一种射频高增益宽带低噪声放大器

本发明属于集成电路，具体涉及一种射频高增益宽带低噪声放大器。

背景技术：

1、高增益的低噪声放大器在电子领域中起到非常重要的作用。它主要用于放大微弱的信号，并尽量减小噪声的影响，以提高信号质量和系统的性能。在无线通信、卫星通信、雷达系统、医学影像设备等应用领域对于高增益的低噪声放大器的需求越来越高。例如，在无线通信系统中，接收机需要接收弱信号并放大到足够的水平，以确保准确的数据传输。而在医学影像设备中，需要准确地捕捉微弱的信号以获取高质量的图像。传输距离的限制和信号衰减等问题要求在信号传输过程中使用高增益的放大器来增强信号的强度，同时低噪声的要求确保信号的传输质量和接收灵敏度。射频集成电路作为无线通信技术中的核心技术，也广泛受到人们的关注。

2、低噪声放大器位于整个射频收发系统的最前端，其通常与天线相连接，由于天线接收到的信号经过长途传播，信号衰减十分厉害，而且由于外部环境的干扰，使得天线接收到的信号不仅微弱而且干扰信号严重。为了能使系统正常处理接收到的信号，则必须运用到低噪声放大器，它的性能优劣直接决定了整个接收机工作好坏。低噪声放大器的一个特点就是优秀的噪声性能，它能够将有用信号放大，为了能够分离出有用信号和噪声信号，这需要低噪声放大器有足够高的增益同时达到抑制后级噪声的目的。而且，低噪声放大器还应当具备：足够大的动态范围，能够工作在宽的频带内；足够高的线性度，避免信号压缩进而产生失真；良好的匹配网络可以传递最大的功率到后级芯片以及接收到前级天线最大功率同时优化噪声系数。虽然这些都是低噪声放大器设计中想要得到的，但是它们相互影响制约。首先由于天线接收到的信号非常微弱，所以低噪声放大器本身的噪声必须极小才能够保证送给基带的信号的信噪比能满足解调的要求。其次，后级电路的噪声对系统整体噪声的贡献会取决于前级电路的增益，前级电路的增益越高，后级电路的噪声贡献就越小，因此低噪声放大器还需要有足够的增益。另一方面低噪声放大器是直接与天线相连的器件，还必须考虑阻抗匹配的问题，阻抗失配也会造成信号的严重衰减。

3、低噪声放大器是射频系统中非常关键的组件，用于放大信号而尽量不增加噪声。而传统的低噪声放大器通常针对特定频率范围进行优化，因此在宽频带应用中性能受限；现有低噪声放大器通常只具有较低增益，使得放大器输出的信号较弱,导致放大器的动态范围较小，限制了能够处理的信号幅度范围。噪声较高可能会引入不必要的信号干扰，可能会导致信号产生反射和损耗，降低信噪比。

4、在现代通信及射频集成电路领域，高增益类核心元器件的需求越来越多，性能要求也越来越高，都向着更高的覆盖范围、更大的放大能力、更高的传输率、更强的兼容性的目标发展。因此高增益芯片的应用也越来越广泛。提高增益可以使设备的兼容性更高，大大提高电子设备的性能，满足不同应用场景的需求。

5、因此，如何能够设计出在一定射频宽带范围内能实现较高的增益的低噪声放大器，从而保持信号的完整性和准确性是本发明想要解决的技术问题，

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种射频高增益宽带低噪声放大器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明目的是这样实现的：一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：该放大器包括用于实现宽带匹配的输入匹配级电路、用于控制增益的输入放大级电路、用于提高电路增益的级间匹配级电路、输出放大级电路以及用于外接负载变换为负载阻抗的输出匹配级电路；

3、所述输入匹配级电路连接输入放大级电路，输入放大级电路连接级间匹配级电路；所述级间匹配级电路连接输出放大级电路，输出放大级电路连接输出匹配级电路。

4、优选的，所述输入匹配级电路包括电容c1和电感l1，输入放大级电路包括晶体管mn1、晶体管mn2、电感l2、电感l3以及电阻r1、电阻r2；

5、所述级间匹配级电路包括电感l4、电感l5以及电容c2、电容c3，输出放大级包括晶体管mn3、晶体管mn4、电阻r3、电阻r4、电容c4和电感l6，输出匹配级电路包括电感l7、电感l8和电容c5。

6、优选的，所述输入匹配级电路中电容c1的一端为放大器的输入端rfin，电容c1的另一端与电感l1的一端相连。

7、优选的，所述输入放大级电路中电阻r1的一端连接电感l1，电阻r1的另一端连接偏置电压；电感l1还连接晶体管mn1的栅极，晶体管mn1的源极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端接地；

8、所述晶体管mn1的漏极连接晶体管mn2的源极，晶体管mn2的栅极连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端与电源电压vdd相连；

9、所述晶体管mn2的漏极连接电感l3的一端以及电感l4的一端，电感l3的另一端与电源电压vdd相连。

10、优选的，所述级间匹配级电路中电感l4的另一端连接电容c2的一端以及电感l5的一端，电容c2的另一端接地；

11、所述电感l5的另一端连接电容c3的一端，电容c3的另一端连接电阻r3的一端以及晶体管mn3的栅极。

12、优选的，所述输出放大级电路中电阻r3的另一端接地，晶体管mn3的源极连接电感l6的一端，电感l6的另一端接地；

13、所述晶体管mn3的漏极连接晶体管mn4的源极，晶体管mn4的栅极连接电容c4的一端以及电阻r4的一端；

14、所述电容c4的另一端接地，电阻r4另的一端连接电源电压vdd，晶体管mn4的漏极连接电感l7的一端以及第八电感l8的一端。

15、优选的，所述输出匹配级电路中电感l7的另一端连接电源电压vdd，第八电感l8的另一端连接电容c5的一端，电容c5的另一端为放大器的输出端rfout。

16、与现有技术相比，本发明具有如下改进及优点：

17、1、通过输入放大级电路形成的两级共源共栅结构，第一级的输出被连接到第二级的输入，增强信号的放大效果，提供更高的放大增益；同时，可以降低整个放大器电路的噪声系数，从而提高系统的信噪比；降低电路中添加的干扰信号对放大器的影响，并提高系统的整体抗干扰性能。

18、2、通过输入、输出以及级间进行阻抗匹配，在输入端晶体管mn1源极加入电感l2，实现输入和噪声匹配；采用t型电感电容网络高阶匹配技术，实现宽带高增益阻抗匹配；高阶匹配网络可以拥有更多的自由度，引入更多的极点，从而扩展-3db带宽。

19、3、通过输入放大级电路形成的两级共源共栅结构和输入、输出以及级间网络进行阻抗匹配的两种设计，放大器实现了高增益特性，峰值增益达到了34.1db，-3db工作带宽为1.2-3.5ghz,在这个频段内能实现大于24db的增益，并且实现0.9db的超低噪声系数，具有极高的应用价值。

技术特征：

1.一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：该放大器包括用于实现宽带匹配的输入匹配级电路、用于控制增益的输入放大级电路、用于提高电路增益的级间匹配级电路、输出放大级电路以及用于外接负载变换为负载阻抗的输出匹配级电路；

2.根据权利要求1所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配级电路包括电容c1和电感l1，输入放大级电路包括晶体管mn1、晶体管mn2、电感l2、电感l3以及电阻r1、电阻r2；

3.根据权利要求2所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配级电路中电容c1的一端为放大器的输入端rfin，电容c1的另一端与电感l1的一端相连。

4.根据权利要求2所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入放大级电路中电阻r1的一端连接电感l1，电阻r1的另一端连接偏置电压；电感l1还连接晶体管mn1的栅极，晶体管mn1的源极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端接地；

5.根据权利要求2所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述级间匹配级电路中电感l4的另一端连接电容c2的一端以及电感l5的一端，电容c2的另一端接地；

6.根据权利要求2所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出放大级电路中电阻r3的另一端接地，晶体管mn3的源极连接电感l6的一端，电感l6的另一端接地；

7.根据权利要求2所述的一种射频高增益宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出匹配级电路中电感l7的另一端连接电源电压vdd，第八电感l8的另一端连接电容c5的一端，电容c5的另一端为放大器的输出端rfout。

技术总结
本发明公开了一种射频高增益宽带低噪声放大器，属于集成电路技术领域；该放大器包括用于实现宽带匹配的输入匹配级电路、用于控制增益的输入放大级电路、用于调整电路阻抗的级间匹配级电路、输出放大级电路以及用于外接负载变换为负载阻抗的输出匹配级电路；输入匹配级电路连接输入放大级电路，输入放大级电路连接级间匹配级电路；所述级间匹配级电路连接输出放大级电路，输出放大级电路连接输出匹配级电路。本发明通过输入匹配级电路和输入放大级电路形成的两级共源共栅结构，第一级的输出被连接到第二级的输入，增强信号的放大效果，提高放大增益；同时降低整个放大器电路的噪声系数，从而提高系统的信噪比；通过级联结构之间的T型级间匹配网络，有效的提高增益，降低电路中的干扰信号对放大器的影响，并提高系统的整体抗干扰性能。

技术研发人员：蒋晨晨,刘芫健,李双德,王世豪,刘犇
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17