一种紧凑型超宽带低噪声放大器

本发明属于微波毫米波集成电路与系统领域，涉及一种紧凑型超宽带低噪声放大器。

背景技术：

1、传统实现超过10倍频程的放大器，其实现的主要架构是分布式拓扑。分布式放大器的原理是利用晶体管(fet)的寄生电容和高阻抗传输线形成分布式有源人工传输线，来实现宽带信号放大的电路。相较于负反馈、平衡式等放大器结构，分布式放大器具有更高的增益平坦度和更宽的工作频带，可以达到直流到100ghz甚至更高的频率范围。因此分布式放大器主要用于对带宽要比较高的系统中，如光通信、电子对抗、雷达成像等领域。然而分布式放大器的宽带特性以效率较低，功耗较大，难以实现高输出功率为代价的。

2、目前，随着通信技术的发展，对射频通道带宽、噪声、线性度、功耗的要求越来越高，需要实现高速、高容量、高质量的数据传输。因此对于宽带低噪声放大器的要也越来越高。微波放大器向着更高增益、更宽带宽、更高输出功率更低的直流功耗的方向发展。然而一些性能指标是互相制约的。如增益带宽两个指标，在不改变电路结构的情况下，增益带宽积固定，因此宽的工作带宽意味着更低的增益，反之亦然。通过改变增益单元结构采用多管堆叠达林顿管(林倩、邬海峰、朱琳等，一种基于三极管堆叠技术的达林顿分布式功率放大器，中国发明专利，申请号201810818279.2)等方法可以成功扩展放大器增益带宽极限然而其代价是更高的直流功耗，和更加复杂的馈电方式，由此也带来了芯片面积的增大。由于分布式放大器采用行波方式工作，需要在终端连接阻性负载保证人工传输线的行波传播特性，在信号的输入端阻性负载会映入额外的噪声，导致分布式放大器噪声系数较大，因此如何降低分布式放大器的噪声系数也是一项挑战。对于分布式放大器由于其超宽带工作特性，一般需要外置的bias tee作为偏置电路，增加了系统集成的体积和成本。有科研人员采用有源偏置的方法(马凯学、胡建全，一种采用电感抵消技术的超宽带放大器电路，中国发明专利，申请号201710827355.1)，在片内集成有源偏置电路不需要额外的偏置电路，然而其代价是额外的直流功耗和电压摆幅的下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种两级高增益超宽带低噪声放大器。第一级采用电抗匹配电感耦合负反馈共源共栅单极放大器，采用较小的管芯尺寸，提供一定的增益和较低的噪声系数，第二级采用片内无源偏置网络的自偏置新型达林顿共源共栅管分布式放大器电路，同时实现宽带、低噪声、高增益、高效率和小型化。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种紧凑型超宽带低噪声放大器，包括分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)、达林顿共源共栅管输入合成网络(2)、达林顿共源共栅管输出合成网络(3)、片上超宽带偏置网络(4)、改进型共源共栅驱动放大网络(5)；所述分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)由n个结构相同的自偏置达林顿共源共栅管放大单元(11)组成；所述改进型共源共栅驱动放大网络(5)的输入端rfin为整个所述一种紧凑型超宽带低噪声放大器的输入端，其输出端rf1与所述达林顿共源共栅管输入合成网络(2)的输入端相连；所述达林顿共源共栅管输入合成网络(2)的n个输出端dg1至dgn分别与所述分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)中的n个晶体管管m11至mn1的栅极连接；所述达林顿共源共栅管输出合成网络(3)的输出端rfout为整个所述一种紧凑型超宽带低噪声放大器的输出端，其n个输入端dd1至ddn分别与所述分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)中的n个峰化电感lb1至lbn的相连接；所述片上超宽带偏置网络(4)一端连接偏置电压vdd，另一端连接至所述达林顿共源共栅管输出合成网络(3)的馈电端dfd。

4、进一步的，所述分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)由n个结构相同的自偏置达林顿共源共栅管放大单元(11)组成，其中n大于等于3。

5、进一步的，所述片上超宽带偏置网络一端连接偏置电压vdd，电压为4v

6、进一步的，所述分布式自偏置达林顿共源共栅管放大网络(1)中的n个结构相同的自偏置达林顿共源共栅管放大单元(11)，每个单元包含三个晶体管mj1、mj2、mj3，其中j＝1,2,3…n；所述晶体管mj1的源极同时连接偏置电阻rsj与晶体管mj2的栅极，偏置电阻rsj的另一端接地；所述晶体管mj1的栅极连接所述达林顿共源共栅管输入合成网络(2)的输出端dgj，晶体管mj1的栅极也连接由反馈电容cdfj、反馈电阻rdfj、峰化电感lbj串联构成的负反馈网络，反馈电阻rdfj和峰化电感lbj的连接点连接到所述达林顿共源共栅管输出合成网络(3)的输出端ddj；所述晶体管mj1的漏极和所述晶体管mj2的漏极相连，晶体管mj1的漏极同时也连接于所述晶体管mj3的源极；所述晶体管mj2的源极与由rbj与cbj并联组成的自偏置网络的一端连接，自偏置网络的另一端接地；所述晶体管mj3的漏极连接峰化电感lbj的一端，栅极连通过串联rc电路接地，串联rc电路包括稳定电阻rcgj、接地电容ccg，晶体管mj3栅极同时也连接偏置电阻rcgfj的一端，n个偏置电阻rcgf1至rcgfn的另一端都连接到偏置电压vg2。

7、进一步的，每个单元包含三个晶体管mj1、mj2、mj3，其中j＝1,2,3…4，其尺寸分别为4*50um、4*100um、4*75um。

8、进一步的，4个偏置电阻rcgf1至rcgf4的另一端都连接到偏置电压vg2，其值为1.8v。

9、进一步的，所述达林顿共源共栅管输入合成网络(2)包括依次串联的2n个电感lg11、lg12至lgn1、lgn2，隔直电容crf1，负载电阻rgload和一端并联在输入端的接地大电阻rg；所述电感电lgj1和lgj2之间的连接节点均为所述达林顿共源共栅管输入合成网络(2)的输出端dgj，其中j＝1,2…n；所述接地大电阻rg的另一端连接地。

10、进一步的，所述达林顿共源共栅管输出合成网络(3)包括依次串联的2n个电感ld11、ld12至ldn1、ldn2，所述电感电ldj1和ldj2之间的连接节点均为所述达林顿共源共栅管输出合成网络(2)的输入端ddj，其中j＝1,2…n。

11、进一步的，所述片上超宽带偏置网络(4)包括三个并联支路和两个串联支路，从左到右依次为电容cfp1和电阻rfp1组成的第一并联支路、电阻rfs1和电感lfs1组成的第一串联支路、电容cfp2和电阻rfp2组成的第二并联支路、电阻rfs2和电感lfs2组成的第二串联支路、电容cfp3和电阻rfp3组成的串联支路；第一并联支路和第一串联支路的连接点同时连接漏极偏置电压vdd；第三并联支路和第二串联支路的连接点同时连接至达林顿共源共栅管输出合成网络(3)的馈电端dfd。

12、进一步的，所述改进型共源共栅驱动放大网络(5)的主体为两个晶体管m1和m2；晶体管m1的源极通过退化电感ldeg接地，晶体管m1的栅极连接由电阻rnf、电容cnf、电感lnf串联构成的串联负反馈网络后再连接到晶体管m2的漏极，晶体管m1的栅极同时连接至输入匹配电感lm1的一端，lm1的另一端连接输入隔直电容c1后再连接信号输入端rfin；所述晶体管m1的栅极同时通过连接偏置大电阻rbias连接偏置电压vg1；所述晶体管m1的漏极连接峰化电感lp后再链接于晶体管m2的源极；所述晶体管m2的漏极连接输出隔直电容c2后再连接到改进型共源共栅驱动放大网络(5)的输出端rf1；所述晶体管m2的栅极串联电感lfg、电容cfg、电阻rfg后再接地，所述电感lfg和峰化电感lp之间存在磁耦合；所述晶体管m2的栅极同时连接电阻rdc3的一端，电阻rdc3的另一端与电阻rdc1、rdc2连接；rdc2一端连接rdc1，另一端接地；rdc1一端连接rdc2，另一端连接偏置电感ldc1和电感lnf；偏置电感ldc1的另一端连接漏极偏置电压vdd。

13、本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

14、(1)本发明采用电抗匹配负反馈共源共栅拓扑作为前级，采用达林顿共源共栅分布式放大器作为后级放大器，可以实现更高的增益、更低的噪声和更小的面积。前级放大器使用较小的晶体管和负反馈架构可以扩展工作带宽，并提供一定的增益与优于传统分布式放大器的噪声系数。同时引入了电感耦合提高了高频增益。相比于单极分布式放大器，其增益具有较大的优势，且无需显著增加更大的芯片面积。

15、(2)本发明后级采用自偏置达林顿共源共栅架构的分布式放大器达林顿结构栅极输入寄生电容cgs是单级晶体管的一半，因此可以扩展栅极人工传输线的截止频率至原来的两倍，从扩展放大器工作带宽。另一方面若带宽不变可以使用大的晶体管提高增益和输出功率。同时达林顿管采用自偏置架构大大的降低了馈电网络的难度。

16、(3)本发明采用无源片上馈电网络，无源片上馈电网络基本结构采用低通滤波器构造，在并联和串联支路中都加入电阻。通过适当调节元件参数可以使得直流无损耗通过，并对射频在很宽的范围内呈现出近乎50ohm的端接阻抗。因此无需使用片外的bias tee馈电，同时避免了有源偏置电路对放大器电压摆幅的恶化。

17、本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。