CN114978051B - 一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器，其包括第一级放大电路、第二级放大电路、输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路和电流复用电路；所述第一级放大电路中包括第一增强型晶体管、第一栅漏负反馈网络、第一偏置网络和第一源极负反馈网络；所述第二级放大电路中包括第二增强型晶体管、第二栅漏负反馈网络、第二偏置网络和第二源极负反馈网络；所述电流复用电路将第二增强型晶体管源极电压分压至第一偏置网络及第一增强型晶体管的漏极，从而将第二增强型晶体管的部分电流复用至第一增强型晶体管。

Description

一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其涉及一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器。
背景技术
在射频微波通信系统中，低噪声放大器是接收端的第一个有源电路，因此，低噪声放大器的参数性能对射频接收链路起着非常关键的作用。为了获得足够高的增益，接收链路中的低噪声放大器通常会选用级联结构，但是，级数的增加带来了总电流的升高，并且增大了系统功耗和运行成本。
为了降低总电流，现有技术中一种电流复用低噪声放大器的电路结构，如图1所示。MOS晶体管Min1电流通过电感L101从MOS晶体管Mo1源极引出，第一级放大器的电流完全复用在第二级中，有效地降低了放大器整体功耗。但是该结构第二级电流和第一级电流完全相同。实际应用中，往往需要对第一级和第二级器件的电流进行分别调整，增大第二级晶体管的尺寸和电流，减少第一级器件电流，以提高整体放大器的线性度。图1所示结构中的第二级器件电流受制于第一级器件电流，不利于第二级器件电流的单独优化，限制了芯片性能的提高；同时，图1所示结构中，MOS晶体管Min1、MOS晶体管Mo1的栅压直接从Vdd引入，栅压对温度、工艺、电感电压比较敏感，不利于芯片稳定工作。
现有技术中另一种电流复用低噪声放大器的电路结构如附图2所示，基于耗尽型晶体管M1和耗尽型晶体管M2实现。耗尽型晶体管M2的一部分电流被耗尽型晶体管M1复用，耗尽型晶体管M2通过源极电阻负反馈和栅极直流接地实现自偏置；晶体管M2源极电压分压后给晶体管M1栅极供电，结合晶体管M1源极负反馈电阻实现晶体管M1的供电。这种结构简化了偏置电路，也降低了芯片电流对外界环境的敏感度。但是其缺陷是晶体管M1的源极自偏置需要使用源极电阻来实现，这种结构影响了芯片的噪声系数、增益，也增加了功率的额外消耗。
由此可见，需要研究能够对放大器不同级电流单独调整的电流复用的低噪声放大器，并能保持电路低噪声系数、高增益特性。
发明内容
本发明所要实现的技术目的在于提供一种电流复用低噪声放大器，其能够对复用电流进行调节，从而使低噪声放大器获得较好的线性度和输出功率；同时能够进一步降低噪声系数、提高电路增益。
基于上述技术目的，本发明提供一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器，利用了增强型晶体管较耗尽型晶体管更优异的噪声特性，实现了增强型晶体管所要求的正值栅压，最终放大器获得了良好的噪声、增益、功率特性。所述电流复用低噪声放大器包括第一级放大电路、第二级放大电路、输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路和电流复用电路；
所述第一级放大电路中包括第一增强型晶体管、第一栅漏负反馈网络、第一偏置网络和第一源极负反馈网络；所述输入匹配电路连接于第一增强型晶体管的栅极；所述第一栅漏负反馈网络跨接于第一增强型晶体管的栅极与漏极之间；所述第一偏置网络连接在电流复用电路与第一增强型晶体管的栅极之间，从而将电流复用电路所提供的电压分压至第一增强型晶体管的栅极；所述第一源极负反馈网络连接于所述第一增强型晶体管的源极与地之间；
所述第二级放大电路中包括第二增强型晶体管、第二栅漏负反馈网络、第二偏置网络和第二源极负反馈网络；所述输出匹配电路连接于第二增强型晶体管的漏极；所述第二栅漏负反馈网络跨接于第二增强型晶体管的栅极与漏极之间；所述第二偏置网络连接在第二增强型晶体管的栅极和漏极之间，从而将电源电压分压至第二增强型晶体管的栅极；所述第二源极负反馈网络连接于所述第二增强型晶体管的源极与地之间；
所述电流复用电路将第二增强型晶体管源极电压分压至第一偏置网络及第一增强型晶体管的漏极，从而将第二增强型晶体管的部分电流复用至第一增强型晶体管；
所述第二源极负反馈网络在第二增强型晶体管的源极处形成源极负反馈结构，用来稳定第二增强型晶体管的源极电压；
所述第一增强型晶体管的漏极与第二增强型晶体管的栅极之间通过级间匹配电路连接。
在一个实施例中，所述第一栅漏负反馈网络包括第一电容和第一电阻，其中所述第一电容的第一端与第一电阻的第一端串联连接，所述第一电容的第二端连接于第一增强型晶体管的漏极，所述第一电阻的第二端连接于第一增强型晶体管的栅极。
在一个实施例中，所述第一偏置网络包括有第二电阻和第三电阻；其中，所述第二电阻的第一端与第三电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地连接，所述第三电阻的第二端接入电流复用电路；同时所述第二电阻的第一端还连接于第一增强型晶体管的栅极。
在一个实施例中，所述第一源极负反馈网络还包括第一电感，其中所述的第一电感的第一端与第一增强型晶体管的源极相连接，第一电感的第二端接地。
在一个实施例中，所述第二栅漏负反馈网络包括第四电阻和第二电容，其中所述第四电阻的第一端与所述第二电容的第一端串联连接，且同时所述第四电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的栅极，所述第二电容的第二端连接于第二增强型晶体管的漏极。
在一个实施例中，所述第二偏置网络包括第五电阻和第六电阻，其中所述第五电阻的第一端与第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端接地连接，所述第六电阻第二端连接于第二增强型晶体管的漏极。
在一个实施例中，所述第二源极负反馈网络包括第七电阻、第八电阻和第三电容；其中，所述第七电阻的第一端与第八电阻的第一端串联连接，所述第七电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的源极，所述第八电阻的第二端接地。同时第三电容的第一端连接于第八电阻的第一端，第三电容的第二端连接于第八电阻的第二端，所述第三电容与第八电阻并联。
在一个实施例中，所述电流复用电路包括第九电阻、第四电容和隔离电感网络，其中所述第九电阻的第一端与所述第四电容的第一端串联连接，所述第九电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的源极，所述第四电容的第二端接地；所述隔离电感网络同时连接在第一增强型晶体管的漏极、第一偏置网络和第九电阻的第一端之间，以隔离从第二增强型晶体管的源极分压至第一增强型晶体管的栅极和漏极电压的交流分量。
在一个实施例中，所述隔离电感网络包括第二电感、第三电感和第四电感，所述第二电感的第一端连接于第一增强型晶体管的漏极，所述第三电感的第一端连接于所述第一偏置网络中的所述第三电阻的第二端；所述第二电感的第二端与所述第三电感的第二端连接；所述第四电感的第一端与第九电阻的第一端连接，所述第四电感的第二端与第二电感的第二端连接。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例所记载的本发明的发明点包括：
1.提出了基于增强型晶体管的部分电流复用的低噪声放大器结构。第二增强型晶体管的源极所连接的带电阻的负反馈网络，起到稳定电流的作用，降低了对工艺以及外界环境的敏感度；
2.第二增强型晶体管的源极电压供电给第一增强型晶体管，实现了对第一增强型晶体管的单电源馈电和部分电流复用，从而能够对第二级器件电流进行单独调节，提升了放大器线性度和输出功率；第一增强型晶体源极不再需要反馈电阻，进一步提高了放大器的噪声性能和增益。其性能曲线如图5、图6和图7所示。
上述发明点贯穿于本发明技术方案，同时本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中的一种电流复用低噪声放大器的电路结构示意图；
图2是现有技术中的另一种电流复用低噪声放大器的电路结构示意图；
图3是本发明中的电流复用低噪声放大器的结构示意图；
图4是本发明中的电流复用低噪声放大器的电路结构示意图；
图5是本发明中的电流复用低噪声放大器的噪声系数曲线；
图6是本发明中的电流复用低噪声放大器的增益曲线；
图7是本发明中的电流复用低噪声放大器的功率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本发明使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。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。
本发明中对于电阻、电容或电感的第一端和第二端的描述仅为了区分该器件的两个连接端，以便于描述该器件与其他器件的连接关系，其并不特定地指定电阻、电容或电感在实际情况下的某一端。本领域技术人员应当知晓在实际电路构建时，电阻、电容或电感在实际器件中的任何一端均可定义为第一端，同时当第一端被定义时，器件的另一端自动被定为第二端。
本发明中对各种部件进行描述时，所使用的“第一”、“第二”、“第三”……的描述方式仅为了区分各个部件，仅为了表达各个部件之间互不相同的关系。上述所使用的描述方式本身不包含任何对部件之间关联的隐含意义。例如，当仅出现“第一”和“第三”的描述时，不意味着二者之间还存在“第二”，这里对“第一”和“第三”的描述仅意味着存在两个不同的独立部件。
贯穿本发明中提供的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。
在本发明中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。
实施例
如图3和图4所示的本实施例的基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器，所述低噪声放大器包括第一级放大电路1、第二级放大电路2、输入匹配电路3、输出匹配电路4、级间匹配电路5和电流复用电路6。
其中，所述第一级放大电路1中包括第一增强型晶体管10、第一栅漏负反馈网络11、第一偏置网络12、第一源极负反馈网络13。所述第一栅漏负反馈网络11跨接于第一增强型晶体管10的栅极与漏极之间。所述第一偏置网络12经电流复用电路6后也跨接于第一增强型晶体管10的栅极与漏极之间。所述输入匹配电路3连接于第一增强型晶体管10的栅极，所述第一增强型晶体管10的源极连接第一源极负反馈网络13后接地。
所述第二级放大电路2包括第二增强型晶体管20、第二栅漏负反馈网络21、第二偏置网络22、第二源极负反馈网络23。所述第二栅漏负反馈网络21跨接于第二增强型晶体管20的栅极与漏极之间。所述第二偏置网络22也跨接于第二增强型晶体管20的栅极与漏极之间。所述输出匹配电路4连接于第二增强型晶体管20的漏极。所述第二增强型晶体管20的栅极与第一增强型晶体管10的漏极之间通过级间匹配电路5连接。所述第二增强型晶体管20的源极连接于第二源极负反馈网络23后接地。
如图4所示本实施例的电流复用低噪声放大器的电路结构图，所述第一栅漏负反馈网络11包括第一电容111和第一电阻112，其中所述第一电容111的第一端与第一电阻112的第一端串联连接，且同时所述第一电容111的第二端连接于第一增强型晶体管10的漏极，所述第一电阻112的第二端连接于第一增强型晶体管10的栅极。第一栅漏负反馈网络11的作用在于扩展第一级放大电路1的带宽。
所述第一偏置网络12包括有第二电阻121和第三电阻122。其中，所述第二电阻121的第一端与第三电阻122的第一端连接，所述第二电阻121的第二端接地连接，所述第三电阻122的第二端接入电流复用电路6。同时所述第二电阻121的第一端还连接于第一增强型晶体管10的栅极。由此，第二增强型晶体管20的源极电压经过电流复用电路6和第一偏置网络12的分压作用被施加到第一增强型晶体管10的栅极，从而实现了单电源供电基础上，同时保证了放大器的低噪声特性。
所述第一源极负反馈网络13包括第一电感131，其中第一电感131的第一端连接第一增强型晶体管的源极，第一电感131的第二端与地相连。所述第一源极偏置网络13用于优化第一级放大电路的噪声性能。在其他实施例中，第一源极负反馈网络中的第一电感131可以使用传输线或者使用直通通路来代替，也可以使放大器具备基本性能。
所述第二栅漏负反馈网络21包括第四电阻211和第二电容212，其中所述第四电阻211的第一端与所述第二电容212的第一端串联连接，且同时所述第四电阻211的第二端连接于第二增强型晶体管20的栅极，所述第二电容212的第二端连接于第二增强型晶体管20的漏极。第二栅漏负反馈网络21的作用在于扩展第二级放大电路2的带宽。
所述第二偏置网络22包括第五电阻221和第六电阻222，其中所述第五电阻221的第一端与第六电阻222的第一端连接，所述第五电阻221的第二端接地连接，所述第六电阻222第二端连接于第二增强型晶体管20的漏极。所述第二偏置网络22用于提高第二级放大电路2的噪声特性。
所述第二源极负反馈网络23包括第七电阻231、第八电阻232和第三电容233。其中，所述第七电阻231的第一端与第八电阻232的第一端串联连接，所述第七电阻231的第二端连接于第二增强型晶体管20的源极，所述第八电阻232的第二端接地。同时第三电容233的第一端连接于第八电阻232的第一端，第三电容233的第二端连接于第八电阻232的第二端，所述第三电容233与第八电阻232并联。
所述电流复用电路6包括第九电阻61、第四电容62、第二电感63、第三电感64和第四电感65，其中所述第九电阻61的第一端与所述第四电容62的第一端串联连接，所述第九电阻61的第二端连接于第二增强型晶体管20的源极，所述第四电容62的第二端接地。所述第二电感63的第一端连接于第一增强型晶体管10的漏极，所述第三电感64的第一端连接于所述第一偏置网络12中的所述第三电阻122的第二端。所述第二电感63的第二端与所述第三电感64的第二端连接。所述第四电感65的第一端与第九电阻61的第一端连接，所述第四电感65的第二端与第一电感63的第二端连接。
上述第二电感63、第三电感64和第四电感65的作用在于隔离由第二增强型晶体管20的源极分压至第一增强型晶体管10的栅极和漏极电压的交流分量。在其他实施例中，所述第二电感63、第三电感64和第四电感65可选择其中任意二者也能够满足上述效果。
从上述电路结构可以看出，所述第二源极负反馈网络23中的第七电阻231、第八电阻232和第三电容233形成了源极负反馈结构，用来稳定第二增强型晶体管20的源极电压；当外部电压源VDD出现波动时，在第二增强型晶体管20的源极在第二晶体管源极负反馈网络23的作用下，其源极电压保持稳定，则第二源极负反馈网络23的电流也保持稳定；而电流复用电路6的第九电阻61和第四电容62将稳定的源极电压引出到第一增强型晶体管10的漏极和栅极，由于源极电压时稳定的，则第一增强型晶体管10的漏极和栅极所获得的分压也是稳定的，进而第一级放大电路1产生的复用电流也是稳定的。当第一级放大电路1和第二级放大电路2的电流均为稳定状态时，低噪声放大器整体的稳定特性即得到了提高。
更进一步的，所述第二源极负反馈网络23中的第七电阻231、第八电阻232和第三电容233形成的源极负反馈结构，使得第二级放大电路2的电流可以通过对上述第七电阻231、第八电阻232和第三电容233的参数进行单独调节，从而增加了设计自由度，在实际应用时当第二级放大电路2的总电流一定情况下，可获得较好的线性度和输出功率。
本实施例的低噪声放大器在实际工作过程中，第二级放大电路2在外部电压源VDD的驱动下，给第二增强型晶体管20的漏极供电，并通过第二偏置网络22将电压VDD分压供给第二增强型晶体管20的栅极，从而使得第二级放大电路2工作在饱和区，并产生电流，其中一部分电流通过所述第二源极负反馈网络23中的第七电阻231、第八电阻232产生压降，形成稳定的第二增强型晶体管20的源极电压，而第三电容233作为旁路电容，起到了滤波的作用。另一部分电流通过电流复用电路6的第九电阻61和第四电容62反馈到第一增强型晶体管10的漏极，并通过第一偏置网络12将第二增强型晶体管20的源极电压分压供给第一增强型晶体管10的栅极，使得第一增强型晶体管10工作在饱和区，从而实现了第一级放大电路1产生的电流是第二级放大电路2产生的电流的中的部分复用。
所述输入匹配电路3包括输入端隔直电容31，所述输入端隔直电容31的第一端与第一增强型晶体管10的栅极连接，所述输入端隔直电容31的第二端与本实施例的低噪声放大器的输入端相连。所述输出匹配电路4包括输出端隔直电容41，所述输出端隔直电容41的第一端与第二增强型晶体管20的漏极连接，所述输出端隔直电容41的第二端与与本实施例的低噪声放大器的输出端相连。所述级间匹配电路5包括级间隔直电容51，所述级间隔直电容51的第一端与第一增强型晶体管的漏极相连，所述级间隔直电容51的第二端与第二增强型晶体管的栅极相连。其他实施例中，所述输入匹配网络、输出匹配网络和级间匹配网络中，除了隔直电容外，也可以使用其他能够达到匹配效果的电路结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于增强型晶体管的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述电流复用低噪声放大器包括第一级放大电路、第二级放大电路、输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路和电流复用电路；
所述第一级放大电路中包括第一增强型晶体管、第一栅漏负反馈网络、第一偏置网络和第一源极负反馈网络；所述输入匹配电路连接于第一增强型晶体管的栅极；所述第一栅漏负反馈网络跨接于第一增强型晶体管的栅极与漏极之间；所述第一偏置网络连接在电流复用电路与第一增强型晶体管的栅极之间，从而将电流复用电路所提供的电压分压至第一增强型晶体管的栅极；所述第一源极负反馈网络连接于所述第一增强型晶体管的源极与地之间；
所述第二级放大电路中包括第二增强型晶体管、第二栅漏负反馈网络、第二偏置网络和第二源极负反馈网络；所述输出匹配电路连接于第二增强型晶体管的漏极；所述第二栅漏负反馈网络跨接于第二增强型晶体管的栅极与漏极之间；所述第二偏置网络连接在第二增强型晶体管的栅极和漏极之间，从而将电源电压分压至第二增强型晶体管的栅极；所述第二源极负反馈网络连接于所述第二增强型晶体管的源极与地之间；
所述电流复用电路将第二增强型晶体管源极电压分压至第一偏置网络及第一增强型晶体管的漏极，从而将第二增强型晶体管的部分电流复用至第一增强型晶体管；
所述第二源极负反馈网络在第二增强型晶体管的源极处形成源极负反馈结构，用来稳定第二增强型晶体管的源极电压；
所述第一增强型晶体管的漏极与第二增强型晶体管的栅极之间通过级间匹配电路连接。
2.根据权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第一栅漏负反馈网络包括第一电容和第一电阻，其中所述第一电容的第一端与第一电阻的第一端串联连接，所述第一电容的第二端连接于第一增强型晶体管的漏极，所述第一电阻的第二端连接于第一增强型晶体管的栅极。
3.根据权利要求1 所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第一偏置网络包括有第二电阻和第三电阻；其中，所述第二电阻的第一端与第三电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地连接，所述第三电阻的第二端接入电流复用电路；同时所述第二电阻的第一端还连接于第一增强型晶体管的栅极。
4.根据权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第二栅漏负反馈网络包括第四电阻和第二电容，其中所述第四电阻的第一端与所述第二电容的第一端串联连接，且同时所述第四电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的栅极，所述第二电容的第二端连接于第二增强型晶体管的漏极。
5.根据权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第二偏置网络包括第五电阻和第六电阻，其中所述第五电阻的第一端与第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端接地连接，所述第六电阻第二端连接于第二增强型晶体管的漏极。
6.根据权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第二源极负反馈网络包括第七电阻、第八电阻和第三电容；其中，所述第七电阻的第一端与第八电阻的第一端串联连接，所述第七电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的源极，所述第八电阻的第二端接地；同时第三电容的第一端连接于第八电阻的第一端，第三电容的第二端连接于第八电阻的第二端，所述第三电容与第八电阻并联。
7.根据权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述电流复用电路包括第九电阻、第四电容和隔离电感网络，其中所述第九电阻的第一端与所述第四电容的第一端串联连接，所述第九电阻的第二端连接于第二增强型晶体管的源极，所述第四电容的第二端接地；所述隔离电感网络同时连接在第一增强型晶体管的漏极、第一偏置网络和第九电阻的第一端之间，以隔离从第二增强型晶体管的源极分压至第一增强型晶体管的栅极和漏极电压的交流分量。
8.一种集成电路结构，所述集成电路结构包括上述权利要求1-7之一所述的电流复用低噪声放大器电路结构。
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