一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器的制作方法

本发明是一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器，属于无线通信技术领域。

背景技术：

现今移动通讯技术飞速发展，随着5g通信各项标准逐步完善，5g通信时代也在飞速向我们走来，对移动通信速率的提升要求也变得越来越高。某些大型人流密集型场所如体育馆，大型商场，飞机场等，由于其建筑面积大、建筑物对信号的屏蔽强、局部网络信号密集会导致信号阻塞等特殊原因，常采用室内分布系统来改善室内移动通信环境，作为对传统基站架构的补充，以保证室内各区域都有良好的信号覆盖。

室内分布系统主要分为无源分布系统与有源分布系统两类，对于面积较大的场所，常采用有源分布系统。有源分布系统内置低噪声放大器，用于补偿信号在传输过程中的损耗。当其覆盖区域内用户较少，信号较弱时，放大器开始工作，将信号放大，使用户获得良好的信号；当其覆盖区域内用户较多，信号强度较大时，为防止信号阻塞，该放大器关断，信号从其他通道旁路，以保证用户的移动通信设备正常使用。由于移动通信应用对信号质量的特殊要求，因此对该放大器也提出了低噪声、高线性、高增益、低功耗、多工作模式、低成本等特殊要求。

技术实现要素：

本发明提出的是一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器，其目的在于针对现有技术要求低噪声放大器做到低噪声、高线性、高增益、低功耗、多工作模式、低成本等特殊要求，提出了一种可以同时完成射频信号放大、射频信号旁路、射频信号关断等多种功能的宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器。

本发明的技术解决方案：一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器，包括一个低噪声放大器、串联开关、并联开关、a控制电路、b控制电路，其中串联开关输入端串接在低噪声放大器输出端，输出端与并联开关输出端并联，并联开关输入端与低噪声放大器输入端并联，a控制电路与低噪声放大器、串联开关串联连接，b控制电路与低噪声放大器、并联开关串联连接。

本发明的有益效果：

1）低噪声放大器使用了共源共栅结构，一方面使低噪声放大器工作时利用较小的工作电流获得较高的增益同时保证器件较低的噪声系数，另一方面获得较大的工作带宽。

2）采用gaase/dphemt工艺，将低噪声放大器、串联开关、并联开关、控制电路等单元全集成于单集成电路芯片实现，可在较宽的应用频率范围内实现信号的线性放大。

3）可在较宽的频带内在多种状态下进行工作，并在工作带宽内拥有较高的线性度，满足2g/3g/5gsub-6ghz/2.5ghzwlan移动通信应用需求。

附图说明

附图1是经典带旁路功能的低噪声放大器框图。

附图2是经典级联放大器原理图。

附图3是经典共源共栅放大器原理图。

附图4是宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器框图。

附图5是宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器的控制电路框图。

附图6是低噪声放大器通路原理图。

附图7是并联开关通路原理图。

附图8是低噪声放大器在放大及旁路状态下的s21及oip3仿真曲线。

图中1是低噪声放大器、2是串联开关、3是并联开关、4和5是控制电路、6是电压比较器、7是源极跟随器、8是倒相器。q1、q2、q3是晶体管。

具体实施方式

一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器，包括一个低噪声放大器、串联开关、并联开关、a控制电路、b控制电路，其中串联开关输入端串接在低噪声放大器输出端，输出端与并联开关输出端并联，并联开关输入端与低噪声放大器输入端并联，a控制电路与低噪声放大器、串联开关串联连接，b控制电路与低噪声放大器、并联开关串联连接。

所述a控制电路、b控制电路结构相同，包括电压比较器、源极跟随器和多个倒相器，电压比较器、源极跟随器和若干倒相器串联连接，电压比较器将输入电压与参考电压进行比较，高于参考电压则输出高电位，低于参考电压则输出低电位，源极跟随器用以缓冲，提高电压比较器驱动能力，最后通过多个倒相器倒相，输出不同的控制电压对电路进行控制。

所述低噪声放大器包括q1晶体管、q2晶体管和q3晶体管，采用共源共栅结构，共源级q1晶体管源极串接q3晶体管到地，通过控制a控制电路和b控制电路来进一步控制q3晶体管栅极电压来控制低噪声放大器的工作状态，当q3晶体管栅极电压大于0.6v时q3晶体管开启，低噪声放大器正常工作，当q3晶体管栅极电压低于0.3v时q3晶体管关断，低噪声放大器关断，且放大器共源级q1晶体管输入阻抗呈高阻态，可以在不影响放大器状态性能的基础上避免放大器关断时因q1晶体管栅极电压变化引起的寄生参数变化，从而避免并联开关3的线性度恶化；在低噪声放大器输出端串接串联开关，防止放大器关断时输出端电压变化引起的寄生参数变化，从而避免并联开关的线性度恶化。

所述单片式低噪声放大器于采用gaase/dphemt工艺，将低噪声放大器、串联开关、并联开关、控制电路等单元全集成于单集成电路芯片实现，使在应用频率范围内实现信号的线性放大。

所述串联开关开启时插入损耗小，关断时提供隔离度；当低噪声放大器工作时该串联开关开启，保证低噪声放大器回路正常工作，将射频输入信号放大；当低噪声放大器不工作时串联开关关断，提高低噪声放大器回路的隔离度。

所述并联开关使用串并联结构，晶体管q1与q2组成串联支路，用以控制射频信号的通断，晶体管q3组成并联支路，用以提高射频信号的输入耐受功率。开关开启时晶体管q1与q2导通、q3截止，将低噪声放大器输入端的射频信号直接旁路至器件的输出端，同时提高开关开启时的输入耐受功率；开关关断时晶体管q1与q2截止、q3导通，提供隔离度，保证低噪声放大器回路正常工作。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如图1所示，经典带旁路功能的低噪声放大器结构框图由一个低噪声放大器、一个并联开关及控制电路构成，低噪声放大器与并联开关通常采用不同工艺制成，由控制电路分别对低噪声放大器与并联开关进行控制，来切换低噪声放大器的工作模式。这种结构的低噪声放大器与开关通常是分别进行设计的，通常不会考虑放大器与开关不同状态间的影响。在放大器通路工作时，开关处于关断状态，呈高阻态，通常不会对低噪声放大器产生影响，但处于旁路状态时，由于射频放大器通常采用级联或共源共栅结构实现，分别如图2及图3所示，当大信号注入时，由于第一级放大晶体管gs结会导通，因此会出现非线性分量，使旁路状态下线性度下降，同时旁路状态下信号通路插入损耗以及驻波等其他性能也会恶化。

如图4所示，宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器包括低噪声放大器1，串联开关2，并联开关3，控制电路4与5。

低噪声放大器1用于放大射频信号，输入端用于接收射频信号，与并联开关3并联，输出端串接串联开关2。

串联开关2输入端串接在低噪声放大器1的输出端，输出端用于发射射频信号，与并联开关3输出端并联，用以提高放大器通路关断状态下的隔离度，并且减小放大器输出端关断状态下寄生参数对并联开关3支路的影响。

并联开关3输入端用以接收较大的射频信号，输出端将该射频信号输出，当放大器工作在旁路状态时开启，用以将大信号旁路至输出端。

如图5所示，控制电路4和5具有相同的结构，均由电压比较器6，源极跟随器7，若干个倒相器8构成，电压比较器6将输入电压vin与参考电压vref进行比较，高于vref则输出高电位，低于vref则输出低电位，源极跟随器7用以缓冲，提高电压比较器6的驱动能力，最后通过若干次倒相，经由倒相器8输出不同的控制电压对电路进行控制；

针对如何提高该单片式带旁路功能低噪声放大器的线性度及工作带宽的电路结构进行了说明，主要是以下几个电路部分：低噪声放大器1，串联开关2和并联开关3。

如图6所示，低噪声放大器部分采用经典的共源共栅结构，保证器件具有大工作带宽，并且在工作带宽内具有良好的线性度。

如图7所示，并联开关3采用串并结构，该开关器件拥有较大的工作带宽与耐受功率，并有良好的线性度。

为防止低噪声放大器1与并联开关3在不同状态下的互相影响，在原有的共源共栅低噪声放大器结构基础上进行了改进，包括在共源级晶体管q1源极串接控制管q3到地，通过控制控制电路4与5来进一步控制q3栅极电压vctrl来控制低噪声放大器的工作状态，当vctrl为高电平时q3开启，低噪声放大器正常工作，当vctrl为低电平时q3关断，低噪声放大器关断，且放大器共源级晶体管q1输入阻抗呈高阻态，可以在不影响放大器状态性能的基础上避免放大器关断时因q1栅极电压变化引起的寄生参数变化，从而避免并联开关3的线性度恶化；在低噪声放大器1输出端串接串联开关2，防止放大器关断时输出端电压变化引起的寄生参数变化，从而避免并联开关3的线性度恶化。并联开关3采用反射式设计，关断状态下呈高阻，避免对低噪声放大器1性能的影响。

图8给出了该宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器在放大及旁路两种状态下的s21及oip3仿真曲线，结果显示，在0.7-3.5ghz内，放大状态下，电路可以提供15db以上的增益及32dbm以上的oip3；旁路状态下，通道内插损小于1.5db，oip3大于38dbm，可以满足2g/3g/5gsub-6ghz/2.5ghzwlan移动通信应用需求。

综上，本发明主要通过设计带旁路功能的单片式低噪声放大器的放大器、开关及控制电路结构，可以使该放大器在较宽的频带内在多种状态下进行工作，并在工作带宽内拥有较高的线性度，可以满足2g/3g/5gsub-6ghz/2.5ghzwlan移动通信应用需求，主要体现在以下五个方面：(1)通过采用共源共栅放大器结构实现信号放大状态下宽工作带宽及工作带宽内的高线性；(2)通过采用串并结构的开关实现旁路状态下器件的宽工作带宽及工作带宽内的高线性；(3)通过改进放大器及开关的控制方式及在放大器输出端串接开关电路保证旁路状态下开关通路的高线性度；(4)通过设计对称的控制电路完成对放大器及开关的控制，从而进一步进行器件工作模式的切换；（5）采用gaase/dphemt工艺，将低噪声放大器、串联开关、并联开关、控制电路等单元全集成于单集成电路芯片实现，提高了器件的集成度，间接提高了低噪声放大器模块的可靠性，为用户的使用提供了更多的便利。当然，本发明所采用的带旁路功能的低噪声放大器包括现有技术中所涉及的低噪声放大器的基本结构，例如图1中所示的带旁路功能的低噪声放大器通用结构及图3中所示的共源共栅放大器结构。

实施例1

一种宽带高线性带旁路功能的单片式低噪声放大器，具备一个低噪声放大器，用于将射频输入信号进行放大；两个开关，一个串联在低噪声放大器输出端，用于控制低噪声放大器串联回路的通断，同时提高关断状态下低噪声放大器串联回路的隔离度；另一个与低噪声放大器回路并联，用于将器件的射频输入信号直接旁路至器件的输出端。

两个控制电路，一个用于控制低噪声放大器与其串联开关的工作状态，另一个用于控制低噪声放大器与并联开关的工作状态。

低噪声放大器使用共源共栅结构，一方面使低噪声放大器工作时利用较小的工作电流获得较高的增益同时保证器件较低的噪声系数，另一方面获得较大的工作带宽；在共源管源极串联控制晶体管对低噪声放大器的工作模式进行控制，一方面减小关断状态下放大器的寄生电容，另一方面防止大射频信号注入时，低噪声放大器打开。

低噪声放大器输出端串联开关使用串联结构，开启时有较小的插入损耗，关断时能提供一定的隔离度。当低噪声放大器工作时该开关开启，保证低噪声放大器回路正常工作，将射频输入信号放大；当低噪声放大器不工作时该开关关断，提高低噪声放大器回路的隔离度。

低噪声放大器回路并联开关使用串并联结构，开启时可以将低噪声放大器输入端的射频信号直接旁路至器件的输出端，同时串并联结构可以提高开关开启时的输入耐受功率；关断时可以提供较高的隔离度，保证低噪声放大器回路正常工作。

两个控制电路结构相同，均由电压比较器、源极跟随器及一个或多个倒相器构成，通过改变控制电压可对低噪声放大器、串联开关、并联开关的工作状态；

采用gaase/dphemt工艺，将低噪声放大器、串联开关、并联开关、控制电路等单元全集成于单集成电路芯片实现，可在较宽的应用频率范围内实现信号的线性放大。