CN116505895B - 一种电流和增益可调的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及射频前端技术领域，特别是涉及一种电流和增益可调的低噪声放大器。所述低噪声放大器包括：偏置调节模块，输入匹配调节模块，输出匹配调节模块，用于对所述低噪声放大器的增益、输出匹配阻抗以及增益相位进行调节；主反馈调节模块，包括反馈开关以及反馈电阻调节电路；次反馈调节模块，包括反馈电容以及所述反馈电阻调节电路；输入晶体管，用于放大射频输入信号；输出晶体管，用于输出射频信号，并提高所述射频输入信号与所述射频输出信号的隔离。采用本方法能够实现灵活的增益调节和电流调节，满足不同增益下的匹配和噪声要求，从而使得接收机系统具有较大的动态输入范围，以及在不同增益莫斯下较好的电流利用率和线性度。

Description

一种电流和增益可调的低噪声放大器

技术领域

本申请涉及射频前端技术领域，特别是涉及一种电流和增益可调的低噪声放大器。

背景技术

射频低噪声放大器(LNA)在射频接收机中扮演着重要的角色，它作为射频接收系统的第一级有源器件，需要具有一定的增益来放大天线接收到的微弱信号并抑制系统后级模块的噪声干扰，并且本身的噪声也需要尽可能低，以保证整个系统有较高的灵敏度。而当系统接收到从天线传来的高功率的信号时，为保证系统不出现失真，又要求LNA具有降低增益和扩展动态范围的能力，因此线性度优化的增益可调低噪声放大器是必然选择。

传统技术中，增益可调低噪声放大器主要有两种：第一种是基于衰减器实现增益可调，这种放大器的集成度较低，已不适用；第二种通过调节偏置进行调节电流和增益，这种放大器在低增益时也由于偏置电流和电压较小，导致输出的信号的线性度以及本身匹配较差，缺乏灵活性。

然而，目前的低噪声放大器，存在如下的技术问题：

受工作电流的限制，增益的可调范围受限，导致低噪声放大器的应用范围受到限制。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够扩大低噪声放大器的增益调节范围，从而提高低噪声放大器的应用范围的一种电流和增益可调的低噪声放大器。

第一方面，本申请提供了一种电流和增益可调的低噪声放大器。所述低噪声放大器包括：

偏置调节模块，用于调节所述低噪声放大器的工作电流以及增益；

输入模块，包括输入晶体管，用于放大射频输入信号；

输出模块，包括输出晶体管，用于输出射频信号；

输入匹配调节模块，与所述输入晶体管的基极与发射极连接，用于调节所述低噪声放大器的输入匹配阻抗和增益；

输出匹配调节模块，与所述输出晶体管的集电极连接，用于调节所述低噪声放大器的输出匹配阻抗和增益；

主反馈调节模块，所述主反馈调节模块的一端连接于所述输入模块与所述偏置调节模块之间，包括反馈开关以及第一反馈电阻调节电路，所述反馈开关与所述第一反馈电阻调节电路串联连接；

次反馈调节模块，所述次反馈调节模块的一端与所述主反馈调节模块的另一端以及输出模块的集电极连接，所述次反馈调节模块的另一端与所述输出模块的基极连接，所述次反馈调节模块包括反馈电容以及第二反馈电阻调节电路，所述反馈电容与所述第二反馈电阻调节电路串联连接。

在其中一个实施例中，所述偏置调节模块包括电流调节电路以及偏置单元，所述电流调节电路与所述偏置单元连接，所述电流调节电路包括至少一条电流支路，所述电流支路包括至少一个开关S11以及至少一个晶体管M11，在同一所述电流支路中的所述开关S11与所述晶体管M11串联连接。

在其中一个实施例中，所述输入匹配调节模块以及所述输出匹配调节模块均包括电阻调节电路、电感调节电路以及电容调节电路中的一种或多种的组合。

在其中一个实施例中，所述电阻调节电路包括：

电阻调节支路，所述电阻调节支路包括电阻调节开关以及调节电阻，所述电阻调节开关与所述调节电阻串联连接，不同的所述电阻调节支路之间为并联连接，或所述电阻调节开关与所述调节电阻并联连接，不同的所述电阻调节支路之间串联连接，同一所述电阻调节支路中的电阻调节开关控制所述电阻调节支路的通断。

在其中一个实施例中，所述电容调节电路包括：

电容调节支路，所述电容调节支路包括电容调节开关以及调节电容，所述电容调节开关与所述调节电容串联连接，不同的所述电容调节支路之间为并联连接，或所述电容调节开关与所述调节电容并联连接，不同的所述电容调节支路之间串联连接，同一所述电容调节支路中的电容调节开关控制所述电容调节支路的通断。

在其中一个实施例中，所述电感调节电路包括：

电感调节支路，所述电感调节支路包括电感调节开关以及调节电感，所述电感调节开关与所述调节电感串联连接，不同的所述电感调节支路之间为并联连接，或所述电感调节开关与所述调节电感并联连接，不同的所述电感调节支路之间串联连接，同一所述电感调节支路中的电感调节开关控制所述电感调节支路的通断。

在其中一个实施例中，所述输入晶体管的集电极与所述输出晶体管的发射极相连。

在其中一个实施例中，所述低噪声放大器应用于RFIC、数模混合IC以及ASIC中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述低噪声放大器包括基于SiGe HBT、CMOS、SOI、GaAs-pHEMT、GaAs-HBT、GaN以及BJT中的一种或多种实现的放大器。

第二方面，本申请提供一种射频接收设备，所述射频接收设备装配有低噪声放大器，所述低噪声放大器为第一方面中任意一项所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器。

上述一种电流和增益可调的低噪声放大器，通过独权中的技术特征进行推导，能够达到如下的有益效果：

在低噪声放大器的偏置、输入输出匹配中设置多种参数独立可调节的调节网络，可以通过各个调节网络的不同开关组合实现灵活的增益调节和电流调节，从而满足不同的增益模式下的阻抗匹配和噪声需求，最终有助于扩大整个接收机系统的输入动态范围。另一方面，在偏置调节模块、输入输出匹配调节模块的基础上配置主反馈调节模块以及次反馈调节模块等反馈调节网络，有助于使得各个增益模式具有良好的电流利用率的情况下能有效的提高低噪声放大器的线性度，进而满足系统对于低噪声放大器的线性度指标。

附图说明

图1为一个实施例中一种电流和增益可调的低噪声放大器的整体结构框图；

图2为一个实施例中电流调节电路的网络结构示意图；

图3为一个实施例中电阻调节电路的网络结构示意图；

图4为一个实施例中电容调节电路的网络结构示意图；

图5为一个实施例中电感调节电路的网络结构示意图；

图6为一个具体实施例中一种电流和增益可调的低噪声放大器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接是连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“贴合”、“底部”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统技术中，增益可调低噪声放大器主要有两种：第一种是基于衰减器实现增益可调，这种放大器的集成度较低，已不适用；第二种通过调节偏置进行调节电流和增益，这种放大器在低增益时也由于偏置电流和电压较小，导致输出的信号的线性度以及本身匹配较差，缺乏灵活性。

然而，目前的低噪声放大器，存在如下的技术问题：

受工作电流的限制，增益的可调范围受限，导致低噪声放大器的应用范围受到限制。

基于此，本方案提供一种电流和增益可调的低噪声放大器，可以如图1所示，所述低噪声放大器包括：偏置调节模块100、输入匹配调节模块200、输出匹配调节模块300、主反馈调节模块400、次反馈调节模块500、输入晶体管Q02以及输出晶体管Q03。

示例性地，偏置调节模块100包括：电流调节电路、偏置晶体管Q001。其中偏置晶体管Q001得集电极与电流调节电路的一端相连，偏置晶体管Q001的发射极接地，偏置晶体管Q001的基极与输入晶体管Q002的基极相连。这样，偏置调节模块100可以通过电流调节单元不同的开关组合，实现低噪声放大器的工作电流控制。

示例性地，输入匹配调节模块200，用于对低噪声放大器的增益、输入匹配阻抗、线性度以及增益相位进行调节，可以包括：电容C01、电容调节电路202以及电感调节电路204。输入匹配调节模块200可以参与低噪声放大器的输入阻抗匹配和增益调节，从而可以使得低噪声放大器在处于不同增益档位时，具有较好的输入阻抗和线性度。另一方面，输入匹配调节模块200中的电容调节电路202与电感调节电路204除了参与增益调节之外，还可以进行相位调节，以使得不同增益档位的相位在合理的区间波动。

示例性地，输出匹配调节模块300，用于对低噪声放大器的增益、输出匹配阻抗、线性度以及增益相位进行调节，可以包括：电容C05、电感负载L01、电阻调节电路302、电阻调节电路304以及电容调节电路306。输出匹配调节模块300可以参与低噪声放大器的输出阻抗匹配和增益调节，从而可以使得低噪声放大器处于不同增益档位时，具有较好的输出阻抗和线性度。另一方面，输出匹配调节模块300中的电容调节电路306除了参与增益调节以外，还可以进行相位调节，以保证不同增益档位的相位在一个合理的区间波动。

示例性地，输入晶体管Q02可以为低噪声放大器的输入晶体管，可以用于放大射频输入信号。输入晶体管Q02的基极可以与电容调节电路202的一端、电容C01的一端、电容C02的一端、自适应偏置主体电路106的一端以及偏置晶体管Q01的基极相连。输入晶体管Q02的发射极与电容调节电路202的另一端、电感调节电路204的一端相连。输入晶体管Q02的集电极可以与输出晶体管Q03的发射极相连。

示例性地，输出晶体管Q03可以为低噪声放大器的输出晶体管，可以用于输出射频信号，并提高所述射频输入信号与所述射频输出信号的隔离。输出晶体管Q03的基极可以与电容C04的一端和偏置电压VB相连。输出晶体管Q03的发射极与输入晶体管Q02的集电极相连。输出晶体管Q03的集电极可以与负载电感L01、电阻调节电路302的一端、电容C05以及电容调节电路306的一端相连。

反馈调节网络400，可以用于对低噪声放大器的增益、输入输出匹配、线性度以及增益相位进行调节。

通过实现上述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，能够实现如下的有益效果：

在低噪声放大器的偏置、输入输出匹配中设置多种参数独立可调节的调节网络，可以通过各个调节网络的不同开关组合实现灵活的增益调节和电流调节，从而满足不同的增益模式下的阻抗匹配和噪声需求，最终有助于扩大整个接收机系统的输入动态范围。另一方面，在偏置调节模块、输入输出匹配调节模块的基础上配置主反馈调节模块以及次反馈调节模块等反馈调节网络，有助于使得各个增益模式具有良好的电流利用率的情况下能有效的提高低噪声放大器的线性度，进而满足系统对于低噪声放大器的线性度指标。

在其中一个实施例中，可以如图2所示，偏置调节模块包括电流调节电路以及偏置单元。

示例性地，偏置调节模块可以包括电流调节电路，所述电流调节电路包括至少一条电流支路，所述电流支路包括至少一个开关S11以及至少一个晶体管M11，在同一所述电流支路中的所述开关S11与所述晶体管M11串联连接。需要注意的，第一电流支路或第二电流支路可以不仅仅局限于两条，具体可以是一条也可以是多条，每条电流支路的PMOS晶体管的数量可以一个也可以是多个。

在实施中，当只有一条电流支路时，该电流调节电路为固定电流网络，为偏置晶体管Q01提供固定的电流，从而为输入晶体管Q02提供确定的静态工作点。当电流支路为多条时，该电流调节电路可以控制开关的通断，为偏置晶体管Q01选配不同的电流，进而实现LNA的偏置调节功能。

本实施例中，电流调节电路中配置多条独立受控的电流支路，有助于实现灵活的电流调节，最终有助于实现低噪声放大器的偏置的辅助调节以及线性度提升。

在其中一个实施例中，输入匹配调节模块200以及输出匹配调节模块300均可以包括电阻调节电路、电感调节电路以及电容调节电路中的一种或多种的组合。

在其中一个实施例中，可以如图3所示，电阻调节电路302可以是并联电阻调节电路302-a，也可以是串联电阻调节电路302-b，也可以是并联电阻调节电路302-a和串联电阻调节电路302-b的组合。具体地，可以根据不同的应用需求和调谐方式可以选择不同的电阻调节电路。其中，并联电阻调节电路302-a包括：由开关S21、电阻R21串联组成的一条电阻控制支路，由开关S22、电阻R22串联组成的另一条电阻控制支路，两条电阻控制支路并联形成网络320-a；其中串联电阻调节电路302-b包括：由开关S23、电阻R23并联组成的一条电阻控制支路，由开关S24、电阻R24并联组成的另一条电阻控制支路，两电阻控制支路串联形成网络302-b。需要注意的，并联电阻调节电路302-a和串联电阻调节电路302-b中的电阻控制支路可以不仅仅局限于两条，具体可以是一条也可以是多条；每个电阻的阻值可以是相同的，也可以是不相同的，多个电阻可以通过开关的通断分别组合成不同的电阻阻值进而在电路中实现电阻调节功能。需要注意的，其他电阻调节电路中可以选择的串、并联电阻调节电路与电阻调节电路302可选择的情况一样。

在其中一个实施例中，可以如图4所示，电容调节电路202可以是并联电容调节电路202-a，可以是串联电容调节电路202-b，也可以是并联电容调节电路202-a和串联电容调节电路202-b的组合，具体可以根据不同的应用需求和调谐方式可以选择不同的电容调节电路。并联电容调节电路202-a包括：由开关S31、电容C31串联组成的一条电容控制支路，由开关S32、电容C32串联组成的另一条电容控制支路，两条电容控制支路并联组成并联电容调节电路202-a；其中串联电容调节电路202-b包括：由开关S33、电容C33并联组成的一条电容控制支路，由开关S34、电容C34并联组成的另一条电容控制支路，两条电容控制支路串联组成串联电容调节电路202-b。需要注意的是并联电容调节电路202-a和串联电容调节电路202-b的电容控制支路不仅仅局限于两条，它可以是一条也可以是多条。其中电容的容值可以是相同的，也可以是不相同的，它们通过开关的通断分别组成不同电容容值进而在电路实现电容调节功能。需要注意的是电容调节电路202可以选择的串、并联电容调节电路与电容调节电路202可选择的情况一样。

在其中一个实施例中，可以如图5所示，电感调节电路204可以是并联电感调节电路204-a，可以是串联电感调节电路204-b，也可以是并联电感调节电路204-a和串联电感调节电路204-b的组合，具体可以根据不同的应用需求和调谐方式可以选择不同的电感调节电路。其中并联电感调节电路204-a包括：由开关S41、电感L41串联组成的一条电感控制支路，由开关S42、电感L42串联组成的另一条电感控制支路，两条电感控制支路并联组成并联电感调节电路204-a；其中串联电感调节电路204-b包括：由开关S43、电感L43并联组成的一条电感控制支路，由开关S44、电阻L44并联组成的另一条电感控制支路，两条电感控制支路串联组成串联电感调节电路204-b。需要注意的是并联电感调节电路204-a和串联电感调节电路204-b的电感控制支路不仅仅局限于两条，它可以是一条也可以是多条；每个电感的感值可以是相同的，也可以是不相同的，它们通过开关的通断分别组合成不同的电感感值进而在电路中实现电感调节功能。

在其中一个实施例中：

主反馈调节模块，包括反馈开关以及反馈电阻调节电路420。具体地，反馈电容C02、电阻调节电路420、开关S01、反馈电容C03依次串联而成。反馈调节网络400的一端接入输入晶体管Q02的基极，另一端接入输出晶体管Q03的集电极。主反馈调节模块参与低噪声放大器的输入和输出阻抗匹配和增益调节，可以使得低噪声放大器处于不同增益档位时，具有良好的线性度和匹配。

次反馈调节模块，包括反馈电容以及所述反馈电阻调节电路520。具体地，反馈电容C04、电阻调节电路520，反馈调节网络400一端接入输出晶体管Q03的基极，另一端接入输出晶体管Q03的集电极。次反馈调节模块参与低噪声放大器的输出阻抗匹配和增益调节，可以使得低噪声放大器处于不同增益档位时，具有良好的线性度和匹配。

在其中一个实施例中，输入晶体管Q02的集电极与输出晶体管Q03的发射极相连。具体地，输入晶体管Q02的集电极与输出晶体管Q03的发射极相连，组成cascode架构；输入晶体管Q02的基极与电容调节电路202的一端、电容C01的一端、电容C02的一端、自适应偏置主体电路106的一端以及偏置晶体管Q01的基极相连；输入晶体管Q02的发射极与电容调节电路202的另一端、电感调节电路204的一端相连。输出晶体管Q03的基极与电容C04的一端和偏置电压VB相连；输出晶体管Q03的发射极与输如晶体管Q02的集电极相连，组成cascode架构；输出晶体管Q03的集电极与负载电感L01、电阻调节电路302的一端、电容C05以及电容调节电路202的一端相连。

在其中一个实施例中，低噪声放大器的制造工艺可以包括：SiGe、GaAs-pHEMT、HBT、BJT等多种工艺。

在其中一个实施例中，低噪声放大器可以在IC、RFIC、数模混合IC、ASIC等多种方式上实现。

在一个最具体的实施例中，可以如图6所示，输入匹配调节模块由电容C001、电容C006、电容C007、电感L004、电感L005、开关S004、开关S005、开关S006、开关S007构成；输出匹配调节模块由电感L001、电容C005、电容C008、电阻R001、电阻R002、电阻R006、开关S001、开关S008、开关S009、开关S0015、开关S0017构成；主反馈调节模块由电容C002、电容C003、电阻R003、电阻R004、开关S010、开关S011、开关S014构成；次反馈调节模块由电容C004、电阻R005、开关S016构成。

以图6为例，当开关S001、S004、S005、S017和电流调节电路中的开关都闭合，其他开关全部断开时，可得到该低噪声放大器的最大有源增益；调节任意其他开关，可逐渐降低增益至0dB增益乃至负增益。当开关S010、S011、S014、S015、S017闭合，其他开关全部断开时，可得到该低噪声放大器的最大无源增益(为负值，即插入损耗)，调节任意其他开关，可逐渐增加插入损耗。多种开关组合，可实现多种不同档的增益调节。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器包括：

偏置调节模块，用于调节所述低噪声放大器的工作电流以及增益；

输入模块，包括输入晶体管，用于放大射频输入信号；

输出模块，包括输出晶体管，用于输出射频信号；

输入匹配调节模块，与所述输入晶体管的基极与发射极连接，用于调节所述低噪声放大器的输入匹配阻抗和增益；

输出匹配调节模块，与所述输出晶体管的集电极连接，用于调节所述低噪声放大器的输出匹配阻抗和增益；

主反馈调节模块，所述主反馈调节模块的一端连接于所述输入模块与所述偏置调节模块之间，包括反馈开关以及第一反馈电阻调节电路，所述反馈开关与所述第一反馈电阻调节电路串联连接；

次反馈调节模块，所述次反馈调节模块的一端与所述主反馈调节模块的另一端以及输出模块的集电极连接，所述次反馈调节模块的另一端与所述输出模块的基极连接，所述次反馈调节模块包括反馈电容以及第二反馈电阻调节电路，所述反馈电容与所述第二反馈电阻调节电路串联连接。

2.根据权利要求1所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于：

所述偏置调节模块包括电流调节电路以及偏置单元，所述电流调节电路与所述偏置单元连接，所述电流调节电路包括至少一条电流支路，所述电流支路包括至少一个开关S11以及至少一个晶体管M11，在同一所述电流支路中的所述开关S11与所述晶体管M11串联连接。

3.根据权利要求1所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配调节模块以及所述输出匹配调节模块均包括电阻调节电路、电感调节电路以及电容调节电路中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求3所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述电阻调节电路包括：

电阻调节支路，所述电阻调节支路包括电阻调节开关以及调节电阻，所述电阻调节开关与所述调节电阻串联连接，不同的所述电阻调节支路之间为并联连接，或所述电阻调节开关与所述调节电阻并联连接，不同的所述电阻调节支路之间串联连接，同一所述电阻调节支路中的电阻调节开关控制所述电阻调节支路的通断。

5.根据权利要求3所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述电容调节电路包括：

电容调节支路，所述电容调节支路包括电容调节开关以及调节电容，所述电容调节开关与所述调节电容串联连接，不同的所述电容调节支路之间为并联连接，或所述电容调节开关与所述调节电容并联连接，不同的所述电容调节支路之间串联连接，同一所述电容调节支路中的电容调节开关控制所述电容调节支路的通断。

6.根据权利要求3所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述电感调节电路包括：

电感调节支路，所述电感调节支路包括电感调节开关以及调节电感，所述电感调节开关与所述调节电感串联连接，不同的所述电感调节支路之间为并联连接，或所述电感调节开关与所述调节电感并联连接，不同的所述电感调节支路之间串联连接，同一所述电感调节支路中的电感调节开关控制所述电感调节支路的通断。

7.根据权利要求1所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述输入晶体管的集电极与所述输出晶体管的发射极相连。

8.根据权利要求1所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器应用于RFIC、数模混合IC以及ASIC中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器包括基于SiGe HBT、CMOS、SOI、GaAs-pHEMT、GaAs-HBT、GaN以及BJT中的一种或多种实现的放大器。

10.一种射频接收设备，其特征在于，所述射频接收设备装配有低噪声放大器，所述低噪声放大器为权利要求1至9中任意一项所述的一种电流和增益可调的低噪声放大器。