CN213027958U - 一种5g系统的宽带低噪声驱动放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器，包括依次连接的输入匹配供电网络、宽带达林顿堆叠放大网络以及单端转差分网络，本实用新型利用宽带达林顿堆叠放大网络，实现了低噪声系数与高线性度指标，并进一步降低了功耗，改善了温度波动；同时利用差分放大器在微波频段的良好的寄生参数抑制性，使得整个低噪声驱动放大器获得了良好的高增益、低噪声和高线性输出能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

Description

一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器

技术领域

本实用新型属于5G通信和集成电路技术领域，具体涉及一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器的设计。

背景技术

随着5G民用通信市场的快速发展，射频前端接收器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高增益、高线性度、低功耗、低噪声的射频与微波低噪声放大器芯片。

然而，当前传统射频与微波低噪声放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现：

(1)低功耗、高增益、低噪声放大指标相互制约：由于市场的驱使，射频前端接收器的待机功耗需要尽量降低，从而实现节能的功能，但是传统的共源(或共射)低噪声放大器设计中，满足实现噪声最优的最佳噪声偏置点，和满足增益与跨导最大的偏置点往往不能实现放大器的功耗最低，因此两个指标不能很好地兼容。

(2)低功耗和高线性度指标相互制约：传统共源(或共射)低噪声放大器设计中，高线性度指标需要在固定工艺下选择功率容量高且1dB压缩点高的放大器晶体管，而高功率容量往往需要消耗较大的直流功耗，因此低功耗和线性度两者不能很好的兼容。

常见的低功耗、高线性度低噪声放大器的电路结构有很多，最典型的是电流复用式共源(或共射)放大器，但是，典型电流复用式共源(或共射)放大器，仍然存在一些设计不足，主要体现在：

(1)电流复用结构需要采用馈电电感和大电容实现两个共源(或共射)放大器的静态偏置复用，这种大电感和大电容馈电结构的自谐振频率点较低，在实现超宽带放大的时候，有可能自谐振频率点会落入放大频带内，从而恶化射频特性；同时大电感和电容往往占用较大的芯片面积，从而提高了芯片成本。

(2)电流复用结构往往采用传统AB类偏置状态为了获得高增益和低噪声系数，仍无法很好地解决低功耗和高线性度指标相互制约的固有问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器，利用宽带达林顿堆叠放大技术，实现一种能够应用于5G通信系统的宽带、低噪声的驱动放大器结构。

本实用新型的技术方案为：一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器，包括依次连接的输入匹配供电网络、宽带达林顿堆叠放大网络以及单端转差分网络；输入匹配供电网络的输入端作为宽带低噪声驱动放大器的射频输入端，其第一输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端连接；宽带达林顿堆叠放大网络的输出端与单端转差分网络的输入端连接；单端转差分网络的第一输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第一射频输出端，其第二输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第二射频输出端。

本实用新型的有益效果是：本实用新型利用宽带达林顿堆叠放大网络，实现了低噪声系数与高线性度指标，并进一步降低了功耗，改善了温度波动；同时利用差分放大器在微波频段的良好的寄生参数抑制性，使得整个低噪声放大器获得了良好的高增益、低噪声和高线性输出能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

进一步地，输入匹配供电网络包括晶体管M₁，晶体管M₁的源极与接地电阻R₃连接，晶体管M₁的栅极分别与其漏极、电阻R₂的一端以及电阻R₄的一端连接，电阻R₂的另一端分别与接地电阻R₁、接地电容C₂、二极管D₃的阴极、二级管D₄的阳极以及低压偏置电源V_g连接，二极管D₃的阳极和二极管D₄的阴极均接地；电阻R₄的另一端分别与电阻R₅的一端以及电感L₂的一端连接，并作为输入匹配供电网络的第一输出端，电阻R₅的另一端作为输入匹配供电网络的第二输出端，电感L₂的另一端分别与电感L₁的一端以及接地电容C₃连接，电感L₁的另一端与电容C₁的一端连接，电容C₁的另一端分别与二极管D₁的阴极以及二级管D₂的阳极连接，并作为输入匹配供电网络的输入端，二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极均接地。

上述进一步方案的有益效果是：输入匹配供电网络可以在一定范围内根据温度波动调节放大器的静态偏置点，在低温的时候将静态偏置点降低，从而降低功耗提高稳定性；在高温状态下降静态偏置点提升，从而改善放大器随着温度升高而出现的增益恶化现象。

进一步地，宽带达林顿堆叠放大网络包括达林顿结构以及按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅和底层晶体管M₄，达林顿结构包括晶体管M₂和晶体管M₃，晶体管M₂的栅极作为宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端，其源极分别与晶体管M₃的栅极以及接地电阻R₆连接，其漏极分别与晶体管M₃的漏极以及底层晶体管M₄的源极连接，晶体管M₃的源极接地；底层晶体管M₄的栅极分别与电阻R₁₀的一端以及接地电容C₄连接，电阻R₁₀的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电阻R₇连接，顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₁₁的一端以及接地电容C₅连接，电阻R₁₁的另一端分别与电阻R₈的另一端以及电阻R₉的一端连接，顶层晶体管M₅的漏极分别与电感L₃的一端、电感L₄的一端以及电容C₇的一端连接，电容C₇的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的输出端，电感L₃的另一端分别与接地电容C₆、电阻R₉的另一端、二极管D₅的阴极、二级管D₆的阳极以及高压偏置电源V_d连接，二极管D₅的阳极和二极管D₆的阴极均接地；电感L₄的另一端与电容C₈的一端连接，电容C₈的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端。

上述进一步方案的有益效果是：宽带达林顿堆叠放大网络实现了低噪声系数与高线性度指标，并进一步降低了功耗，改善了温度波动，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

进一步地，单端转差分网络包括巴伦T₁，巴伦T₁初级线圈的同名端作为单端转差分网络的输入端，巴伦T₁初级线圈的非同名端接地，巴伦T₁次级线圈的同名端分别与二极管D₇的阳极以及二极管D₈的阴极连接，并作为单端转差分网络的第一输出端，二极管D₇的阴极和二极管D₈的阳极均接地，巴伦T₁次级线圈的中间抽头接地，巴伦T₁次级线圈的非同名端分别与二极管D₉的阳极以及二极管D₁₀的阴极连接，并作为单端转差分网络的第二输出端，二极管D₉的阴极和二极管D₁₀的阳极均接地。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型利用差分信号的特性，抑制对于高频寄生参数的敏感特性，同时提高了电路对于输出负载的抗失配特性。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器原理框图。

图2所示为本实用新型实施例提供的一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器，如图1所示，包括依次连接的输入匹配供电网络、宽带达林顿堆叠放大网络以及单端转差分网络。

输入匹配供电网络的输入端作为宽带低噪声驱动放大器的射频输入端，其第一输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端连接。

宽带达林顿堆叠放大网络的输出端与单端转差分网络的输入端连接。

单端转差分网络的第一输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第一射频输出端，其第二输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第二射频输出端。

如图2所示，输入匹配供电网络包括晶体管M₁，晶体管M₁的源极与接地电阻R₃连接，晶体管M₁的栅极分别与其漏极、电阻R₂的一端以及电阻R₄的一端连接，电阻R₂的另一端分别与接地电阻R₁、接地电容C₂、二极管D₃的阴极、二级管D₄的阳极以及低压偏置电源V_g连接，二极管D₃的阳极和二极管D₄的阴极均接地。

电阻R₄的另一端分别与电阻R₅的一端以及电感L₂的一端连接，并作为输入匹配供电网络的第一输出端，电阻R₅的另一端作为输入匹配供电网络的第二输出端，电感L₂的另一端分别与电感L₁的一端以及接地电容C₃连接，电感L₁的另一端与电容C₁的一端连接，电容C₁的另一端分别与二极管D₁的阴极以及二级管D₂的阳极连接，并作为输入匹配供电网络的输入端，二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极均接地。

如图2所示，宽带达林顿堆叠放大网络包括达林顿结构以及按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅和底层晶体管M₄，达林顿结构包括晶体管M₂和晶体管M₃，晶体管M₂的栅极作为宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端，其源极分别与晶体管M₃的栅极以及接地电阻R₆连接，其漏极分别与晶体管M₃的漏极以及底层晶体管M₄的源极连接，晶体管M₃的源极接地。

底层晶体管M₄的栅极分别与电阻R₁₀的一端以及接地电容C₄连接，电阻R₁₀的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电阻R₇连接，顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₁₁的一端以及接地电容C₅连接，电阻R₁₁的另一端分别与电阻R₈的另一端以及电阻R₉的一端连接，顶层晶体管M₅的漏极分别与电感L₃的一端、电感L₄的一端以及电容C₇的一端连接，电容C₇的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的输出端，电感L₃的另一端分别与接地电容C₆、电阻R₉的另一端、二极管D₅的阴极、二级管D₆的阳极以及高压偏置电源V_d连接，二极管D₅的阳极和二极管D₆的阴极均接地。

电感L₄的另一端与电容C₈的一端连接，电容C₈的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端。

如图2所示，单端转差分网络包括巴伦T₁，巴伦T₁初级线圈的同名端作为单端转差分网络的输入端，巴伦T₁初级线圈的非同名端接地，巴伦T₁次级线圈的同名端分别与二极管D₇的阳极以及二极管D₈的阴极连接，并作为单端转差分网络的第一输出端，二极管D₇的阴极和二极管D₈的阳极均接地，巴伦T₁次级线圈的中间抽头接地，巴伦T₁次级线圈的非同名端分别与二极管D₉的阳极以及二极管D₁₀的阴极连接，并作为单端转差分网络的第二输出端，二极管D₉的阴极和二极管D₁₀的阳极均接地。

下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端RF_in进入电路，通过隔直电容C₁进入由电感L₁、电容C₃和电感L₂构成的T型输入匹配网络进行阻抗变换，同时通过电阻R₁至R₄及晶体管M₁和电容C₂构成的温补栅极加电网络进行直流馈电后，进入晶体管M₂-M₅构成的达林顿堆叠放大器进行信号放大，其中晶体管M₂、M₃及电阻R₆构成达林顿放大管，同时此达林顿放大管与晶体管M₄和M₅构成堆叠放大结构，经过放大的射频信号进入隔直电容C₇后再进入输出单端转差分网络进行单端信号到差分信号的转换，最后从差分输出端RF_out1和RF_out2输出。

其中电阻R₅、电容C₈和电感L₄构成的RLC负反馈回路用于改善输入输出阻抗匹配，同时抑制低频增益提高增益平坦度；电阻R₇至R₉构成的电阻分压网络给堆叠晶体管中的M₄和M₅提供栅极供电，电阻R₁₀、R₁₁和电容C₄、C₅为堆叠晶体管中的M₄和M₅提供源极阻抗匹配；二极管D₁至D₉用于实现电路的ESD保护功能，可以根据电路实际应用需求适当增加正偏二极管的串联个数适当提高ESD保护能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种5G系统的宽带低噪声驱动放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配供电网络、宽带达林顿堆叠放大网络以及单端转差分网络；

所述输入匹配供电网络的输入端作为宽带低噪声驱动放大器的射频输入端，其第一输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端连接；

所述宽带达林顿堆叠放大网络的输出端与单端转差分网络的输入端连接；

所述单端转差分网络的第一输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第一射频输出端，其第二输出端作为宽带低噪声驱动放大器的第二射频输出端。

2.根据权利要求1所述的宽带低噪声驱动放大器，其特征在于，所述输入匹配供电网络包括晶体管M₁，所述晶体管M₁的源极与接地电阻R₃连接，所述晶体管M₁的栅极分别与其漏极、电阻R₂的一端以及电阻R₄的一端连接，所述电阻R₂的另一端分别与接地电阻R₁、接地电容C₂、二极管D₃的阴极、二极管D₄的阳极以及低压偏置电源V_g连接，所述二极管D₃的阳极和二极管D₄的阴极均接地；

所述电阻R₄的另一端分别与电阻R₅的一端以及电感L₂的一端连接，并作为输入匹配供电网络的第一输出端，所述电阻R₅的另一端作为输入匹配供电网络的第二输出端，所述电感L₂的另一端分别与电感L₁的一端以及接地电容C₃连接，所述电感L₁的另一端与电容C₁的一端连接，所述电容C₁的另一端分别与二极管D₁的阴极以及二极管D₂的阳极连接，并作为输入匹配供电网络的输入端，所述二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极均接地。

3.根据权利要求1所述的宽带低噪声驱动放大器，其特征在于，所述宽带达林顿堆叠放大网络包括达林顿结构以及按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅和底层晶体管M₄，所述达林顿结构包括晶体管M₂和晶体管M₃，所述晶体管M₂的栅极作为宽带达林顿堆叠放大网络的第一输入端，其源极分别与晶体管M₃的栅极以及接地电阻R₆连接，其漏极分别与晶体管M₃的漏极以及底层晶体管M₄的源极连接，所述晶体管M₃的源极接地；

所述底层晶体管M₄的栅极分别与电阻R₁₀的一端以及接地电容C₄连接，所述电阻R₁₀的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电阻R₇连接，所述顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₁₁的一端以及接地电容C₅连接，所述电阻R₁₁的另一端分别与电阻R₈的另一端以及电阻R₉的一端连接，所述顶层晶体管M₅的漏极分别与电感L₃的一端、电感L₄的一端以及电容C₇的一端连接，所述电容C₇的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的输出端，所述电感L₃的另一端分别与接地电容C₆、电阻R₉的另一端、二极管D₅的阴极、二极管D₆的阳极以及高压偏置电源V_d连接，所述二极管D₅的阳极和二极管D₆的阴极均接地；

所述电感L₄的另一端与电容C₈的一端连接，所述电容C₈的另一端作为宽带达林顿堆叠放大网络的第二输入端。

4.根据权利要求1所述的宽带低噪声驱动放大器，其特征在于，所述单端转差分网络包括巴伦T₁，所述巴伦T₁初级线圈的同名端作为单端转差分网络的输入端，所述巴伦T₁初级线圈的非同名端接地，所述巴伦T₁次级线圈的同名端分别与二极管D₇的阳极以及二极管D₈的阴极连接，并作为单端转差分网络的第一输出端，所述二极管D₇的阴极和二极管D₈的阳极均接地，所述巴伦T₁次级线圈的中间抽头接地，所述巴伦T₁次级线圈的非同名端分别与二极管D₉的阳极以及二极管D₁₀的阴极连接，并作为单端转差分网络的第二输出端，所述二极管D₉的阴极和二极管D₁₀的阳极均接地。

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