CN116896336B - 一种低功耗超宽带低温低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，包括输入匹配电路、输出匹配电路、分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路；输入匹配电路与信号的输入端连接，输入匹配电路用于提升低温低噪放芯片在使用中的适配性；输出匹配电路与信号的输出端连接，输出匹配电路用于提升放大器高频的稳定性；三级低功耗HBT电路通过分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，使得第一级低功耗HBT增益G1在三级低功耗HBT电路中最大、噪声系数F1在三级低功耗HBT电路中最小。与其他场效应管相比，本发明中采用的CMOS基础上掺杂HBT有着更低的电流密度，在相同的性能指标下，功耗更低、噪声系数更低；将放大电路中的负反馈电路和匹配电路相结合，实现超宽带低噪放设计。

Description

一种低功耗超宽带低温低噪声放大器
技术领域
本发明属于放大器技术领域，具体为一种低功耗超宽带低温低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器作为现代射频通信系统的前端器件，主要是接收微弱信号，同时进行放大和抑制噪声干扰，其低噪声和宽带设计直接影响整个通信接收系统的灵敏度和接收带宽。随着通信领域的发展，通讯系统对宽工作频带、低噪声系数、低功耗与高灵敏度性能要求越来越高。低噪声放大器是现代微波/毫米波通信、雷达、电子对抗以及遥测遥控接收系统等应用中的一个关键部件。典型超外差接收机结构框图如图1所示，接收机通过适当的滤波，将天线上接收到的微弱高频信号放大后送到混频器与本地振荡（LO）混频至中频（IF），再由滤波器、放大器对中频信号进行匹配滤波和放大。
由此可见LNA的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。LNA的应用场景一般是面向移动通信基础设施基站应用和射电天文学和通信等应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，在这些应用中，室温电子器件无法达到所需的系统灵敏度，而鍺硅异质结双极型晶体管（低功耗HBT）成为一个有吸引力的选择。
研究表明，在低温下工作的鍺硅高功率放大器的近乎理想输出曲线可以用来实现具有较好噪声性能和工作在亚毫瓦功耗级别的低温低噪声到放大器。鍺硅材料安全性很好，器件具有功耗小、特征频率高的优点，与成熟的工艺兼容，其集成度也相当高。经过20年的发展，低功耗HBT的最高截止频率已达到375 GHz 。近年来，国内外对于低噪声放大器的报道，用GaAs FET、CMOS来实现的较多，而用低功耗HBT 实现的较少。
现有技术中，例如公开号为：CN115360986A的发明专利：一种超低功耗超宽带低噪声放大器。该专利中技术的技术方案通过交错调谐，使用电感与寄生电容谐振在不同频点，缓解第二电感导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配。
现有技术中存在：CMOS器件的噪声饱和现象和微纳尺度热传导，导致噪声受限；在低温环境下，由于CMOS器件的噪声饱和会是噪声系数的降低不随温度线性下降，而是下降到一定程度时，不随温度变化，呈现出一个饱和的趋势，此时就是CMOS器件的噪声饱和现象。由于在低温环境下，芯片的供电会使得芯片的温度和周围的环境温度不一样，导致噪声受限。
宽带匹配实现难度大；现有的低温LNA由于各种寄生电容电阻的影响（尤其是MOS晶体管的栅漏电容、栅源电容），很难同时满足输入阻抗匹配、增益平坦和噪声特性良好的要求。
低温低噪放的功耗降低难度大；采用CMOS基础上掺杂工艺的低功耗HBT，宽带噪声可以在很小的电流密度下实现最小化，同样达到40dB的增益，传统COMS工艺需要50mW的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，以解决背景技术中提出的现有技术中，存在CMOS器件的噪声饱和现象和微纳尺度热传导，导致噪声受限、宽带匹配实现难度大以及低温低噪放的功耗降低难度大的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，包括输入匹配电路、输出匹配电路、分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路；
其中，输入匹配电路与信号的输入端连接，输入匹配电路用于提升低温低噪放芯片在使用中的适配性；输出匹配电路与信号的输出端连接，输出匹配电路用于提升放大器高频的稳定性；
三级低功耗HBT电路通过分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3；其中，三极管Q1的两端分别与输入匹配电路以及三极管Q2的一端连接，三极管Q2的另一端与三极管Q3连接，三极管Q3与输出匹配电路连接；
反馈电路用于拓展放大器工作带宽，改善带宽匹配。
根据上述技术方案，输入匹配电路包括电感L1、电感L2、电容C1以及电容C4；
电感L1的一端与输入信号连接，电感L1的另一端分别与电容C1、电感L2的一端连接；电容C1的另一端接地，电感L2的另一端与电容C4的一端连接；
电容C4的另一端分别与分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路连接。
根据上述技术方案，分压电路包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C11、电容C12以及电容C13；
电阻R4的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R4的另一端与分别与电容C11、电阻R11以及电阻R10的一端以及三级低功耗HBT电路连接，电容C11的另一端接地，电阻R10的另一端与电源连接；电阻R11的另一端接地；
电阻R6的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R6的另一端与电阻R13、电容C12以及电阻R12的一端连接；电阻R13的另一端接地，电容C12的另一端接地，电阻R12的另一端与电源连接；
电阻R8的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R8的另一端与电阻R15、电容C13以及电阻R14的一端连接；电阻R15的另一端接地，电容C13的另一端接地，电阻R14的另一端与电源连接。
根据上述技术方案，反馈电路包括电阻R3以及电容C3；电阻R3的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R3的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端分别输出匹配电路以及三级低功耗HBT电路连接。
根据上述技术方案，三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电容C5、电容C6、电容C8、电容C9以及电容C10；
三极管Q1的基极分别与输入匹配电路的电容C4以及分压电路的电阻R4连接；三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与电阻R5以及电容C5的一端连接；电阻R5的另一端分别与电容C8的一端以及电源连接；电容C5的另一端分别与分压电路的电阻R6以及三极管Q2的基极连接；
三极管Q2的基极分别与电容C5以及分压电路的电阻R6连接；三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与电阻R7和电容C6的一端连接；电阻R7的另一端分别与电容C9的一端以及电源连接；电容C6的另一端与分压电路的电阻R8的一端以及三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极接地；
电阻R9的一端分别三极管Q3的集电极、反馈电路的电容C3以及输出匹配电路连接；电阻R9的另一端分别与电容C10的一端以及电源连接，电容C10的另一端接地。
根据上述技术方案，输出匹配电路包括电容C2、电容C7、电阻R1以及电阻R2；
电容C7的一端分别与三级低功耗HBT电路的电阻R9、三极管Q3的集电极以及反馈电路的电容C3连接；电容C7的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C2以及信号输出端连接；电容C2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地。
根据上述技术方案，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3均采用低功耗HBT。
根据上述技术方案，低功耗HBT包括发射区总周长Le，发射极条长le和条宽Se、发射极条数n、基极欧姆接触条与发射极边缘间的最小距离d、发射区面积Ae、集电区面积Ac；
其中，发射区总周长：
其中，为微波射频晶体管的电流，/>为设计参数，/>选取范围为在0.4至0.8A/cm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与其他场效应管相比，本发明中采用的CMOS基础上掺杂HBT有着更低的电流密度，在相同的性能指标下，功耗更低、噪声系数更低；
将放大电路中的负反馈电路和匹配电路相结合，实现超宽带低噪放设计；
输入输出匹配电路中加入隔直电容，匹配不同直流偏置的输入输出，提升芯片适应性；
采用分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，使得第一级低功耗HBT增益最大、噪声系数最小，从而达到优化整个电路增益和噪声系数的目的。
附图说明
图1为现有技术中的超外差接收机结构框图；
图2为本发明中的电路原理图；
图3为HBT横向结构俯视图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，包括输入匹配电路、输出匹配电路、分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路；
其中，输入匹配电路与信号的输入端连接，输入匹配电路用于提升低温低噪放芯片在使用中的适配性；输出匹配电路与信号的输出端连接，输出匹配电路用于提升放大器高频的稳定性；
三级低功耗HBT电路通过分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3；其中，三极管Q1的两端分别与输入匹配电路以及三极管Q2的一端连接，三极管Q2的另一端与三极管Q3连接，三极管Q3与输出匹配电路连接；
反馈电路用于拓展放大器工作带宽，改善带宽匹配。
与其他场效应管相比，本发明中采用的CMOS基础上掺杂HBT有着更低的电流密度，在相同的性能指标下，功耗更低、噪声系数更低；
将放大电路中的负反馈电路和匹配电路相结合，实现超宽带低噪放设计；
输入输出匹配电路中加入隔直电容，匹配不同直流偏置的输入输出，提升芯片适应性；
采用分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，使得第一级低功耗HBT增益最大、噪声系数最小，从而达到优化整个电路增益和噪声系数的目的。
实施例二
本实施例为实施例一的进一步细化。
如图2所示，输入匹配电路包括电感L1、电感L2、电容C1以及电容C4；
电感L1的一端与输入信号连接，电感L1的另一端分别与电容C1、电感L2的一端连接；电容C1的另一端接地，电感L2的另一端与电容C4的一端连接；
电容C4的另一端分别与分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路连接。
分压电路包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C11、电容C12以及电容C13；
电阻R4的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R4的另一端与分别与电容C11、电阻R11以及电阻R10的一端以及三级低功耗HBT电路连接，电容C11的另一端接地，电阻R10的另一端与电源连接；电阻R11的另一端接地；
电阻R6的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R6的另一端与电阻R13、电容C12以及电阻R12的一端连接；电阻R13的另一端接地，电容C12的另一端接地，电阻R12的另一端与电源连接；
电阻R8的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R8的另一端与电阻R15、电容C13以及电阻R14的一端连接；电阻R15的另一端接地，电容C13的另一端接地，电阻R14的另一端与电源连接。
反馈电路包括电阻R3以及电容C3；电阻R3的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R3的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端分别输出匹配电路以及三级低功耗HBT电路连接。
三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电容C5、电容C6、电容C8、电容C9以及电容C10；
三极管Q1的基极分别与输入匹配电路的电容C4以及分压电路的电阻R4连接；三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与电阻R5以及电容C5的一端连接；电阻R5的另一端分别与电容C8的一端以及电源连接；电容C5的另一端分别与分压电路的电阻R6以及三极管Q2的基极连接；
三极管Q2的基极分别与电容C5以及分压电路的电阻R6连接；三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与电阻R7和电容C6的一端连接；电阻R7的另一端分别与电容C9的一端以及电源连接；电容C6的另一端与分压电路的电阻R8的一端以及三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极接地；
电阻R9的一端分别三极管Q3的集电极、反馈电路的电容C3以及输出匹配电路连接；电阻R9的另一端分别与电容C10的一端以及电源连接，电容C10的另一端接地。
输出匹配电路包括电容C2、电容C7、电阻R1以及电阻R2；
电容C7的一端分别与三级低功耗HBT电路的电阻R9、三极管Q3的集电极以及反馈电路的电容C3连接；电容C7的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C2以及信号输出端连接；电容C2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地。
实施例三
本实施例为实施例二的进一步细化。
三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3均采用低功耗HBT。
低噪放采用了低功耗HBT进行设计，可在极低温条件下正常工作，并且具备高增益、低噪声、低功耗特性。
低功耗HBT采用横向梳状结构设计，如图3所示，它是管芯中的基本单元，整个晶体管将用四个完全相同一致的单元排列在一个芯片上，均分功率，形成相互并联的射频微波晶体管的组合。通过对其几何图形的选择和确定，实现低功耗HBT，它包括发射区总周长LE，发射极条长（le）和条宽（Se）、发射极条数（n）、基极欧姆接触条与发射极边缘间的最小距离（d）、发射区面积（Ae）、集电区面积（Ac）。
本发明采用的低功耗HBT设计关键要素如下：
发射区总周长：
发射极总周长LE由最大单位周长的电流容量I决定，微波射频晶体管的I通常选取在0.4~0.8A/cm之间，本发明选取。设计参数/>，发射区总周长为：/>。
发射极条宽：本发明采用发射极金属条宽（Se）为0.2μm。
发射极条长：Le=20μm。
基极条宽度：0.35μm。
根据发射极总周长和发射极条长条宽，采用有2个发射极的基本梳状单元，共有4个单元。发射极的总周长为（20×2+0.2×2）×2×4=323.2μm，符合设计要求。
发射区总面积：Ae=8Sele=8×0.2×20=32μm2。
基区/集电区总面积：
Ab=(2×1.5+3×4) ×（20+2×2）×4=1440μm2。
Ac=（2×1.5+3×4）×（20+2×2）×4=1440μm2。
通过输入匹配电路、输出匹配电路与反馈电路，实现超带宽与大线性动态范围功能。
为了使低温低噪放的工作频段满足10KHz~3GHz，本发明采用了负反馈电路和匹配电路相结合的电路实现低噪放的超宽带工作。负反馈应用在放大器电路中，可以拓展放大器工作带宽，改善带宽匹配。
分析得到系统总增益A为：
由于得到：
反馈系数f可以通过理想线性元件，如电阻分压器等实现。
通过负反馈实现放大器线性是基本原理，如图3所示，通过比较器实现输入电压与负反馈电压相减，调整反馈电路电阻阻值（图2中R3，阻值4KΩ-10KΩ），通过改变电压反馈深度实现闭环放大系统线性。
在微波射频电路中，若输入、输出端口出现了大的反射波时，将导致传输功率下降，甚至信号无法传输。要想实现最大功率的传输，须在输入、输出端口进行匹配电路设计，同时可实现宽工作带宽。
因为低噪声放大器的设计工作频率为10KHz至3GHz，频率范围很宽，并且低频段至10KHz，输入匹配电路通过L1、L2和C1形成LC结构π形低通匹配电路，并采用了C4隔直电容，提升了低温低噪放芯片在使用中的适配性，可匹配任何直流偏置的信号输入。
同理，输出匹配电路通过R1、R2和C2形成RC低通匹配电路，电阻R1增加射频损耗，可以有效改善输出回波损耗，并且不会恶化噪声系数；通过电阻R2增加高频损耗，提升高频的稳定性。并且采取输出隔直电容（C7）设计，可作为任何电压偏置的输入端。
通过三级低功耗HBT放大体制和分压电路设计，实现高增益和低噪声系数。
本发明采用三级低功耗HBT放大体制，通过分压电路（图2中Vb分压电路）调整三级低功耗HBT工作电流，如式（3）所示，使得第一级低功耗HBT增益G1最大、噪声系数F1最小，从而达到整个放大电路处于增益与噪声系数最佳状态。
采用电阻分压电路对输入Vb进行分压，从而实现供给三级晶体管的基极电压Vb1，Vb2，Vb3输出，分压公式为：
通过改变分压电阻的阻值，达到Vb1>Vb2>Vb3，来调整每一极晶体管的基极电压Vb，最终实现低噪放的最佳工作状态，根据实验得出分压经验值：Vb2= Vb1*X1，X1=0.990~0.993; Vb3= Vb2*X2，X2=0.993~0.996，可达到三级HBT放大增益与噪声系数最佳状态。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，其特征在于：包括输入匹配电路、输出匹配电路、分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路；
其中，输入匹配电路与信号的输入端连接，输入匹配电路用于提升低温低噪放芯片在使用中的适配性；输出匹配电路与信号的输出端连接，输出匹配电路用于提升放大器高频的稳定性；
三级低功耗HBT电路通过分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3；其中，三极管Q1的两端分别与输入匹配电路以及三极管Q2的一端连接，三极管Q2的另一端与三极管Q3连接，三极管Q3与输出匹配电路连接；
反馈电路用于拓展放大器工作带宽，改善带宽匹配；
输入匹配电路包括电感L1、电感L2、电容C1以及电容C4；
电感L1的一端与输入信号连接，电感L1的另一端分别与电容C1、电感L2的一端连接；电容C1的另一端接地，电感L2的另一端与电容C4的一端连接；
电容C4的另一端分别与分压电路、反馈电路以及三级低功耗HBT电路连接；
分压电路包括电阻R4、电阻R6、电阻R8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C11、电容C12以及电容C13；
电阻R4的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R4的另一端与分别与电容C11、电阻R11以及电阻R10的一端以及三级低功耗HBT电路连接，电容C11的另一端接地，电阻R10的另一端与电源连接；电阻R11的另一端接地；
电阻R6的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R6的另一端与电阻R13、电容C12以及电阻R12的一端连接；电阻R13的另一端接地，电容C12的另一端接地，电阻R12的另一端与电源连接；
电阻R8的一端与三级低功耗HBT电路连接；电阻R8的另一端与电阻R15、电容C13以及电阻R14的一端连接；电阻R15的另一端接地，电容C13的另一端接地，电阻R14的另一端与电源连接；
采用分压电路调整三级低功耗HBT工作电流，使得第一级低功耗HBT增益最大、噪声系数最小，从而达到优化整个电路增益和噪声系数的目的；
反馈电路包括电阻R3以及电容C3；电阻R3的一端与输入匹配电路的电容C4连接；电阻R3的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端分别输出匹配电路以及三级低功耗HBT电路连接；
三级低功耗HBT电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R5、电阻R7、电阻R9、电容C5、电容C6、电容C8、电容C9以及电容C10；
三极管Q1的基极分别与输入匹配电路的电容C4以及分压电路的电阻R4连接；三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极分别与电阻R5以及电容C5的一端连接；电阻R5的另一端分别与电容C8的一端以及电源连接；电容C5的另一端分别与分压电路的电阻R6以及三极管Q2的基极连接；
三极管Q2的基极分别与电容C5以及分压电路的电阻R6连接；三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与电阻R7和电容C6的一端连接；电阻R7的另一端分别与电容C9的一端以及电源连接；电容C6的另一端与分压电路的电阻R8的一端以及三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极接地；
电阻R9的一端分别三极管Q3的集电极、反馈电路的电容C3以及输出匹配电路连接；电阻R9的另一端分别与电容C10的一端以及电源连接，电容C10的另一端接地；
输出匹配电路包括电容C2、电容C7、电阻R1以及电阻R2；
电容C7的一端分别与三级低功耗HBT电路的电阻R9、三极管Q3的集电极以及反馈电路的电容C3连接；电容C7的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C2以及信号输出端连接；电容C2的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地；
三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3均采用低功耗HBT。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗超宽带低温低噪声放大器，其特征在于：低功耗HBT包括发射区总周长,发射极条长/>和条宽/>、发射极条数n、基极欧姆接触条与发射极边缘间的最小距离d、发射区面积/>、集电区面积/>；
其中，发射区总周长：
其中，为微波射频晶体管的电流，/>为设计参数，/>选取范围为在0.4至0.8A/cm。
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