CN115118229A - 一种高线性度低噪声放大器芯片 - Google Patents

一种高线性度低噪声放大器芯片 Download PDF

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Abstract

本发明一种高线性度低噪声放大器芯片，包括射频主电路、输入匹配电路、输出匹配网络、有源偏置电路和线性辅助电路，射频信号由射频输入端口RFin输入，经输入匹配电路，进入射频主电路的输入端，射频主电路的输出端连接输出匹配电路，经过放大后的射频信号经输出匹配电路自射频输出端口RFout输出；有源偏置电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，为射频主电路提供偏置；线性辅助电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，第三端与射频主电路内部连接；射频主电路的输出端通过电阻Rs与电感L，连接电源VDD进行馈电；本发明是采用线性辅助电路实现了低噪声放大器的高线性度性能。

Description

一种高线性度低噪声放大器芯片
技术领域
本发明涉及射频集成电路的技术领域，具体的说，涉及一种高线性度低噪声放大器芯片。
背景技术
低噪声放大器(LNA)是射频接收前端的重要组成部分，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗等系统中，是必不可少的器件之一；低噪声放大器的主要功能就是将天线接收到的微弱信号进行无失真放大，并提供一定的功率增益。低噪声放大器的增益、噪声、线性度等关键指标往往能决定整个信号接收链路及系统的性能，为了保证接收系统所接收到的信号能够不失真地传输到后级处理器处理，还需要整个射频前端电路具有良好的线性度。
随着射频微波技术的发展，微波通信、导航、制导、卫星通信以及军事电子对抗战和雷达等领域对低噪声放大器的需求量越来越大，特别是由于无线电通信频率资源日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，这对接收系统前端的器件性能提出了更高的要求，因此研究一种高线性度低噪声放大器电路具有重大的应用价值和现实意义。
由于砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(GaAs PHEMT)具有更好的高频特性和优异的噪声性能，低噪声放大器的有源器件常采用GaAs PHEMT实现。低噪声放大器的主要指标有回波损耗、噪声系数、增益、反向隔离度、三阶交调、1dB压缩点、直流功耗等，指标之间相互制约。
低噪声放大器是射频接收机前端电路第一个关键模块，具有放大射频信号和抑制天线接收到的噪声信号的作用；另一方面，随着无线电通信设备的广泛应用，电磁频谱环境日益复杂，天线接收到的干扰信号也更加复杂，这需要其提供较高的线性度，防止干扰信号产生互调，保证高灵敏度。
发明内容
本发明提供了一种高线性度低噪声放大器芯片电路，其特点是引入了线性辅助电路来提升线性度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种高线性度低噪声放大器芯片，包括射频主电路、输入匹配电路、输出匹配网络、有源偏置电路和线性辅助电路，
其中，射频信号由射频输入端口RFin输入，经输入匹配电路，进入射频主电路的输入端，射频主电路的输出端连接输出匹配电路，经过放大后的射频信号经输出匹配电路自射频输出端口RFout输出；
所述有源偏置电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，为射频主电路提供偏置；
所述线性辅助电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，第三端与射频主电路内部连接；
射频主电路的输出端通过电阻Rs与电感L，连接电源VDD进行馈电。
优选的，所述射频主电路包含晶体管T1，电阻R7，源级电感Ls；
所述射频信号由晶体管T1的栅极输入，晶体管T1的漏极连接电阻R7的一端，R7的另一端连接所述输出匹配电路的输入端；晶体管T1的源级连接电感Ls的第一端，Ls的另一端接地；
所述晶体管T1的源级连接线性辅助电路的一端。
优选的，所述输入匹配电路包含电容C1，电感L1，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；
所述射频信号由电容C1的一端进入，电容C1的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接射频主电路的输入端；
所述电容C1与电感L1的连接结点处，连接二极管D1的正向端、二极管D1的反向端连接二极管D2的正向端，二极管D2的反向端连接到地，D2的反向端同时连接二极管D3的正向端，二极管D3的反向端连接二极管D4的正向端。
优选的，所述有源偏置电路包含晶体管T2、电阻R2、电阻R3、电阻R4；
所述电阻R2的一端与射频主电路的输出端相连，电阻R2的另一端连接晶体管T2的漏极，晶体管T2的栅极与漏极短接，晶体管T2的栅极连接电阻R3的第一端，电阻R3的另一端连接射频主电路的输入端，
晶体管T2的源级连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。
优选的，所述线性辅助电路包含晶体管T3，电容C3，电阻R5，电阻R6，
所述晶体管T3的漏极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接晶体管T3的源级，晶体管T3的源极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；
晶体管T3的源极连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接射频主电路的输入端，晶体管T3的栅极与晶体管T1的源极相连。
优选的，所述输出匹配电路包含电容C2，电感L2；
其中，射频信号经过放大后的信号从射频主电路的输出端输出，进入L2的一端，L2的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端为射频信号的输出端。
优选的，所述射频主电路的输出端连接电阻Rs，电阻Rs的另一端连接电感L，电感L的另一端为电路的供电端；所述电路采用单电源供电。
优选的，所述电阻R3的另一端与输入匹配电路的输出端、射频主电路的输入端、线性辅助电路的第二端共用结点P1。
优选的，所述晶体管T3的漏极与电阻R6的一端、射频主电路的输出端、电阻R2、电阻Rs、输出匹配电路的输入端共用结点Q。
优选的，所述电感L是片外扼流电感，Rs是片外电阻。
在本发明提供的一种高线性度低噪声放大器芯片电路具有如下有益效果：本发明是在单级共源结构的基础上，采用线性辅助电路同时实现了低噪声和高线性度性能，电阻R6、电阻R5为线性辅助管T3提供偏置工作点；
射频信号自P1结点进入射频主电路，在Q结点产生一个三阶交调分量，而射频信号自P1结点和P2结点进入辅助晶管T3从而在Q节点也会产生一个三阶交调分量，这两个三阶交调分量相位相反，相互抵消，从而极大减小了输出端RFout的三阶交调分量，进而显著提高了放大器的线性度；另一方面，由于辅助管T3没有开启，其对射频信号表现为高阻抗状态，几乎不影响电路其它性能。
附图说明
图1为本发明一种高线性度低噪声放大器芯片电路结构示意图；
图2为本发明一种高线性度低噪声放大器芯片电路原理图；
图3为本发明小信号增益随频率变化的仿真结果；
图4为本发明输入驻波和输出驻波随频率变化的仿真结果；
图5为本发明噪声系数随频率变化的仿真结果；
图6为本发明输出1dB功率压缩点随频率变化的仿真结果；
图7为本发明输出三阶交调点随频率变化的仿真结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参见图1-2，一种高线性度低噪声放大器芯片，包括射频主电路、输入匹配电路、输出匹配网络、有源偏置电路和线性辅助电路，
其中，射频信号由射频输入端口RFin输入，经输入匹配电路，进入射频主电路的输入端，射频主电路的输出端连接输出匹配电路，经过放大后的射频信号经输出匹配电路自射频输出端口RFout输出；
所述有源偏置电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，为射频主电路提供偏置；
所述线性辅助电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，第三端与射频主电路内部连接；线性辅助电路用来改善放大器芯片的线性度性能。
射频主电路的输出端通过电阻Rs与电感L，连接电源VDD进行馈电。
所述射频主电路包含晶体管T1，电阻R7，源级电感Ls；
所述射频信号由晶体管T1的栅极输入，晶体管T1的漏极连接电阻R7的一端，R7的另一端连接所述输出匹配电路的输入端；晶体管T1的源级连接电感Ls的第一端，Ls的另一端接地；
所述晶体管T1的源级连接线性辅助电路的一端。
所述输入匹配电路包含电容C1，电感L1，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；
所述射频信号由电容C1的一端进入，电容C1的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接射频主电路的输入端；
所述电容C1与电感L1的连接结点处，连接二极管D1的正向端、二极管D1的反向端连接二极管D2的正向端，二极管D2的反向端连接到地，D2的反向端同时连接二极管D3的正向端，二极管D3的反向端连接二极管D4的正向端。
所述有源偏置电路包含晶体管T2、电阻R2、电阻R3、电阻R4；
所述电阻R2的一端与射频主电路的输出端相连，电阻R2的另一端连接晶体管T2的漏极，晶体管T2的栅极与漏极短接，晶体管T2的栅极连接电阻R3的第一端，电阻R3的另一端连接射频主电路的输入端，
晶体管T2的源级连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。
所述线性辅助电路包含晶体管T3，电容C3，电阻R5，电阻R6，
所述晶体管T3的漏极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接晶体管T3的源级，晶体管T3的源极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；
晶体管T3的源极连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接射频主电路的输入端，晶体管T3的栅极与晶体管T1的源极相连；
所述输出匹配电路包含电容C2，电感L2；
其中，射频信号经过放大后的信号从射频主电路的输出端输出，进入L2的一端，L2的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端为射频信号的输出端。
所述射频主电路的输出端连接电阻Rs，电阻Rs的另一端连接电感L，电感L的另一端为电路的供电端；所述电路采用单电源供电，所述电感L是片外扼流电感，Rs是片外电阻。
所述电阻R3的另一端与输入匹配电路的输出端、射频主电路的输入端、线性辅助电路的第二端共用结点P1。
所述晶体管T3的漏极与电阻R6的一端、射频主电路的输出端、电阻R2、电阻Rs、输出匹配电路的输入端共用结点Q。
在本发明提供的一种高线性度低噪声放大器芯片电路具有如下有益效果：本发明是在单级共源结构的基础上，采用线性辅助电路同时实现了低噪声和高线性度性能，电阻R6、电阻R5为线性辅助管T3提供偏置工作点；
射频信号自P1结点进入射频主电路，在Q结点产生一个三阶交调分量，而射频信号自P1结点和P2结点进入辅助晶管T3从而在Q节点也会产生一个三阶交调分量，这两个三阶交调分量相位相反，相互抵消，从而极大减小了输出端RFout的三阶交调分量，进而显著提高了放大器的线性度；另一方面，由于辅助管T3没有开启，其对射频信号表现为高阻抗状态，几乎不影响电路其它性能。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，包括射频主电路、输入匹配电路、输出匹配网络、有源偏置电路和线性辅助电路，
其中，射频信号由射频输入端口RFin输入，经输入匹配电路，进入射频主电路的输入端，射频主电路的输出端连接输出匹配电路，经过放大后的射频信号经输出匹配电路自射频输出端口RFout输出；
所述有源偏置电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，为射频主电路提供偏置；
所述线性辅助电路的一端与射频主电路的输出端连接，另一端与射频主电路的输入端相连，第三端与射频主电路内部连接；
射频主电路的输出端通过电阻Rs与电感L，连接电源VDD进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于：所述射频主电路包含晶体管T1，电阻R7，源级电感Ls；
所述射频信号由晶体管T1的栅极输入，晶体管T1的漏极连接电阻R7的一端，R7的另一端连接所述输出匹配电路的输入端；晶体管T1的源级连接电感Ls的第一端，Ls的另一端接地；
所述晶体管T1的源级连接线性辅助电路的一端。
3.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于：所述输入匹配电路包含电容C1，电感L1，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；
所述射频信号由电容C1的一端进入，电容C1的另一端连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接射频主电路的输入端；
所述电容C1与电感L1的连接结点处，连接二极管D1的正向端、二极管D1的反向端连接二极管D2的正向端，二极管D2的反向端连接到地，D2的反向端同时连接二极管D3的正向端，二极管D3的反向端连接二极管D4的正向端。
4.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述有源偏置电路包含晶体管T2、电阻R2、电阻R3、电阻R4；
所述电阻R2的一端与射频主电路的输出端相连，电阻R2的另一端连接晶体管T2的漏极，晶体管T2的栅极与漏极短接，晶体管T2的栅极连接电阻R3的第一端，电阻R3的另一端连接射频主电路的输入端，
晶体管T2的源级连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述线性辅助电路包含晶体管T3，电容C3，电阻R5，电阻R6，
所述晶体管T3的漏极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接晶体管T3的源级，晶体管T3的源极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；
晶体管T3的源极连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接射频主电路的输入端，晶体管T3的栅极与晶体管T1的源极相连。
6.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述输出匹配电路包含电容C2，电感L2；
其中，射频信号经过放大后的信号从射频主电路的输出端输出，进入L2的一端，L2的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端为射频信号的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，
所述射频主电路的输出端连接电阻Rs，电阻Rs的另一端连接电感L，电感L的另一端为电路的供电端；所述电路采用单电源供电。
8.根据权利要求4所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电阻R3的另一端与输入匹配电路的输出端、射频主电路的输入端、线性辅助电路的第二端共用结点P1。
9.根据权利要求5所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述晶体管T3的漏极与电阻R6的一端、射频主电路的输出端、电阻R2、电阻Rs、输出匹配电路的输入端共用结点Q。
10.根据权利要求7所述的一种高线性度低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电感L是片外扼流电感，Rs是片外电阻。
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