CN114793094B - 一种可调增益低噪声放大器和接收机 - Google Patents

一种可调增益低噪声放大器和接收机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调增益低噪声放大器和接收机，包括输入级匹配电路、放大电路及输出级匹配电路；所述输入级匹配电路，用于实现信号输入端与放大电路之间的阻抗匹配，并向放大电路传输射频信号；所述放大电路，包括第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路，通过三级放大电路的匹配电路分别在不同频率范围内进行错峰增益补偿，实现宽带增益，并将放大处理后的信号输入输出级匹配电路；该放大电路中还包括分流支路，通过调节电路的增益实现电路线性度的可调；所述输出级匹配电路，用于实现所述放大电路的输出端与信号输出端之间的阻抗匹配。该低噪声放大器通过调节增益，解决当输入信号功率较大，要求更高线性度的问题。

Description

一种可调增益低噪声放大器和接收机
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种可调增益低噪声放大器和接收机。
背景技术
随着毫米波5G通讯技术的发展，为满足工业界的高集成、高性能、高速度通讯等需求，超宽带收发机将在未来的无线通信收发机中发挥越来越重要的作用。低噪声放大器是收发机中非常关键的模块，是接收机的前级电路，其主要功能是接收来自天线的无线电信号并将其放大。
由于低噪声放大器的性能好坏会直接影响到整个接收机的工作性能，因此，如何实现宽频带和低噪声的放大器是本领域的重点研究问题。同时，当系统工作在离信号源很近的地方的情况下，射频信号的信号会比较强，同时输入信号的功率会很大。对线性度的要求会变高，需要考虑接收机是否会饱和不工作的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种可调增益低噪声放大器和接收机，在宽带内实现较低的噪声和较高的增益，并实现较宽的压缩点可调范围，能解决现有放大器无法兼具宽频带、低噪声和高增益的问题和线性度较差的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种可调增益低噪声放大器，包括输入级匹配电路、放大电路及输出级匹配电路；
所述输入级匹配电路，用于实现射频信号输入端与放大电路之间的阻抗匹配，并向放大电路传输射频信号；
所述放大电路，包括第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路，所述第二级放大电路及第三级放大电路均包括分流支路，调节分流支路的增益实现电路线性度的可调；
所述输出级匹配电路，用于实现所述放大电路的输出端与信号输出端之间的阻抗匹配；
所述放大电路通过设置不同结构的匹配电路，使得第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路的增益在不同频率范围内，以错峰增益补偿实现超宽带增益。
进一步，所述输入级匹配电路包括第一电容、第二电容、第一电感及第二电感，所述第一电感与第二电感存在耦合，所述第一电容的一端为射频信号输入端，其另一端分别与第二电容的一端，第一电感的一端及第二电感的一端连接，所述第二电容的另一端接地，第一电感的另一端连接电源偏置，第二电感的另一端与放大电路连接。
进一步，所述输入级匹配电路还包括衰减器，用于提高放大器的线性度。
进一步，所述衰减器包括第三电容及第三晶体管，所述第三电容的一端分别与第三晶体管的栅极及第二电感的另一端连接，所述第三晶体管的漏极与第三电容的另一端连接，所述第三晶体管的源极连接至控制电源。
进一步，所述输出级匹配电路包括第三电阻、第六电容、第七电容、第九电感、第十电感、第十一电感及第十二电感，所述第十一电感及第十二电感构成变压器，第九电感的一端与第十三晶体管的漏极、第十五晶体管的漏极相连，第九电感的另一端与第十电感、第三电阻、第六电容的一端相连，第十电感与第三电阻的另一端连接至电源电压，第六电容的另一端与第十一电感的一端连接，第十一电感的另一端接地，第七电容并联在第十二电感上，第十二电感与第七电容的两端为射频信号输出端。
进一步，所述第一级放大电路包括第一晶体管、第二晶体管及第一级间匹配电路，所述第一级间匹配电路包括第四电感、第五电感、第六电感、第四电容及第五电容。
进一步，所述第二级放大电路包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管及第十一晶体管，上述晶体管分四路采用共源共栅结构连接，第四晶体管与第五晶体管构成一路，第六晶体管与第七晶体管构成二路，第八晶体管与第九晶体管构成三路，第十晶体管与第十一晶体管构成四路，所述二路、三路及四路构成分流支路。
进一步，所述第二级放大电路还包括第二级间匹配电路，所述第二级间匹配电路包括变压器及第二电阻，所述变压器包括第七电感及第八电感，所述第二电阻并联在第八电感的两端，第七电感的一端连接共源共栅结构的漏极，其另一端连接电源电压。
进一步，所述第三级放大电路包括第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管及第十五晶体管，上述晶体管分两路采用共源共栅结构连接，所述第十四晶体管及第十五晶体管构成第三级放大电路的分流支路。
一种接收机，包括所述的可调增益低噪声放大器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
上述低噪声放大器，采用超宽带匹配网络，并通过第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路采用结构不同的匹配电路，使得增益分别在不同频率范围内，以错峰增益补偿实现宽频带、低噪声和高增益。
同时通过在第二第三级放大电路上设置分流支路来调节电路的增益，解决当输入信号功率较大，要求更高线性度的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中低噪声放大电路的结构示意图；
图2为本发明实施例中S参数与噪声系数的仿真效果图；
图3为本发明实施例中不同状态下增益的仿真效果图。
图4为本发明实施例中不同状态下1dB压缩点的仿真效果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
参照图1是本申请实施例提供的一种CMOS超宽带可调增益低噪声放大器的结构示意图。一种可调增益低噪声放大器，该低噪声放大器包括输入级匹配电路、放大电路、输出级匹配电路。其中，射频信号输入端用图1中的IN表示，射频信号输出端用图1中的OUT表示，电源偏置电压用图1中Vg表示，电源电压用图1中VDD表示，控制电源用图1中Vc表示。
所述输入级匹配电路，用于实现信号输入端与放大电路之间的阻抗匹配，并向放大电路传输射频信号。
具体地，所述输入级匹配电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1及第二电感L2。所述第一电感L1与第二电感L2存在弱耦合k1。射频信号输入端从第一电容C1的一端进入。所述第一电容C1的另一端连接至第二电容C2的一端、第一电感L1的一端与第二电感L2的一端，第二电容C 2的另一端接地，第一电感L 1的另一端连接至电源偏置电压Vg。
需要说明的是：第一电容C1用于隔离直流与交流信号。第二电容C2与第二电感L2构成LC匹配网络，同时第一晶体管M1的寄生电容可与第一电感L2组成第二个LC匹配网络。第一电感L1与第二电感L2之间的耦合系数k1可以控制两个LC匹配网络极点的位置，使其分别在高频与低频实现较好的阻抗匹配，得以实现超宽带匹配电路。
一般情况下，频率越高噪声越大，将噪声匹配的阻抗点设置在高频处，可以实现较好的噪声匹配电路。
进一步，为了更好提高电路的线性度，所述输入级匹配电路还包括由第三电容C3与第三晶体管M3构成的衰减器。第三电容C3的一端分别与第三晶体管M3的栅极及第一晶体管M1的栅极相连。第三电容C3的另一端与第三晶体管M3的漏极相连。第三晶体管M3的源极接至控制电源Vc。
工作过程为：
当控制电源电压为零时，第三晶体管M3不导通，此时第三电容C3处的阻抗很大，对电路基本没有影响；
当控制电源通电时，第三晶体管M3导通开始工作，第一晶体管M1的栅极处的电压被分压，第一级放大电路上的工作电流减小，得以降低增益以提高电路的线性度。
所述放大电路，包括三级放大电路，所述三级放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路，用于对信号进行放大处理，并向输出级匹配电路传递信号。该放大电路通过对电路电流进行调节，实现电路线性度的提高。同时，通过三级放大电路分别在不同频率范围内的错峰增益补偿，实现宽频带的低噪声放大电路。
具体地，第一级放大电路采用共源共栅结构，包括第一晶体管M1和第二晶体管M2。所述第一晶体管M1的栅极与第二电感L2的另一端连接，第一晶体管M1的源极通过第三电感L3接地。第三电感L3采用源退化反馈技术，可以拓宽带宽的同时降低噪声。
在本实施例中，所述第一级放大电路还包括由第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第四电容C4及第五电容C5构成的第一级间匹配电路。所述第二晶体管M2的漏极与第四电感L4的一端连接，所述第二晶体管M2的栅极连接VDD，第四电感L4的另一端与第五电感L5的一端连接，第五电感L5的另一端连接至电源电压。第六电感L6的一端分别与第五电感L5与第六电感L6连接，第六电感L6的另一端与第四电容C4的一端相连。第四电容C4的另一端分别与第五电容C5的一端和第二级放大电路相连，所述第五电容C5的另一端接地。第四电感L4与第五电感L5之间存在耦合k2，可减少第一级放大电路的负载阻抗以提升第一级放大电路的线性度和减少电路版图面积。第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6及第五电容C5构成二阶匹配网络，第一级放大电路工作实现较宽的工作频带。
所述第二级放大电路包括第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10及第十一晶体管M11，上述晶体管分四路采用共源共栅结构连接，通过调节分流支路的增益实现电路线性度的可调。
具体地：上述晶体管分为四路，分别为：第四晶体管M4与第五晶体管M5构成一路，第六晶体管M6与第七晶体管M7构成二路，第八晶体管M8与第九晶体管M9构成三路，第十晶体管M10与第十一晶体管M11构成四路，所述二路、三路及四路构成分流支路。
进一步，第二级放大电路还包括第二级间匹配电路，所述第二级间匹配电路包括变压器及第二电阻R2，所述变压器包括第七电感L7及第八电感L8，用于匹配第二与第三级放大电路。第七电感及第八电感存在耦合k3。
所述第二级放大电路具体连接为：
所述第四晶体管M4的源极与第五晶体管M5的漏极连接，所述第六晶体管M6的源极与第七晶体管M7的漏极连接，所述第八晶体管M8的源极与第九晶体管M9的漏极连接，所述第十晶体管M10的源极与第十一晶体管M11的漏极连接；所述第五晶体管M5的栅极连接电源电压VDD，所述第七晶体管M7、第九晶体管M9和第十一晶体管M11的栅极分别与V1、V2及V3连接。所述第五晶体管M5、第七晶体管M7、第九晶体管M9及第十一晶体管M11的漏极与第七电感L7的一端连接，所述第七电感L7的另一端与电源电压连接。
所述第四晶体管M4的栅极、第六晶体管M6的栅极、第八晶体管M8的栅极及第十晶体管M10的栅极连接于第四电容C4及第五电容C5之间。所述第四晶体管M4的源极、第六晶体管M6的源极、第八晶体管M8的源极及第十晶体管M10的源极接地。
电源偏置电压通过第一电阻R1连接至共源晶体管的栅极。第四电容C4为隔直电容，使得第一级放大电路的电源电压与第二级放大电路的偏置电压之间不受影响。通过控制第五晶体管M5、第七晶体管M7、第九晶体管M9和第十一晶体管M11栅极电压的开关可以控制四路晶体管的工作状态，使得第二级放大电路的工作电流改变，从而改变电路整体的增益。通过调整第四晶体管M4、第六晶体管M6、第八晶体管M8及第十晶体管M10的沟道长宽比使得每开关一路晶体管时增益变化6dB。从而通过4路晶体管实现四个状态的增益变化，这时电路的线性度得以提升。
所述第五晶体管M5栅极连接电源电压VDD，第七晶体管M7的栅极连接电压V1，第九晶体管M9的栅极连接电压V2，第十一晶体管M11的栅极连接电压V3。
本实施例中五个状态是通过控制分流支路的开或关实现，例如0000是四路分流支路都关掉，0011是两路开两路关。
所述第二电阻R2并联接在第八电感L8的两端，用于降低第八电感的Q值，调整增益峰值的大小。第七电感L7的一端接至共栅晶体管的漏极，另一端接至电源电压，给第二级放大电路提供工作电源。第七电感L7和第八电感L8组成的变压器可与晶体管的容性阻抗和第三级放大电路的输入阻抗产生两个极点，使得第二级放大电路的带宽拓宽。
第三级放大电路包括第十二晶体管M12、第十三晶体管M13、第十四晶体管M14及第十五晶体管M15，分两路采用共源共栅结构连接，用于调节电路的增益及线性度。
第十四晶体管及第十五晶体管构成分流支路。
所述第十二晶体管M12及第十三晶体管M13构成一路，第十四晶体管M 14及第十五晶体管M15构成另外一路。
所述第十二晶体管的栅极及第十四晶体管M14的栅极与第二电阻R2连接。
所述第十三晶体管M13的栅极连接VDD，第十五晶体管的栅极连接电压V4。
第十二晶体管M12、第十四晶体管M14的栅极与第八电感L8的一端相连接。第八电感L8的另一端接至电源偏置。两路晶体管的工作原理与第二级放大电路中的四路晶体管工作原理类似，通过开关第十三晶体管M13和第十五晶体管M15控制电路的增益。通过调整第十三晶体管M13、第十五晶体管M15的沟道长宽比使得每开关一路晶体管时增益变化6dB。考虑到多级级联电路的非线性公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中A IP3， A IP3，1 ，A IP3，2 ，A IP3，3 分别表示整体，第一级，第二级，第三级的输入IP3点，a1，b1分别表示第一级，第二级放大电路的增益。可见前级增益对整体线性度的影响更大。考虑到第一级放大电路对噪声的影响更大，第二级放大电路对噪声的影响相对小很多，因此在第二级放大电路中设置四路晶体管，在第三级放大电路中设置两路。配合使用输入匹配电路中的衰减器，线性度可以实现更高的提升效果。第二级放大电路和第三级放大电路共组成了5个状态的增益变化。
输出级匹配电路，用于实现所述放大电路的输出端与信号输出端之间的阻抗匹配。
所述输出级匹配电路包括第三电阻R3、第六电容C6、第七电容C7、第九电感L9、第十电感L10及变压器，所述第十一电感L11与第十二电感L12构成变压器。第九电感L9的一端与第十三晶体管M13、第十五晶体管M15的漏极相连，另一端与第十电感L10、第三电阻R3、第六电容C6的一端相连。第三电阻R3用于降低第十电感的Q值，实现更好的匹配效果。第十电感L10与第三电阻R3的另一端连接至电源电压。第六电容C6的另一端接至第十一电感L11，第十一电感L11的另一端接地。第七电容C7并联在第十二电感L12上。第十二电感L12与第七电容C7的两端为射频信号输出端。第十一电感L11与第十二电感L12组成的巴伦用于单端信号转换为差分信号，配合接收机系统中低噪声放大器后面的移相器输入。
本实施例实现宽带增益效果具体过程如下：通过第一级放大电路中的第一级间匹配的电路，使得第一级放大电路在低频上实现较高的增益；通过第二级放大电路中的第二级间匹配电路，使得第二级放大电路在高频上实现较高的增益；通过输出级匹配电路，第三级放大电路在中频上实现较高的增益。三级放大电路的增益错峰补偿，总体实现宽带增益效果。
本实施例中存在四处耦合，分别是第一电感L1与第二电感L2之间存在弱耦合，其耦合系数k1；第四电感L4与第五电感L5之间存在耦合，其耦合系数k2；第七电感L7与第八电感L8之间存在耦合，其耦合系数k3；第十一电感L11与第十二电感L12存在耦合，其耦合系数k4。
所述弱耦合系数在0.1-0.2之间。
参照图2，图2是本申请实施例提供的一种低噪声放大器的S参数与噪声系数随频率变化的实验结果图。从图2中可以看到，上述的低噪声放大器能够实现较高的带宽、增益以及增益平坦性。在频率22-44GHz变化范围内小信号增益（S21）均大于18dB，且增益平坦度在±0.5dB内。同时输入端回波损耗（S11）在频率22-44GHz变化范围内小于-10dB，输出端回波损耗（S22）由于考虑的是与移相器的匹配，并不是匹配到100Ω的阻抗上，在频率22-44GHz变化范围内小于-5dB。在频率22—44GHz变化范围内噪声系数（NF）均小于3.6dB。
参照图3，图4是本申请实施例提供的一种低噪声放大器的增益和输入1dB压缩点（IP1dB）随系统工作状态变化的实验结果图。本实例中设置了5个不同的变化状态（（1111），（1110），（1100），（1000），（0000）），每一状态的增益变化状态是6dB，共实现24dB的增益变化。其中，（1111）表示电压V1、V2、V3、V4为高电平，电压Vc为低电平，这时四路分流支路的晶体管处在工作状态；（1110）表示电压V2、V3、V4为高电平，电压V1为低电平，这时，第七晶体管M7为关状态；（1100）表示电压V3、V4为高电平，电压V1、V2为低电平，电压Vc保持不变，这时，第七晶体管M7、第九晶体管M9为关状态；（1100）表示电压V4为高电平，电压V1、电压V2、电压V3为低电平，这时，第七晶体管M7、第九晶体管M9、第十一晶体管M11为关状态；（0000）表示电压V1、V2、V3、V4为低电平，电压Vc从低电平变为高电平，这时，第七晶体管M7、第九晶体管M9、第十一晶体管M11、第十五晶体管M15为关状态，输入匹配电路的衰减器开启。
从图4可以看出，IP1dB可从状态（1111）的-20dBm变化到状态（0000）的-5dBm，共实现15dB的IP1dB的变化范围。
综上所述，本申请实施例提供的低噪声放大电路，能够在频段22-44GHz内实现较低的噪声和较高的增益，解决现有的低噪声放大器无法兼具宽频带、低噪声和高增益的问题。同时本低噪声放大器通过调节增益，解决当输入信号功率较大，要求更高线性度的问题。
此外，本申请实施例还提供了一种接收机，包括上述任一实施例提供的超宽带可调增益低噪声放大器。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调增益低噪声放大器，其特征在于，包括输入级匹配电路、放大电路及输出级匹配电路；
所述输入级匹配电路，用于实现射频信号输入端与放大电路之间的阻抗匹配，并向放大电路传输射频信号；
所述放大电路，包括第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路，所述第二级放大电路及第三级放大电路均包括分流支路，调节分流支路的增益实现电路线性度的可调；
所述输出级匹配电路，用于实现所述放大电路的输出端与射频信号输出端之间的阻抗匹配；
所述放大电路通过设置不同结构的匹配电路，使得第一级放大电路、第二级放大电路及第三级放大电路的增益在不同频率范围内，以错峰增益补偿实现超宽带增益；
所述输入级匹配电路还包括衰减器，通过减小第一级放大电路上的工作电流，进一步降低增益提高放大器的线性度；
所述第二级放大电路包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管及第十一晶体管，上述晶体管分四路采用共源共栅结构连接，第四晶体管与第五晶体管构成一路，第六晶体管与第七晶体管构成二路，第八晶体管与第九晶体管构成三路，第十晶体管与第十一晶体管构成四路，所述二路、三路及四路构成分流支路；
所述第三级放大电路包括第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管及第十五晶体管，上述晶体管分两路采用共源共栅结构连接，所述第十四晶体管及第十五晶体管构成第三级放大电路的分流支路。
2.根据权利要求1所述的可调增益低噪声放大器，其特征在于，所述输入级匹配电路包括第一电容、第二电容、第一电感及第二电感，所述第一电感与第二电感存在耦合，所述第一电容的一端为射频信号输入端，其另一端分别与第二电容的一端、第一电感的一端及第二电感的一端连接，所述第二电容的另一端接地，第一电感的另一端连接电源偏置，第二电感的另一端与第一级放大电路连接。
3.根据权利要求2所述的可调增益低噪声放大器，其特征在于，所述衰减器包括第三电容及第三晶体管，所述第三电容的一端分别与第三晶体管的栅极及第二电感的另一端连接，所述第三晶体管的漏极与第三电容的另一端连接，所述第三晶体管的源极连接至控制电源。
4.根据权利要求1所述的可调增益低噪声放大器，其特征在于，所述输出级匹配电路包括第三电阻、第六电容、第七电容、第九电感、第十电感、第十一电感及第十二电感，所述第十一电感及第十二电感构成变压器，第九电感的一端与第十三晶体管的漏极、第十五晶体管的漏极相连，第九电感的另一端与第十电感、第三电阻、第六电容的一端相连，第十电感与第三电阻的另一端连接至电源电压，第六电容的另一端与第十一电感的一端连接，第十一电感的另一端接地，第七电容并联在第十二电感的两端，第十二电感与第七电容的两端为射频信号输出端。
5.根据权利要求1所述的可调增益低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路包括第一晶体管、第二晶体管及第一级间匹配电路，所述第一级间匹配电路包括第四电感、第五电感、第六电感、第四电容及第五电容。
6.根据权利要求1所述的可调增益低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路还包括第二级间匹配电路，所述第二级间匹配电路包括变压器及第二电阻，所述变压器包括第七电感及第八电感，所述第二电阻并联在第八电感的两端，第七电感的一端连接到第二级放大电路中的共源共栅结构的漏极，其另一端连接电源电压。
7.一种接收机，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的可调增益低噪声放大器。
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