超宽带可变增益放大器及无线通信设备、增益调节方法

1.本发明涉及一种超宽带可变增益放大器及无线通信设备、增益调节方法，属于射频集成电路技术领域。


背景技术：

2.随着近年来的移动通信产业迅速发展，无线通信终端中的承前启后部分之一的可变增益放大器（vga），成为了各地研究者首要的技术研究热点。
3.由于在大气中传输的射频信号会存在衰减以及噪声等问题，这些问题会导致信号强度下降，也会导致无线通信接收端所接收到的射频信号的幅度变化范围变的很大，这一现象在5g毫米波通信中表现得尤为严重。因此，在射频通信接收端需要一个可变增益放大器，其中可变增益放大器可以根据输入端信号的幅度大小不同来产生不同的放大增益强度，将信号放大到后面的电路模块能够接受的范围内，从而缓解对后面电路模块的设计要求，降低了设计难度，提高性能，节约功耗。在目前毫米波通信与雷达系统的应用中，对vga宽带、线性度、低相位变化等要求较高；尤其是在相控阵雷达系统中，若vga在增益配置过程中产生较大的相位误差，则会导致雷达发射波束的指向性不准确。因此，急需一种能够满足上述要求和解决上述问题的可变增益放大器。此外，采用毫米波频段通信收发机的显著优势在于它的传输速度远远高于sub-6ghz频段，能够利用的带宽范围相较于sub-6ghz也更大，具备应用优势。
4.综上所述，研究毫米波频段下工作的低相位变化的超宽带可变增益放大器具有广阔的前景和巨大的实用价值。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种超宽带可变增益放大器及无线通信设备、增益调节方法，以解决可变增益放大器宽带窄、线性度低、相位变化随增益变化明显等问题；超宽带可变增益放大器适用于微波、毫米波、太赫兹等工作频段。
6.本发明的第一个目的在于提供一种超宽带可变增益放大器。
7.本发明的第二个目的在于提供一种无线通信设备。
8.本发明的第三个目的在于提供一种增益调节方法。
9.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种超宽带可变增益放大器，包括：宽带输入匹配电路、共源-共栅-共栅结构的放大电路、数字交叉互联式增益控制单元和宽带输出匹配电路；所述数字交叉互联式增益控制单元使用具有互补结构的晶体管阵列对共源-共栅-共栅结构的放大电路中的差分信号线进行交叉互联，实现所述放大电路在不同增益状态下的低相位变化；所述宽带输入匹配电路、共源-共栅-共栅结构的放大电路、宽带输出匹配电路依次连接，所述共源-共栅-共栅结构的放大电路与数字交叉互联式增益控制单元连接；所述宽带输入匹配电路与差分信号输入端连接，所述宽带输出匹配电路与差分信号输出端连
接。
10.进一步的，所述共源-共栅-共栅结构的放大电路包括共源极差分放大器、第一共栅极差分放大器和第二共栅极差分放大器；所述共源极差分放大器、第一共栅极差分放大器、第二共栅极差分放大器依次连接，所述数字交叉互联式增益控制单元与第一共栅极差分放大器并联。
11.进一步的，所述数字交叉互联式增益控制单元包括五位反相器组和四组五位晶体管组；所述五位晶体管组包括五个大小依次倍增的晶体管，四组所述五位晶体管组均相同；四组所述五位晶体管组分为第一五位晶体管组、第二五位晶体管组、第三五位晶体管组和第四五位晶体管组。
12.进一步的，所述第一五位晶体管组的栅极接收五位增益控制信号；所述第四五位晶体管组的栅极接收五位增益控制信号；所述第二五位晶体管组的栅极接收经五位反相器组处理的五位增益控制信号；所述第三五位晶体管组的栅极接收经五位反相器组处理的五位增益控制信号。
13.进一步的，所述共源极差分放大器包括第一共源晶体管、第二共源晶体管、第一源极电感和第二源极电感；所述第一共源晶体管的栅极通过栅极偏置电路连接电源；所述第二共源晶体管的栅极通过栅极偏置电路连接电源；所述栅极偏置电路为宽带输入匹配电路中的部分电路；所述第一源极电感的一端与第一共源晶体管的源极连接，第一源极电感的另一端接地；所述第二源极电感的一端与第二共源晶体管的源极连接，第二源极电感的另一端接地。
14.进一步的，所述差分信号输入端包括第一输入端和第二输入端；所述宽带输入匹配电路包括第一电容和栅极偏置电路；所述栅极偏置电路包括第一电感、第二电感、第三电感和第四电感；所述第一电容与差分信号输入端并联；所述第一电感与电源连接，第一电感的另一端与第一输入端连接；所述第二电感与电源连接，第二电感的另一端与第二输入端连接；所述第三电感与第一输入端连接，第三电感的另一端与第一共源晶体管的栅极连接；所述第四电感与第二输入端连接，第四电感的另一端与第二共源晶体管的栅极连接；其中，第一电感与第三电感存在耦合，第二电感与第四电感存在耦合。
15.进一步的，所述第一共栅极差分放大器包括第一共栅晶体管、第二共栅晶体管、第一栅极偏置电感、第二栅极偏置电感、第三源极电感和第四源极电感；所述第一栅极偏置电感的一端与电源连接，第一栅极偏置电感的另一端与第一共栅晶体管的栅极连接；所述第二栅极偏置电感的一端与电源连接，第二栅极偏置电感的另一端与第二共栅晶体管的栅极连接；
所述第三源极电感的一端与第一共栅晶体管的源极连接，第三源极电感的另一端与第一共源晶体管的漏极连接；所述第四源极电感的一端与第二共栅晶体管的源极连接，第四源极电感的另一端与第二共源晶体管的漏极连接。
16.进一步的，所述第一共栅晶体管的源极与第一五位晶体管组的源极、第二五位晶体管组的源极连接；所述第一共栅晶体管的漏极与第一五位晶体管组的漏极、第三五位晶体管组的漏极连接；所述第二共栅晶体管的源极与第三五位晶体管组的源极、第四五位晶体管组的源极连接；所述第二共栅晶体管的漏极与第二五位晶体管组的漏极、第四五位晶体管组的漏极连接。
17.进一步的，所述第二共栅极差分放大器包括第三共栅晶体管、第四共栅晶体管、第三栅极偏置电感、第四栅极偏置电感、第五源极电感和第六源极电感；所述第三栅极偏置电感的一端与电源连接，第三栅极偏置电感的另一端与第三共栅晶体管的栅极连接；所述第四栅极偏置电感的一端与电源连接，第四栅极偏置电感的另一端与第四共栅晶体管的栅极连接；所述第五源极电感的一端与第三共栅晶体管的源极连接，第五源极电感的另一端与第一共栅晶体管的漏极连接；所述第六源极电感的一端与第四共栅晶体管的源极连接，第六源极电感的另一端与第二共栅晶体管的漏极连接。
18.进一步的，所述差分信号输出端包括第一输出端和第二输出端；所述宽带输出匹配电路包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电感、第六电感、第七电感、第八电感、第九电感和第十电感；所述第四电容与差分信号输出端并联；所述第五电感的一端与第三共栅晶体管的漏极连接，第五电感的另一端与第七电感的一端连接，所述第七电感的另一端与电源连接；所述第六电感的一端与第四共栅晶体管的漏极连接，第六电感的另一端与第八电感的一端连接，所述第八电感的另一端与电源连接；所述第二电容的一端连接于第五电感与第七电感之间，第二电容的另一端与第九电感的一端连接，所述第九电感的另一端与第一输出端连接；所述第三电容的一端连接于第六电感与第八电感之间，第三电容的另一端与第十电感的一端连接，所述第十电感的另一端与第二输出端连接；其中，第七电感与第三栅极偏置电感存在耦合，第八电感与第四栅极偏置电感存在耦合。
19.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种无线通信设备，包括上述的超宽带可变增益放大器。
20.本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种增益调节方法，基于上述的超宽带可变增益放大器实现，所述方法包括：接收差分信号输入端的差分输入信号；通过宽带输入匹配电路，对所述差分输入信号进行宽带阻抗匹配和噪声匹配，得到第一射频差分信号；通过共源-共栅-共栅结构的放大电路，接收第一射频差分信号，并对第一射频差分信号进行放大处理，得到第二射频差分信号；通过宽带输出匹配电路，接收第二射频差分信号，并对第二射频差分信号进行宽带阻抗匹配，得到差分输出信号；在所述对第一射频差分信号进行放大处理的过程中，通过数字交叉互联式增益控制单元，对放大处理中的第一射频差分信号进行交叉互联。
21.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：1、本发明提供的超宽带可变增益放大器，采用了两层共栅极放大器与共源极放大器堆叠结构，并且通过在堆叠晶体管之间串联电感的方式，可以有效提高可变增益放大器的工作带宽，增强隔离度，提升线性度。
22.2、本发明的输入输出匹配电路采用电感耦合的形式，完成阻抗匹配和噪声匹配，实现了较宽的工作带宽和较好的噪声性能。
23.3、本发明的数字交叉互联式增益控制单元，保证了在不同增益状态下，导通和闭合的晶体管的种类和数目总是相同，因此共源晶体管的漏极电流保持不变，使得增益控制电路的输入阻抗保持不变，从而实现了放大电路在不同增益状态下的低相位变化。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例1的所述可变增益放大器的结构框图。
26.图2为本发明实施例1的所述可变增益放大器的电路结构图。
27.图3为本发明实施例1的所述可变增益放大器的增益与回波损耗仿真结果图。
28.图4为本发明实施例1的所述可变增益放大器的噪声系数仿真结果图。
29.图5为本发明实施例1的所述可变增益放大器的输出1db压缩点仿真结果图。
30.图6为本发明实施例1的所述可变增益放大器的增益切换仿真结果图。
31.图7为本发明实施例1的所述可变增益放大器随增益切换的相位变化仿真结果图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
33.实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种超宽带可变增益放大器，该可变增益放大器包括：宽带输入匹配电路、共源-共栅-共栅结构的放大电路、数字交叉互联式增益控制单元和宽带输出匹配电路；其中：宽带输入匹配电路、共源-共栅-共栅结构的放大电路、宽带输出匹配电路依次连接，共源-共栅-共栅结构的放大电路与数字交叉互联式增益控制单元连接，宽带输入匹配电路与差分信号输入端连接，宽带输出匹配电路与差分信号输出端连接。
34.在本实施例中，宽带输入匹配电路采用l型网络电感耦合的形式，其耦合系数可以影响输入匹配中两个极点的距离，从而实现宽带输入匹配和噪声匹配。
35.在本实施例中，共源-共栅-共栅结构的放大电路（差分放大电路）中的堆叠晶体管之间串联电感，可以有效提高电路的工作带宽，增强隔离度，提升线性度。
36.在本实施例中，数字交叉互联式增益控制单元使用具有互补结构的晶体管阵列对共源-共栅-共栅结构的放大电路中的差分信号线进行交叉互联，其中所述晶体管阵列为数字可控，可以使共源-共栅-共栅结构的放大电路中的电流进行互补抵消，从而实现三十二种不同增益状态的控制；同时，该互联方式保证了在不同增益状态下导通和闭合的晶体管总是相同的，这使得增益控制电路的输入阻抗保持不变，从而实现了低相位变化的可变增益放大器设计。
37.如图2所示，数字交叉互联式增益控制单元包括五位反相器组和四组五位晶体管组；其中：五位晶体管组mx《1:5》包括五个大小依次倍增的晶体管；四组所述五位晶体管组均相同；四组所述五位晶体管组分为第一五位晶体管组m7《1:5》、第二五位晶体管组m8《1:5》、第三五位晶体管组m9《1:5》和第四五位晶体管组m10《1:5》。
38.在本实施例中，具有互补结构的晶体管阵列，具体为：第一五位晶体管组m7《1:5》与第三五位晶体管组m 9《1:5》、第二五位晶体管组m8《1:5》与第四五位晶体管组m10《1:5》的开关状态是互补的。
39.在本实施例中，具有互补结构的晶体管阵列对共源-共栅-共栅结构的放大电路中的差分信号线进行交叉互联，具体为：第二五位晶体管组m8《1:5》和第三五位晶体管组m 9《1:5》对差分信号线进行交叉互联。
40.在本实施例中，宽带输出匹配电路采用二阶电感电容网络，同时基于电感耦合的栅极-漏极反馈完成宽带阻抗匹配，不仅实现了较宽的工作频带，而且有利于提高可变增益放大器的线性度。
41.进一步地，如图1所示，本实施例中的共源-共栅-共栅结构的放大电路包括共源极差分放大器、第一共栅极差分放大器和第二共栅极差分放大器；其中：共源极差分放大器、第一共栅极差分放大器、第二共栅极差分放大器依次连接，数字交叉互联式增益控制单元与第一共栅极差分放大器并联。
42.具体地，如图2所示，本实施例中的共源极差分放大器包括第一共源晶体管m1、第二共源晶体管m2、第一源极电感l5和第二源极电感l6；其中：第一共源晶体管m1的栅极通过栅极偏置电路连接第一偏置电源vg1；第二共源晶体管m2的栅极通过栅极偏置电路连接第一偏置电源vg1；第一源极电感l5的一端与第一共源晶体管m1的源极连接，第一源极电感l5的另一端接地；第二源极电感l6的一端与第二共源晶体管m2的源极连接，第二源极电感l6的另一端接地。
43.本实施例中的栅极偏置电路为宽带输入匹配电路中的部分电路。
44.本实施例中的共源极差分放大器作为共源-共栅-共栅结构的放大电路的第一级放大电路，其带有源极退化电感结构，可以实现良好的宽带输入匹配和较低的噪声系数。
45.具体地，如图2所示，本实施例中的差分信号输入端包括第一输入端vin 和第二输入端vin-；宽带输入匹配电路包括第一电容c1和栅极偏置电路；栅极偏置电路包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3和第四电感l4；其中：第一电容c1的两端分别连接第一输入端vin 、第二输入端vin-，即第一电容c1与差分信号输入端并联；第一电感l1的一端与第一偏置电源vg1连接，第一电感l1的另一端与第一输入端vin 连接；第二电感l2的一端与第一偏置电源vg1连接，第二电感l2的另一端与第二输入端vin-连接；第三电感l3的一端与第一输入端vin 连接，第三电感l3的另一端与第一共源晶体管m1的栅极连接；第四电感l4的一端与第二输入端vin-连接，第四电感l4的另一端与第二共源晶体管m2的栅极连接。
46.进一步地，第一电感l1与第三电感l3存在耦合；第二电感l2与第四电感l4存在耦合；第一电感l1的同名端与第一偏置电源vg1连接，第三电感l3的同名端与第一输入端vin 连接；第二电感l2的同名端与第一偏置电源vg1连接，第四电感l4的同名端与第二输入端vin-连接。
47.本实施例中的宽带输入匹配电路采用电感耦合的形式，完成阻抗匹配和噪声匹配，实现了较宽的工作带宽和较好的噪声性能，同时也具有提供电源偏置的作用。
48.具体地，如图2所示，本实施例中的第一共栅极差分放大器包括第一共栅晶体管m3、第二共栅晶体管m4、第一栅极偏置电感l9、第二栅极偏置电感l10、第三源极电感l7和第四源极电感l8；其中：第一栅极偏置电感l9的一端与第二偏置电源vg2连接，第一栅极偏置电感l9的另一端与第一共栅晶体管m3的栅极连接；第二栅极偏置电感l10的一端与第二偏置电源vg2连接，第二栅极偏置电感l10的另一端与第二共栅晶体管m4的栅极连接；第三源极电感l7的一端与第一共栅晶体管m3的源极连接，第三源极电感l7的另一端与第一共源晶体管m1的漏极连接；第四源极电感l8的一端与第二共栅晶体管m4的源极连接，第四源极电感l8的另一端与第二共源晶体管m2的漏极连接。
49.具体地，如图2所示，本实施例中的第二共栅极差分放大器包括第三共栅晶体管m5、第四共栅晶体管m6、第三栅极偏置电感l13、第四栅极偏置电感l14、第五源极电感l11和第六源极电感l12；其中：第三栅极偏置电感l13的一端与第三偏置电源vg3连接，第三栅极偏置电感l13的另一端与第三共栅晶体管m5的栅极连接；第四栅极偏置电感l14的一端与第三偏置电源vg3连接，第四栅极偏置电感l14的另一端与第四共栅晶体管m6的栅极连接；第五源极电感l11的一端与第三共栅晶体管m5的源极连接，第五源极电感l11的另一端与第一共栅晶体管m3的漏极连接；第六源极电感l12的一端与第四共栅晶体管m6的源极连接，第六源极电感l12的另一端与第二共栅晶体管m4的漏极连接。
50.本实施例通过调节第三源极电感l7、第四源极电感l8、第五源极电感l11和第六源极电感l12能够在一定程度上提升放大器的高频段增益；第一栅极偏置电感l9、第二栅极偏置电感l10、第三栅极偏置电感l13和第四栅极偏置电感l14也具有提升高频段增益的作用。
51.值得注意的是：本实施例中的两层共栅极放大器与共源极放大器堆叠结构具有很高的输出阻抗，能够减缓对应放大电路的输出阻抗随频率升高产生的滚降，实现对高频增益带宽的拓展，同时增强了电路的输入输出隔离度，提高了电路的稳定性。
52.具体地，如图2所示，本实施例中的差分信号输出端包括第一输出端vout 和第二
输出端vout-；宽带输出匹配电路包括第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电感l15、第六电感l16、第七电感l17、第八电感l18、第九电感l19和第十电感l20；其中：第四电容c4的两端分别与第一输出端vout 、第二输出端vout-连接，即第四电容c4与差分信号输出端并联；第五电感l15的一端与第三共栅晶体管m5的漏极连接，第五电感l15的另一端与第七电感l17的一端连接，第七电感l17的另一端与漏极电源vdd连接；第六电感l16的一端与第四共栅晶体管m6的漏极连接，第六电感l16的另一端与第八电感l18的一端连接，第八电感l18的另一端与漏极电源vdd连接；第二电容c2的一端连接于第五电感l15与第七电感l17之间，第二电容c2的另一端与第九电感l19的一端连接，第九电感l19的另一端与第一输出端vout 连接；第三电容c3的一端连接于第六电感l16与第八电感l18之间，第三电容c3的另一端与第十电感l20的一端连接，第十电感l20的另一端与第二输出端vout-连接。
53.进一步地，第七电感l17与第三栅极偏置电感l13存在耦合，第八电感l18与第四栅极偏置电感l14存在耦合；第七电感l17的同名端与漏极电源vdd连接，第三栅极偏置电感l13的同名端与第三偏置电源vg3连接，第八电感l18的同名端与漏极电源vdd连接，第四栅极偏置电感l14的同名端与第三偏置电源vg3连接。
54.本实施例中的宽带输出匹配电路采用二阶电感电容网络，同时基于电感耦合的栅极-漏极反馈完成宽带阻抗匹配，实现了较宽的工作频带，提升了放大器的线性度。
55.具体地，如图2所示，第一五位晶体管组m7《1:5》的栅极接收五位增益控制信号；第四五位晶体管组m10《1:5》的栅极接收五位增益控制信号；第二五位晶体管组m8《1:5》的栅极接收经五位反相器组处理的五位增益控制信号；第三五位晶体管组m9《1:5》的栅极接收经五位反相器组处理的五位增益控制信号；第一共栅晶体管m3的源极与第一五位晶体管组m7《1:5》的源极、第二五位晶体管组m8《1:5》的源极连接；第一共栅晶体管m3的漏极与第一五位晶体管组m7《1:5》的漏极、第三五位晶体管组m9《1:5》的漏极连接；第二共栅晶体管m4的源极与第三五位晶体管组m9《1:5》的源极、第四五位晶体管组m10《1:5》的源极连接；第二共栅晶体管m4的漏极与第二五位晶体管组m8《1:5》的漏极、第四五位晶体管组m10《1:5》的漏极连接。
56.本实施例中的所述可变增益放大器与传统的电流舵结构的可变增益放大器相比，采用两组互补的增益控制信号进行增益改变，在增益变化过程中，同时导通和闭合的晶体管种类和数目均相同，能够使流经第一共源晶体管m1和第二共源晶体管m2的漏极电流在增益状态改变时保持不变，从而使增益控制单元的输入阻抗基本不变，达到了在增益变化时低相位变化的目的。
57.本实施例中的所述可变增益放大器的增益与回波损耗仿真，如图3所示；从图3中可以看出，工作在22～44 ghz频带的最高增益为10.6～11.4 db，s11参数小于-10 db，s22参数小于-9 db。
58.本实施例中的所述可变增益放大器的噪声系数仿真结果，如图4所示；从图4中可以看出，工作在22～44 ghz频带的最高增益状态下的噪声系数为3.24～5.93 db。
59.本实施例中的所述可变增益放大器的输出1db压缩点仿真结果，如图5所示；从图5中可以看出，工作在22～44 ghz工作频带内输出1db压缩点为3.3～5 dbm。
60.本实施例中的所述可变增益放大器的增益切换仿真结果，如图6所示；所述可变增益放大器随增益切换的相位变化仿真结果，如图7所示；其中：增益范围为-4.8～11.4 db，
增益调节平均步长约为0.5 db，在增益变化过程中相位变化为1.7～6.7
°
。
61.实施例2：本实施例提供了一种无线通信设备，包括实施例1所述的超宽带可变增益放大器。
62.实施例3：本实施例提供了一种增益调节方法，基于实施例1所述的超宽带可变增益放大器实现，所述方法包括：s1、接收差分信号输入端的差分输入信号；s2、通过宽带输入匹配电路，对所述差分输入信号进行宽带阻抗匹配和噪声匹配，得到第一射频差分信号；s3、通过共源-共栅-共栅结构的放大电路，接收第一射频差分信号，并对第一射频差分信号进行放大处理，得到第二射频差分信号；s4、通过宽带输出匹配电路，接收第二射频差分信号，并对第二射频差分信号进行宽带阻抗匹配，得到差分输出信号；在对第一射频差分信号进行放大处理的过程中，通过数字交叉互联式增益控制单元，对放大处理中的第一射频差分信号进行交叉互联。
63.综上所述，本发明采用两层共栅极放大器与共源极放大器堆叠结构，不仅可以补偿高频时的极点滚降，拓展放大器的工作频段带宽，还能提高输入输出隔离度；除此之外，增益控制单元采用数字可控的交叉互联式晶体管阵列，其通过对差分电路中电流的互补抵消来实现对增益的控制，可以保证增益控制电路的输入阻抗不随增益状态的变化而变化，从而实现了放大电路在不同增益状态下的低相位变化。
64.以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。