CN220440676U - 一种低噪声分布式放大器及电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低噪声分布式放大器及电路，放大器包括常规分布式结构和低噪声负载结构；所述低噪声负载结构连接在所述常规分布式结构的输入传输线终端，作为输入等效传输线的终端负载，同时为射频放大器提供参考偏置。所述低噪声负载结构为电流镜结构；所述电流镜结构的输入阻抗等于分布式输入级终端吸收负载的阻抗。该结构可以在不影响低噪声分布式放大器的其他射频指标的情况下，极大降低2GHz以下噪声系数，使得分布式放大器低频端噪声系数小于1.5dB。

Description

一种低噪声分布式放大器及电路

技术领域

本实用新型属于放大器技术领域，具体涉及一种低噪声分布式放大器及电路。

背景技术

分布式放大器又称为行波放大器，主要特点是增益平坦度好、频率超宽、输入输出回波系数较好的优点，如图1所示为典型的分布式放大器的原理框图，输入信号由Zs端口进入放大器，信号传输过程中，每一段Lg与场效应管或者参考管芯等放大单元的输入电容组成截止频率极高的等效传输线结构，特征阻抗近似于与理想传输线，从而实现全频带内的阻抗匹配；同时优于输出端口采用相同传输相位的传输线引出信号，使得每一段周期性结构的放大信号可以实现超宽频带内的同相叠加，因此放大器总的增益是各级并联放大器的增益之和。

输入级和输出级的传输线包含了场效应管或者参考管芯的输入电容、输出电容和输入电阻和输出电阻，形成了一种特殊的传输线。而场效应管或者参考管芯因为部分寄生参数成为了这种特殊传输线的一部分，而不再是放大器增益带宽的限制因素，因此这个结构可以消除寄生的影响，实现放大器极高的截止频率。典型的分布式低噪声放大器的S参数曲线如图2所示，噪声系数如图3所示。

现有技术存在以下缺点：

常规分布式低噪声放大器的输入端，因为使用了一个终端负载吸收正向传输的多余信号，因此噪声系数普遍偏高，尤其是在频率较低的频段，最右边的一段Lg的等效阻抗越来越低，负载阻抗Lg对噪声系数的影响越大，如图3所示，在2Ghz以下，噪声系数必然会超过3dB。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低噪声分布式放大器及电路，能够有效降低噪声。

为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本实用新型提供一种低噪声分布式放大器，包括常规分布式结构和低噪声负载结构；

低噪声负载结构连接在所述常规分布式结构的输入传输线终端，作为输入等效传输线的终端负载，同时为射频放大器提供参考偏置。

以上设置的效果：所述低噪声负载结构连接在所述常规分布式结构的输入端，作为替换输入端的终端负载阻抗的结构，低噪声负载结构在不影响低噪声分布式放大器的其他射频指标的情况下，极大降低2GHz以下噪声系数，使得分布式放大器低频端噪声系数小于1.5dB。

进一步的，所述低噪声负载结构为电流镜结构；

所述电流镜结构的输入阻抗Zin，等于分布式输入级终端吸收负载的阻抗。

进一步的，所述电流镜结构包括：

电源电压Vdd：用于提供工作电压；

参考电阻R_ref：所述电阻r_ref一端与场效应管栅级相连，一端与场效应管漏级相连，用于提供相对稳定的参考电流；

参考管芯M_ref：用于提供电流回路，产生参考栅压Vg；参考管芯M_ref输出端与放大器的栅极相连；

偏置电阻R_bias：所述电阻r_bias一端与电源相连，一端与场效应管漏级相连，场效应源级接地。

以上设置的效果：参考管芯M_ref输出端与放大器的栅极相连，因为栅压相同，则放大器的电流正比于电流镜的参考电流。

进一步的，电阻R_bias的电阻值大于电阻R_ref和参考管芯M_ref等效的电阻值；

以上设置的效果：M_ref与R_ref的结构可以作为一个等效的电阻，该电阻一般远小于R_bias，因此该电路的电流主要与VDD和R_bias相关，而受场效应管的参数影响较大。

进一步的，电流镜结构的供电电压，从输出端的Vdd直接引入。

第二方面，本实用新型提供一种电路，包括如第一方面所述的低噪声分布式放大器。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：

1.用射频三端口器件作为栅极传输线的终端负载，而非现有技术中使用的无源电阻，使本申请的结构在2GHz以下具有较低噪声；

低噪声负载结构可以在不影响低噪声分布式放大器的其他射频指标的情况下，极大降低2GHz以下噪声系数，使得分布式放大器低频端噪声系数小于1.5dB。

2.电流镜结构作为输入端等效传输线的终端负载的三端口器件同时为射频放大器提供参考偏置，将输入端终端负载与电流镜合二为一。

附图说明

图1为分布式低噪声放大器原理图；

图2为典型的分布式低噪声放大器的S参数曲线；

图3为典型的分布式低噪声放大器的NF曲线；

图4为简化电流镜结构；

图5为本专利结构图；

图6为本专利实现的噪声系数曲线(圆圈的为原结构典型噪声系数)；

图7为本专利分布式低噪放的S参数曲线。

图中：Vdd：电源电压；Lbias：扼流电感；Zload：终端负载；Zs：源阻抗；Zg：栅极终端负载Cbias：隔直电容Ld/2：漏极传输线Lg/2：栅极传输线M1...Mn：分布式放大器的各级管芯Zd：漏极终端负载电阻R_ref：参考电阻；R_bias：偏置电阻；M_ref：参考管芯；Zin：输入阻抗；Vg：栅极偏压。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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施例和简化描述，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施例的限制。

实施例一：

本实施例提供本专利在现有低噪声放大器的基础上，将输入端的终端负载阻抗用其他低噪声的结构进行替换，在全频带内提供所需阻抗的低噪声结构都可以工作。以下给出一个具体实现的例子：

电流镜的典型结构如图4中所示，该结构经常用于给放大器提供栅极偏置，M_ref与R_ref的结构可以作为一个等效的电阻，该电阻一般远小于R_bias，因此该电路的电流主要与VDD和R_bias相关，而受场效应管的参数影响较大。将Vg与放大器的栅极相连，因为栅压相同，则放大器的电流正比于电流镜的参考电流，不受工艺参数变化的影响，进而实现放大器性能的一致性。

为解决分布式低噪声放大器的低频段噪声问题，通过调节电流镜的参数，使得电流镜的输入阻抗Zin，等于分布式输入级终端吸收负载的阻抗，而该端口因为是场效应管的输入端口，即使在低频段，也具有远低于Lg电阻的噪声系数。同时电流镜的供电电压，可以从输出端的Vdd直接引入。完整的电路结构如图5所示。

通过以上对本专利的工作机理分析，按照本专利所述，在电磁仿真软件中得到如下图6和图7的仿真结果。可以看出，本专利极大的优化了低频的NF系数，将2GHz以下的噪声系数由3dB以上降低为1.5dB以下，同时又不影响S参数的性能指标。

图6为本专利实现的噪声系数曲线(圆圈的为原结构典型噪声系数)。

图7为本专利分布式低噪放的S参数曲线。

实施原理：

1.用射频三端口器件作为栅极传输线的终端负载，而非现有技术中使用的无源电阻，使本申请的结构在2GHz以下具有较低噪声。

2.作为输入端等效传输线的终端负载的三端口器件(电流镜结构)同时为射频放大器提供参考偏置，将输入端终端负载与电流镜合二为一。

电流镜是一种广泛流行的单HIC设计技术,在这种技术中,电路的设计方式是将通过一个有源器件的电流复制到另一个具有电流控制功能的有源器件。在这种情况下,流过一个设备的电流可以被复制到另一个设备中,但以反相形式。

如果第一个设备的电流发生变化,另一个设备的镜像电流输出也会发生变化。因此,通过控制一个设备中的电流,也可以控制另一个设备中的电流。所以,电流镜电路通常被称为电流控制电流源,英文简称CCCS。电流镜电路具有许多主要和次要的依赖性,这是表征电流镜电路的主要关注点。

一个合适的电流镜电路可以用三个规格来表征,具体如下:

1.当前传输率；电流镜电路将一个有源器件的输入电流镜像或复制到其他有源器件的输出。理想电流镜电路是具有可反转电流方向的反相配置的理想电流放大器。因此,对于理想的电流放大器,电流传输比是一个重要参数。

2.交流输出电阻；根据欧姆定律,电阻具有电压电流关系。因此,交流输出电阻在输出电流相对于电压变化的稳定性方面起着重要作用。

3.电压降；正常工作的镜像电路在输出端具有低电压降。电流镜电路可以工作的电压范围称为顺从范围,在这个顺应范围内支持的最小到最大电压称为顺从电压。保持晶体管处于活动模式需要最小电压,因此最小电压取决于晶体管规格。

实施例二：

本实施例提供一种电路，包括如实施例一所述的低噪声分布式放大器。

具体工作时，通过调节电流镜的参数，使得电流镜的输入阻抗Zin，等于分布式输入级终端吸收负载的阻抗，而Zin端口因为是场效应管的输入端口，即使在低频段，也具有远低于Lg电阻的噪声系数。

具体的，调节电流镜的元件参数包括：

R_ref：参考电阻阻值；

R_bias：偏置电阻阻值；

M_ref：参考管芯尺寸。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种低噪声分布式放大器，其特征在于，包括分布式结构和低噪声负载结构；

所述低噪声负载结构连接在所述分布式结构的输入传输线终端，作为输入等效传输线的终端负载，同时为射频放大器提供参考偏置。

2.根据权利要求1所述的低噪声分布式放大器，其特征在于，所述低噪声负载结构为电流镜结构；

所述电流镜结构的输入阻抗等于分布式输入级终端吸收负载的阻抗。

3.根据权利要求2所述的低噪声分布式放大器，其特征在于，所述电流镜结构包括：

电源电压Vdd：用于提供工作电压；

参考电阻R_ref：所述电阻r_ref一端与场效应管栅级相连，一端与场效应管漏级相连，用于提供相对稳定的参考电流；

参考管芯M_ref：用于提供电流回路，产生参考栅压Vg；参考管芯M_ref输出端与放大器的栅极相连；

偏置电阻R_bias：所述电阻r_bias一端与电源相连，一端与场效应管漏级相连，场效应源级接地。

4.根据权利要求1所述的低噪声分布式放大器，其特征在于，电阻R_bias的电阻值大于电阻R_ref和参考管芯M_ref等效的电阻值。

5.根据权利要求1所述的低噪声分布式放大器，其特征在于，电流镜结构的供电电压，从输出端的Vdd直接引入。

6.一种电路，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的低噪声分布式放大器。