CN106849881A - 一种宽带单片集成低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带单片集成低噪声放大器。包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、一二级级间匹配和二三级级间匹配。第一级放大器主要由一个NMOS管，一个电阻，四个电感，一个电容和两个偏置电源组成；第二级放大器主要由一个NMOS管，两个电阻，两个电感，一个微带线和两个偏置电源组成；第三级放大器主要由一个NMOS管，两个电阻，两个电感，一个电容，一个微带线和两个偏置电源组成；一二级级间匹配主要由一个电容和一个电感组成；二三级级间匹配主要由一个电容和一个电感组成。本发明具有小型化、低噪声、高增益、低成本、高可靠性的特点。

Description

一种宽带单片集成低噪声放大器
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种宽带单片集成低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器是噪声系数很低的放大器。一般用作卫星通信、雷达通信等领域中各类无线电接收机的高频或中频中，以及电子探测设备的放大电路中，以提高接收机或电子探测设备的灵敏度。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望进一步减少这种噪声，以提高输出的信噪比。
单片微波集成电路(MMIC)因其电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点，成为设计制造毫米波低噪声放大集成电路的最佳选择之一。现有低噪声放大器频带较窄，按照现有低噪声放大器的设计方法，带宽扩大的话，则会增加噪声，如何在较宽的频带内实现低噪声和高增益，同时避免低频振荡，是当前低噪声放大器的设计难点和重点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种宽带单片集成低噪声放大器，在较宽的频带内实现低噪声和高增益，同时避免低频振荡，电路稳定。
本发明的技术解决方案是：一种宽带单片集成低噪声放大器，其特征在于：包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、一二级级间匹配网络以及二三级级间匹配网络；
第一级放大器包括NMOS管M1、电阻R1、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、偏置电源VGS1以及偏置电源VDS1；第二级放大器(200)包括NMOS管M2、电阻R2、电阻R3、电感L5、电感L6、微带线TL1、偏置电源VGS2以及偏置电源VDS2；第三级放大器包括NMOS管M3、电阻R4、电阻R5、电感L7、电感L8、电容C2、微带线TL2、偏置电源VGS3以及偏置电源VDS3；一二级级间匹配网络包括电容C3和电感L9；二三级级间匹配网络包括电容C4和电感L10；
射频信号RFin通过电容C1和电感L1组成的串联电路输入到NMOS管M1的栅极，NMOS管M1的栅极同时通过电感L2连接至偏置电源VGS1的正极，NMOS管M1的源极通过电感L4接地，NMOS管M1的漏极分为两路，其中一路通过电阻R1和电感L3的串联电路连接至偏置电源VDS1的正极，另一路通过电容C3和电感L9的串联电路连接至第二级放大器中NMOS管M2的栅极，偏置电源VGS1的负极以及VDS1的负极接地；
NMOS管M2的栅极通过电阻R2和电感L5的串联电路连接至偏置电源VGS2的正极，NMOS管M2的源极通过微带线TL1接地，NMOS管M2的漏极分为两路，其中一路通过电阻R3和电感L6的串联电路连接至偏置电源VDS2的正极，另一路与电容C4的一端连接，电容C4的另一端同时与电感L10的一端以及第三级放大器中NMOS管M3的栅极连接，电感L10的另一端接地，偏置电源VGS2的负极以及VDS2的负极接地；
NMOS管M3的栅极通过电阻R4和电感L7的串联电路连接至偏置电源VGS3的正极，NMOS管M3的源极通过微带线TL2接地，NMOS管M3的漏极分为两路，其中一路通过电阻R5和电感L8的串联电路连接至偏置电源VDS3的正极，另一路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端输出射频信号RFout，偏置电源VGS3和VDS3的负极接地。
NMOS管M1的单指栅宽为25μm，单胞有6指栅条，总栅宽为150μm；NMOS管M2的单指栅宽40μm，单胞有2指栅条，总栅宽为80μm；NMOS管M3的单指栅宽75μm，单胞有2指栅条，总栅宽为150μm。
所述R5的阻值为50Ω，实现将输出电阻匹配至50Ω，无需额外配置匹配电路。
所述偏置电源VGS1、VGS2、VGS3电压相同，偏置电源VDS1、VDS2、VDS3电压相同。
本发明的宽带单片集成低噪声放大器与传统的设计方案相比具有以下几个明显的优点：
(1)第一级放大器的输入端采用噪声匹配电路，其电路结构由单个电感构成，结构简单，节省了芯片面积，降低了成本，使得低噪声放大器在整个带宽内的噪声低于1.8dB。
(2)本发明采用三级放大器电路结构，设计了不同的晶体管结构参数，得到了稳定的高增益。在整个带宽内，低噪声放大器的增益不低于19dB,且利用级间匹配网络使得增益稳定输出，其增益平坦度仅为±1dB。
(3)本发明通过一二级级间匹配网络和二三级级间匹配网络增大带宽，实现较宽带宽下的低噪声、高增益，其电路带宽为9GHz，最高频率可达14GHz。
(4)本发明可以通过控制不同的偏置电压，获得高增益和低噪声，并且其增益平坦度保持稳定不变，这为实际操作提供了便利。
(5)本发明第二级放大器和第三级放大器电路的反馈级均采用微带线设计，利于电路稳定同时减小了设计面积，降低了成本。
附图说明
图1为本发明的宽带单片集成低噪声放大器电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的宽带单片集成低噪声放大器，包括五部分：第一级放大器分离100，第二级放大器分离200，第三级放大器分离300，一二级级间匹配网络分离400和二三级级间匹配网络分离500。各部分的具体电路结构和连接关系说明如下。
第一级放大器分离100主要由NMOS管M1，电阻R1，电感L1、L2、L3、L4，电容C1以及偏置电源VGS1、VDS1组成。其连接关系为:射频信号RFin通过电容C1、L1输入到M1的栅极，M1的栅极通过L2连接至VGS1的正极，M1的源极通过L4接GND2，M1的漏极分为两路，其中一路通过R1、L3连接至VDS1的正极，另一路通过一二级级间匹配网络400中C3和L9的串联电路后连接至第二级放大器分离200中的M2的栅极，VGS1的负极接GND，VDS1的负极接GND。
第二级放大器分离200由NMOS管M2，电阻R2、R3，电感L5、L6，微带线TL1以及偏置电源VGS2、VDS2组成。其连接关系为:M2的栅极通过R2、L5连接至VGS2的正极，M2的源极通过TL1接GND5，M2的漏极分为两路，其中一路通过R3、L6连接至VDS2的正极，另一路通过二三级级间匹配网络500中的C4后分为两条支路，第一条支路通过二三级级间匹配500中的L10接GND7，第二条支路连接至第三级放大器分离300中的M3的栅极，VGS2的负极接GND，VDS2的负极接GND。
第三级放大器分离300由NMOS管M3，电阻R4、R5，电感L7、L8，电容C2，微带线TL2以及偏置电源VGS3、VDS3组成。其连接关系为：M3的栅极通过R4、L7连接至VGS3的正极，M3的源极通过TL2接GND9，M3的漏极分为两路，其中一路通过R5、L8连接至VDS3的正极，另一路通过C2输出射频信号RFout，VGS3的负极接GND，VDS3的负极接GND。
本发明中NMOS管M1的单指栅宽为25μm，单胞有6指栅条，总栅宽为150μm；NMOS管M2的单指栅宽40μm，单胞有2指栅条，总栅宽为80μm；NMOS管M3的单指栅宽75μm，单胞有2指栅条，总栅宽为150μm。
R5的阻值为50Ω，实现将输出电阻匹配至50Ω，无需额外配置匹配电路。
偏置电源VGS1、VGS2、VGS3电压相同，为0V，偏置电源VDS1、VDS2、VDS3电压相同，为4V。即实际操作只需要两个电压输入即可。
第一级放大器分离100的工作原理为：输入信号通过C1、L1流向M1的栅极，其中C1起到阻隔直流的作用，C1、L1共同实现将输入阻抗匹配到50Ω。由级联噪声系数公式：
其中F为级联***的总噪声系数，F1为第一级放大器的噪声系数，F2为第二级放大器的噪声系数，F3为第三级放大器的噪声系数，G1为第一级放大器的增益，G2为第二级放大器的增益。
可知第一级放大器对于***的噪声影响最大，因此需要其产生噪声最小。L1为单电感噪声匹配，本电路通过L1实现低噪声放大。偏置电源VGS1和VDS1为M1提供栅极电压和漏极电压，VGS1通过L2连接至M1的栅极；VDS1通过L3、R1连接至M1的漏极，其中R1起提高电路稳定性和调节增益平坦度的作用；L2、L3的作用是通直流阻交流，保护偏置电源。M1的源极接L4，提高电路稳定性。L2与L4均为大阻值电感，即限制进入晶体管栅极的偏置电流而对晶体管进行保护作用。
第二级放大器分离200的工作原理为：M1将输入信号转化为电流后，射频信号经过一二级级间匹配分离400流向M2的栅极。偏置电源VGS2和VDS2为M2提供栅极电压和漏极电压，VGS2通过L5、R2连接至M2的栅极，其中R2起到分压作用，降低M2栅极电流Igs2，保护栅极；VDS2通过L6、R3连接至M2的漏极，其中R3起提高电路稳定性和调节增益平坦度的作用；L5、L6的作用是通直流阻交流，保护偏置电源。M2的源极接TL1，提高电路稳定性。
第三级放大器分离300的工作原理为：M2的输出信号通过二三级级间匹配分离500流向M3的栅极。偏置电源VGS3和VDS3为M3提供栅极电压和漏极电压，VGS3通过L7、R4连接至M3的栅极，其中R4起到分压作用，降低M3栅极电流Igs3，保护栅极；VDS3通过L8、R5连接至M3的漏极，其中R8起提高电路稳定性和调节增益平坦度的作用；L7、L8的作用是通直流阻交流，保护偏置电源。M3的源极接TL2，提高电路稳定性，射频信号由M3的漏极通过C2输出，C2起到隔直流和阻抗匹配的作用。
一二级级间匹配400为第一级的输出阻抗与第二级输入阻抗的共轭匹配，完成增益匹配，匹配频率点为13GHz。二三级级间匹配500为第二级输出阻抗与第三级输入阻抗的共轭匹配，完成增益匹配，匹配频率点为14GHz。后两级级间匹配频率点均为较高频率，可补足高频增益。通过调节一二级级间匹配400和二三级级间匹配500的电容值与电感值，即可以调节整个带宽内的增益平坦度。
本发明中L4、TL1、TL2的取值范围为0.5～1nH，电容C3、C4的值均小于5pF，电感L9、L10均小于10nH。在上述范围内，通过调节电容、电阻和电感的取值，能够使得电路带宽为9GHz，最高频率可达14GHz，噪声低于1.8dB，增益不低于19dB,增益平坦度仅为±1dB。
同时，本发明电路在测试温度分别为-55℃、25℃和85℃时，稳定性满足K﹥1的要求。
本发明采用噪声匹配实现低噪声；采用三级放大器电路结构得到高增益，同时进行级间匹配保证增益平坦度；采用合适的偏置电压降低整体电路的功耗值；每一级晶体管的栅宽数值与指数的选择保证了单级电路的增益与噪声。本电路具有噪声低、增益高、带宽较宽等诸多优点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种宽带单片集成低噪声放大器，其特征在于：包括第一级放大器(100)、第二级放大器(200)、第三级放大器(300)、一二级级间匹配网络(400)以及二三级级间匹配网络(500)；
第一级放大器(100)包括NMOS管M1、电阻R1、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、偏置电源VGS1以及偏置电源VDS1；第二级放大器(200)包括NMOS管M2、电阻R2、电阻R3、电感L5、电感L6、微带线TL1、偏置电源VGS2以及偏置电源VDS2；第三级放大器(300)包括NMOS管M3、电阻R4、电阻R5、电感L7、电感L8、电容C2、微带线TL2、偏置电源VGS3以及偏置电源VDS3；一二级级间匹配网络(400)包括电容C3和电感L9；二三级级间匹配网络(500)包括电容C4和电感L10；
射频信号RFin通过电容C1和电感L1组成的串联电路输入到NMOS管M1的栅极，NMOS管M1的栅极同时通过电感L2连接至偏置电源VGS1的正极，NMOS管M1的源极通过电感L4接地，NMOS管M1的漏极分为两路，其中一路通过电阻R1和电感L3的串联电路连接至偏置电源VDS1的正极，另一路通过电容C3和电感L9的串联电路连接至第二级放大器(200)中NMOS管M2的栅极，偏置电源VGS1的负极以及VDS1的负极接地；
NMOS管M2的栅极通过电阻R2和电感L5的串联电路连接至偏置电源VGS2的正极，NMOS管M2的源极通过微带线TL1接地，NMOS管M2的漏极分为两路，其中一路通过电阻R3和电感L6的串联电路连接至偏置电源VDS2的正极，另一路与电容C4的一端连接，电容C4的另一端同时与电感L10的一端以及第三级放大器(300)中NMOS管M3的栅极连接，电感L10的另一端接地，偏置电源VGS2的负极以及VDS2的负极接地；
NMOS管M3的栅极通过电阻R4和电感L7的串联电路连接至偏置电源VGS3的正极，NMOS管M3的源极通过微带线TL2接地，NMOS管M3的漏极分为两路，其中一路通过电阻R5和电感L8的串联电路连接至偏置电源VDS3的正极，另一路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端输出射频信号RFout，偏置电源VGS3和VDS3的负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种宽带单片集成低噪声放大器，其特征在于：NMOS管M1的单指栅宽为25μm，单胞有6指栅条，总栅宽为150μm；NMOS管M2的单指栅宽40μm，单胞有2指栅条，总栅宽为80μm；NMOS管M3的单指栅宽75μm，单胞有2指栅条，总栅宽为150μm。
3.根据权利要求1所述的一种宽带单片集成低噪声放大器，其特征在于：所述R5的阻值为50Ω，实现将输出电阻匹配至50Ω，无需额外配置匹配电路。
4.根据权利要求1所述的一种宽带单片集成低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电源VGS1、VGS2、VGS3电压相同，偏置电源VDS1、VDS2、VDS3电压相同。
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