微波单片集成宽带低噪声放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微波单片集成宽带低噪声放大器，其包括输入阻抗电路、输出阻抗电路、并联反馈电路、偏置电路以及串联耦接的第一晶体管M1和第二晶体管M2；偏置电路包括自偏置电路和电流复用偏置电路；输入阻抗电路分别与第一晶体管M1、自偏置电路和信号输入端连接；第一晶体管M1和第二晶体管M2之间设置有级间匹配电路；第二晶体管M2分别与并联反馈电路和输出阻抗电路连接，输出阻抗电路的输出端与信号输出端连接；电流复用偏置电路分别与第一晶体管M1和第二晶体管M2连接。本实用新型提供的微波单片集成宽带低噪声放大器能够同时保证低功耗和高增益。
【专利说明】微波单片集成宽带低噪声放大器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一个放大器，具体涉及一种微波单片集成宽带低噪声放大器。
【背景技术】
[0002]低噪声放大器位于无线接收系统的前端，其主要功能是将天线的低电压信号进行小信号放大。传统的两级低噪声宽带放大器有两种电路方案:
[0003]共源-共源低噪声宽带放大器，包括两个串联连接的晶体管，前级晶体管和末级晶体管的栅极偏置在合适的栅压，前级晶体管输出功率要求不大，能够驱动末级即可，前级晶体管通过一降压电阻获得合适的漏压。末级晶体管为了获得更大输出功率，偏置在尽可能高的漏压。
[0004]共源-共栅低噪声宽带放大器，前级晶体管为共源结构，末级晶体管为共栅结构，前级晶体管的漏极与所述末级晶体管的源极直接相连，用于将末级晶体管的直流电流提供给前级晶体管。前级晶体管的栅极偏置在合适的栅压，末级晶体管栅极接通过电阻连接电源实现降压，使末级晶体管工作在合适的偏置点。
[0005]共源-共源低噪声宽带放大器的缺点是两级电路通过电源分别馈电，前级晶体管通过电阻降压获得合适的漏压，造成功耗增加；共源-共栅低噪声宽带放大器的缺点是虽然共栅晶体管大幅度提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，但是对增益放大贡献很小，增益主要由前级共源晶体管提供，后级共栅晶体管主要用来提供电路的反向隔离度。
实用新型内容
[0006]针对现有技术中低噪声宽带放大器存在的上述不足，本实用新型提供的微波单片集成宽带低噪声放大器解决低功耗和高增益难以同时满足的问题。
[0007]为了达到上述发明目的，本实用新型提供的微波单片集成宽带低噪声放大器的技术方案为:包括输入阻抗电路、输出阻抗电路、并联反馈电路、偏置电路以及串联耦接的第一晶体管Ml和第二晶体管M2 ;偏置电路包括自偏置电路和电流复用偏置电路；输入阻抗电路分别与第一晶体管Ml、自偏置电路和信号输入端连接；第一晶体管Ml和第二晶体管M2之间设置有级间匹配电路；第二晶体管M2分别与并联反馈电路和输出阻抗电路连接，输出阻抗电路的输出端与信号输出端连接；电流复用偏置电路分别与第一晶体管Ml和第二晶体管M2连接。
[0008]与现有技术相比，本实用新型的有益效果为:
[0009]本微波单片集成宽带低噪声放大器采用的两级级联的共源放大器的电路形式，输入信号经过两次放大，实现了低噪声、高增益的性能要求。由于该放大器采用电流复用技术，只消耗了一路直流电流，节省了功耗；其是采用堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的微波单片集成宽带低噪声放大器的电路图。
【具体实施方式】
[0011]下面对本实用新型的【具体实施方式】进行描述，以便于本【技术领域】的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
[0012]参考图1，图1示出了本实用新型的微波单片集成宽带低噪声放大器的电路图；如图1所示，本实施例采用的技术方案为:
[0013]包括输入阻抗电路、输出阻抗电路、并联反馈电路、偏置电路以及串联耦接的第一晶体管Ml和第二晶体管M2 ;偏置电路包括自偏置电路和电流复用偏置电路；输入阻抗电路分别与第一晶体管Ml、自偏置电路和信号输入端连接；第一晶体管Ml和第二晶体管M2之间设置有级间匹配电路；第二晶体管M2分别与并联反馈电路和输出阻抗电路连接，输出阻抗电路的输出端与信号输出端连接；电流复用偏置电路分别与第一晶体管Ml和第二晶体管M2连接。第二晶体管的漏极经负载电感Ld2与电源连接。
[0014]本实用新型的微波单片集成宽带低噪声放大器采用MMIC工艺制造。由于MMIC工艺的衬底材料电子迁移率较禁带宽度宽、工作温度范围大、微波传输性能好，所以丽IC具有电路插损小、噪声低、频带宽、动态范围大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。第一晶体管Ml和第二晶体管M2为PHEMT场效应晶体管，第一晶体管Ml的栅宽为4X 50 um,第二晶体管M2的栅宽为4X75 um。
[0015]级间匹配电路包括第四电容C1、第五电感L1 ;所述第五电感L1 一端与第二晶体管M2的栅极连接，另一端与第四电容C1连接；所述第四电容C1另一端与第一晶体管Ml漏极的栅极连接。其中第四电容C1还可以相当于一个耦合电路，其为级间匹配电路提供一个低阻抗通路，将第一晶体管Ml的输出信号耦合到第二晶体管M2的输出端。
[0016]由第一晶体管Ml和第二晶体管M2构成的两级级联电路中，第一晶体管Ml主要实现低噪声和输入驻波匹配，同时兼顾提高增益，减小后级噪声的影响。与第二晶体管M2连接的并联反馈电路用于改善所述的放大器的增益平坦性，并获得较好的输入和输出匹配，有效地拓宽放大器的带宽。并联反馈电路包括依次串联在一起的第一反馈电阻Rf、第一反馈电感Lf和第一反馈电容Cf，第一反馈电容Cf的另一端与第二晶体管M2的栅极连接，第一反馈电阻Rf的另一端与第二晶体管M2的漏极连接。
[0017]偏置电路用于向第一晶体管Ml和第二晶体管M2提供偏置电压，偏置电路包括自偏置电路和电流复用偏置电路，自偏置电路包括第二电感Lgl、第二电容Cgl和第一电阻Rgl,第二电感Lgl —端与第一电感Lin连接,另一端分别与第二电容Cgl和第一电阻Rgl连接；第二电容Cgl和第一电阻Rgl并联后接地。
[0018]自偏置电路还包括第三电感Lsl、第三电容Csl和第二电阻Rsl;第三电感Lsl —端与第一晶体管Ml连接，另一端分别与第三电容Csl和第二电阻Rsl连接；第三电容Csl和第二电阻Rsl并联后接地。
[0019]电流复用偏置电路包括连接于第一晶体管Ml漏极和第二晶体管M2源极之间的第四电感L2。
[0020]输入阻抗电路包括第一电容Cin和第一电感Lin,第一电容Cin—端与信号输入端连接，一端与第一电感Lin连接；第一电感Lin的另一端与第一晶体管Ml的栅极连接。
[0021]输出阻抗电路包括第五电容Crat和第六电感Lrat,第五电容Crat —端与第二晶体管M2的漏极连接，另一端与第六电感Ltjut连接；第六电感Ltjut另一端与信号输出端连接。
[0022]Lsi为第一晶体管Ml源极负反馈电感，为输入阻抗Zin提供实部，Lin和第一晶体管Ml—起形成谐振电路，用来抵消输入阻抗Zin的虚部，Cin主要目的为隔离直流。第一晶体管Ml的输入阻抗如下:
[0023]
Lgsl
[0024]其中，gml是第一晶体管Ml的跨导，Cgsl是第一晶体管Ml的栅源电容，S为拉氏变换的数学表达形式。从上式中可以看出由于源极负反馈电感的引入，给放大器输入部分增加了一个实部，这样就缩小了最佳噪声阻抗Z-和Zin之间的差量。虽然最小噪声系数随Lsl增大而减小，但过大的Lsl会严重降低增益，容易引入后级噪声的影响。
[0025]第一晶体管Ml采用自偏置技术来实现单电源供电。第一晶体管Ml的栅极通过一个大电感Lgl接地，让第一晶体管Ml的栅极偏置在零电位，同时阻断射频信号进入交流地。在第一晶体管Ml的源端插入一个小电阻Rsl，其值等于第一晶体管Ml所需栅压Vgs除以希望的第一晶体管Ml漏极电流，将第一晶体管Ml源端电位提高到一个正的直流电位，幅度等于所需的栅-源极间的电压，为了防止损失射频增益，源端通过一个大的去耦电容Csl接地。为了提高低频稳定性，第一晶体管Ml栅极的偏置电感Lgl通过由电阻Rgl和电容Cgl组成的并联支路再接地，Cgl对射频信号起到旁路的作用，低频信号经过Rgl的衰减，可以提高稳定性。
[0026]为了减小功耗，放大器采用电流复用技术。它将第一晶体管Ml和第二晶体管M2放在一条偏置支路中，共用偏置电流，射频信号从第一晶体管Ml的栅极进入，一路由于受到输入阻抗电路和输出阻抗电路的隔离而无法通过，还有一路从第四电容C1进入第二晶体管M2栅极，最后从第二晶体管M2的漏极流出，这样从交流信号来讲，电路仍然保持级联的结构，但是直流功耗相对于单级共源电路没有发生改变，射频性能却相当于是第一晶体管Ml和第二晶体管M2的并联，等效跨导Gm=gl+g2，换句话说，也就是电路在直流功耗相同的情况下，增益变为原来的两倍，所以电流复用这种技术保证增益不变的情况下降低了电路的功耗。
[0027]偏置电路还包括第一分压电阻Rdl、第二分压电阻Rd2和第一隔离电阻R1，第一分压电阻Rdl —端与电源连接，另一端分别与第二分压电阻Rd2和第一隔离电阻R1连接；第二分压电阻Rd2另一端接地，第一隔离电阻R1另一端与第二晶体管M2的栅极连接。
[0028]第一分压电阻Rdl和第二分压电阻Rd2起分压的作用，为第二晶体管M2提供合适的偏置点。为了阻止所需的射频信号进入公共地，第二晶体管M2的栅极通过的1k欧姆的第一隔离电阻R1连接到电源。
[0029]第二晶体管M2的负载电感Ld2和第二晶体管M2栅源的寄生电容Cgs2构成并联峰值结构，通过负载电感Ld2引入零点，补偿因寄生电容Cgs2引起的增益下降，同时增加放大器的带宽。
[0030]第二晶体管M2从漏极到栅极之间连接的第一反馈电阻Rf，相当于加载了一个负反馈回路。负反馈的作用是稳定器件，能够使输入和输出阻抗接近于50欧姆。为了获得最佳响应，一些附加元件需要加入放大器中，每个元件都对获得最佳性能起到了特别的作用。第一反馈电阻Rf是关键反馈元件，其值决定了互相制约的增益和带宽，第一反馈电感Lf反馈回路引进一定程度的频率依赖性:在最低频率点，第一反馈电感1^不起作用，第一反馈电阻Rf控制增益大小；在高频端，第一反馈电感Lf的电抗值增大，从而降低了负反馈深度，因此，第一反馈电感Lf的作用是保持增益平坦，使放大器工作在一个较高的频率。第一反馈电容Cf是一个隔直流元件，用于将漏极偏置和栅极偏置隔离开来。尽管反馈网络获得了相当接近于50欧姆的输入输出阻抗，但仍需要其他匹配元件去获得好的输入输出回路损耗特性。
[0031]该放大器还包括对电源进行滤波的滤波电容Cd2，滤波电容Cd2 —端与电源输出端连接，另一端接地；第二晶体管M2的源极还设置有去耦电容CS2，去耦电容Cs2 —端与第二晶体管M2源极连接，另一端接地。
[0032]与现有技术相比，本微波单片集成宽带低噪声放大器采用的两级级联的共源放大器的电路形式，输入信号经过两次放大器，实现了低噪声、高增益的性能要求。由于该放大器采用电流复用技术，只消耗了一路直流电流，节省了功耗；其是采用堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。
【权利要求】
1.一种微波单片集成宽带低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管Ml和第二晶体管M2，其特征在于:还包括输入阻抗电路、输出阻抗电路、并联反馈电路和偏置电路；所述偏置电路包括自偏置电路和电流复用偏置电路；所述输入阻抗电路分别与所述第一晶体管Ml、所述自偏置电路和信号输入端连接；所述第一晶体管Ml和所述第二晶体管M2之间设置有级间匹配电路；所述第二晶体管M2分别与所述并联反馈电路和所述输出阻抗电路连接，所述输出阻抗电路的输出端与信号输出端连接；所述电流复用偏置电路分别与所述第一晶体管Ml和所述第二晶体管M2连接。
2.根据权利要求1所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述第二晶体管的漏极经负载电感Ld2与电源连接。
3.根据权利要求1或2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述输入阻抗电路包括第一电容Cin和第一电感Lin,所述第一电容Cin —端与信号输入端连接,一端与第一电感Lin连接；所述第一电感Lin的另一端与第一晶体管Ml的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述自偏置电路包括第二电感Lgl、第二电容Cgl和第一电阻Rgl,所述第二电感Lgl —端与第一电感Lin连接，另一端分别与第二电容Cgl和第一电阻Rgl连接；所述第二电容Cgl和第一电阻Rgl并联后接地。
5.根据权利要求4所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述自偏置电路还包括第三电感Lsl、第三电容Csl和第二电阻Rsl ;所述第三电感Lsl —端与第一晶体管Ml连接，另一端分别与第三电容Csl和第二电阻Rsl连接；所述第三电容Csl和第二电阻Rsi并联后接地。
6.根据权利要求1或2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述电流复用偏置电路包括连接于所述第一晶体管Ml漏极和所述第二晶体管M2源极之间的第四电感L2。
7.根据权利要求2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述级间匹配电路包括第四电容C1、第五电感L1 ;所述第五电感L1 一端与第二晶体管M2的栅极连接，另一端与第四电容C1连接；所述第四电容C1另一端与第一晶体管漏极Ml的栅极连接。
8.根据权利要求1或2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述并联反馈电路包括依次串联在一起的第一反馈电阻Rf、第一反馈电感Lf和第一反馈电容Cf，所述第一反馈电容Cf的另一端与第二晶体管M2的栅极连接，第一反馈电阻Rf的另一端与第二晶体管M2的漏极连接。
9.根据权利要求2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述偏置电路还包括第一分压电阻Rdl、第二分压电阻Rd2和第一隔离电阻R1，所述第一分压电阻Rdl —端与电源连接，另一端分别与第二分压电阻Rd2和第一隔离电阻&连接；所述第二分压电阻Rd2另一端接地，所述第一隔离电阻R1另一端与第二晶体管M2的栅极连接。
10.根据权利要求1或2所述的微波单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于:所述输出阻抗电路包括第五电容Crat和第六电感Ltjut,所述第五电容Crat —端与第二晶体管M2的漏极连接，另一端与第六电感Ltjut连接；所述第六电感Lwt另一端与信号输出端连接。
【文档编号】H03F1/26GK203951442SQ201420346522
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】杨州, 胡柳林, 廖学介, 滑育楠, 刘莹, 叶珍, 高铭, 陈阳 申请人:成都嘉纳海威科技有限责任公司