CN213027959U - 一种面向移动通信的低噪声放大器 - Google Patents

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王亚文
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Abstract

本实用新型公开了一种面向移动通信的低噪声放大器，包括依次连接的输入匹配及温补供电网络、驱动级低噪声宽带放大网络、末级高线性度宽带放大网络以及输出单端转差分网络，本实用新型利用两级驱动级低噪声放大网络与末级高线性度宽带放大网络，实现了低噪声系数与高线性度指标；并进一步结合了电流复用结构和温度补偿供电网络将二者组合，实现了低功耗、低温度波动设计；同时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。

Description

一种面向移动通信的低噪声放大器
技术领域
本实用新型属于场效应晶体管射频低噪声放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种面向移动通信的低噪声放大器的设计。
背景技术
随着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，最典型的是共源共栅(Cascode)结构，但是，典型Cascode放大器，仍然存在一些设计不足，主要体现在功耗和线性度相对较低，同时受到高频寄生参数影响较大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种面向移动通信的低噪声放大器，利用两级宽带放大网络，实现一种面向移动通信的低噪声、高线性度宽带放大器结构。
本实用新型的技术方案为：一种面向移动通信的低噪声放大器，包括依次连接的输入匹配及温补供电网络、驱动级低噪声宽带放大网络、末级高线性度宽带放大网络以及输出单端转差分网络；输入匹配及温补供电网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其第一输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端连接；驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端与末级高线性度宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与末级高线性度宽带放大网络的第二输入端连接；末级高线性度宽带放大网络的输出端与输出单端转差分网络的输入端连接；输出单端转差分网络的第一输出端为低噪声放大器的第一输出端，其第二输出端为低噪声放大器的第二输出端。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型利用两级驱动级低噪声宽带放大网络与末级高线性度宽带放大网络技术，以及电流复用结构、温度补偿供电网络和差分放大结构，可以同时实现放大器低噪声系数、高线性度、低功耗、低温度波动和良好的寄生参数抑制性。
(2)本实用新型利用共源放大器与晶体管堆叠放大器的两级宽带放大网络，实现了低噪声系数与高线性度指标，并进一步结合了电流复用结构和温度补偿供电网络将二者组合，实现了低功耗、低温度波动设计，同时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。
进一步地，输入匹配及温补供电网络包括晶体管M1，晶体管M1的源极与接地电阻R1连接，其漏极分别与其栅极、电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与接地电容C3以及接地电阻R4连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第一输出端；电阻R2的另一端与电感L3的一端连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第二输出端，电感L3的另一端分别与接地电容C2以及电感L2的一端连接，电感L2的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与接地电感L1连接，并作为输入匹配及温补供电网络的输入端。
上述进一步方案的有益效果是：输入匹配及温补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，驱动级低噪声宽带放大网络包括晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4，晶体管M2的源极接地，其漏极分别与电感L4的一端以及电感L5的一端连接，其栅极与电阻R12的一端连接，并作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端，电阻R12的另一端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输出端；晶体管M3的源极分别与电感L5的另一端以及接地电容C7连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及电容C5的一端连接，其漏极作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端，电容C5的另一端分别与电感L4的另一端以及接地电容C4连接；晶体管M4的源极与接地电阻R5连接，其漏极分别与其栅极、电阻R6的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、接地电容C8、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及低压偏置电源Vg连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，电阻R8的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端。
上述进一步方案的有益效果是：驱动级低噪声宽带放大网络利用两级共源放大器结构，同时结合了电流复用结构，在低功耗的状态下实现了良好的增益与噪声系数。
进一步地，末级高线性度宽带放大网络包括晶体管M5，晶体管M5的源极作为末级高线性度宽带放大网络的第一输入端，其栅极与电阻R9的一端连接，其漏极分别与电感L6的一端、电感L7的一端、电阻R11的一端以及电容C11的一端连接，电感L6的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的第二输入端，电容C11的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的输出端；电阻R11的另一端分别与电阻R9的另一端、接地电阻R10以及接地电容C9连接，电感L7的另一端分别与接地电容C10、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及高压偏置电源Vd连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地。
上述进一步方案的有益效果是：末级高线性度宽带放大网络与前级的驱动级低噪声宽带放大网络之间也采用了晶体管堆叠连接的结构，从而提高了放大器的功率增益和功率容量，改善了线性度指标。
进一步地，输出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输出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D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第一输出端，二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地，巴伦T1次级线圈的中间抽头与接地电容C12连接，巴伦T1次级线圈的非同名端分别与二极管D7的阳极以及二极管D8的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第二输出端，二极管D7的阴极和二极管D8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面向移动通信的低噪声放大器原理框图。
图2所示为本实用新型实施例提供的一种面向移动通信的低噪声放大器电路图。
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面向移动通信的低噪声放大器，如图1所示，包括依次连接的输入匹配及温补供电网络、驱动级低噪声宽带放大网络、末级高线性度宽带放大网络以及输出单端转差分网络。
输入匹配及温补供电网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其第一输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端连接。
驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端与末级高线性度宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与末级高线性度宽带放大网络的第二输入端连接。
末级高线性度宽带放大网络的输出端与输出单端转差分网络的输入端连接。
输出单端转差分网络的第一输出端为低噪声放大器的第一输出端，其第二输出端为低噪声放大器的第二输出端。
如图2所示，输入匹配及温补供电网络包括晶体管M1，晶体管M1的源极与接地电阻R1连接，其漏极分别与其栅极、电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与接地电容C3以及接地电阻R4连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第一输出端。
电阻R2的另一端与电感L3的一端连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第二输出端，电感L3的另一端分别与接地电容C2以及电感L2的一端连接，电感L2的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与接地电感L1连接，并作为输入匹配及温补供电网络的输入端。
如图2所示，驱动级低噪声宽带放大网络包括晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4，晶体管M2的源极接地，其漏极分别与电感L4的一端以及电感L5的一端连接，其栅极与电阻R12的一端连接，并作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端，电阻R12的另一端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输出端。
晶体管M3的源极分别与电感L5的另一端以及接地电容C7连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及电容C5的一端连接，其漏极作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端，电容C5的另一端分别与电感L4的另一端以及接地电容C4连接。
晶体管M4的源极与接地电阻R5连接，其漏极分别与其栅极、电阻R6的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、接地电容C8、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及低压偏置电源Vg连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，电阻R8的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端。
如图2所示，末级高线性度宽带放大网络包括晶体管M5，晶体管M5的源极作为末级高线性度宽带放大网络的第一输入端，其栅极与电阻R9的一端连接，其漏极分别与电感L6的一端、电感L7的一端、电阻R11的一端以及电容C11的一端连接，电感L6的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的第二输入端，电容C11的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的输出端。
电阻R11的另一端分别与电阻R9的另一端、接地电阻R10以及接地电容C9连接，电感L7的另一端分别与接地电容C10、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及高压偏置电源Vd连接，二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地。
如图2所示，输出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输出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D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第一输出端，二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地，巴伦T1次级线圈的中间抽头与接地电容C12连接，巴伦T1次级线圈的非同名端分别与二极管D7的阳极以及二极管D8的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第二输出端，二极管D7的阴极和二极管D8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RFin进入电路，通过输入匹配及温补供电网络进行阻抗变换和直流加电后，进入晶体管M2进行第一级信号放大，经过放大的射频信号通过匹配电感L4、电容C4和C5构成的阻抗匹配结构后，进入第二级放大结构的晶体管M3的栅极，同时晶体管M2漏极和M3源极之间通过大电感L5和旁路电容C7组合结构实现电流复用功能，经过晶体管M3放大的射频信号进入晶体管M5，实现高线性度放大功能，之后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RFout1和RFout2输出。
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 (5)

1.一种面向移动通信的低噪声放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配及温补供电网络、驱动级低噪声宽带放大网络、末级高线性度宽带放大网络以及输出单端转差分网络；
所述输入匹配及温补供电网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其第一输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端连接；
所述驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端与末级高线性度宽带放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与末级高线性度宽带放大网络的第二输入端连接；
所述末级高线性度宽带放大网络的输出端与输出单端转差分网络的输入端连接；
所述输出单端转差分网络的第一输出端为低噪声放大器的第一输出端，其第二输出端为低噪声放大器的第二输出端。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配及温补供电网络包括晶体管M1，所述晶体管M1的源极与接地电阻R1连接，其漏极分别与其栅极、电阻R2的一端以及电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与接地电容C3以及接地电阻R4连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第一输出端；
所述电阻R2的另一端与电感L3的一端连接，并作为输入匹配及温补供电网络的第二输出端，所述电感L3的另一端分别与接地电容C2以及电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端与接地电感L1连接，并作为输入匹配及温补供电网络的输入端。
3.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述驱动级低噪声宽带放大网络包括晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4，所述晶体管M2的源极接地，其漏极分别与电感L4的一端以及电感L5的一端连接，其栅极与电阻R12的一端连接，并作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输入端，所述电阻R12的另一端与电容C6的一端连接，所述电容C6的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第二输出端；
所述晶体管M3的源极分别与电感L5的另一端以及接地电容C7连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及电容C5的一端连接，其漏极作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输出端，所述电容C5的另一端分别与电感L4的另一端以及接地电容C4连接；
所述晶体管M4的源极与接地电阻R5连接，其漏极分别与其栅极、电阻R6的另一端以及电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、接地电容C8、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及低压偏置电源Vg连接，所述二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均接地，所述电阻R8的另一端作为驱动级低噪声宽带放大网络的第一输入端。
4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述末级高线性度宽带放大网络包括晶体管M5，所述晶体管M5的源极作为末级高线性度宽带放大网络的第一输入端，其栅极与电阻R9的一端连接，其漏极分别与电感L6的一端、电感L7的一端、电阻R11的一端以及电容C11的一端连接，所述电感L6的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的第二输入端，所述电容C11的另一端作为末级高线性度宽带放大网络的输出端；
所述电阻R11的另一端分别与电阻R9的另一端、接地电阻R10以及接地电容C9连接，所述电感L7的另一端分别与接地电容C10、二极管D3的阴极、二极管D4的阳极以及高压偏置电源Vd连接，所述二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均接地。
5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出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输出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D5的阳极以及二极管D6的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第一输出端，所述二极管D5的阴极和二极管D6的阳极均接地，所述巴伦T1次级线圈的中间抽头与接地电容C12连接，所述巴伦T1次级线圈的非同名端分别与二极管D7的阳极以及二极管D8的阴极连接，并作为输出单端转差分网络的第二输出端，所述二极管D7的阴极和二极管D8的阳极均接地。
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