CN111510089A - 一种带旁路功能的低噪声放大模块及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带旁路功能的低噪声放大模块及控制方法，属于单片射频/微波集成电路技术领域；所述一种带旁路功能的低噪声放大模块包括第一单刀双掷射频开关、第二单刀双掷射频开关以及低噪声放大器；第一单刀双掷射频开关的第一输出端与低噪声放大器输入端相连；第一单刀双掷射频开关的第二输出端与第二单刀双掷射频开关的第一输入端相连；低噪声放大器输出端与第二单刀双掷射频开关的第二输入端相连；本发明在低噪声放大器的基础上集成了两个射频开关，从而实现旁路功能。对于输入信号范围影响明显，本发明可以处理信号幅度低于低噪声放大器输入1dB压缩点信号外，也可以处理幅度大于输入1dB压缩点的信号，有效提升了***的动态范围。

Description

一种带旁路功能的低噪声放大模块及控制方法
技术领域
本发明公开了一种带旁路功能的低噪声放大模块及控制方法，属于单片射频/微波集成电路技术领域。
背景技术
低噪声放大器是无线收发***中的关键元器件，广泛应用于无线通信、广播电视、点对点通信等领域。低噪声放大器处于接收机的第一级，其噪声系数对***的噪声系数起决定作用。在***中，传统低噪声放大器在接收信号时处于工作状态，在发射信号时处于关闭状态。在接收信号时，受到低噪声放大器自身信号处理能力的限制，其输出信号不能太大，否则低噪声放大器将被推至饱和，而信号太大可能会烧毁低噪声放大器。
在现代无线收发***中，低噪声放大器除能够处理小信号放大外，同时需要具备大信号传输能力；但目前仍缺少相关技术。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明基于GaAs PHEMT工艺实现了一种带旁路功能的低噪声放大模块及控制方法，其目的旨在提升低噪声放大器的信号动态范围。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种带旁路功能的低噪声放大模块，所述低噪声放大模块包括第一单刀双掷射频开关、第二单刀双掷射频开关以及低噪声放大器；第一单刀双掷射频开关的第一输出端与低噪声放大器输入端相连；第一单刀双掷射频开关的第二输出端与第二单刀双掷射频开关的第一输入端相连；低噪声放大器输出端与第二单刀双掷射频开关的第二输入端相连。
优选的，所述第一单刀双掷射频开关与所述第二单刀双掷射频开关为相同开关。
可选的，所述开关包括用于导通和关断的多个晶体管，用于隔离外部直流电压的多个电容以及用于控制信号串入射频端的多个电阻。
优选的，所述开关包括两个晶体管、三个电容和三个电阻；晶体管M1的源极连接电容C1；晶体管M1的漏极连接电容C3；晶体管M1的栅极连接电阻R1；晶体管M2的源极连接电容R3；晶体管M2的漏极连接电容C2；晶体管M2的栅极连接电阻R2；其中，电阻R1和电阻R3均连接电压VC；电阻R2接地。
进一步的，所述低噪声放大器包括偏置网络、放大网络以及负反馈网络；所述偏置网络为放大网络的晶体管提供直流偏置；所述放大网络用于实现射频信号放大功能；所述负反馈网络用于实现阻抗匹配。
优选的，所述偏置网络包括一个晶体管M3、五个电阻R4、R5、R6、R7、R8，两个电容C3、C4、一个电感L1；电阻R4一端连接电源，另一端连接晶体管M3的漏极；晶体管M3的漏极与栅极连接；电容C4一端连接地，另一端连接晶体管M3的栅极；电阻R5的一端连接晶体管M3的栅极，另一端为放大网络提供偏置；电阻R6一端连接电源，另一端连接电阻R7和R8；电阻R8另一端连接地；电阻R7另一端为放大网络的晶体管提供直流偏置；电容C5一端连接R8一端，另一端接地；电感L1一端连接电源，另一端为放大网络的晶体管供电。
优选的，所述放大网络包括两个晶体管，即晶体管M4和M5，晶体管M4的源极连接地，晶体管M4的漏极连接晶体管M5的源级。
优选的，所述负反馈网络包括电容C6和电阻R9，其中电容C6一端连接放大网络的晶体管漏极，另一端连接电阻R9；电阻R9另一端连接放大网络的晶体管栅极。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种带旁路功能的低噪声放大控制方法；所述方法包括：
从IN端口输入射频信号；
通过第一单刀双掷射频开关进行通路选择，选择第一通路或者第二通路；
在第一通路中，选择进入低噪声放大器实现信号放大，经过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口；
在第二通路中，选择通过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口。
优选的，为了提升***整体动态范围，通过1dB压缩点来选择第一通路或第二通路，当从IN端口输入的射频信号低于低噪声放大器输入1dB压缩点时，选择第一通路进行信号放大后送至后级处理；当从IN端口输入的射频信号大于低噪声放大器输入1dB压缩点时，由于低噪声放大器无法处理此类信号，选择第二通路将信号传输至后级处理。
本发明的有益效果：本发明专利在低噪声放大器的基础上集成了两个射频开关，从而实现旁路功能。对于输入信号范围影响明显，本发明可以处理信号幅度低于低噪声放大器输入1dB压缩点信号外，也可以处理幅度大于输入1dB压缩点的信号，有效提升了***的动态范围。
附图说明
图1为传统的低噪声放大器结构图；
图2为本发明带旁路功能的低噪声放大模块总体框图；
图3为本发明带旁路功能的低噪声放大模块中射频开关电路图；
图4为本发明带旁路功能的低噪声放大模块中低噪声放大器的总体框图；
图5为本发明带旁路功能的低噪声放大模块电路图；
图6为本发明带旁路功能的低噪声放大控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是传统低噪声放大器框图，包含输入端口(IN端口)和输出端口(OUT端口)。当信号超过低噪声放大器的输入1dB压缩点时，低噪声放大器输出信号会被压缩并失真。
在一个实施例中，为了解决传统低噪声放大器的缺陷；本发明采用如图2所示的带旁路功能的低噪声放大模块总体框图。
所述带旁路功能的低噪声放大模块包括第一单刀双掷射频开关K1、第二单刀双掷射频开关K2以及低噪声放大器AMP；第一单刀双掷射频开关的第一输出端RF1与低噪声放大器输入端LNA-IN相连；第一单刀双掷射频开关的第二输出端RF2与第二单刀双掷射频开关的第一输入端RF1相连；低噪声放大器输出端LNA-OUT与第二单刀双掷射频开关的第二输入端R2相连。
第一单刀双掷射频开关K1、第二单刀双掷射频开关K2可以实现信号通路选择功能；低噪声放大器AMP实现信号放大功能。输入信号可以通过射频开关K1和K2选择信号放大或者直通。
由于内部同时集成了射频开关和低噪声放大器，当信号幅度低于低噪声放大器的输入1dB压缩点时，射频信号经射频开关K1传输至放大器AMP，并经放大器AMP放大后传输至射频开关K2；当信号幅度大于低噪声放大器输入1dB压缩点时，信号通过射频开关K1直接传输至射频开关K2，并经K2传输至后级。由于射频开关自身1dB压缩点高，所以信号不会被压缩。
在一个实施例中，所述第一单刀双掷射频开关与所述第二单刀双掷射频开关为相同开关；所述开关包括用于导通和关断的多个晶体管，用于隔离外部直流电压的多个电容以及用于控制信号串入射频端的多个电阻；通过本实施例可以在不设计数控控制电路的前提下减少控制信号数量，大幅简化设计复杂度。
输入信号可以通过射频开关K1和K2选择信号放大或者直通。当信号低于低噪声放大器的输入1dB压缩点时，输入信号通过开关K1选择进入低噪声放大器输入端实现信号放大，放大后的信号通过开关K2输出；当信号高于低噪声放大器输入1dB压缩点时，输入信号通过开关K1选择直通通路并直接进入至开关K2，该方式可以避免信号被压缩和失真。
在一个优选实施例中，如图3所示，所述开关还可以包括两个晶体管、三个电容和三个电阻；晶体管M1的源极连接电容C1；晶体管M1的漏极连接电容C3；晶体管M1的栅极连接电阻R1；晶体管M2的源极连接电容R3；晶体管M2的漏极连接电容C2；晶体管M2的栅极连接电阻R2；其中，电阻R1和电阻R3均连接电压VC；电阻R2接地；本实施例中，晶体管M1、M2通过控制电压VC实现开启或者关断功能。晶体管M1通过控制栅极实现通断、晶体管M2栅极钳位到地，可以通过控制其源级实现通断，其复杂度十分低，便于实现。
本实施例中，控制电压VC通过电阻R3、R1为晶体管M1、M2提供控制信号。其中控制电压VC通过控制晶体管M1的栅压实现晶体管M1导通或者关断；另外，通过电阻R3控制晶体管M2的源级实现晶体管M2导通或者关断。该控制方式的好处在于可以采用一个控制信号即可实现一个晶体管导通、一个晶体管关断的功能。
在一个实施例中，如图4所示，给出了一种低噪声放大器的框图结构，所述低噪声放大器包括偏置网络、放大网络以及负反馈网络；所述偏置网络为放大网络的晶体管提供直流偏置；所述放大网络用于实现射频信号放大功能；所述负反馈网络用于实现阻抗匹配；本发明设置的偏置网络可以采用CASCODE(共栅)放大结构为低噪声放大器提供栅压偏置；负反馈网络可以实现在较宽的频带内良好的输入和输出回波损耗；放大网络能够实现高的功率增益；通过本实施例实现的低噪声放大器在高低温下电源电流及射频参数更稳定。
在一个优选实施例中，如图5所示，给出了一种低噪声放大器中各个网络的电路结构：
所述偏置网络包括一个晶体管M3、五个电阻R4、R5、R6、R7、R8，两个电容C3、C4、一个电感L1；电阻R4一端连接电源，另一端连接晶体管M3的漏极；晶体管M3的漏极与栅极连接；电容C4一端连接地，另一端连接晶体管M3的栅极；电阻R5的一端连接晶体管M3的栅极，另一端为放大网络提供偏置；电阻R6一端连接电源，另一端连接电阻R7和R8；电阻R8另一端连接地；电阻R7另一端为放大网络的晶体管M5提供直流偏置；电容C5一端连接R8一端，另一端接地；电感L1一端连接电源，另一端连接晶体管M5的漏极，为放大网络的晶体管M5供电。
所述放大网络包括两个晶体管，即晶体管M4和M5，晶体管M4的源极连接地，晶体管M4的漏极连接晶体管M5的源级；晶体管M5的漏极连接偏置网络的电感L1，M4的源极连接偏置网络的电阻R5。
所述负反馈网络包括电容C6和电阻R9，其中电容C6一端连接放大网络的晶体管M5的漏极，另一端连接电阻R9；电阻R9另一端连接放大网络的晶体管M4的栅极。
通过上述设置，能够使得低噪声放大器在高低温下电源电流及射频参数更稳定。
在低噪声放大器领域，砷化镓材料的增强型PHEMT具有很大的优势，目前国内外厂商对高性能低噪声放大器产品主要集中在增强型PHEMT工艺，而且第五代移动通信***的工作频段之一是sub 6G频段，在这个频段内，砷化镓材料的增强型PHEMT工艺的噪声系数较低，能够提供较高的增益，具有较高的线性度和跨导，只需要单电源供电，满足设计低噪声放大器的要求。
在一个实施例中，可选的，本发明中的晶体管为增强型PHEMT器件。增强型PHEMT器件是由栅压控制沟道电阻，并通过沟道电阻来控制漏极电流的电压控制器件。本实施例中的所有晶体管M1、M2、M3、M4以及M5均可以为砷化镓材料的增强型PHEMT。本实施例的射频开关能够基于砷化镓材料的增强型PHEMT工艺制作，可以与低噪声放大器工艺兼容。
在一个实施例中，如图6所示，本发明还提供了一种带旁路功能的低噪声放大控制方法，所述方法包括：
从IN端口输入射频信号；
通过第一单刀双掷射频开关进行通路选择，选择第一通路或者第二通路；
在第一通路中，选择进入低噪声放大器实现信号放大，经过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口；
在第二通路中，选择通过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口。
在一个优选实施例中，当从IN端口输入的射频信号低于低噪声放大器输入1dB压缩点时，选择第一通路进行信号放大后送至后级处理；当从IN端口输入的射频信号大于低噪声放大器输入1dB压缩点时，选择第二通路将信号传输至后级处理。
在一个补充实施例中，本实施例还提供了一种低噪声放大芯片，可以应用于第五代移动通信基站，包括上述实施例中所述的任意一种带旁路功能的低噪声放大模块，且具有上述控制电路所具有的有益效果。
可以理解的是，在本发明中的放大模块和控制方法的部分特征可以相互引用，本发明则不再一一例举。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，包括第一单刀双掷射频开关、第二单刀双掷射频开关以及低噪声放大器；第一单刀双掷射频开关的第一输出端与低噪声放大器输入端相连；第一单刀双掷射频开关的第二输出端与第二单刀双掷射频开关的第一输入端相连；低噪声放大器输出端与第二单刀双掷射频开关的第二输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，所述第一单刀双掷射频开关与所述第二单刀双掷射频开关为相同开关。
3.根据权利要求2所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，每个单刀双掷射频开关均包括用于导通和关断的多个晶体管，用于隔离外部直流电压的多个电容以及用于控制信号串入射频端的多个电阻。
4.根据权利要求2所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，每个单刀双掷射频开关还包括两个晶体管、三个电容和三个电阻；晶体管M1的源极连接电容C1；晶体管M1的漏极连接电容C3；晶体管M1的栅极连接电阻R1；晶体管M2的源极连接电容R3；晶体管M2的漏极连接电容C2；晶体管M2的栅极连接电阻R2；其中，电阻R1和电阻R3均连接电压VC；电阻R2接地。
5.根据权利要求1所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，所述低噪声放大器包括偏置网络、放大网络以及负反馈网络；所述偏置网络为放大网络的晶体管提供直流偏置；所述放大网络用于实现射频信号放大功能；所述负反馈网络用于实现阻抗匹配。
6.根据权利要求5所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，所述偏置网络包括一个晶体管M3、五个电阻R4、R5、R6、R7、R8，两个电容C3、C4、一个电感L1；电阻R4一端连接电源，另一端连接晶体管M3的漏极；晶体管M3的漏极与栅极连接；电容C4一端连接地，另一端连接晶体管M3的栅极；电阻R5的一端连接晶体管M3的栅极，另一端为放大网络提供偏置；电阻R6一端连接电源，另一端连接电阻R7和R8；电阻R8另一端连接地；电阻R7另一端为放大网络的晶体管提供直流偏置；电容C5一端连接R8一端，另一端接地；电感L1一端连接电源，另一端为放大网络的晶体管供电。
7.根据权利要求5所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，所述放大网络包括两个晶体管，即晶体管M4和M5，晶体管M4的源极连接地，晶体管M4的漏极连接晶体管M5的源级。
8.根据权利要求5所述的一种带旁路功能的低噪声放大模块，其特征在于，所述负反馈网络包括电容C6和电阻R9，其中电容C6一端连接放大网络的晶体管漏极，另一端连接电阻R9；电阻R9另一端连接放大网络的晶体管栅极。
9.一种带旁路功能的低噪声放大控制方法，其特征在于，所述方法包括：
从IN端口输入射频信号；
通过第一单刀双掷射频开关进行通路选择，选择第一通路或者第二通路；
在第一通路中，选择进入低噪声放大器实现信号放大，经过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口；
在第二通路中，选择通过第二单刀双掷射频开关后传输至OUT端口，并从OUT端口输出放大后的射频信号。
10.根据权利要求9所述的一种带旁路功能的低噪声放大控制方法，其特征在于，当从IN端口输入的射频信号低于低噪声放大器输入1dB压缩点时，选择第一通路进行信号放大后送至后级处理；当从IN端口输入的射频信号大于低噪声放大器输入1dB压缩点时，选择第二通路将信号传输至后级处理。
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