一种集成滤波平衡低噪声放大器的制作方法

1.本实用新型属于无线通信技术领域，特别涉及集成滤波平衡低噪声放大器。


背景技术：

2.当前，随着无线通信系统的快速发展，对射频前端接收机的要求也越来越高。低噪声放大器和滤波器作为射频前端接收机的关键器件，决定着无线通信系统性能的优劣。低噪声放大器作为接收机第一级有源电路，主要负责将射频天线接收的微弱信号进行放大，还需要在较宽频率范围内实现低噪声系数高增益和高线性度的要求。低噪声放大器的噪声系数决定了整个接收链路的总体噪声，为了抑制噪声对后续电路的影响，放大器必须具备足够低的噪声系数。滤波器一般位于低噪声放大器的前级和后级，通过与低噪声放大器直接级联以滤除频带的干扰信号。
3.在宽频带内实现低噪声系数和良好的阻抗匹配及增益响应极具挑战性，所以宽带低噪声放大器一直是研究的热点。共源级、共栅级、负反馈结构和多级级联等都是常用的拓扑结构。共源级放大结构因其具有较低的噪声系数而得到广泛的应用，但是这种结构的低噪声放大器带宽较窄，不满足宽带要求。负反馈结构常用在放大电路中，目的是拓展放大器的工作带宽，提升频带增益响应的平坦度。因此，在共源放大结构中加入负反馈技术构成负反馈共源级放大结构。这种拓扑突破了共源放大的窄带适用范围，是目前大部分宽带低噪声放大器所采用的拓扑结构。但是负反馈技术的加入会造成共源放大电路噪声的恶化，所以需要在带宽和噪声系数两者之间折中考虑。共栅放大结构可通过调节放大管物理尺寸获得合适的跨导值，进而实现输入阻抗可控。所以，利用该结构可获得较好的宽带输入匹配性能。共栅放大结构不足之处在于噪声系数较大；在实际电路中，采用这种结构还需要增加额外的降噪技术，例如噪声相消技术、等效跨导增强技术等降低噪声系数，这就导致了电路更加复杂。通过多个单级放大电路串接方式所构成的多级级联放大结构具有增益高、稳定性好的特点。多级级联放大结构的噪声系数主要取决于第一级放大电路的噪声系数，因此，必须保证第一级电路的噪声性能足够好。由于级联方式存在级间匹配网络，不可避免存在阻抗失配，导致插入损耗较高。另外，采用多级级联的方式难以在宽带内获得平坦的低噪声系数。
4.目前，大部分低噪声放大器采用单端输入和单端输出的结构，它们都存在一个共同的问题，即在宽带模式下，单端低噪声放大器容易受到环境噪声和带外信号干扰，从而降低了接收系统的性能。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术中存在的问题，本实用新型提供了一种集成滤波平衡低噪声放大器。提高低噪声放大器的共模噪声抑制性能和带外抗干扰能力，拓展放大器的工作带宽。该结构将带通滤波器与低噪声放大器的匹配电路联合设计，实现匹配与滤波功能的融合。由于平衡结构的对称性和复阻抗转换特性使差分低噪声放大器具有共模噪声抑制，差模信
号无衰减传输的特性，同时具有良好的宽带和滤波特性。
6.技术方案为包括依次连接的带通滤波输入匹配电路、差分放大电路和带通滤波输出匹配电路，其中，
7.所述带通滤波输入匹配电路的输入连接射频信号，输出连接差分放大电路，差分放大电路将射频信号进行放大并经过所述带通滤波输出匹配电路的两个端口输出；
8.所述带通滤波输入匹配电路和所述带通滤波输出匹配电路既起到与所述差分放大电路阻抗匹配的作用，还具备带通滤波器的选频特性，滤除带外的干扰信号；所述差分放大电路克服偏置电位影响。
9.优选地，所述带通滤波输入匹配电路为上下对称的环形枝节加载匹配网络，包含四条对称的输入t形枝节线和两条上下对称的输入级联主路传输线。
10.优选地，所述输入t形枝节线包括第一t形枝节线ts1、第二t形枝节线 ts2、第三t形枝节线ts3和第四t形枝节线ts4；其中，所述第一t形枝节线 ts1的一端与所述第二t形枝节线ts2的一端连接，所述第三t形枝节线ts3 的一端与所述第四t形枝节线ts4的一端连接。
11.优选地，所述输入级联主路传输线包括第七传输线tl7、第八传输线tl8、第九传输线tl9和第十传输线tl10；其中，所述第七传输线tl7与所述第八传输线tl8连接，并分别与所述第一t形枝节线ts1的一端和所述第二t形枝节线ts2的一端连接；所述第九传输线tl9与所述第十传输线tl10连接，并分别与所述第三t形枝节线ts3的一端和所述第四t形枝节线ts4的一端连接。
12.优选地，所述差分放大电路由上下两路对称的放大电路构成，包括第一放大电路和第二放大电路。
13.优选地，所述第一放大电路包含第一共源放大电路、第一偏置电路、第一稳定电路、第一电容c1和第七电容c7，
14.其中，所述第一共源放大电路包含第一晶体管t1、第一电感l1、第二电感l2、第五电容c5和第六电容c6；所述第一电感l1的一端与所述第一晶体管t1的栅极连接，用于防止射频信号泄漏到偏置电路中；另一端与所述第五电容c5连接，将泄露的交流信号短路到地，降低对偏置电路的影响；所述第二电感l2的一端与所述第一晶体管t1的漏极连接，用于防止射频信号泄漏到偏置电路中；另一端与所述第六电容c6连接，将泄露的交流信号短路到地，降低对偏置电路的影响；所述第一偏置电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和多个旁路电容；其中，所述第二电阻r2的两端分别与所述第一电阻r1和所述第三电阻r3连接，构成电阻式分压结构，因此可使用单个电源给所述第一晶体管t1的栅极和漏极提供合适的偏置点；所述第三电容c3、所述第四电容c4和所述第五电容c5并联连接，将来自直流供电的交流信号短路到地，防止干扰信号进入射频通路；所述第一稳定电路由第十七传输线构成。
15.优选地，所述第二放大电路与所述第一放大电路结构对称，并且所使用的器件参数一致。
16.优选地，所述带通滤波输出匹配电路是一个上下对称的环形枝节加载匹配网络，包含四条对称的输出t形枝节线和两条上下对称的输出级联主路传输线。
17.优选地，所述输出t形枝节线包括第五t形枝节线ts5、第六t形枝节线 ts6、第七t
形枝节线ts7和第八t形枝节线ts8；其中所述第五t形枝节线 ts5的一端与所述第六t形枝节线ts6的一端连接；所述第七t形枝节线ts7 的一端与所述第八t形枝节线ts8的一端连接。
18.优选地，所述输出级联主路传输线包括第二十五传输线tl25、第二十六传输线tl26、第二十七传输线tl27和第二十八传输线tl28，
19.其中，所述第二十五传输线tl25与所述第二十六传输线tl26连接构成阶梯阻抗变换器，并分别与所述第五t形枝节线ts5的一端和所述第七t形枝节线ts7的一端连接；所述第二十七传输线tl27与所述第二十八传输线tl28 连接构成阶梯阻抗变换器，并分别与所述第六t形枝节线ts6的一端和所述第八t形枝节线ts8的一端连接。
20.本实用新型的有益效果至少包括：
21.(1)本实用新型采用滤波与阻抗匹配联合设计的方法，将外部独立的滤波器功能集成在低噪声放大器电路内部，降低损耗，缩减接收机电路规模。
22.(2)本实用新型采用差分放大结构消除了偏置电位波动带来的影响，使得低噪声放大器的性能保持在稳定的状态。
23.(3)通过调节新型的平衡带通滤波匹配网络的t形枝节线的物理尺寸，实现变频功能；同时增强了带内共模抑制和带外差模抑制性能。
24.(4)本实用新型的低噪声放大器输入和输出均采用了差分对和平衡对称的匹配网络，可通过对称结构抵消射频信号中的一些非线性分量，从而提高了电路的线性度。
25.(5)本实用新型的低噪声放大器电路结构可在宽带中获得良好的输入/输出匹配，同时实现较低的噪声。
附图说明
26.为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
27.图1是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器的结构框图；
28.图2是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器的电路图；
29.图3是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器的平衡带通滤波匹配电路图；
30.图4是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器中差模信号激励下匹配电路的等效电路图；
31.图5是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器中共模信号激励下匹配电路的等效电路图；
32.图6是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器的s参数仿真结果图；
33.图7是本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器的噪声系数仿真结果图。
具体实施方式
34.下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
35.参见图1-3，所示为本实用新型实施例的集成滤波平衡低噪声放大器结构框图、电路原理图和带通滤波输入/输出匹配电路的平衡结构，包括依次连接的带通滤波输入匹配
电路10、差分放大电路20和带通滤波输出匹配电路30，其中，带通滤波输入匹配电路10的输入连接射频信号，输出连接差分放大电路 20，差分放大电路20将射频信号进行放大并经过带通滤波输出匹配电路30的两个端口输出；带通滤波输入匹配电路10和带通滤波输出匹配电路30既起到与差分放大电路20阻抗匹配的作用，还具备带通滤波器的选频特性，滤除带外的干扰信号；差分放大电路20克服偏置电位影响。
36.带通滤波输入匹配电路10为上下对称的环形枝节加载匹配网络，包含四条对称的输入t形枝节线和两条上下对称的输入级联主路传输线。输入t形枝节线包括第一t形枝节线ts1、第二t形枝节线ts2、第三t形枝节线ts3和第四t形枝节线ts4；其中，第一t形枝节线ts1的一端与第二t形枝节线ts2 的一端连接，第三t形枝节线ts3的一端与第四t形枝节线ts4的一端连接。输入级联主路传输线包括传第七输线tl7、第八传输线tl8、第九传输线tl9 和第十传输线tl10；其中，第七传输线tl7与第八传输线tl8连接，并分别与第一t形枝节线ts1的一端和第二t形枝节线ts2的一端连接；第九传输线 tl9与第十传输线tl10连接，并分别与第三t形枝节线ts3的一端和第四t 形枝节线ts4的一端连接。
37.差分放大电路20由上下两路对称的放大电路构成，包括第一放大电路和第二放大电路。第一放大电路包含第一共源放大电路、第一偏置电路、第一稳定电路、第一电容c1和第七电容c7，其中，第一共源放大电路包含第一晶体管t1、第一电感l1、第二电感l2、第五电容c5和第六电容c6；第一电感 l1的一端与第一晶体管t1的栅极连接，用于防止射频信号泄漏到偏置电路中；另一端与第五电容c5连接，将泄露的交流信号短路到地，降低对偏置电路的影响；第二电感l2的一端与第一晶体管t1的漏极连接，用于防止射频信号泄漏到偏置电路中；另一端与第六电容c6连接，将泄露的交流信号短路到地，降低对偏置电路的影响；第一偏置电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和多个旁路电容；其中，第二电阻r2的两端分别与第一电阻r1和第三电阻r3连接，构成电阻式分压结构，因此可使用单个电源给第一晶体管t1 的栅极和漏极提供合适的偏置点；第三电容c3、第四电容c4和第五电容c5 并联连接，将来自直流供电的交流信号短路到地，防止干扰信号进入射频通路；第一稳定电路由第十七传输线构成。第二放大电路与第一放大电路结构对称，并且所使用的器件参数一致。
38.带通滤波输出匹配电路30是一个上下对称的环形枝节加载匹配网络，包含四条对称的输出t形枝节线和两条上下对称的输出级联主路传输线。输出t 形枝节线包括第五t形枝节线ts5、第六t形枝节线ts6、第七t形枝节线ts7 和第八t形枝节线ts8；其中第五t形枝节线ts5的一端与第六t形枝节线ts6 的一端连接；第七t形枝节线ts7的一端与第八t形枝节线ts8的一端连接。输出级联主路传输线包括第二十五传输线tl25、第二十六传输线tl26、第二十七传输线tl27和第二十八传输线tl28，其中，第二十五传输线tl25与第二十六传输线tl26连接构成阶梯阻抗变换器，并分别与第五t形枝节线ts5 的一端和第七t形枝节线ts7的一端连接；第二十七传输线tl27与第二十八传输线tl28连接构成阶梯阻抗变换器，并分别与第六t形枝节线ts6的一端和第八t形枝节线ts8的一端连接。
39.具体实施例中，本实用新型工作频率为1.7ghz～2.5ghz。两个差分端口port 1和port 2与主路传输线连接作为输入端，与另外两个水平对称的差分端口 port3和port4作为输出端。对于任意频率，主路传输线的结构相同；该匹配网络的变频功能由左右两侧选频枝节实现。
40.奇模分析：
41.当输入端port1受差模信号激励时，图3所示的水平对称线相当于理想的电壁。如图4所示，此时平衡型带通滤波匹配网络的奇模等效电路为一个π型网络，利用平衡结构对称分析方法可以确定阻抗zi(i＝1,2,3)的值。在给定的频率fi(i＝1,2)下，输入端阻抗z
si
(＝r
si
+j*x
si
)和输出端阻抗z
li
(＝r
li
+j*x
li
)假设都是一个复数阻抗。在频率f1下，设主路传输线阻抗为z
mk
，电长度为θ
mk
(k＝1,2)。用于频率变换的t形枝节线与主路相连，阻抗为zn(n＝1,2,3,4,5,6)，电长度为θ
m (m＝1,2,3)。此时，所有差模信号都应该无反射的被传输到输出端口，而共模信号应该全反射。
42.π型网络中间级联主路传输线的传输特性可用abcd传输矩阵表示。
[0043][0044]zli
和z
ri
分别为主路传输线左右两端对应的源阻抗和负载阻抗。假设主路传输线的特征阻抗和电长度分别为z
mk
和θ
mk
(k＝1，2)，可求得t形枝节线的等效输入阻抗为jx
ai
(jx
bi
)。求解过程如下：
[0045]
公式(2)和公式(3)为基于π型多频带阻抗变换的方程：
[0046][0047][0048]
那么主路传输线z
li*
和z
ri
之间的阻抗变换满足下式：
[0049][0050]
通过进一步的数学变换，最终可得到x
ai
和x
bi
之间的关系式：
[0051]
px
ai
+rx
ai
x
bi
+qx
bi
＝s
ꢀꢀꢀ
(5)
[0052]
其中，公式(5)中的各个系数可表示为：
[0053]
p1＝r
sidmirli
+x
sidmi
x
li
+b
mi
x
li
ꢀꢀꢀ
(5-a-1)
[0054]
r1＝a
mi
x
li
+b
mi-r
sicmirli
+x
si
(d
mi-c
mi
x
li
)
ꢀꢀꢀ
(5-b-1)
[0055]
q1＝x
si
(a
mi
x
li
+b
mi
)+r
sirliami
ꢀꢀꢀ
(5-c-1)
[0056]
s1＝-x
sibmi
x
li-r
sibmirli
ꢀꢀꢀ
(5-d-1)
[0057]
p2＝x
sidmirli-r
sidmi
x
li
+b
mirli
ꢀꢀꢀ
(5-a-2)
[0058]
r2＝r
liami-x
sicmirli-r
si
(d
mi-c
mi
x
li
)
ꢀꢀꢀ
(5-b-2)
[0059]
q2＝x
sirliami-r
si
(a
mi
x
li
+b
mi
)
ꢀꢀꢀ
(5-c-2)
[0060]
s2＝r
sibmi
x
li-x
sibmirli
ꢀꢀꢀ
(5-d-2)
[0061]
因此，在确定主路传输线的电气参数并获得其abcd矩阵，同时保证x
ai
和x
bi
(i＝1，2)是实根，那么可以根据公式(5)精确的计算出x
ai
和x
bi
(i＝1，2) 的值。
[0062]
偶模分析：
[0063]
当输入端port1受共模信号激励时，图3所示的水平对称线相当于理想的磁壁。参见图5，平衡带通滤波匹配网络的偶模等效电路为一个π型网络。此时，所有共模信号都应该无反射的被传输到输出端口，而差模信号应该全反射。同样地，采用对称分析方法，可得出各传输线的阻抗值。
[0064]
通过以上的方式可以确定输入/输出匹配网络中各传输线的参数，最终实现与晶体管t1和t2的输入/输出阻抗匹配。实施例中的差分放大电路采用上下对称的共源放大结构。其中一路放大由晶体管t1、传输线tl17、电感l1和 l2、电容c1、c6和c7组成。电容c1和c7用于隔直，而电容c6的作用是将泄露的交流信号短路到地，减少对偏置电路的影响。电感l1和l2用于扼制射频信号泄漏到偏置电路中。晶体管t1与传输线tl17连接，提高了输入阻抗的实部，起到了保持电路稳定的作用。三个取值不同的电容c3、c4和c5与 vdd一端连接，用于短路来自直流供电的交流信号，防止干扰信号进入射频通路。电阻r2的两端分别与所述电阻r1和电阻r3连接，构成电阻式分压结构，因此可使用单个电源给晶体管t1的栅极和漏极提供合适的偏置点。另一放大电路与上述放大电路结构与器件参数相同。
[0065]
参见图2，等幅反相的差分信号从输入匹配网络两端输入，经过带通滤波结构后射频信号中的共模噪声部分会被反射并损耗，而差模信号则顺利通过网络进入两路放大电路，此时，相当于抑制了大部分的共模噪声，提高了信噪比。差模信号在放大电路输出端口相位发生翻转，两者相差180
°
，并通过带通输出输出匹配网络后保持不变。
[0066]
图6和图7分别给出了本实施例s参数和噪声系数仿真，在1.7～2.5ghz 频段内输入/输出回波损耗均小于-10db，增益大于14.5db，噪声系数小于0.7db，实现了良好的带通滤波效果和噪声抑制特性。
[0067]
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。