一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路
技术领域
本发明属于无线通信电子技术领域,涉及放大器的偏置电路,尤其涉及一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路,应用于无线通信接收机系统射频前端低噪声放大器的偏置电路。
背景技术
当今,包括移动通信和无线局域网在内的各类无线通信系统和技术飞速发展,射频集成电路(RFIC)已在世界范围内成为大学、研究所和通信相关产业研究开发的热点。这些无线通信系统的发展形成了一个快速增长的RFIC市场。射频电路之所以受到全世界范围内的关注和研究,是由于它是整个无线收发机系统设计的主要瓶颈。在射频收发机的元件中,RFIC的技术性能要求构成了RFIC的最大挑战。而与此同时,市场用户对无线产品的性能要求又是极为苛刻的,即低成本、低功耗、小体积、高性能等要求,这是一个巨大的挑战。
LNA通常是无线接收机系统中的第一个模块,也是不可或缺的关键模块。LNA的主要功能是将从天线接收的亚微伏特的无线信号放大到一定大小,以方便后继模块对信号进行处理,同时自身引入尽量小的噪声和非线性。这就要求LNA具有低噪声系数、高增益和高线性度的属性。同时,LNA在无线接收机系统信号通路中处在接收天线与混频器之间,为防止本振信号从混频器泄漏到天线前端造成干扰,LNA还需要具有高隔离度。SiGe HBT LNA能够较好的满足上述需求:兼具极低的噪声系数,较高的线性度以及相对CMOS LNA较高的增益。如果采用共源共栅(Cascode)结构,也能具有高隔离度。
从使用的角度来看,由于LNA处在接收链路的起始端,它的应用环境相对比较灵活,可以与接收天线集成在一起形成有源天线,也可以作为分立的芯片放在接收机总体芯片的前面,还可以集成在接收机总体芯片内部,不同位置的供电电源可能不一样;其次,系统电源管理规划不同,给LNA的供电电压可能不一致;再次,在便携式接收机应用中,电池供电条件下,受电池电量、温度等的影响,LNA的供电电压也会有较大幅度的变化。因此设计能在宽电源电压供电条件下正常工作的LNA具有重要的现实意义,而实现这种LNA的关键在于设计受电源电压影响小的偏置电路。
实际使用的偏置电路一般有三种形式:电感馈电式偏置、电阻馈电式偏置和双馈电偏置。
a) 电感馈电式偏置:具有噪声性能好,线性度高的优点,但是由于其需要使用一个片外或者片内电感,增加了外围电路复杂度或者芯片面积,为了减小成本,设计人员更愿意使用电阻馈电式偏置结构;
b) 电阻馈电式偏置:无需片外或者片外的馈电电感,节省了外围电路或芯片面积,但是这种结构会带来性能的恶化,即噪声系数和线性度难以兼顾,另外偏置电路本身的电压压降较高,不利于在低电源电压下工作。
c) 双馈电偏置:在电阻馈电式偏置的基础上增加一个馈电通路,通过对放大器输入HBT管基极电流的补偿达到提高线性度的目的。这种馈电方式略微牺牲了噪声系数换取了线性度一定程度的提高。但是,由于两个馈电支路都具有较高的电压压降,因此也不利于在低电源电压下工作。
现有技术的电阻馈电式偏置的低噪声放大器LNA如图1所示,虚线框内为LNA的偏置电路。偏置电路连接关系为:电流源IB0一端接电源电压VDD,另一端连接偏置三极管Q1的集电极和偏置三极管Q2的基极;偏置三极管Q1的发射极直接接地,其基极与电阻R1的一端相接,电阻R1的另一端与电阻R0的一端和三极管Q2的发射极相连;三极管Q2的集电极与电源电压VDD相接;而电阻R0的另一端连接LNA主放大器的输入三极管Q0的基极并与射频输入端RFIN相接。
这种传统电阻馈电式偏置的LNA,其偏置电路的基本工作原理为:电流源IB0为偏置三极管Q1提供稳定的电流偏置;三极管Q1以I-V特性规律建立基极电压,为LNA的输入三极管Q0的基极提供偏置电压;偏置三极管Q2通过发射极跟随接法,形成偏置三极管Q1的集电极到基极的负反馈,以稳定偏置三极管Q1基极的直流偏置电压。电阻R0用于隔离直流偏置与射频输入信号,而电阻R1是限流电阻,以平衡R0上的压降,使主放大三极管Q0与偏置三极管Q1的基极电压相等。
这种电阻馈电式偏置类型的偏置电路,在正常工作条件下,要求电源电压应大于两倍的三极管基极-发射极电压加上电流源IB0的压降,典型条件下要大于1.8V。这样的偏置电路存在正常工作电源电压高的缺陷,特别不利于在低电源电压下工作。所以,这种偏置电路结构是不能应用在1.8V或者更低电压供电的低噪声放大器电路中。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的不足之处,提出一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路。在不恶化低噪声放大器噪声、线性度、增益等指标的前提下,通过改进电阻馈电式偏置电路结构,大幅度改善电阻馈电式偏置的LNA在低电源电压供电下的性能,从而实现了此类低噪声放大器的宽电源电压工作。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案实现的:
一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路,低噪声放大器电路构成包括主电路和偏置电路;其特征在于,偏置电路为宽电源电压工作的电路结构,其电路构成包括一个主偏置电路、一个偏置稳定反馈电路和一个偏置电流源产生电路;其中:
所述偏置稳定反馈电路,它由两个串行级联的射极跟随器构成,用于为主偏置电路提供稳定反馈电流;
所述偏置电流源产生电路,它由两个并行的第一电流源和第二电流源构成;第一电流源和第二电流源的一端并接连到电源VDD,第一电流源的另一端对应连接主偏置电路,用于给主偏置电流提供不随电源电压变化的偏置电流;第二电流源的另一端对应连接偏置稳定反馈电路,用于给偏置稳定反馈支路提供不随电源电压变化的偏置电流。
连接关系为:主偏置电路的偏置端与偏置稳定反馈电路相连,偏置稳定反馈电路的偏置反馈端接到主偏置电路的偏置反馈输入端;双电流源结构的偏置电流源产生电路,第一电流源和第二电流源的一个电流输出端,对应连接主偏置电路和偏置稳定反馈电路的一个电流注入端;主偏置电路的偏置输出端VB连接低噪声放大器的主放大电路的偏置端,用于为主放大电路提供具有宽电源电压工作范围并且稳定的偏置电压VB。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的主偏置电路包括偏置三极管Q1、限流电阻R0和平衡电阻R1;偏置三极管Q1集电极连接第一电流源IBO的电流输出端,Q1管的发射极接地,Q1管的基极连接平衡电阻R1的一端,平衡电阻R1的另一端与限流电阻R0的一端并接,并接端VB为偏置反馈端,限流电阻R0的另一端为主偏置电路的输出端。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的偏置稳定反馈电路由三极管Q2、Q4和电阻R3组成,三极管Q2和Q4分别组成的两个射极跟随器串行连接而成,三极管Q2发射极连接三极管Q4基极和电阻R3的一端,电阻R3的另一端接地;三极管Q4的集电极接到第二电流源输出端,该连接端作为偏置稳定反馈电路的反馈端连接到主偏置电路的偏置端VB。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的偏置电流源产生电路由第一电流源IB0和第二IB1电流源组成;第一电流源IB0和第二IB1电流源的一端接电源VDD,第一电流源IB0的另一端连接到主偏置电路偏置三极管Q1的集电极,第二IB1电流源的另一端接到偏置稳定反馈电路三极管Q2的基级。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的偏置稳定反馈电路串接的两个射极跟随器三极管Q2和Q4为互补类管型;三极管Q2为NPN型,三极管Q4为PNP型;用于使偏置稳定反馈支路的直流压降接近为零。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的偏置电流源产生电路的第一电流源IB0和第二电流源IB1电路结构相同,为电流镜型电流源。
所述的低噪声放大器偏置电路,其在于所述的主偏置电路、偏置电流源产生电路和偏置稳定反馈电路的三极管为BJT型管或MOS型管。
综上所述,公开的一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路,是在传统电阻馈电式偏置电路的基础上,将图1中提供基极偏置电流并通过反馈稳定基极偏置电压的三极管Q2用图2中三极管Q2、Q3,电阻R3以及电流源IB1替代。但实质上是提出一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路,包括一个主偏置电路、一个偏置稳定反馈支路和一个偏置电流源产生电路。主偏置电路,它为电流镜型电阻馈电式电路结构;偏置稳定反馈电路,它由两个串行级联的射极跟随器构成,用于为主偏置电路提供稳定反馈电流;偏置电流源产生电路,它由两个并行的第一电流源和第二电流源构成;偏置稳定反馈电路的两个三极管为互补的两类管型,使偏置稳定反馈支路的直流压降接近于零。本发明的宽电源电压工作的偏置电路结构,提出电路设计的新思路,具有拓宽正常工作电源电压范围、以及改善LNA线性度与噪声系数诸多优点。
本发明实质性的效果,宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路与现有技术相比具有以下的实质性优点:
1、本发明为电阻馈电式偏置电路中引入偏置稳定反馈电路,以稳定偏置电压的负反馈支路结构形式,将源极跟随器变为由两个源极跟随器级联组成的无直流压降的源极跟随器,大幅度提高了偏置电路对低电压的耐受性能。
2、本发明在偏置电路中以第一个电流源和第二个电流源构成的偏置电流源产生电路,源极跟随器的直流偏置电流不再等于三极管Q0与Q1的基极电流之和,使源极跟随器的源极输入阻抗可控,有利于低噪声放大器兼顾噪声系数与线性度性能。
3、本发明的偏置电路在实现宽电源电压工作目标的前提下,兼顾改善低噪声放大器线性度性能,同时,有效的提高低噪声放大器的噪声系数性能,可以广泛应用于在1.8V或者更低电压供电的低噪声放大器电路。
附图说明
图1 为现有技术的电阻馈电式低噪声放大器偏置电路示意图;
图1中;11—主放大电路,12—偏置电路。
图2a为本发明第一实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路示意框图;
图2b为本发明第二实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路原理图;
图2a和图2b中;21—主放大电路,22—主偏置电路,221—主偏置电路,222—偏置稳定反馈电路,223—偏置电流源产生电路,RFin—射频信号输入端,RFout—射频信号输出端,VBc—Cascode晶体管偏置电压。
图3为本发明第二实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路实施例示意图3中;31—主放大电路,32—主偏置电路,321—主偏置电路,322—偏置稳定反馈电路,323—偏置电流源产生电路。
图4a 为基于图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器最低电源电压仿真曲线示意图;
图4b为基于图2b本发明偏置电路的低噪声放大器最低电源电压仿真曲线示意图;
图4a和图4b中:GT dB10—功率增益,NF dB10—噪声系数。
图5为基于本发明与图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器的噪声系数指标的仿真对比实验示意图。
图6a为基于图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器的输入三阶互调点IIP3的仿真实验结果示意图。
图6b为基于本发明偏置电路的低噪声放大器的输入三阶互调点IIP3的仿真实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明提出的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路作详细说明:
第一实施例
图2a示出本发明第一实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路示意框图。低噪声放大器由主放大电路21和偏置电路22组成。偏置电路22是宽电源电压工作的偏置电路,包括主偏置电路221、偏置稳定反馈电路222和偏置电流源产生电路223。主偏置电路221的偏置端与偏置稳定反馈电路222相连,偏置稳定反馈电路222的偏置稳定反馈接到主偏置电路221的偏置反馈输入端。偏置电流源产生电路223为双电流源构成,两个电流源各有一个电流输出端,对应连接主偏置电路221和偏置稳定反馈电路222的电流注入端。主偏置电路221的偏置输出端VB连接低噪声放大器的主放大电路21的偏置端,用于为主放大电路提供具有宽电源电压工作范围并且稳定的偏置电压VB。
第二实施例
图2b 给出本发明第二实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路原理图,它是图2a宽电源电压工作的低噪声放大器进一步细化的管级电路图。同图2a的电路构成相同,第二实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器由主放大电路21和偏置电路22组成。偏置电路22是宽电源电压工作的偏置电路,它包括主偏置电路221、偏置稳定反馈电路222和偏置电流源产生电路223。参见图2b,主偏置电路221包括偏置三极管Q1、电阻R1和R0。偏置稳定反馈电路222包括偏置三极管Q2和Q4、电阻R3。偏置电流源产生电路223包括第一电流源IB0和第二电流源IB1。第一电流源IB0和第二电流源IB1的一端接电源VDD,第一电流源IB0的另一端连接主偏置电路的偏置三极管Q1集电极和偏置稳定反馈电路222的偏置三极管Q2基极;第二电流源IB1的另一端连接偏置稳定反馈电路222的反馈三极管Q4集电极和主偏置电路电阻R1一端和电阻R0一端的连接点VB,电阻R1的另一端与三极管Q1的基极相连,电阻R0的另一端与LNA主放大电路的输入三极管Q0基极并与射频信号输入端RFin相接;偏置三极管Q1的发射极接地;三极管Q2的集电极与电源VDD相接。
LNA主放大电路的输入三极管管Q0的集电极与输出三极管Q3的发射极连接,输入三极管管Q0的基极连接LNA的射频信号输入端RFin,输出三极管Q3的基极连接……VBC,输出三极管Q3的集电极极连接负载Zload的一端,该连接端为LNA主放大电路的输出端RFout。
第二实施例宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路的工作原理如下:偏置电流源产生电路223的电流源IB0为主偏置电路221的偏置三极管Q1提供稳定的电流注入,同时电流源IB1通过电阻R1为偏置三极管Q1提供稳定的偏置电压;偏置电流源产生电路223电流源IB0为偏置稳定反馈电路222的射极跟随器三极管Q2注入稳定的偏置电流;电流源IB1给射极跟随器三极管Q4集电极注入稳定的电流;两个射极跟随器三极管Q2和Q4为串联连接,两个射极跟随器级联形成三极管Q1集电极到基极的负反馈,以稳定偏置管Q1的基极电压。三极管Q2为NPN型三极管,而三极管Q4为PNP型三极管,两个串接的射极跟随器实现互补。主偏置电路221的电阻R0起到限流作用,通过平衡电阻R1,平衡主放大器21放大三级管Q0基极电流流过电阻R0而产生的压降,放大三极管Q0与偏置三极管Q1的基极电压相等,使主偏置电路与射频输入信号放大管Q0直流功耗最小,获得最佳的宽电源电压和低功耗效果。电阻R3的一端连接射极跟随器三极管Q2的射极,电阻R3的另一端接地,电阻R3是射极跟随器三极管Q2的射极负载,用于为射极跟随器三极管Q4的基极提供稳定的配置电压。主偏置电路221偏置三极管Q1按照I-V特性规律建立基极电压,为LNA放大输入三极管Q0提供宽电源电压、低功耗的偏置电压VB。
第三实施例
图3给出本发明实施例的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路原理图;如图3所示,所述的主偏置电路321由三极管Q1,电阻R0、R1和R4组成。其中三极管Q1以I-V特性规律建立基极电压,为LNA放大输入三极管提供偏置电压;限流电阻R0用于对主偏置电路输出直流的限流以及对射频输入信号的阻隔,而平衡电阻R1用于平衡电阻R0上的压降,从而使放大三极管Q0与偏置三极管Q1的基极电压相等;电阻R4一端连接第二电流源M1,另一端连接电阻R0和R1的连接点VB端,用于在高频时,增加偏置电路的输入阻抗,以降低偏置电路对LNA噪声系数的影响。在低频时电阻R4也会增加偏置电路的输入阻抗而影响LNA的线性度性能,需要针对噪声系数和线性度的要求折中考虑电阻R4的取值,在第三实施例中,作为优选,电阻R4取值为11K欧姆。
所述的偏置稳定反馈电路322由三极管Q2、Q4和电阻R3组成。其中三极管Q2、Q4为两个源极跟随器,三极管Q2为NPN型三极管,而三极管Q4为PNP型三极管,两个源极跟随器级联形成三极管Q1集电极到基极的负反馈,以稳定基极电压。电阻R3是源极跟随器三极管Q2的负载,通过调节电阻R3的大小可以调节源极跟随器的增益从而调节负反馈稳定支路的反馈强度。
所述的偏置电流产生电路323由MOS管M0、M1和M2以及Iref组成,其中Iref为电流基准源电路,其产生的基准电流与电源电压、温度无关,或与温度成正比。基准电流通过MOS管M0-M1电流镜放大,形成稳定的偏置电流,主偏置电路221偏置三极管Q1按照I-V特性规律建立基极电压,为LNA放大输入三极管Q0提供宽电源电压、低功耗的偏置电压VB。
图2a、图2b和图3中的宽电源电压工作的偏置电路的Cascode型源极负反馈与LNA中主放大电路21和31的应用连接,正是本发明提出的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路可以获得良好的应用效果。而且广泛应用于1.8V或者更低电压供电的低噪声放大器电路。
现有技术采用传统电阻馈电式偏置电路的LNA中,电源电压的最小值的计算式:
≈2×0.8+0.2=1.8V;
图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器最低电源电压仿真实验结果如图4a所示。使用cadence spectreRF仿真,基于现有技术电阻馈电型偏置的低噪声放大器,其最低工作电压约为1.6V,电源电压在1.8V以上时才能得到较好的性能。
而本发明宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路的电源电压的最小值计算式:
≈0.8+0.2=1.0V。
而本发明宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路的电源电压实验结果如图4b所示。基于本发明偏置电路的低噪声放大器,其最低工作电压约为1.0V,在电源电压为1.2V以上时能得到最佳性能,相对于前者,大幅度降低了电阻馈电式偏置的LNA的最低工作电压,有效拓宽LNA正常工作的电源电压范围。
上述分析可知,本发明可大幅度降低电阻馈电式偏置的LNA的最低工作电压,应用本发明的LNA的电源电压范围拓宽到1.0V。可以广泛应用于要求拓宽电源电压工作范围的电路。
图5图给出基于本发明与图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器的噪声系数指标的仿真对比实验示意图。图6a给出基于图1所示现有技术偏置电路的低噪声放大器的仿真输入三阶互调点IIP3的实验结果示意图,图6b给出基于本发明偏置电路的低噪声放大器的仿真输入三阶互调点IIP3的实验结果示意图。仿真测试条件:输入信号频率1575MHz,功率-30dBm。三阶互调点IIP3和是评价电路线性度的重要参数,在cadence spectreRF仿真环境下,现有技术的电阻馈电型偏置的低噪声放大器,其噪声系数NF在中心工作频率为1.575GHz时约为1.10dB(如图5所示),输入三阶互调点IIP3为-5.71dBm(如图6a所示);而基于本发明偏置电路的低噪声放大器,其噪声系数NF在中心工作频率为1.575GHz时约为0.91dB(如图5所示),输入三阶互调点IIP3为-2.72dBm(如图6b所示),相对于前者,本发明偏置电路的低噪声放大器在保证线性度有所提高的条件下,噪声系数性能有0.19dB的明显改善。综上所述,本发明的宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路,在实现宽电源电压工作目标的前提下,兼顾改善低噪声放大器线性度性能,同时,有效的提高低噪声放大器的噪声系数性能。
本发明的保护范围,并非局限于本发明描述的实施例。只要各种变化在所附权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的实例均在保护之列。