CN211579935U - 一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路 - Google Patents
一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，包括反馈电路、放大电路以及偏置电路，所述反馈电路对输入的射频信号进行优化，有效提高放大器的放大倍数，减少射频信号的失真；所述放大电路将输入的射频信号放大到所需的幅度值且与原输入射频信号的变化规律一致；所述偏置电路为所述放大电路中的晶体管M1的源极提供动态偏置电压。本实用新型具有结构简单，尺寸小，同时兼顾低功耗与高动态范围，具有自适应偏置功能，不需要人为改变放大器的源极电阻来手动调节偏置电压，解决了低噪声放大器在功耗和线性度、噪声等性能之间的矛盾，使其在低功耗的工作状态下依然具有较优越的综合性能，大大提高了低噪声放大器芯片的实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子、半导体及通信技术领域，涉及一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路。
背景技术
低噪声放大器是射频接收前端的重要组成部分，作为射频接收前端的关键模块，其作用是对天线接收到的微弱信号进行放大并尽可能少地引入本地噪声。其性能对整体接收机的性能起到决定性的影响。低噪声放大器的关键性能指标包括放大增益、噪声系数、线性度和功耗等。一个低噪声放大器不仅要在接收信号时不附加太多的噪声信号，同时在接收强信号时还需要保持足够高的线性度。但是其功耗会对射频电路的增益、噪声和线性度等性能产生较大的影响，这会严重影响接收机前端的整体性能。
低噪声放大器可以采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)、砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)等作为低噪放大元件。其中采用CMOS器件实现的低噪声放大器虽然集成度高、成本低，但存在高频特性差、线性度低的缺点；采用GaAs pHEMT器件实现的低噪声放大器，具有超低的噪声系数和较高的线性度，但也存在集成度低和设计灵活性差的缺点。为了保证信号传输的完整性，低噪声放大器应尽可能减少非线性失真，提高线性度、噪声等性能，因此选择GaAs pHEMT器件来实现。
低噪声放大器对天线接收到的微弱信号进行放大并尽可能少地引入本地噪声。为了给后面的下变频器提供合适的输入功率，同时抑制后面各级噪声对接收系统的影响，要求低噪声放大器具有一定的增益。为了使接收信号无失真地放大，要求低噪声放大器具有足够好的线性度。由于接收机输入信号的变化范围较大，要求低噪声放大器具有较宽的线性范围。但在射频接收前端，低噪声放大器大约占前端功耗的一半左右，由于低功耗和低噪声是一对矛盾，在设计时需要权衡考虑，因此无法获得一个同时具有低功耗和高线性度的低噪声放大器。因此，研究一种能够同时满足低功耗和高线性的低噪声放大器的方法具有重大的应用价值和现实意义。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本实用新型提供所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，在自适应偏置电路的作用下，该低噪声放大器既保证了良好的噪声系数和增益，降低了功耗，同时又提高了线性度。
为了实现根据本实用新型的这些目的和其他优点，本实用新型提供一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，包括反馈电路、放大电路以及偏置电路，
所述反馈电路对输入的射频信号进行优化，有效提高放大器的放大倍数，减少射频信号的失真；所述放大电路将输入的射频信号放大到所需的幅度值且与原输入射频信号的变化规律一致；所述偏置电路为所述放大电路中的晶体管M1的栅极提供动态偏置电压，且与静态偏置电压V1叠加为晶体管M1的源极提供电压。
进一步地，所述反馈电路包括电容C2和电阻R1。所述电阻R1的一端与电容C2相连，另一端与电容C1、电阻R2以及晶体管M1的栅极连接，所述电容C2一端与电阻R1连接，另一端与电感L2、电容C2以及晶体管M1的漏极连接。
进一步地，所述放大电路中晶体管M1的栅源电压由栅极电压和源极电压共同决定，其中，所述栅极为固定的零电位，通过所述源极电压调节晶体管M1的电压。所述偏置电路提供动态偏置电压，所述动态偏置电压与静态偏置电压叠加为晶体管M1的源极提供电压；其中，电源通过A点与晶体管M1源极连接，为所述晶体管M1的源极提供静态偏置电压。
进一步地，所述偏置电路包括晶体管M2和M3、电阻R3和R4。所述晶体管M2和M3的栅极相互连接且与所述放大电路中晶体管M1的源极连接；所述晶体管M2的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R3的另一端与源极电感L1、电阻R4连接；所述晶体管M3的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R4的另一端与源极电感L1、电阻R3连接。
进一步地，所述放大电路包括晶体管M1、电阻R2、源极电感L1、扼流电感L2以及电容C1和C2。所述晶体管M1的栅极连接电容C1、电阻R1和R2，漏极连接扼流电感L2、电容C2和C3，源极连接偏置电路；所述电阻R2一端连接电容C1电阻R1以及晶体管1的栅极，另一端接地；所述源极电感L1的一端连接偏置电路，另一端接地；所述扼流电感L2的一端连接电容C2和C3、晶体管M1的漏极，另一端连接电源Vdd。
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为本实用新型的电路结构示意图。
图2为本实用新型的性能指标仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实用新型提供一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，通过反馈电路、放大电路以及偏置电路解决低噪声放大器在功耗和线性度、噪声等性能之间的矛盾，使其在低功耗的工作状态下依然具有较优越的综合性能，大大提高了低噪声放大器芯片的实用性。
所述反馈电路对输入的射频信号进行优化，有效提高放大器的放大倍数，减少射频信号的失真；所述放大电路将输入的射频信号放大到所需的幅度值，且与原输入射频信号的变化规律一致；所述偏置电路为所述放大电路中的晶体管M1的栅极提供动态偏置电压，且与静态偏置电压V1叠加为晶体管M1的源极提供电压。
在本实用新型的实施例中，如图1所示，所述反馈电路包括电容C2和电阻R1，所述电阻R1的一端与电容C2相连，另一端与电容C1、电阻R2以及晶体管M1的栅极连接，所述电容C2一端与电阻R1连接，另一端与电感L2、电容C2以及晶体管M1的漏极连接。
放大电路中晶体管M1的栅源电压由栅极电压和源极电压共同决定；所述栅极为固定的零电位，通过所述源极电压用于调节晶体管M1的电压；所述偏置电路提供动态偏置电压，所述动态偏置电压与静态偏置电压叠加为晶体管M1的源极提供电压；其中，电源与晶体管M1源极连接，为所述晶体管M1的源极提供静态偏置电压。
所述偏置电路包括晶体管M2和M3、电阻R3和R4，所述晶体管M2和M3的栅极相互连接且与所述放大电路中晶体管M1的源极连接；所述晶体管M2的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R3的另一端与源极电感L1、电阻R4连接；所述晶体管M3的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R4的另一端与源极电感L1、电阻R3连接。
所述放大电路包括晶体管M1、电阻R2、源极电感L1、扼流电感L2以及电容C1和C2。所述晶体管M1的栅极连接电容C1、电阻R1和R2，漏极连接扼流电感L2、电容C2和C3，源极连接偏置电路；所述电阻R2一端连接电容C1电阻R1以及晶体管1的栅极，另一端接地；所述源极电感L1的一端连接偏置电路，另一端接地；所述扼流电感L的一端连接电容C2和C3、晶体管M1的漏极，另一端连接电源Vdd。
在本实用新型的实施例中，所述反馈电路对输入的射频信号进行优化，能有效地提高放大器的放大倍数，减少射频信号的失真；所述放大电路将输入的射频信号放大到所需的幅度值且与原输入射频信号的变化规律一致；所述偏置电路为所述放大电路中的晶体管M1的栅极提供动态偏置电压。
本实用新型通过一种自适应偏置电路，为晶体管M1的源极提供动态偏置电压。晶体管M1的栅极源极电压Vgs由栅极和源极决定，其中栅极固定零电位，主要通过源极电压来调节。
晶体管的源极电压主要由两部分叠加组成：一是静态偏置电压Vgs，通过电阻R3和R4提供一个固定的静态电压；二是偏置电路产生的动态偏置电压。
在偏置电路中，晶体管M2和M3源极漏极短接当做二极管使用，由于二极管的整流特性，将一部分射频信号能量转化为直流信号，直接给晶体管M1的源极叠加一个电压信号，随着输入的射频信号功率增大，输出的射频信号电压摆幅也增大。如果输入的射频信号功率越大，自适应偏置电路产生的动态电压也越大，则提供给晶体管M1源极的叠加电压也越大，则实现晶体管M1自适应线性补偿，提高了低噪声放大器1dB压缩点的输出功率。使得低噪声放大器在保证良好的噪声系数和增益的条件下，降低了功耗，同时提高了线性度。
与传统低噪声放大器电路相比，本实用新型所述的自适应偏置电路结构简单，尺寸小，同时兼顾低功耗与高动态范围，具有自适应偏置功能，不需要人为改变放大器的源极电阻来手动调节偏置电压，解决了低噪声放大器在功耗和线性度、噪声等性能之间的矛盾，使其在低功耗的工作状态下依然具有较优越的综合性能，大大提高了低噪声放大器芯片的实用性。
如图2所示，本实用新型所述低噪声放大器的各性能指标的仿真结果，工作电流仅有14.8mA，小信号增益为12dB@1.5GHz，1dB压缩点输出功率为22dBm@1.5GHz，从结果来看本实用新型所述的配置自适应偏置电路的低噪声放大器功耗低，且动态范围大。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，实施例所述自适应偏置电路亦可改为并联多路的形式；所述自适应偏置电路中，晶体管M2和晶体管M3的源极和漏极短接，亦可改为二极管替代；所述自适应偏置电路中，晶体管M2和晶体管M3并联，亦可改为单只、串联多只或并联多只的形式；凡只要是在实施例所述共源晶体管M1的源极使用由二极管组成的自适应偏置电路，均视为本实用新型的应用延伸。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，包括反馈电路、放大电路以及偏置电路，其特征在于，
所述反馈电路对输入的射频信号进行优化，有效提高放大器的放大倍数，减少射频信号的失真；
所述放大电路将输入的射频信号放大到所需的幅度值，且与原输入射频信号的变化规律一致；
所述偏置电路为所述放大电路中的晶体管M1的栅极提供动态偏置电压，且与静态偏置电压V1叠加为晶体管M1的源极提供电压。
2.如权利要求1所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，所述反馈电路包括电容C2和电阻R1。
3.如权利要求2所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，
所述电阻R1的一端与电容C2相连，另一端与电容C1、电阻R2以及晶体管M1的栅极连接；
所述电容C2一端与电阻R1连接，另一端与电感L2、电容C2以及晶体管M1的漏极连接。
4.如权利要求1所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，所述放大电路中晶体管M1的栅源电压由栅极电压和源极电压共同决定；
其中，所述栅极为固定的零电位，通过所述源极电压用于调节晶体管M1的电压。
5.如权利要求4所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，所述偏置电路提供动态偏置电压，所述动态偏置电压与静态偏置电压叠加为晶体管M1的源极提供电压；
其中，电源与晶体管M1源极连接，为所述晶体管M1的源极提供静态偏置电压。
6.如权利要求5所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，所述偏置电路包括晶体管M2和M3、电阻R3和R4。
7.如权利要求6所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，
所述晶体管M2和M3的栅极相互连接且与所述放大电路中晶体管M1的源极连接；
所述晶体管M2的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R3的另一端与源极电感L1、电阻R4连接；
所述晶体管M3的源极和漏极短接并与电阻R3连接，所述电阻R4的另一端与源极电感L1、电阻R3连接。
8.如权利要求1所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，所述放大电路包括晶体管M1、电阻R2、源极电感L1、扼流电感L2以及电容C1和C2。
9.如权利要求8所述的一种应用于低噪声放大器芯片的自适应偏置电路，其特征在于，
所述晶体管M1的栅极连接电容C1、电阻R1和R2，漏极连接扼流电感L2、电容C2和C3，源极连接偏置电路；
所述电阻R2一端连接电容C1电阻R1以及晶体管1的栅极，另一端接地；
所述源极电感L1的一端连接偏置电路，另一端接地；
所述扼流电感L2的一端连接电容C2和C3、晶体管M1的漏极，另一端连接电源Vdd。
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