CN213027960U - 一种5g通信线性宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种5G通信线性宽带低噪声放大器，包括输入匹配网络、低噪声放大网络、输出匹配网络、RC反馈网络、有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感。本实用新型采用两个不同尺寸的晶体管实现串联堆叠结构，并结合了RC反馈网络实现超宽带低噪声和阻抗匹配，同时采用高Q值键合线电感来实现源级电感负反馈，提高了放大器的线性度指标，使得整个低噪声放大器获得了良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。

Description

一种5G通信线性宽带低噪声放大器

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5G通信线性宽带低噪声放大器的设计。

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。

(3)片上电感Q值的制约：为提高放大器线性度，通常需要采用源级负反馈电感。但是在芯片制程工艺下，片上电感Q值较低，寄生电阻较大，会引入较大的噪声，因此噪声和线性度不能很好的兼容。

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)为了获得高增益和低噪声系数，电流复用结构往往采用传统AB类偏置状态，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通信线性宽带低噪声放大器，能够具有良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时避免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。

本实用新型的技术方案为：一种5G通信线性宽带低噪声放大器，包括输入匹配网络、低噪声放大网络、输出匹配网络、RC反馈网络、有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1；输入匹配网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接；输出匹配网络的输出端为低噪声放大器的输出端，其输入端与低噪声放大网络的输出端连接；RC反馈网络的输入端与低噪声放大网络的输出端连接，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接；低噪声放大网络还分别与有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用两个不同尺寸的晶体管Md1和Md2实现串联堆叠结构，并结合了RC反馈网络实现超宽带低噪声和阻抗匹配，同时采用高Q值键合线电感来实现源级电感负反馈，减小了寄生电阻从而减小噪声，提高了线性度，使得整个低噪声放大器获得了良好的宽带、线性、低功耗、低噪声放大能力，同时避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。

进一步地，输入匹配网络包括电容C1，电容C1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端以及接地电容C2连接，微带线TL1的另一端作为输入匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：输入匹配网络结合RC负反馈网络可以实现更良好的宽带输入阻抗匹配。

进一步地，低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1，底层晶体管Md1的源极与高Q值键合线电感B1连接，其栅极作为低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md2的栅极分别与电阻R6的一端、无源偏置网络以及RC反馈网络连接，其漏极作为低噪声放大网络的输出端，电阻R6的另一端与接地电容C6连接，所述顶层晶体管Md2的栅极连接串联的外挂稳定电阻和外挂匹配电容。

上述进一步方案的有益效果是：低噪声放大网络采用晶体管堆叠技术，两个晶体管堆叠的结构可以在低静态功耗的条件下实现较高的增益，同时实现较高的功率容量，而且不需要像传统共源(或共射)电流复用放大器中必须采用大电感和大电容实现直流复用；采用两个不同尺寸的晶体管，可以改善堆叠晶体管的寄生参数在高频段所导致的栅源失配现象；外挂稳定电阻R3与R6是稳定电阻，提高了稳定性，外挂匹配电容C6的作用是调整堆叠晶体管之间的匹配。

进一步地，高Q值键合线电感B1由三根金丝并联组成，其一端接地，其另一端与底层晶体管Md1的源极连接。

上述进一步方案的有益效果是：高Q值键合线电感B1作为源级电感负反馈可以提高放大器的线性度，此外高Q值键合线电感B1还能减小寄生电阻，从而减小放大器噪声。

进一步地，RC反馈网络包括电容C3，电容C3的一端作为RC反馈网络的输出端，其另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，并作为RC反馈网络的输入端，电阻R2的另一端通过电容C4与顶层晶体管Md2的栅极连接。

上述进一步方案的有益效果是：RC反馈网络可以实现宽带阻抗匹配与改善带内平坦度。

进一步地，无源偏置网络包括电阻R3，电阻R3的一端与顶层晶体管Md2的栅极连接，其另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，电阻R4的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

上述进一步方案的有益效果是：无源偏置网络通过同种电阻分压的方式，给低噪声放大网络中的各级晶体管供电，在工艺波动时，同种电阻的波动方向一致，可以减小工艺波动对性能的影响；同时电阻分压可以减小分压网络的面积。

进一步地，有源偏置网络包括晶体管Md3，晶体管Md3的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R8的一端以及接地电容C5连接，电阻R7的另一端与低噪声放大网络的输入端连接，电阻R8的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

上述进一步方案的有益效果是：通过有源偏置网络可以有效减小工艺波动与温度变化对电流的影响。

进一步地，输出匹配网络包括电感L1和电容C7，电感L1的一端作为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端作为输出匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：输出匹配网络结合RC负反馈网络可以实现良好的输出宽带匹配。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种5G通信线性宽带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5G通信线性宽带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5G通信线性宽带低噪声放大器，如图1所示，包括输入匹配网络、低噪声放大网络、输出匹配网络、RC反馈网络、有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1。

输入匹配网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接。

输出匹配网络的输出端为低噪声放大器的输出端，其输入端与低噪声放大网络的输出端连接。

RC反馈网络的输入端与低噪声放大网络的输出端连接，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接。

低噪声放大网络还分别与有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1连接。

如图2所示，输入匹配网络包括电容C1，电容C1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端以及接地电容C2连接，微带线TL1的另一端作为输入匹配网络的输出端。

如图2所示，低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1，底层晶体管Md1的源极与高Q值键合线电感B1连接，其栅极作为低噪声放大网络的输入端，顶层晶体管Md2的栅极分别与电阻R6的一端、无源偏置网络以及RC反馈网络连接，其漏极作为低噪声放大网络的输出端，电阻R6的另一端与接地电容C6连接。

如图2所示，高Q值键合线电感B1由三根金丝并联组成，其一端接地，其另一端与底层晶体管Md1的源极连接。

如图2所示，RC反馈网络包括电容C3，电容C3的一端作为RC反馈网络的输出端，其另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，并作为RC反馈网络的输入端，电阻R2的另一端通过电容C4与顶层晶体管Md2的栅极连接。

如图2所示，无源偏置网络包括电阻R3，电阻R3的一端与顶层晶体管Md2的栅极连接，其另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，电阻R4的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

如图2所示，有源偏置网络包括晶体管Md3，晶体管Md3的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R8的一端以及接地电容C5连接，电阻R7的另一端与低噪声放大网络的输入端连接，电阻R8的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

如图2所示，输出匹配网络包括电感L1和电容C7，电感L1的一端作为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端作为输出匹配网络的输出端。

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IN进入整个放大器电路，通过由电容C1、电容C2以及微带线TL1组成的输入匹配网络进入低噪声放大网络。低噪声放大网络的输入端为晶体管Md1的栅极，射频信号经晶体管Md1与晶体管Md2、高Q值键合线电感B1、外挂稳定电阻R3与R6、外挂稳定电容C6在Md2漏极有部分信号以负反馈的方式分别通过反馈电容C3与反馈电阻R1进入堆叠低噪声放大网络的底层晶体管Md1的栅极；同时在晶体管Md2漏极有部分信号通过反馈电阻R2与反馈电容C4进入到晶体管Md2的栅极。晶体管Md2的漏极输出信号经输出匹配网络输出。晶体管Md1与Md2的栅极偏置电压分别由有源偏置网络与无源偏置网络组成。信号通过输出匹配电感L1与隔直耦合电容C7从输出端口输出。

基于以上电路分析，本实用新型提出的一种5G通信线性宽带低噪声放大器与以往的基于集成电路工艺的低噪声放大器结构的不同之处在于：

核心架构采用二堆叠放大网络，源级反馈电感采用高Q值键合线电感。

堆叠放大网络与传统Cascode晶体管的不同之处在于堆叠的栅极补偿电容上，二堆叠放大网络的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，而传统Cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地。高Q值键合线电感可以有效减小寄生电阻，减小噪声。

在整个5G通信线性宽带低噪声放大器电路中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、源级源级键合线电感、补偿电容、反馈器件的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在超宽带条件下的低噪声、高增益、高线性度和良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。

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 (8)

1.一种5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、低噪声放大网络、输出匹配网络、RC反馈网络、有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1；

所述输入匹配网络的输入端为低噪声放大器的输入端，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接；

所述输出匹配网络的输出端为低噪声放大器的输出端，其输入端与低噪声放大网络的输出端连接；

所述RC反馈网络的输入端与低噪声放大网络的输出端连接，其输出端与低噪声放大网络的输入端连接；

所述低噪声放大网络还分别与有源偏置网络、无源偏置网络以及高Q值键合线电感B1连接。

2.根据权利要求1所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括电容C1，所述电容C1的一端作为输入匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端以及接地电容C2连接，所述微带线TL1的另一端作为输入匹配网络的输出端。

3.根据权利要求1所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1，所述底层晶体管Md1的源极与高Q值键合线电感B1连接，其栅极作为低噪声放大网络的输入端，所述顶层晶体管Md2的栅极分别与电阻R6的一端、无源偏置网络以及RC反馈网络连接，其漏极作为低噪声放大网络的输出端，所述电阻R6的另一端与接地电容C6连接。

4.根据权利要求3所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述高Q值键合线电感B1由三根金丝并联组成，其一端接地，其另一端与底层晶体管Md1的源极连接。

5.根据权利要求3所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述RC反馈网络包括电容C3，所述电容C3的一端作为RC反馈网络的输出端，其另一端与电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，并作为RC反馈网络的输入端，所述电阻R2的另一端通过电容C4与顶层晶体管Md2的栅极连接。

6.根据权利要求3所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述无源偏置网络包括电阻R3，所述电阻R3的一端与顶层晶体管Md2的栅极连接，其另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接，所述电阻R4的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述有源偏置网络包括晶体管Md3，所述晶体管Md3的源极接地，其栅极分别与其漏极、电阻R7的一端、电阻R8的一端以及接地电容C5连接，所述电阻R7的另一端与低噪声放大网络的输入端连接，所述电阻R8的另一端与低噪声放大网络的输出端连接。

8.根据权利要求1所述的5G通信线性宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配网络包括电感L1和电容C7，所述电感L1的一端作为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C7的一端连接，所述电容C7的另一端作为输出匹配网络的输出端。

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