CN218071451U - 一种超宽带高性能低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种超宽带高性能低噪声放大器，包括依次串联的输入阻抗匹配网络、第一级放大器、级间阻抗匹配网络、第二级放大器和输出阻抗匹配网络；所述第一级放大器和第二级放大器的栅极端设有第一栅极偏置电路，所述第二级放大器的输出端设有第一漏极偏置电路；本实用新型公开了一种超宽带高性能低噪声放大器，电路拓扑结构采用2级放大，可实现低噪声、较大增益和中等功率输出的同时尺寸较小；整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配，实现起来比较容易；通过设计优化，支持大电感的金丝作为键合引线；采用特殊的偏置电路网络，在完成阻抗匹配的同时，可提供直流供电防止高频自激。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种超宽带高性能低噪声放大器。
背景技术
随着无线通信的发展，继硅（Si）之后，具有优良高温、低噪声、高频特性的砷化镓（GaAs）材料被称为第二代半导体的代表，以其为材料基础的器件及电路已成为目前国际上研究的热点和重点，GaAs具有材料宽禁带、高电子迁移率、击穿场强大、耐高温、耐高压、低噪声等特点，在国防军事等领域具有至关重要的意义。
近年来，单片微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuit，MMIC)依靠小体积、易集成、高可靠性等优势得到迅速发展，逐渐代替了传统混合集成电路。随着移动5G通信的快速发展，需要同时传输语音、视频和图像等信息，对超宽带的要求不断提高，因此在保证放大器低噪声、低功耗、高增益、小尺寸等性能前提下，扩展低噪声放大器(lownoiseamplifier，LNA)带宽成为研究热点。
目前，业界学者对宽带低噪声放大器进行了一系列研究，LNA在电路结构上分为反馈式、平衡式、分布式等，反馈式、平衡式LNA带宽相对较窄，且平衡式LNA尺寸较大。分布式(distributed)结构具有宽频带、驻波比小、电路的鲁棒性较好等优势，但在超宽带范围内，功耗大、噪声系数高、尺寸大等性能仍需改善。使用CMOS工艺设计分布式LNA时，介质损耗随着频率升高逐渐恶化，在超宽带范围内，很难同时实现高输出功率和低噪声性能。GaAs器件载流子迁移率和衬底电阻率较高，具有高增益、低噪声等性能。
在雷达射频接收***中，对***性能指标的要求越来越高，其中低噪声放大器是影响着整个接收***的噪声指标的重要因素。与普通的放大器相比,低噪声放大器作用比较突出，一方面可以减少***的杂波干扰，提高***的灵敏度;另一方面可以放大***的射频信号，保证***正常工作。因此，低噪声放大器的性能制约着整个接收***的性能，对整个接收***性能的提高起了决定性的作用。因此，研制宽频带、高性能、更低噪声的放大器，已经成为微波技术中发展的核心之一。
实用新型内容
本实用新型提供一种超宽带高性能低噪声放大器，旨在解决上述存在的问题。
本实用新型是这样实现的，一种超宽带高性能低噪声放大器，包括依次串联的输入阻抗匹配网络、第一级放大器、级间阻抗匹配网络、第二级放大器和输出阻抗匹配网络；
所述第一级放大器和第二级放大器的栅极端设有第一栅极偏置电路，所述第二级放大器的输出端设有第一漏极偏置电路，所述第一级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第一反馈匹配网络，第二级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第二反馈匹配网络；
所述第二级放大器的栅极接有电容C2，所述电容C2一端接场效应管Q2的栅极，另一端接地；
所述第一级放大器一端连接微带线L2，所述微带线L2一端接场效应管Q1的源极，另一端接地。
进一步的，所述输入阻抗匹配网络包括电容C1和微带线L1，所述电容C1与微带线L1串联，电感L1的一端连接第一栅极偏置电路、场效应管Q1的栅极和第一反馈匹配网络公共端。
进一步的，所述级间阻抗匹配网络包括微带线L3，所述微带线L3一端连接场效应管Q1的漏极，另一端连接场效应管Q2的源极。
进一步的，所述第一反馈匹配网络包括电容C4和电阻R7，所述电容C4和电阻R7串联，所述电阻R7的一端连接场效应管Q1的栅极。
进一步的，所述第二反馈匹配网络包括依次串联的微带线L4、电容C3和电阻R6，所述电阻R6连接在场效应管Q2的栅极和电容C2的一端，所述微带线L4一端与电容C4连接，所述电容C3和微带线L4的公共端分别与第一漏极偏置电路和输出阻抗匹配网络一端连接。
进一步的，所述输出阻抗匹配网络包括电容C5，所述电容C5的一端连接在第一漏极偏置电路、第二反馈匹配网络和第一反馈匹配网络的公共端，另一端接输出。
进一步的，所述第一漏极偏置电路包括微带线L5和电容C6，所述微带线L5一端连接在电容C5的一端，另一端与电容C6相连接，并与电源Vd连接，所述电容C6的另一端接地。
进一步的，所述第一栅极偏置电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述电阻R1、电阻R2和电阻R3依次串联；所述电阻R1的一端接地，另一端与电阻R4一端相接，电阻R4的另一端与场效应管Q1的栅极连接；所述电阻R3的一端接电源Vd, 另一端与电阻R5一端相接, 电阻R5的另一端与场效应管Q2的栅极连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种超宽带高性能低噪声放大器，电路拓扑结构采用2级放大，可实现低噪声、较大增益和中等功率输出的同时尺寸较小；整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配，实现起来比较容易；场效应管Q1的源极采用微带线代替传统的电阻，在完成噪声和增益调节的同时完成源端到地的连接；通过设计优化，支持大电感的金丝作为键合引线；采用特殊的偏置电路网络，在完成阻抗匹配的同时，可提供直流供电防止高频自激。
附图说明
图1是本实用新型信号通路结构示意图。
图2是本实用新型电路结构示意图。
图3是本实用新型的输入阻抗匹配电路结构示意图。
图4是本实用新型的级间阻抗匹配网络结构示意图。
图5是本实用新型的第一反馈匹配网络结构示意图。
图6是本实用新型的第二反馈匹配网络结构示意图。
图7是本实用新型的第一栅极偏置电路结构示意图。
图8是本实用新型的输出阻抗匹配网络结构示意图。
图9是本实用新型的第一漏极偏置电路结构示意图。
图10是本实用新型噪声系数图。
图11是本实用新型的增益示意图。
图12是本实用新型的输入回波示意图。
图13是本实用新型的输出回波示意图。
图14是本实用新型的输出P1dB功率示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种超宽带高性能低噪声放大器，包括依次串联连接的输入阻抗匹配网络1、场效应管Q1、级间阻抗匹配网络2、场效应管Q2、输出阻抗匹配网络3；
所述第一级放大器、第二级放大器的栅极端设有第一栅极偏置电路6，所述第一级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第一反馈匹配网络4，所述第二级放大器的输出端设有第一漏极偏置电路7，所述第二级放大器的栅极接有电容C2，第二级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第二反馈匹配网络5；
所述第一级放大器的另一端连接微带线L2，所述第一栅极偏置电路6、第一漏极偏置电路7的另一端接Vd端，所述微带线L2接场效应管Q1的源极，另一端接地，所述电容C2接场效应管Q2的栅极，另一端接地。同时基于超宽带的特性，使用第一、二反馈匹配网络，但这二级反馈匹配网络对噪声的影响并不相同，第一反馈匹配网络4对噪声影响最大，主要更侧重于降低噪声。
如图3所示，所述输入阻抗匹配网络1包括电容C1、微带线L1，所述电容C1与微带线L1串联，电感L1的一端连接第一栅极偏置电路6、场效应管Q1的栅极和第一反馈匹配网络4公共端。其中电容C1起到隔离直流电压的作用；并且与微带线L1一起作为输入的匹配电路，完成输入阻抗匹配的功能。
如图4所示，所述级间阻抗匹配网络2包括微带线L3，微带线L3的一端连接在场效应管Q1的漏极，另一端连接在场效应管Q2的源极。其中微带线L3可以起到场效应管Q1的漏极和场效应管Q2的源极的匹配作用；微带线L3可以代替电感，完成阻抗匹配的功能。
如图5所示，所述第一反馈匹配网络4包括电容C4和电阻R7，所述电容C4和电阻R7串联，所述电阻R7的一端连接在场效应管Q1的栅极，所述电容C4与第二反馈匹配网络5的微带线L4连接，电容C4起到隔离漏极电压与场效应管Q1栅极电压的作用，电阻R7起到调节放大器的增益平坦度的作用，电容C4和电阻R7一起还参与阻抗输入和输出的匹配作用，进而保证信号通路呈现50欧姆阻抗匹配，减少能量损耗。
如图6所示，所述第二反馈匹配网络5包括微带线L4、电容C3、电阻R6，所述微带线L4、电容C3、电阻R6依次串联连接，所述电阻R6连接在场效应管Q2的栅极和电容C2的一端，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3和微带线L4的公共端与第一漏极偏置电路7和输出阻抗匹配网络3一端连接，电容C2起到漏极电压与场效应管Q2栅极电压的隔直作用，电阻R6起到调节放大器的增益平坦度的作用，电容C2和电阻R6一起还参与阻抗输入和输出的匹配作用，进而保证信号通路呈现50欧姆阻抗匹配，减少能量损耗，微带线L4做为第二反馈匹配网络5的峰化电感，起到增加高频增益的作用，所述电容C2起到调节整个放大器的稳定性的作用。
如图7所示，所述第一栅极偏置电路6包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3以次串联，电阻R1的一端接地，另一端与电阻R4一端相接，电阻R4的另一端与场效应管Q1的栅极连接，电阻R3的一端接电源Vd, 另一端与电阻R5一端相接, 电阻R5的另一端与场效应管Q2的栅极连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3与漏极电压Vd一起分成两路电压，通过电阻R1分压的一路电压作为场效应管Q1的栅极电压，电阻R4作为场效应管Q1的栅极电压的限流电阻，通过电阻R1和R2分压的另一路电压做为场效应管Q2的栅极电压，电阻R5作为场效应管Q2的栅极电压的限流电阻。
如图8所示，所述输出阻抗匹配网络3包括电容C5，电容C5的一端连接在第一漏极偏置电路7、第二反馈匹配网络5和第一反馈匹配网络4的公共端，另一端接输出，电容C5作用是为输出进行匹配。
如图9所示，所述第一漏极偏置电路7包括微带线L5、电容C6，所述微带线L5一端连接在电容C5的一端，另一端与电容C6相连接，并与电源Vd连接，所述电容C6的另一端接地，微带线L5主要是起到电感的作用，与电容C6一起为漏极提供正电偏置电路。
本实用新型封装成芯片后，芯片测试的噪声系数如图10所示，在1GHz-20GHz工作频带内，芯片噪声系数小于2.4dB。
如图11至13所示为本实用新型的S参数测试结果，在1GHz-20GHz工作频带内，增益大于13.6 dB，增益在13.6-16dB之间，随着频率升高，增益先升高后降低；
如图14所示输出，输出P1dB功率大于14dBm。整个芯片的尺寸为 1.6mm*1.2mm，可以发现该芯片相比现有的芯片具有尺寸小、噪声系数低等优势，是一款适用于超宽带雷达通信的高性能低噪声系数的芯片。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于，包括依次串联的输入阻抗匹配网络、第一级放大器、级间阻抗匹配网络、第二级放大器和输出阻抗匹配网络，所述第一级放大器包括场效应管Q1，第二级放大器包括场效应管Q2；
所述第一级放大器和第二级放大器的栅极端设有第一栅极偏置电路，所述第二级放大器的输出端设有第一漏极偏置电路，所述第一级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第一反馈匹配网络，第二级放大器的输入端与第二级放大器的输出端接有第二反馈匹配网络；
所述第二级放大器的栅极接有电容C2，所述电容C2一端接场效应管Q2的栅极，另一端接地；
所述第一级放大器一端连接微带线L2，所述微带线L2一端接场效应管Q1的源极，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述输入阻抗匹配网络包括电容C1和微带线L1，所述电容C1与微带线L1串联，电感L1的一端连接第一栅极偏置电路、场效应管Q1的栅极和第一反馈匹配网络公共端。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述级间阻抗匹配网络包括微带线L3，所述微带线L3一端连接场效应管Q1的漏极，另一端连接场效应管Q2的源极。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述第一反馈匹配网络包括电容C4和电阻R7，所述电容C4和电阻R7串联，所述电阻R7的一端连接场效应管Q1的栅极。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述第二反馈匹配网络包括依次串联的微带线L4、电容C3和电阻R6，所述电阻R6连接在场效应管Q2的栅极和电容C2的一端，所述微带线L4一端与电容C4连接，所述电容C3和微带线L4的公共端分别与第一漏极偏置电路和输出阻抗匹配网络一端连接。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述输出阻抗匹配网络包括电容C5，所述电容C5的一端连接在第一漏极偏置电路、第二反馈匹配网络和第一反馈匹配网络的公共端，另一端接输出。
7.根据权利要求6所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述第一漏极偏置电路包括微带线L5和电容C6，所述微带线L5一端连接在电容C5的一端，另一端与电容C6相连接，并与电源Vd连接，所述电容C6的另一端接地。
8.根据权利要求1所述的一种超宽带高性能低噪声放大器，其特征在于：所述第一栅极偏置电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述电阻R1、电阻R2和电阻R3依次串联；所述电阻R1的一端接地，另一端与电阻R4一端相接，电阻R4的另一端与场效应管Q1的栅极连接；所述电阻R3的一端接电源Vd, 另一端与电阻R5一端相接, 电阻R5的另一端与场效应管Q2的栅极连接。
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