CN116996029B - 一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，属于无线通信技术领域，本发明电路结构为：输入焊盘和输入匹配网络串联，输入匹配网络与Q1晶体管栅级相连，源级负反馈网络与Q1晶体管源级相连，级间匹配网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管栅级之间，峰化网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管源级之间，Q2晶体管漏级与输出匹配网络相连，输出匹配网络与输出焊盘串联，馈电端口与馈电网络相连，有源偏置网络与馈电网络相连，馈电网络与Q1晶体管栅级和Q2晶体管栅级和漏级相连，第二级栅漏反馈电路与Q2晶体管栅极和漏级相连，解决了传统结构带宽过低、高频增益少、高低温工况下芯片性能变化大的问题。
Description
技术领域
本发明芯片属于无线通信技术领域，具体涉及一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片。
背景技术
随着当今社会信息化的快速发展，无线通信技术已经被社会广泛使用。而其中6GHz到18GHz的带内资源对国防事业的发展至关重要。
低噪声放大器LNA(LowNoiseAmplifier)是现代微波／毫米波通信、雷达、电子对抗及遥测遥控接收系统等应用中的一个关键部件，常在接收系统的前端使用。发明人在实际使用过程中发现，这些现有技术至少存在以下技术问题：
1:传统结构带宽过窄；
2：整体电路高频增益过低；
3:在高低温工况下芯片性能有较大变化。
发明内容
针对现有技术中存在的带宽过低、高频增益少、高低温工况下芯片性能变化大的问题，本发明提出了一种可以在6 GHz到18 GHz频段保持高性能超宽带的低噪声放大器。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：
一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，包括了馈电端口、有源偏置网络、馈电网络、第二级栅漏反馈网络、输入焊盘、输入匹配网络、源级负反馈网络、级间匹配网络、峰化网络、输出匹配网络、输出焊盘；所述输入焊盘和输入匹配网络串联，输入匹配网络与Q1晶体管栅级相连，源级负反馈网络与Q1晶体管源级相连，级间匹配网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管栅级之间，峰化网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管源级之间，Q2晶体管漏级与输出匹配网络相连，输出匹配网络与输出焊盘串联，馈电端口与馈电网络相连，有源偏置网络与馈电网络相连，馈电网络与Q1晶体管栅级和Q2晶体管栅级和漏级相连，第二级栅漏反馈电路与Q2晶体管栅极和漏级相连,在6GHz-18GHz的宽带内达到了很平坦的增益，实现了较小的噪声系数。
较优的，本发明所述有源偏置网络包括了Q3晶体管、电阻R2、电阻R3、电感L2，其中Q3晶体管栅极与电阻R2相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地。
较优的，本发明所述馈电网络包括了电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电感L2、电感L9、电容C7、馈电端口、Q3晶体管，其中Q3晶体管栅极与电阻R2一端相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地，电阻R2另一端与电阻R1相连，电阻R5一端连接于电阻R1和R2之间，电阻R5另一端与Q2晶体管栅极相连；馈电端口与电阻R1另一端相连，馈电端口与电感L9相连，馈电端口与电感L9之间连接有电容C7，电容C7接地。
较优的，本发明所述第二级栅漏反馈网络包括了电阻R6、电容C5、电感L7，其中电阻R6一端与Q2晶体管栅极相连，电阻R6另一端与电容C5串联，电容C5与电感L7串联，电感L7另一端连接于电感L9和电感L8之间。
较优的，本发明所述输入匹配网络包括了电容C1和电感L1,其中电容C1一端连接输入焊盘，电容C1另一端连接电感L1。电感L1的另一端连接Q1晶体管栅极和电感L2。
较优的，本发明所述峰化网络包括了电感L4、电感L5、电阻R5、电容C6，电感L5与电阻R5并联，电感L4一端与Q1晶体管的漏极相连，电感L4另一端与并联的电感L5和电阻R5相连，并联的电感L5和电阻R5另一端连接于Q2晶体管的源级和电容C6相连，电容C6接地。
较优的，本发明所述输出匹配网络包括了电感L8、电感L9、电容C8、微带线TL1,其中电感L8、电容C8、电感L9依次串联，电感L8另一端连接于Q2晶体管漏极，电感L9另一端连接于输出焊盘，电感L9和输出焊盘之间并联有末端开路的微带线TL1。
较优的，本发明所述源级负反馈网络包括了电感L3、电阻R4、电容C2，其中电感L3和电阻R4串联，电容C2与串联的电感L3和电阻R4并联，该网络与Q1晶体管源级相连并接地。
较优的，本发明所述级间匹配网络包括了电容C3、电容C4、电感L6，其中电容C3和电感L6之间串联，电容C3和电感L6之间连有电容C4，电容C4接地，电容C3的另一端连接Q1晶体管的漏极，电感L6的另一端与电阻R5和Q2晶体管的栅极相连。
较优的，本发明所述芯片为带反馈的两级电流复用结构。
较优的，本发明所述第一级放大管Q1晶体管的源级不是采用常规的源级退化电感做负反馈，而是采用电感L3与电阻R4串联和整体与电容C2并联来做反馈，这种反馈结构相比传统反馈结构能带来更宽的带宽。
较优的，本发明所述第二级放大管Q2晶体管的输出级串联电感L8用以抵消管芯自带的米勒电容，提高了整体电路的高频增益。
较优的，本发明所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片采用特殊的偏置网络，馈电网络上连接有晶体管Q3组成的电流稳定结构（有源偏置）以保证芯片在高低温时芯片性能有微弱变动。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1.可以提供更宽的带宽；
2.提高整体电路的高频增益；
3.提高芯片在高低温工况下的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的整体结构示意图；
图2是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的馈电网络结构示意图；
图3是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的输入匹配结构示意图；
图4是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的源极负反馈网络结构示意图；
图5是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的级间匹配网络结构示意图；
图6是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的峰化网络结构示意图；
图7是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的第二级栅漏反馈网络结构示意图；
图8是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的输出匹配网络结构示意图；
图9是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的有源偏置网络结构示意图；
图10是一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片的模块示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例：
如图10所示，一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，具体电路结构如图1所示：
包括馈电端口、有源偏置网络、馈电网络、第二级栅漏反馈网络、输入焊盘、输入匹配网络、源级负反馈网络、级间匹配网络、峰化网络、输出匹配网络、输出焊盘，所述输入焊盘和输入匹配网络串联，输入匹配网络与Q1晶体管栅级相连，源级负反馈网络与Q1晶体管源级相连，级间匹配网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管栅级之间，峰化网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管源级之间，Q2晶体管漏级与输出匹配网络相连，输出匹配网络与输出焊盘串联，馈电端口与馈电网络相连，有源偏置网络与馈电网络相连，馈电网络与Q1晶体管栅级和Q2晶体管栅级和漏级相连，第二级栅漏反馈电路与Q2晶体管栅极和漏级相连。
有源偏置网络包括了Q3晶体管、电阻R2、电阻R3、电感L2，其中Q3晶体管栅极与电阻R2相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地。
馈电网络包括了电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电感L2、电感L9、电容C7、馈电端口、Q3晶体管，其中Q3晶体管栅极与电阻R2一端相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地，电阻R2另一端与电阻R1相连，电阻R5一端连接于电阻R1和R2之间，电阻R5另一端与Q2晶体管栅极相连；馈电端口与电阻R1另一端相连，馈电端口
与电感L9相连，馈电端口与电感L9之间连接有电容C7，电容C7接地。
第二级栅漏反馈网络包括了电阻R6、电容C5、电感L7，其中电阻R6一端与Q2晶体管栅极相连，电阻R6另一端与电容C5串联，电容C5与电感L7串联，电感L7另一端连接于电感L9和电感L8之间。
输入匹配网络包括了电容C1和电感L1,其中电容C1一端连接输入焊盘，电容C1另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接Q1晶体管栅极和电感L2。
峰化网络包括了电感L4、电感L5、电阻R5、电容C6，电感L5与电阻R5并联，电感L4一端与Q1晶体管的漏极相连，电感L4另一端与并联的电感L5和电阻R5相连，并联的电感L5和电阻R5另一端连接于Q2晶体管的源级和电容C6相连，电容C6接地；
输出匹配网络包括了电感L8、电感L9、电容C8、微带线TL1,其中电感L8、电容C8、电感L9依次串联，电感L8另一端连接于Q2晶体管漏极，电感L9另一端连接于输出焊盘，电感L9和输出焊盘之间并联有末端开路的微带线TL1。
源级负反馈网络包括了电感L3、电阻R4、电容C2，其中电感L3和电阻R4串联，电容C2与串联的电感L3和电阻R4并联，该网络与Q1晶体管源级相连并接地。
级间匹配网络包括了电容C3、电容C4、电感L6，其中电容C3和电感L6之间串联，电容C3和电感L6之间连有电容C4，电容C4接地，电容C3的另一端连接Q1晶体管的漏极，电感L6的另一端与电阻R5和Q2晶体管的栅极相连。
整个电路通过工艺为栅长为150nm的砷化镓基集成电路实现，不采用片外集总元件进行匹配，用户只需在射频输入输出口和供电口用键合金丝连接外围电路。
芯片有通孔连接正反两面，保证芯片背面与系统地之间保持良好的射频接地连接。
Q1晶体管的源级不是采用常规的源级退化电感做负反馈，而是采用电感L3与电阻R4串联后整体与电容C2并联这种方式作为负反馈，这种反馈结构相比传统反馈结构能带来更宽的带宽。
Q2晶体管漏极串联电感L8用以抵消管芯自带的米勒电容，提高整体电路的高频增益。
图2是本发明的馈电网络结构示意图，可以为第一级第二级放大电路提供合适的栅压和漏压，以实现晶体管的放大功能；
图3是本发明的输入匹配结构示意图，将第一级晶体管的输入阻抗匹配到50欧姆阻抗；
图4是本发明的源极负反馈网络结构示意图，将增加第一级放大电路的工作带宽，由于第一级放大管Q1晶体管的源级未采用常规的源级退化电感做负反馈，而是采用电感L3与电阻R4串联后整体与电容C2并联这种方式作为负反馈，这种反馈结构相比传统反馈结构能带来更宽的带宽；
图5是本发明的级间匹配网络结构示意图，将第一晶体管的输出阻抗匹配到第二级的输入阻抗；
图6是本发明的峰化网络结构示意图，结构相比传统的只用电感连接前后两级放大管的电流复用结构具有增加带宽的优势；
图7是本发明的第二级栅漏反馈网络结构示意图，可以增加高频的增益，降低低频的增益，并将第二级晶体管的整个频带的阻抗范围缩小，以与第一级晶体管实现更好的匹配；
图8是本发明的输出匹配网络结构示意图，在第二级放大管Q2晶体管输出级串联电感L8用以抵消管芯自带的米勒电容，提高整体电路的高频增益；
图9是本发明的有源偏置网络结构示意图，馈电网络上连接有Q3晶体管组成的电流稳定结构，即有源偏置网络，以保证芯片在高低温时芯片性能没有巨大变化。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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 (9)
1.一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，包括馈电端口、有源偏置网络、馈电网络、第二级栅漏反馈网络、输入焊盘、输入匹配网络、源级负反馈网络、级间匹配网络、峰化网络、输出匹配网络、输出焊盘：
所述输入焊盘和输入匹配网络串联，输入匹配网络与Q1晶体管栅级相连，源级负反馈网络与Q1晶体管源级相连，级间匹配网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管栅级之间，峰化网络连接于Q1晶体管漏级和Q2晶体管源级之间，Q2晶体管漏级与输出匹配网络相连，输出匹配网络与输出焊盘串联，馈电端口与馈电网络相连，有源偏置网络与馈电网络相连，馈电网络与Q1晶体管栅级和Q2晶体管栅级和漏级相连，第二级栅漏反馈电路与Q2晶体管栅极和漏级相连；
所述输出匹配网络包括了电感L8、电感L9、电容C8、微带线TL1,其中电感L8、电容C8、电感L9依次串联，电感L8另一端连接于Q2晶体管漏极，电感L9另一端连接于输出焊盘，电感L9和输出焊盘之间并联有末端开路的微带线TL1。
2.根据权利要求1所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，有源偏置网络包括了Q3晶体管、电阻R2、电阻R3、电感L2，其中Q3晶体管栅极与电阻R2相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，馈电网络包括了电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电感L2、电感L9、电容C7、馈电端口、Q3晶体管，其中Q3晶体管栅极与电阻R2一端相连，Q3晶体管的源级和栅极短路相接后与电感L2相连，Q3晶体管的漏极与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地，电阻R2另一端与电阻R1相连，电阻R5一端连接于电阻R1和R2之间，电阻R5另一端与Q2晶体管栅极相连；馈电端口与电阻R1另一端相连，馈电端口与电感L9相连，馈电端口与电感L9之间连接有电容C7，电容C7接地。
4.根据权利要求3所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，第二级栅漏反馈网络包括了电阻R6、电容C5、电感L7，其中电阻R6一端与Q2晶体管栅极相连，电阻R6另一端与电容C5串联，电容C5与电感L7串联，电感L7另一端连接于电感L9和电感L8之间。
5.根据权利要求4所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，输入匹配网络包括了电容C1和电感L1,其中电容C1一端连接输入焊盘，电容C1另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接Q1晶体管栅极和电感L2。
6.根据权利要求5所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，峰化网络包括了电感L4、电感L5、电阻R5、电容C6，电感L5与电阻R5并联，电感L4一端与Q1晶体管的漏极相连，电感L4另一端与并联的电感L5和电阻R5相连，并联的电感L5和电阻R5另一端连接于Q2晶体管的源级和电容C6相连，电容C6接地。
7.根据权利要求1所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，源级负反馈网络包括了电感L3、电阻R4、电容C2，其中电感L3和电阻R4串联，电容C2与串联的电感L3和电阻R4并联，该网络与Q1晶体管源级相连并接地。
8.根据权利要求1所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，级间匹配网络包括了电容C3、电容C4、电感L6，其中电容C3和电感L6之间串联，电容C3和电感L6之间连有电容C4，电容C4接地，电容C3的另一端连接Q1晶体管的漏极，电感L6的另一端与电阻R5和Q2晶体管的栅极相连。
9.根据权利要求1所述的一种6GHz到18GHz超宽带高性能低噪声放大器芯片，其特征在于，所述芯片使用金丝作为键合线连接外围电路。
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