CN220798223U - 增益可数字控制的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增益可数字控制的低噪声放大器，包括低噪声放大器晶体管，低噪声放大器晶体管的栅极与V1端相连，V1端分别连接有第一电容和第一电感，第一电容与RFin端相连；低噪声放大器晶体管的源极连接有第二电感，第二电感连接有增益可数字控制模块；所述低噪声放大器晶体管的漏极与V3端相连，V3端分别连接有第三电感和第四电容；第三电感连接有V2端，V2端分别连接有VD端和第三电容；第四电容连接有V7端，V7端分别连接有第五电容和第四电感，第五电容与RFout端相连。本实用新型具有电路简单、能够降低信号的传输损耗以及减少额外噪声产生的特点。

Description

增益可数字控制的低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及一种低噪声放大器，特别是一种增益可数字控制的低噪声放大器。

背景技术

在通信系统中，低噪声放大器处于天线和中频模块之间的关键位置，低噪声放大器接收空中的射频信号，经过低噪声放大器进行放大后进入中频模块。然而低噪声放大器接收的信号功率随机，可大可小，当信号功率较大时，经低噪声放大器进一步放大，功率增加，将会导致电路饱和，后级电路信号失真。

为了输出稳定的电路，需要前级放大器具有调节增益的功能。增益可变低噪声放大器常常采用控制栅极电压、漏极分流、改变反馈电阻或者直接在后一级用衰减器、增益可变放大器等方式实现增益可控。但是，上述方式的电路较为复杂，而且信号在传输过程中也会发生传输损坏，产生一些额外的噪声。因此，亟需研发一款可以简化电路，降低信号的传输损耗以及额外产生的噪声的低噪声放大器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种增益可数字控制的低噪声放大器。本实用新型具有电路简单、能够降低信号的传输损耗以及减少额外噪声产生的特点。

本实用新型的技术方案：一种增益可数字控制的低噪声放大器，包括低噪声放大器晶体管，低噪声放大器晶体管的栅极与V1端相连，V1端分别连接有第一电容和第一电感，第一电容与RFin端相连；低噪声放大器晶体管的源极连接有第二电感，第二电感连接有增益可数字控制模块；所述低噪声放大器晶体管的漏极与V3端相连，V3端分别连接有第三电感和第四电容；

第三电感连接有V2端，V2端分别连接有VD端和第三电容；

第四电容连接有V7端，V7端分别连接有第五电容和第四电感，第五电容与RFout端相连。

前述的一种增益可数字控制的低噪声放大器中，所述增益可数字控制模块包括与第二电感相连的V4端，V4端的一端依次连接有第二电容和开关晶体管，V4端的另一端依次连接有第一电阻和第二电阻；

第二电阻正端和开关晶体管的漏端均与V5端相连，第二电阻的负端和开关晶体管的源极均与V6端相连，

开关晶体管的栅极依次连接有第三电阻和VC端。

与现有技术相比，本实用新型通过在低噪声放大器晶体管的源极连接第二电感和增益可数字控制模块，通过数字信号的控制，可以改变低噪声放大器的增益，即低噪声放大器具有增益调节功能，从而可以实现根据输入信号功率的大小调整低噪声放大器的增益，使电路能够正常工作的目的；而且整体电路结构简单。当增益可调节的低噪声放大器应用于接收机时，接收机具有更大的灵活性，能够向下一级电路输出适当功率的信号，同时还可以降低电路功耗。综上所述，本实用新型具有电路简单、能够降低信号的传输损耗以及减少额外噪声产生的特点。

经测试，电路最终仿真结果的工作增益为17.954dB和13.748dB的增益切换。当控制电压VC高于晶体管M2的开启电压时，增益为17.954dB，噪声系数为0.206，反射系数小于-14dB；当控制电压VC低于晶体管M2的开启电压时，增益为13.748dB，噪声系数为0.394，反射系数小于-15dB。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是开关晶体管导通、关断等效电路示意图；

图3是开关晶体管M2开启状态下等效电路图；

图4是开关晶体管M2关断状态下等效电路图；

图5是低噪声放大器可变增益示意图；

图6是低噪声放大器在低增益模式的噪声系数；

图7是低噪声放大器在低增益模式的反射系数；

图8是低噪声放大器在高增益模式的噪声系数；

图9是低噪声放大器在高增益模式的反射系数。

附图中的标记为：M1-低噪声放大器晶体管,M2-开关晶体管，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，C4-第四电容，C5-第五电容,L1-第一电感,L2-第二电感，L3-第三电感,L4-第四电感，R1-第一电阻,R2-第二电阻,R3-第三电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例。一种增益可数字控制的低噪声放大器，构成如图1所示，包括低噪声放大器晶体管M1，低噪声放大器晶体管M1的栅极与V1端相连，V1端分别连接有第一电容C1和第一电感L1，第一电容C1与RFin端相连；低噪声放大器晶体管M1的源极连接有第二电感L2，第二电感L2连接有增益可数字控制模块；所述低噪声放大器晶体管M1的漏极与V3端相连，V3端分别连接有第三电感L3和第四电容C4；

第三电感L3连接有V2端，V2端分别连接有VD端和第三电容C3；

第四电容C4连接有V7端，V7端分别连接有第五电容C5和第四电感L4，第五电容C5与RFout端相连。

所述增益可数字控制模块包括与第二电感L2相连的V4端，V4端的一端依次连接有第二电容C2和开关晶体管M2，V4端的另一端依次连接有第一电阻R1和第二电阻R2；

第二电阻R2正端和开关晶体管M2的漏端均与V5端相连，第二电阻R2的负端和开关晶体管M2的源极均与V6端相连，

开关晶体管M2的栅极依次连接有第三电阻R3和VC端。

增益可数字控制的控制方法为：通过控制开关晶体管的栅源电压V_gs和开关晶体管的开启电压V_th的大小，来控制开关晶体管的通断，进而来实现增益可数字控制。

其整体原理图如图1所示，其具体的电路连接方式如下所述：

RFin与C1的正端相连；

C1的正端与L1的正端、M1的栅极均连接到V1；

L1的负端与GND相连；

M1的源极与L2的正端相连；

L2的负端与C2的正端、R1的正端均连接到V4；

C2的负端与R1的负端、M2的漏端、R2的正端均连接到V5；

M2的源极与R2的负端连接到GND；

M2的栅极与R3的负端相连；

R2的正端连接到VC；

M1的漏极与L3的负端、C4的正端均连接到V3；

L3的正端与C3到正端、VD均连接到V2；

C3的负端与GND相连；

L4的负端与GND相连；

C4的负端与L4的正端、C5的正端均连接到V7；

L4的负端连接到GND；

C5的负端连接到RFout；

其中，M1、M2均为砷化镓半导体化合物pHEMT工艺下N型增强型场效应管；R1、R2、R3为金属型电阻；L1、L2、L3、L4为电感；C1、C2、C3、C4、C5为电容；RFin为射频信号输入端；RFout为射频信号输出端；VD为漏极偏置电压输入端；VC为电路控制电压使能端；

其中，M1为低噪声放大器晶体管，M2为开关晶体管；R1、R2的阻值不同；L1、L2、L3、L4感值不同；C1、C2、C3、C4、C5的容值不同；

增益可数字控制的自偏置结构低噪声放大器的数字控制是通过晶体管的通断实现的，为了更加简单直观的分析开关晶体管的控制作用，可以采用晶体管的等效电路模型来分析和设计电路，晶体管的等效电路模型如图2所示：

当晶体管的栅源电压V_gs大于晶体管的开启电压V_th时，晶体管处于导通状态，此时晶体管可以等效为一个导通电阻R_on，和导通电容C_on。导通电容C_on由结电容构成，导通电阻R_on满足：

其中，μ为晶体管的电子迁移率，C_ox为晶体管单位面积栅极氧化层电容，W为晶体管的栅宽，L为晶体管的栅长.由式(1)可知，晶体管的导通电阻与晶体管的宽长比成反比。晶体管导通时，由于导通电阻R_on非常小，导通电容C_on的阻抗可以忽略。

当晶体管的栅源电压V_gs小于晶体管的开启电压V_th时，晶体管夹断，此时晶体管可以等效为一个关断电阻R_off和关断电容C_off，其中关断电容C_off：

其中，C_gs为晶体管的栅源电容，C_gd为晶体管的栅漏电容，C_ds为晶体管的漏源电容。晶体管截止时，关断电阻R_off非常大，关断电阻可以忽略。

因此，本实用新型利用开关管的开关特性设计了一种增益可数字控制的自偏置结构低噪声放大器，详细说明如下：

当晶体管的栅源电压V_gs大于晶体管的开启电压V_th时，开关晶体管M2导通，此时可以等效为一个极小的导通电阻R_on，阻值通常在几欧姆左右，与R₂并联，即：

电阻R_o的阻值可以忽略，此时电路可以等效为：

其中，电感L₂为源极退化电感，用以使电路稳定，与有耗稳定电路相比，可以防止噪声系数恶化；电阻R₁为电路提供偏置点；电容C₂为射频旁路电容；电容C₁和C₄为隔直电容，同时作为匹配电容参与匹配；电容C₃为并联接地电容，为射频信号提供接地；电感L₁为匹配电感，参与输入匹配。晶体管M1的栅极通过并联电感L₁使栅极的直流电压V_G＝0V。在直流等效电路中，漏极电压VD＝VDD，假设漏极电流为I_D，则源极电压为：

V_s＝I_D*R₁， (4)；

因此栅源电压为：

V_GS＝V_G-V_S＝-I_d*R₁， (5)；

漏源电压为：

V_DS＝V_D-V_S＝V_D-V_S+V_G＝VDD-V_GS_， (6)；

所以电阻R₁的大小可以由式(7)计算可得：

理想情况下，射频信号经过旁路电容C₂，而不通过电阻R₁，避免造成增益和输出功率的恶化。因此，旁路电容C₂一般选取容值较大的电容。

当晶体管M2的栅源电压V_gs低于开启电压V_th时，晶体管M2关断，等效为关断电容C_off，此时等效电路图如图4所示：

此时，电阻R₁和R₂为电路提供偏置点；电容C₂和C_off为射频旁路电容。此时源极电压为

V_s＝I_D*(R₁+R₂)， (8)；

因此栅源电压为：

V_GS＝V_G-V_S＝-I_d*(R₁+R₂)， (9)；

漏源电压为：

V_DS＝V_D-V_S＝V_D-V_S+V_G＝VDD-V_GS， (10)；

所以电阻R₁的大小可以由式(7)计算可得：

综上所述，与晶体管M2开启状态相比，M2关断状态下的偏置电阻增加，源极电压V_S提高，栅源导致栅源电压V_GS减小，增益减小。因此，本实用新型采用晶体管实现了增益可数字控制的自偏置结构低噪声放大器。

Claims (2)

1.一种增益可数字控制的低噪声放大器，其特征在于：包括低噪声放大器晶体管(M1)，低噪声放大器晶体管(M1)的栅极与V1端相连，V1端分别连接有第一电容(C1)和第一电感(L1)，第一电容(C1)与RFin端相连；低噪声放大器晶体管(M1)的源极连接有第二电感(L2)，第二电感(L2)连接有增益可数字控制模块；所述低噪声放大器晶体管(M1)的漏极与V3端相连，V3端分别连接有第三电感(L3)和第四电容(C4)；

第三电感(L3)连接有V2端，V2端分别连接有VD端和第三电容(C3)；

第四电容(C4)连接有V7端，V7端分别连接有第五电容(C5)和第四电感(L4)，第五电容(C5)与RFout端相连。

2.根据权利要求1所述的一种增益可数字控制的低噪声放大器，其特征在于：所述增益可数字控制模块包括与第二电感(L2)相连的V4端，V4端的一端依次连接有第二电容(C2)和开关晶体管(M2)，V4端的另一端依次连接有第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；

第二电阻(R2)正端和开关晶体管(M2)的漏端均与V5端相连，第二电阻(R2)的负端和开关晶体管(M2)的源极均与V6端相连，

开关晶体管(M2)的栅极依次连接有第三电阻(R3)和VC端。