CN115580246A - 一种基于两级放大的正斜率增益放大器 - Google Patents

一种基于两级放大的正斜率增益放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微电子、半导体及通信技术领域，具体涉及一种基于两级放大的正斜率增益放大器，包括：主放大电路、谐振环路；主放大电路包括放大器M1、放大器M2；射频信号输入至主放大电路后经由放大器M1及放大器M2的场效应晶体管放大，经谐振环路后输出，实现正斜率增益放大器从频率0到频率f的正斜率增益，其中f为谐振环路的频率。本发明除了提供高增益外，还能提供正增益斜率，即在一定频段内，增益随着频率提高而增加。

Description

一种基于两级放大的正斜率增益放大器
技术领域
本发明涉及微电子、半导体及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于两级放大的正斜率增益放大器。
背景技术
在射频前端电路的设计中，链路的增益平坦度（Gain Flatness）是一个非常重要的指标，它表征了在一定工作频段内的增益变化幅度大小，增益平坦度高意味着增益变化幅度小。在一般链路设计中都会尽量让增益变化幅度变化尽量小，即提高增益平坦度。而一般射频链路为了保证能够足够放大弱小的基带信号或天线接收的微弱信号，需要链路的增益足够大，即需要串联多个放大器和开关、衰减器等电路。多个射频串联后，单个射频电路的增益平坦度对链路整体的增益平坦度的影响就通过串联叠加的形式表现的更加明显。一般改善电路增益平坦度的方法是在电路中添加均衡器和采用正斜率增益的放大器。
受限于芯片工艺的截止频率等因素，常规射频放大器的高频增益比低频增益低，即呈现负增益特性。业界常用改善增益平坦度的放大器为分布式放大器（DistributedAmplifier），其特点为在超宽频段情况下，高频增益相对于低频增益不明显降低。但设计高频增益高于低频增益的放大器，即正斜率增益的放大器，现有技术中暂时没有明确有效的解决方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于两级放大的正斜率增益放大器，以至少解决现有放大器不能提供正增益的技术问题。
根据本发明的实施例，提供了一种基于两级放大的正斜率增益放大器，包括：主放大电路、谐振环路；主放大电路包括放大器M1、放大器M2；射频信号输入至主放大电路后经由放大器M1及放大器M2的场效应晶体管放大、并经谐振环路后输出，实现正斜率增益放大器从频率0到频率f的正斜率增益，其中f为谐振环路的频率。
本发明实施例中的基于两级放大的正斜率增益放大器中，射频信号输入至主放大电路后经由放大器M1及放大器M2的场效应晶体管放大、并经谐振环路后输出，实现正斜率增益放大器从频率0到频率f的正斜率增益。本发明除了提供高增益外，还能提供正增益斜率，本发明在一定频段内，增益随着频率提高而增加。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路框图；
图2为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路图；
图3为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路图实现形式一；
图4为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路图实现形式二；
图5为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路图实现形式三；
图6为本发明基于两级放大的正斜率增益放大器电路的增益曲线图。
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。
基于射频链路对增益平坦度的需求以及芯片工艺的特点，本发明将围绕提高高频增益，降低低频增益，即提供正斜率增益放大器的设计思路展开阐述说明。
本发明为了解决现有放大器不能提供正增益的缺点，提供了一种基于两级放大的正斜率增益放大器（PGSA，Positive Gain-Slope Amplifier），通过采用一种LC谐振环路（Resonant Loop），在一定频段内提供正斜率增益（Positive Gain-Slope）。
本发明技术方案为：其主要组成包括两级主放大电路和谐振环路（ResonantLoop）。其中射频信号由RFin进入，经过主放大电路的放大器M1和放大器M2的两个场效应晶体管放大后，最后从RFout输出。本发明与传统的放大器相比，除了提供高增益外，还能提供正增益斜率，本发明在一定频段内，增益随着频率提高而增加。
参见图1，一种基于两级放大的正斜率增益放大器电路包括放大器1、放大器2、谐振环路。放大器1的栅极G1输入射频信号，放大器1的漏极D1连接谐振环路后连接RFout输出端，放大器1的源极S1连接放大器2后连接RFout输出端。
参见图2，射频信号由RFin输入端进入，经过放大器M1和放大器M2共同放大后，由RFout输出。射频信号由RFin输入端进入放大器M1的栅极G1，射频信号从放大器M1的源极S1与漏极D1流出分别为Path1信号和Path2信号。Path2信号经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的谐振环路，Path1信号经过放大器M2放大后，放大器M2的漏极D2与经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的谐振环路的Path2信号合路后输出，放大器M1的源极S1同时连接电阻R1后接地，放大器M2的源极S2连接电阻R2后接地，放大器M2的漏极D2与经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的谐振环路的Path2信号合路后连接扼流电感L1后接VDD。
放大器M1的增益为
Figure 673608DEST_PATH_IMAGE001
，放大器M2的增益为
Figure 924592DEST_PATH_IMAGE002
，谐振环路的阻抗为
Figure 345209DEST_PATH_IMAGE003
；电路负载 阻抗为
Figure 880095DEST_PATH_IMAGE004
，为扼流电感L1所产生的阻抗；则整体电路的增益
Figure 993545DEST_PATH_IMAGE005
，其 中
Figure 918776DEST_PATH_IMAGE003
的值为
Figure 454668DEST_PATH_IMAGE006
，f为频率，L为L1的电感值，C 为谐振电容C1的电容值，j为需要通过虚数单位来表示的容抗和感抗。
从公式可以看出，在一定频率f下，选取适当的电容电感值，使
Figure 516165DEST_PATH_IMAGE007
=1，可以使
Figure 862833DEST_PATH_IMAGE003
值接近无穷大，那么放大器的增益G在频率为f处的 增益值也为无穷大（实际情况下，增益不会无穷大，但会到一个极大值）。而频率较低处的增 益相对于f处的增益要低，从而实现了从频率0到频率f的正斜率增益。
正如上述所述，整体电路的增益
Figure 275359DEST_PATH_IMAGE005
，使
Figure 116408DEST_PATH_IMAGE003
值接近无穷大， 那么放大器的增益G在频率为f处的增益值也为无穷大。谐振环路负载阻抗
Figure 297990DEST_PATH_IMAGE003
则可以在一定 范围内自由选择。在实际电路中，由于电感电容的品质因素等问题，使得
Figure 549980DEST_PATH_IMAGE003
的阻抗不能无限 大，即正增益幅度也有一定限制。
作为本发明的正斜率增益放大器电路图实现形式一，参见图3，与图2电路不同之处在于放大器M2的源极S2直接接地。
具体为，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出为Path1信号，从漏极D1流出为Path2信号；Path2信号经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路；Path1信号经过所述放大器M2放大后，由所述放大器M2的漏极D2输出，与经过所述谐振环路的Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述放大器M2的漏极D2与所述谐振环路的输出端连接扼流电感L1后接VDD。
作为本发明的正斜率增益放大器电路图实现形式二，参见图4，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出为Path1信号，从漏极D1流出为Path2信号；Path1信号经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路，再由所述放大器M2的栅极G2输入，从所述放大器M2的漏极D2流出；Path1信号与Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述放大器M2的漏极D2与所述放大器M1的漏极D1连接后通过扼流电感L1后接VDD。
作为本发明的正斜率增益放大器电路图实现形式三，参见图5，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出分别为Path1信号；从漏极D1流出为Path2信号；Path1信号输入所述放大器M2的栅极G2，再由所述放大器M2的漏极D2输出，并经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路，从所述谐振环路流出的Path1信号与Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述谐振环路的输出与所述放大器M1的漏极D1连接后通过扼流电感L1后接VDD。
进一步的，本发明正斜率增益放大器的增益曲线图如图6所示，可以实现从频率0到频率f的正斜率增益。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
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，以上所描述的系统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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，包括：主放大电路、谐振环路；所述主放大电路包括放大器M1、放大器M2；射频信号输入至所述主放大电路后经由所述放大器M1及所述放大器M2的场效应晶体管放大、并经所述谐振环路后输出，实现所述正斜率增益放大器从频率0到频率f的正斜率增益，其中f为谐振环路的频率。
2.根据权利要求1所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，射频信号由RFin输入端进入至所述放大器M1的栅极G1，所述放大器M1的漏极D1连接所述谐振环路后连接RFout输出端，所述放大器M1的源极S1连接所述放大器M2后连接所述RFout输出端。
3.根据权利要求2所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1与漏极D1流出分别为Path1信号和Path2信号；Path2信号经过所述谐振环路；Path1信号经过所述放大器M2放大后，所述放大器M2的漏极D2与经过所述谐振环路的Path2信号合路后输出。
4.根据权利要求3所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2连接电阻R2后接地，所述放大器M2的漏极D2与经过所述谐振环路的Path2信号合路后连接扼流电感L1后接VDD。
5.根据权利要求2所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述谐振环路由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成。
6.根据权利要求5所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述放大器 M1的增益为
Figure 22676DEST_PATH_IMAGE001
，所述放大器M2的增益为
Figure 357842DEST_PATH_IMAGE002
，所述谐振环路的阻抗为
Figure 86764DEST_PATH_IMAGE003
；电路负载阻抗为
Figure 477163DEST_PATH_IMAGE004
，为所述扼流电感L1所产生的阻抗；所述正斜率增益放大器电路的增益
Figure 975140DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 809104DEST_PATH_IMAGE003
的值为
Figure 759742DEST_PATH_IMAGE006
，f为频率，L为谐振电感L2的电感值，C为谐 振电容C1的电容值；j为需要通过虚数单位来表示的容抗和感抗。
7.根据权利要求6所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，在预设的所 述频率f下，选取适当的电容电感值，使
Figure 455297DEST_PATH_IMAGE007
=1，则
Figure 807781DEST_PATH_IMAGE003
值接近无穷大，则 增益获得极大值。
8.根据权利要求1所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出为Path1信号，从漏极D1流出为Path2信号；Path2信号经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路；Path1信号经过所述放大器M2放大后，由所述放大器M2的漏极D2输出，与经过所述谐振环路的Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述放大器M2的漏极D2与所述谐振环路的输出端连接扼流电感L1后接VDD。
9.根据权利要求1所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出为Path1信号，从漏极D1流出为Path2信号；Path1信号经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路，再由所述放大器M2的栅极G2输入，从所述放大器M2的漏极D2流出；Path1信号与Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述放大器M2的漏极D2与所述放大器M1的漏极D1连接后通过扼流电感L1后接VDD。
10.根据权利要求1所述的基于两级放大的正斜率增益放大器，其特征在于，所述射频信号由RFin输入端进入所述放大器M1的栅极G1，所述射频信号从所述放大器M1的源极S1流出分别为Path1信号；从漏极D1流出为Path2信号；Path1信号输入所述放大器M2的栅极G2，再由所述放大器M2的漏极D2输出，并经过由谐振电感L2和谐振电容C1并联组成的所述谐振环路，从所述谐振环路流出的Path1信号与Path2信号合路后输出至RFout输出端；
所述放大器M1的源极S1连接电阻R1后接地，所述放大器M2的源极S2接地，所述谐振环路的输出与所述放大器M1的漏极D1连接后通过扼流电感L1后接VDD。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YASUSHI ITOH等: ""L-band SiGe HBT active differential equalizers with variable inclination and position of the positive or negative gain slopes"" *
胡砚: ""微波宽带放大器组件设计与实现"" *

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