CN108832903A - 低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置 - Google Patents

低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置 Download PDF

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江少涛
吴光胜
李晓丛
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Abstract

本发明涉及一种低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置，其中，低噪声放大器芯片包括第一端口、第一级放大电路、级间匹配电路、第二级放大电路、电压偏置电路、电源偏置电路以及第二端口；第一端口与第一级放大电路的输入端连接；第一级放大电路的输出端通过级间匹配电路与第二级放大电路的输入端连接，输出端与第二端口连接；电压偏置电路的一端与第二级放大电路的接地端连接，另一端与第一级放大电路的输入端连接；电源偏置电路的一端与第二端口连接，另一端与第一级放大电路的输出端连接；第一端口作为信号输入端；第二端口同时作为信号输出端和电源供应端。上述低噪声放大器芯片只需要采用两端口设计即可，不容易受到外界干扰。

Description

低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置。
背景技术
低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗***等应用中一个非常重要的部分，常用于射频接收***的前端放大模块，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高***的灵敏度。如果在接收***的前端连接高性能的低噪声放大器，在放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收***的噪声系数主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收***的噪声系数也会变小，信噪比则得以改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收***的性能，对于整个接收***的技术水平的提高也起了决定性的作用。传统的低噪声放大器需要使用较多的外接端口，从而容易受到外界干扰。
发明内容
基于此，有必要针对传统的低噪声放大器芯片需要使用较多的外接端口，容易受到外界干扰的问题，提供一种低噪声放大器芯片及前端放大模块、射频接收装置。
一种低噪声放大器芯片，包括第一端口、第一级放大电路、级间匹配电路、第二级放大电路、电压偏置电路、电源偏置电路以及第二端口；所述第一端口与所述第一级放大电路的输入端连接；所述第一级放大电路的输出端通过所述级间匹配电路与所述第二级放大电路的输入端连接；所述第二级放大电路的输出端与所述第二端口连接；所述电压偏置电路的一端与所述第二级放大电路的接地端连接；所述电压偏置电路的另一端与所述第一级放大电路的输入端连接；所述电源偏置电路的一端与所述第二端口连接；所述电源偏置电路的另一端与所述第一级放大电路的输出端连接；所述第一端口作为信号输入端；所述第二端口同时作为信号输出端和电源供应端。
上述低噪声放大器芯片，通过将信号输入端和电源供应端共用第二端口，并且通过电压偏置电路将第二级放大电路的输出作为第一级放大电路的偏置电压，通过电源偏置电路将第二端口输入的电源作为第一级放大电路的电源，实现第一级放大电路和第二级放大电路的电源共用。因此，上述低噪声放大器芯片只需要采用两端口设计即可，不容易受到外界干扰，且简化了后续调试电路设计及方便测试调试工作。
在其中一个实施例中，所述电源偏置电路包括第一电阻；所述第一电阻的一端与所述第二端口连接；所述第一电阻的另一端与所述第一级放大电路的输出端连接。
在其中一个实施例中，所述电压偏置电路包括第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第二级放大电路的接地端串联所述第三电阻和所述第四电阻后接地；所述第二电阻的一端与所述第一级放大电路的输入端连接；所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻和第四电阻的公共端。
在其中一个实施例中，所述第一级放大电路采用共源极级联电感负反馈电路结构；所述第二级放大电路采用共源极放大电路结构。
在其中一个实施例中，所述第一级放大电路包括第一晶体管和第一电感；所述第一晶体管的栅极作为所述第一级放大电路的输入端；所述第一晶体管的源极串联所述第一电感后接地；所述第一电感的接地端作为所述第一级放大电路的接地端；所述第一晶体管的漏极作为所述第一级放大电路的输出端；
所述第二级放大电路包括第二晶体管；所述第二晶体管的栅极作为所述第二级放大电路的输入端；所述第二晶体管的漏极作为所述第二级放大电路的输出端；所述第二晶体管的源极作为所述第二级放大电路的接地端。
在其中一个实施例中，还包括旁路单元；所述旁路单元的一端与所述第二晶体管的源极连接；所述旁路单元的另一端接地。
在其中一个实施例中，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为砷化镓假晶形高电子迁移率晶体管。
在其中一个实施例中，还包括输入匹配单元和输出匹配单元；所述输入匹配单元的一端与所述第一端口连接，所述输入匹配单元的另一端还与所述第一级放大电路的输入端连接；所述输出匹配单元的一端与所述第二级放大电路的输出端连接；所述输出匹配单元的另一端与所述第二端口连接。
一种前端放大模块，包括输入匹配电路、低噪声放大器芯片以及输出匹配电路；所述输入匹配电路与所述低噪声放大器芯片的第一端口连接；所述输出匹配电路与所述低噪声放大器芯片的第二端口连接；所述低噪声放大器芯片为如前述任一实施例所述的低噪声放大器芯片。
一种射频接收装置，包括射频信号接收模块和前端放大模块；所述射频信号接收模块与所述前端放大模块连接；所述前端放大模块为如前述实施例所述的前端放大模块。
附图说明
图1为一实施例中的低噪声放大器芯片的结构框图；
图2为另一实施例中的低噪声放大器芯片的结构框图；
图3为一实施例中的低噪声放大器芯片的电路原理图；
图4为图3所示实施例中的低噪声放大器芯片的输入匹配系数S11的曲线图；
图5为图3所示实施例中的低噪声放大器芯片的输出匹配系数S22的曲线图；
图6为图3中的低噪声放大器芯片的隔离度S12的曲线图；
图7为图3中的低噪声放大器芯片的增益S21的曲线图；
图8为图3中的低噪声放大器芯片的最小噪声系数NFmin和实际噪声系数nf(2)的仿真结果图；
图9为图3中的低噪声放大器芯片的稳定性仿真结果图；
图10为一实施例中的前端放大模块的电路框图；
图11为一实施例中的前端放大模块的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的低噪声放大器芯片的结构框图，该低噪声放大器芯片可以用于射频接收***的前端放大模块中，以实现对前端接收到的射频信号的放大处理。在本实施例中，上述低噪声放大器芯片工作在Ku频段，因此也可以称之为Ku频段低噪声放大器芯片。Ku频段的频率受到国际有关法律保护，Ku频段下行从10.7GHz到12.75GHz，上行从12.75GHz到18.1GHz。
参见图1，该低噪声放大器芯片包括第一端口P1、第一级放大电路110、级间匹配电路120、第二级放大电路130、电压偏置电路140、电源偏置电路150以及第二端口P2。其中，第一端口P1与第一级放大电路110的输入端连接。第一级放大电路110的输出端通过级间匹配电路120与第二级放大电路130的输入端连接。第一级放大电路110的接地端接地。第二级放大电路130的输出端与第二端口P2连接。第二级放大电路130的接地端与电压偏置电路140连接，并通过电压偏置电路140接地。电压偏置电路140还与第一级放大电路110的输入端连接。电源偏置电路150的一端与第二端口P2，也即与第二级放大电路130的输出端连接，另一端则与第一级放大电路110的输出端连接。在本实施例中，第一端口P1作为信号输入端，第二端口P2同时作为信号输出端和电源供应端。
上述低噪声放大器芯片，通过将信号输入端和电源供应端共用第二端口P2，并且通过电压偏置电路140将第二级放大电路130的输出作为第一级放大电路110的偏置电压，通过电源偏置电路150将第二端口P2输入的电源作为第一级放大电路110的电源，从而实现第一级放大电路110和第二级放大电路130的电源共用。因此，上述低噪声放大器芯片只需要采用两端口(P1、P2)设计即可，不容易受到外界干扰。并且芯片采用两端口设计后，可以简化后续封装设计和PCB应用设计，可缩短后续的调试周期，并简化后续调试电路设计及方便测试调试工作。
在一实施例中，上述低噪声放大器芯片还包括输入匹配单元160和输出匹配单元170，如图2所示。其中，输入匹配单元160连接于第一端口P1和第一级放大电路110的输入端之间。输出匹配单元170则连接于第二端口P2和第二级放大电路130的输出端之间。输入匹配单元160和输出匹配单元170用于实现输入和输出的阻抗匹配，以优化整个放大器芯片的性能。
图3为一实施例中的低噪声放大器芯片的电路原理图。参见图3，在本实施例中，电源偏置电路包括第一电阻R1。第一电阻R1的一端与第二端口P2连接，另一端则与第一级放大电路的输出端连接。可以理解，在其他的实施例中，电源偏置电路中还可以包括其他的电阻，或者其他阻抗元件。通过电源偏置电路可以将第二端口P2处的供电电压进行分压后输出至第一级放大电路的输出端，实现两级放大电路的电源共用，无需分别设置相应的电源端口。通过内部电源共用，可以减少芯片内的电源走线，稳定性较好。
在一实施例中，电压偏置电路包括第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。其中，第二级放大电路的接地端串联第三电阻R3和第四电阻R4后接地。第二电阻R2的一端通过输入匹配电路与第一级放大电路的输入端连接。在一实施例中，输入匹配电路包括第二电感L2。第二电感L2串联在第一端口P1和第一级放大电路的输入端。
在一实施例中，第一级放大电路采用共源极级联电感负反馈电路结构。具体地，第一级放大电路包括第一晶体管T1和第一电感L1，参见图3。第一晶体管T1的栅极作为第一级放大电路的输入端，第一晶体管T1的漏极作为第一级放大电路的输出端，第一晶体管T1的源极串联第一电感L1后接地。第一电感L1的接地端作为第一级放大电路的接地端。第一电感L1作为源极负反馈电感。在一实施例中，第一晶体管T1为砷化镓假晶形高电子迁移率晶体管(GaAs PHEMT)。
在一实施例中，级间匹配电路包括第三电感L3。第三电感L3连接于第一晶体管T1的漏极，并与第二级放大电路的输入端连接。
第二级放大电路为共源放大电路结构，其包括第二晶体管T2。第二晶体管T2的栅极作为第二级放大电路的输入端。第二晶体管T2的源极作为第二级放大电路的接地端，也即其串联第三电阻R3和第四电阻R4后接地。第二晶体管T2的漏极作为第二级放大电路的输出端。在一实施例中，还包括旁路单元。旁路单元包括第一电容C1。第一电容C1的一端连接于第二晶体管T2的源极，另一端接地。第一电容C1作为旁路电容。其中，第二晶体管T2同样采用砷化镓假晶形高电子迁移率晶体管(GaAs PHEMT)。本实施例中的第一晶体管T1和第二晶体管T2均可以采用0.25微米GaAs工艺制备得到。
在一实施例中，输出匹配电路包括第四电感L4和第二电容C2。其中，第四电感L4的一端与第二晶体管T2的漏极连接，第四电感L4的另一端则与第二端口P2连接。第四电感L4与第二端口P2连接的一端还串联第二电容C2后接地。
在一实施例中，上述低噪声放大器芯片的版图长为600微米，宽为426微米，厚为100微米。
图3所示实施例中的低噪声放大器芯片的工作频带为10GHz～13GHz，其稳定性较好，稳定系数可以大于1，电路满足无条件稳定。并且，通过采用共源极级联电感负反馈电路结构作为第一级放大电路，可以实现较小的噪声系数，第二级放大电路则可以提供较大的增益。
下面结合效果图对上述实施例中的低噪声放大器芯片的优点做进一步说明。图4为图3所示实施例中的低噪声放大器芯片的输入匹配系数S11的曲线图。从图中可以看出，S11在低噪声放大器芯片的工作频率范围内均低于-10dB，也即其输入匹配能够满足要求。图5为图3所示实施例中的低噪声放大器芯片的输出匹配系数S22的曲线图。从图中可以看出，S22在低噪声放大器芯片的工作频率范围内均低于-9dB，也即其输出匹配能够满足要求，使得整个低噪声放大器芯片的噪声小于等于1.5dB。图6为图3中的低噪声放大器芯片的隔离度S12的曲线图。从图6中可以看到，其S12均小于-31dB，同样能够满足器件要求。图7为图3中的低噪声放大器芯片的增益S21的曲线图。从图7中可以看出，其在频率范围内具有较高的增益，能够达到20dB以上。图8为图3中的低噪声放大器芯片的最小噪声系数NFmin和实际噪声系数nf(2)的仿真结果图。从图8中可以看出，其实际噪声系数nf(2)比较接近最小噪声系数NFmin，也就说明通过匹配电路以及匹配单元的调节，噪声基本已经达到最小。图9为图3中的低噪声放大器芯片的稳定性仿真结果图。从图9中可以看出，其稳定系数均大于1，即电路满足无条件稳定。
在本发明一实施例还提供一种前端放大模块。该前端放大模块包括输入匹配电路210、低噪声放大器芯片220以及输出匹配电路230，如图10所示。其中，低噪声放大器芯片220可以采用前述任一实施例中的低噪声放大器芯片。输入匹配电路210与低噪声放大器芯片220的第一端口连接，输出匹配电路230与低噪声放大器芯片220的第二端口连接。在本实施例中，输出匹配电路210和输出匹配电路230均用于芯片外部的输入、输出匹配。输入匹配电路210和输出匹配电路230可以采用常用的由电容电感构成的匹配电路。
在一实施例中，上述前端放大模块还包括输入隔直电容Cin和输出隔直电容Cout，如图11所示。Cin可以阻止直流信号进入晶体管造成损伤，其在射频信号输入时相当于短路，CL可以阻止直流信号进入负载造成损伤，其在射频信号输入时相当于短路。
参见图11，在本实施例中，电源VCC通过第二端口P2向第二级放大电路中的第二晶体管T2进行供电，并通过电源偏置电路中的电阻R1以及电压偏置电路中的R2～R3实现两级放大电路电源共用。因此，低噪声放大器芯片220只需要做两端口设计即可满足使用需求，不容易受到外界干扰，且简化了后续调试电路设计及方便测试调试工作。
本发明一实施例还提供一种射频接收装置，其包括射频信号接收模块和前端放大模块。其中，该前端放大模块可以采用前述实施例中的前端放大模块。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低噪声放大器芯片，其特征在于，包括第一端口、第一级放大电路、级间匹配电路、第二级放大电路、电压偏置电路、电源偏置电路以及第二端口；所述第一端口与所述第一级放大电路的输入端连接；所述第一级放大电路的输出端通过所述级间匹配电路与所述第二级放大电路的输入端连接；所述第二级放大电路的输出端与所述第二端口连接；所述电压偏置电路的一端与所述第二级放大电路的接地端连接；所述电压偏置电路的另一端与所述第一级放大电路的输入端连接；所述电源偏置电路的一端与所述第二端口连接；所述电源偏置电路的另一端与所述第一级放大电路的输出端连接；所述第一端口作为信号输入端；所述第二端口同时作为信号输出端和电源供应端。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电源偏置电路包括第一电阻；所述第一电阻的一端与所述第二端口连接；所述第一电阻的另一端与所述第一级放大电路的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，所述电压偏置电路包括第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第二级放大电路的接地端串联所述第三电阻和所述第四电阻后接地；所述第二电阻的一端与所述第一级放大电路的输入端连接；所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻和第四电阻的公共端。
4.根据权利要求1所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，所述第一级放大电路采用共源极级联电感负反馈电路结构；所述第二级放大电路采用共源极放大电路结构。
5.根据权利要求4所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，所述第一级放大电路包括第一晶体管和第一电感；所述第一晶体管的栅极作为所述第一级放大电路的输入端；所述第一晶体管的源极串联所述第一电感后接地；所述第一电感的接地端作为所述第一级放大电路的接地端；所述第一晶体管的漏极作为所述第一级放大电路的输出端；
所述第二级放大电路包括第二晶体管；所述第二晶体管的栅极作为所述第二级放大电路的输入端；所述第二晶体管的漏极作为所述第二级放大电路的输出端；所述第二晶体管的源极作为所述第二级放大电路的接地端。
6.根据权利要5所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，还包括旁路单元；所述旁路单元的一端与所述第二晶体管的源极连接；所述旁路单元的另一端接地。
7.根据权利要5所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为砷化镓假晶形高电子迁移率晶体管。
8.根据权利要求1所述的低噪声放大器芯片，其特征在于，还包括输入匹配单元和输出匹配单元；所述输入匹配单元的一端与所述第一端口连接，所述输入匹配单元的另一端还与所述第一级放大电路的输入端连接；所述输出匹配单元的一端与所述第二级放大电路的输出端连接；所述输出匹配单元的另一端与所述第二端口连接。
9.一种前端放大模块，其特征在于，包括输入匹配电路、低噪声放大器芯片以及输出匹配电路；所述输入匹配电路与所述低噪声放大器芯片的第一端口连接；所述输出匹配电路与所述低噪声放大器芯片的第二端口连接；所述低噪声放大器芯片为如权利要求1～8任一所述的低噪声放大器芯片。
10.一种射频接收装置，其特征在于，包括射频信号接收模块和前端放大模块；所述射频信号接收模块与所述前端放大模块连接；所述前端放大模块为如权利要求9所述的前端放大模块。
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