利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器

1.本发明属于射频集成电路设计技术领域，尤其涉及一种利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器。


背景技术：

2.随着微波技术的发展，接收机在军事雷达、光通信、无线通信中应用越来越广泛，为了满足军事对抗、高传输速率的光通信链路以及下一代通信5g通信等需求，接收机的要求越来越高。作为微波接收系统前端的关键器件，低噪声放大器的主要功能是放大接收到的低电压信号，同时抑制接收机后端引入的噪声干扰，提高系统信噪比及灵敏度。作为微波接收系统中至关重要的前端单元模块，低噪声放大器的性能决定了整个接收机的噪声、灵敏度及动态范围。传统的分布式低噪声放大器能实现其它结构不能够达到的带宽，但是增益不是很高。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器,以解决传统的分布式低噪声放大器增益低的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
5.一种利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器，包括两个相同的4级放大模块，两个4级放大模块通过串联进行分布式放大，每个放大模块内有四个相同的单级放大电路相串联进行耦合放大；
6.所述4级放大模块电路包括放大电路、栅极传输线和漏极传输线；栅极传输线和漏极传输线由晶体管的输入输出电容和传输线上的电感构成；
7.所述单级放大电路包括第一级放大电路amp1，第二级放大电路amp2，第三级放大电路amp3，第四级放大电路amp4；所述栅极传输线包括第一栅极传输线lg1，第二栅极传输线lg2，第三栅极传输线lg3；所述漏极传输线包括第一漏极传输线ld1，第二漏极传输线ld2，第三漏极传输线ld3；
8.第一级放大电路amp1的p1端口与第三直流偏置电压bias3连接；第一级放大电路amp1的p2端口与第一漏极传输线ld1的t1端口连接；第一级放大电路amp1的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第一级放大电路amp1的p4端口与输入端口in连接；第一级放大电路amp1的p5端口与第一栅极传输线lg1的t1端口连接；
9.第二级放大电路amp2的p1端口与第一漏极传输线ld1的t2端口连接；第二级放大电路amp2的p2端口与第二漏极传输线ld2的t1端口连接；第二级放大电路amp2的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第二级放大电路amp2的p4端口与第一栅极传输线lg1的t2端口连接；第二级放大电路amp2的p5端口与第二栅极传输线lg2的t1端口连接；
10.第三级放大电路amp3的p1端口与第二漏极传输线ld2的t2端口连接；第三级放大
电路amp3的p2端口与第三漏极传输线ld3的t1端口连接；第三级放大电路amp3的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第三级放大电路amp3的p4端口与第二栅极传输线lg2的t2端口连接；第三级放大电路amp3的p5端口与第三栅极传输线lg3的t1端口连接；
11.第四级放大电路amp4的p1端口与第三漏极传输线ld3的t2端口连接，第四级放大电路amp4的p2端口与输出端口out连接，第四级放大电路amp4的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接，第四级放大电路amp4的p4端口与第三栅极传输线lg3的t2端口连接，第四级放大电路amp4的p5端口与第二直流偏置电压bias2连接。
12.进一步的，所述单级放大电路采用共源共栅结构，用于提高增益，增大输出摆幅，并采用损耗补偿技术控制共源共栅结构的负阻效应，提高电路稳定性，减小输出纹波。
13.进一步的，所述单级放大电路包括第一共源管m1、第二共源管m2、第一电感l
gate
、电阻r
gate
、电容c
gate
、第二电感l
sd
、第三电感l
dd
、第四电感ls；
14.第一共源管m1的栅极一方面与单级放大电路的p1端口连接，另一方面与单级放大电路的p4端口连接；第一共源管m1的源极经过第四电感ls接地；第一共源管m1的漏极经过第二电感l
sd
与第二共栅管m2的源极连接；
15.第二共栅管m2的栅极一方面经过第一电感l
gate
和电阻r
gate
与单级放大电路的p2端口连接，另一方面经过第一电感l
gate
，电阻r
gate
和电容c
gate
接地；第二共栅管m2的源极经过第二电感l
sd
与第一共源管m1的漏极连接；第二共栅管m2的漏极经过第二电感l
dd
一方面与p3端口连接，另一方面与p5端口连接。
16.进一步的，所述栅极传输线和漏极传输线由窄微带线组成，并构成几字形的蜿蜒结构，用于减小芯片面积，减少耦合。
17.进一步的，所述放大模块还包括直流偏置电路，不仅可提供适当的静态工作点，确保晶体管处于正常工作状态，还可以吸收栅极和漏极传输线上的反向行波，减小损耗。
18.进一步的，所述直流偏置电路包括第一直流偏置电路terminal_1和第二直流偏置电路terminal_2；
19.第一个4级放大模块的in端口与第一输入信号term1连接；第一个4级放大模块的out端口经过隔直电容与第二个4级放大模块的输入端口in连接；第一直流偏置电压bias 1端口与第一直流偏置电压vg1连接；第二直流偏置电压bias2端口经过第二直流偏置电路terminal_2与第二直流偏置电压vg2连接；第三直流偏置电压bias3端口经过第一直流偏置电路terminal_1与电源电压vdd连接；
20.第二个4级放大模块的in端口经过隔直电容与第一个4级放大模块的输出端口out连接；第二个4级放大模块的out端口与第二输出端口term2连接；第一直流偏置电压bias1端口与第一直流偏置电压vg1连接；第二直流偏置电压bias2端口经过第二直流偏置电路terminal_2与第二直流偏置电压vg2连接；第三直流偏置电压bias3端口经过第一直流偏置电路terminal_1与电源电压vdd连接。
21.进一步的，所述低噪声放大器电路采用gaas phemt工艺。
22.本发明的利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器，具有以下优点：
23.1、本发明对传统的分布式放大器结构进行改进，将电路分为两个4级放大模块，每个放大模块内有四个相同的单级放大电路。单级放大电路之间是分布放大，而两个4级放大
模块之间是耦合放大。这种利用分布放大和耦合放大的结构，实现在较少级数的情况下使增益，带宽和噪声等性能指标均达到设计指标要求；
24.2、本发明单级电路采用共源共栅结构，进一步提高低噪声放大器增益，减小噪声；
25.3、本发明电路结构没有增加额外的级数，降低了电路的复杂度，减小了电路面积，降低了成本。
附图说明
26.图1为本发明的4级放大模块电路图；
27.图2为本发明的单级放大电路图；
28.图3为本发明的整体电路图。
具体实施方式
29.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种利用分布放大和耦合放大结构实现高增益大带宽的低噪声放大器做进一步详细的描述。
30.本发明提出一种利用分布放大和耦合放大结构，在较少级数情况下实现高增益、大带宽的低噪声放大器。
31.如图3所示，本发明包括具体包括两个相同的4级放大模块，每个放大模块内有四个相同的单级放大电路。两个相同的4级放大模块相串联进行分布式放大，每个放大模块内有四个相同的单级放大电路相串联进行耦合放大。
32.如图1所示，4级放大模块电路采用分布式结构，包括放大电路、栅极传输线和漏极传输线。
33.所述单级放大电路包括第一级放大电路amp1，第二级放大电路amp2，第三级放大电路amp3，第四级放大电路amp4。所述栅极传输线包括第一栅极传输线lg1，第二栅极传输线lg2，第三栅极传输线lg3。所述漏极传输线包括第一漏极传输线ld1，第二漏极传输线ld2，第三漏极传输线ld3。
34.具体地，各部分的详细连接方式如下：
35.第一级放大电路amp1的p1端口与第三直流偏置电压bias3连接；第一级放大电路amp1的p2端口与第一漏极传输线ld1的t1端口连接；第一级放大电路amp1的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第一级放大电路amp1的p4端口与输入端口in连接；第一级放大电路amp1的p5端口与第一栅极传输线lg1的t1端口连接。
36.第二级放大电路amp2的p1端口与第一漏极传输线ld1的t2端口连接；第二级放大电路amp2的p2端口与第二漏极传输线ld2的t1端口连接；第二级放大电路amp2的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第二级放大电路amp2的p4端口与第一栅极传输线lg1的t2端口连接；第二级放大电路amp2的p5端口与第二栅极传输线lg2的t1端口连接。
37.第三级放大电路amp3的p1端口与第二漏极传输线ld2的t2端口连接；第三级放大电路amp3的p2端口与第三漏极传输线ld3的t1端口连接；第三级放大电路amp3的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接；第三级放大电路amp3的p4端口与第二栅极传输线lg2的t2端口连接；第三级放大电路amp3的p5端口与第三栅极传输线lg3的t1端口连接。
38.第四级放大电路amp4的p1端口与第三漏极传输线ld3的t2端口连接，第四级放大
电路amp4的p2端口与输出端口out连接，第四级放大电路amp4的p3端口与第一直流偏置电压bias1连接，第四级放大电路amp4的p4端口与第三栅极传输线lg3的t2端口连接，第四级放大电路amp4的p5端口与第二直流偏置电压bias2连接。
39.其中，栅极传输线和漏极传输线由晶体管的输入输出电容和传输线上的电感构成。在实际设计中，栅极和漏极通过窄微带线相连接，代替电感的作用。由于分布式放大器需要大电感构成传输线。故用窄微带线来实现电感时，它的长度是mm量级的，为了减小芯片面积，采用“几”字形的蜿蜒结构。
40.单级放大电路如图2所示，包括第一共源管m1、第二共源管m2、第一电感l
gate
、电阻r
gate
、电容c
gate
、第二电感l
sd
、第三电感l
dd
、第四电感ls。采用共源共栅结构，可以在仅增加很少一部分的版图面积的情况下，提高增益，增大输出摆幅。并且可以通过改变共源管的栅极电压控制电路增益。此外，共源共栅结构具有负阻效应，其输出负电阻的阻值随频率增加而增大。这种负阻效应一方面可以降低传输线损耗，增大高频处增益；另一方面，大的负阻可能导致增益纹波和电路不稳定。故采用损耗补偿技术，加入第一电感l
gate
、电阻r
gate
、电容c
gate
、第二电感l
sd
、第三电感l
dd
、第四电感ls控制负阻效应，优化电路，提高电路稳定性，减小输出纹波。
41.具体地，各元器件的详细连接方式如下：
42.第一共源管m1的栅极一方面与单级放大电路的p1端口连接，另一方面与单级放大电路的p4端口连接；第一共源管m1的源极经过第四电感ls(用微带线代替)接地；第一共源管m1的漏极经过第二电感l
sd
(用微带线代替)与第二共栅管m2的源极连接。
43.第二共栅管m2的栅极一方面经过第一电感l
gate
(用微带线代替)和电阻r
gate
与单级放大电路的p2端口连接，另一方面经过第一电感l
gate
(用微带线代替)，电阻r
gate
和电容c
gate
接地；第二共栅管m2的源极经过第二电感l
sd
(用微带线代替)与第一共源管m1的漏极连接；第二共栅管m2的漏极经过第二电感l
dd
(用微带线代替)一方面与单级放大电路的p3端口连接，另一方面与单级放大电路的p5端口连接。
44.当低噪声放大器处于工作状态时，信号从输入端口in沿着栅极传输线ld输入，依次通过四个放大电路放大，产生的输出电流在漏级传输线lg上叠加，最终到达输出端口out。为了使各级单级电路产生的输出可以同相叠加，栅极传输线lg和漏级传输线ld的相速度要保持一致。因为信号是叠加的，不是逐级放大，所以相对于传统的放大器设计，分布式放大器的增益不是很高，但是它具有其它结构不能够达到的带宽，且增益平坦度很好。
45.因此，为了满足设计指标中高增益，大带宽的要求，仅仅依靠分布放大是不够的。如图3所示，将两个4级放大模块耦合，即前一个4级放大模块的输出端口out和后一个4级放大模块的输入端口in相连，这样两个单元之间的增益为相乘关系，极大地增大了整体增益。
46.具体地，各部分的详细连接方式如下：
47.第一个4级放大模块的in端口与第一输入信号term1连接；第一个4级放大模块的out端口经过隔直电容与第二个4级放大模块的输入端口in连接；第一直流偏置电压bias 1端口与第一直流偏置电压vg1连接；第二直流偏置电压bias2端口经过第二直流偏置电路terminal_2与第二直流偏置电压vg2连接；第三直流偏置电压bias3端口经过第一直流偏置电路terminal_1与电源电压vdd连接。
48.第二个4级放大模块的in端口经过隔直电容与第一个4级放大模块的输出端口out
连接；第二个4级放大模块的out端口与第二输出端口term2连接；第一直流偏置电压bias1端口与第一直流偏置电压vg1连接；第二直流偏置电压bias2端口经过第二直流偏置电路terminal_2与第二直流偏置电压vg2连接；第三直流偏置电压bias3端口经过第一直流偏置电路terminal_1与电源电压vdd连接。
49.其中，直流偏置电路是低噪声放大器电路设计中不可或缺的单元电路，直接影响低噪声放大器的性能。第一直流偏置电路terminal_1和第二直流偏置电路terminal_2一方面为晶体管提供适当的静态工作点，防止射频信号进入偏置电路，确保晶体管处于正常工作状态，保证电路稳定。另一方面吸收栅极传输线和漏极传输线上的反向行波，减小传输线损耗。
50.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。