，其特征在于，所述中频放大器包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、晶体管M1和晶体管M2；
所述电容C2的一端作为中频放大器的第一输入端，其另一端分别与接地电容C3、电感L1的一端和电感L2的一端连接；所述电感L1的另一端和晶体管M1的栅极连接；所述晶体管M1的源极接地；所述晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极连接；所述晶体管M2的栅极分别与接地电容C4、接地电阻R2和电阻R3的一端连接；所述电阻R3的另一端作为中频放大器的输出端，并分别与晶体管M2的漏极和电容C5的一端连接；所述电容C5的另一端和电阻R4的一端连接；所述电阻R4的另一端作为中频放大器的第二输入端，并与于电感L2的另一端连接。
4.根据权利要求1所述的覆盖基频的超宽带射频放大器，其特征在于，所述基频放大器包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C6、晶体管M3、晶体管M4和微带线TL6；
所述微带线TL6的一端作为基频放大器的输入端，其另一端分别与电阻R8的一端、电阻R7的一端和电阻R9的一端连接；所述电阻R7的另一端和晶体管M3的栅极连接；所述晶体管M3的源极接地；所述晶体管M3的漏极和晶体管M4的源极连接；所述晶体管M4的栅极分别与接地电阻R5、接地电容C6和电阻R6的一端连接；所述电阻R6的另一端作为基频放大器的第一输出端，并与晶体管M4的漏极连接；所述电阻R8的另一端作为基频放大器的第二输出端；所述电阻R9的另一端作为基频放大器的第三输出端。
5.根据权利要求1所述的覆盖基频的超宽带射频放大器，其特征在于，所述输出三工偏置网络包括电阻R21、电阻R22、电容C16、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9、微带线TL10、微带线TL11、微带线TL12、微带线TL13和电感L9；
所述微带线TL7的一端作为输出三工偏置网络的第一输入端，并与电阻R21的一端连接，其另一端分别与开路微带线TL8和微带线TL9的一端连接；所述电阻R21的另一端作为输出三工偏置网络的第二输入端，并分别与微带线TL10的一端和电阻R22的一端连接；所述电阻R22的另一端作为输出三工偏置网络的第三输入端，并与电感L9的一端连接；所述微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的另一端、微带线TL13的一端和微带线TL11的一端连接；所述微带线TL11的另一端分别与开路微带线TL12和电感L9的另一端连接；所述微带线TL13的另一端作为输出三工偏置网络的输出端，并与电感L10的一端连接；所述电感L10的另一端分别与漏极偏置电源Vd和接地电容C16连接。
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