CN106788288A - 一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，包括相互连接的采用SiGe BiCMOS工艺设置的两级放大器，所述两级放大器包括相互连接的第一级放大器和第二级放大器；所述第一级放大器为共射共基组态连接结构，第二级为共射结构；第一级实现高增益和高隔离度，第二级实现宽带输出匹配和提高线性度；放大电路的负载、输入匹配、级间匹配和输出匹配均由微带线实现；采用SiGe BiCMOS工艺而设计的用于77GHz的LNA电路，能够提高汽车雷达系统的灵敏度和集成度。

Description

一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频/毫米波芯片设计技术、汽车雷达系统前端电路等领域，具体的说，是一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器。

背景技术

随着汽车数量的爆发式增长，汽车行车安全受到越来越大的挑战，被动安全如安全带、安全气囊等已经不足以保证人身及财产安全，主动安全装置被逐渐的应用于汽车行业，其中汽车毫米波雷达应用下的自适应巡航、防碰撞、盲区检测等提供了可靠的主动安全措施。

毫米波雷达，其发射波波长在1-10mm之间，频率是30GHz-300GHz。典型的车用毫米波雷达频率是21.65GHz-26.65GHz，76GHz-81GHz。76G~77GHz由于其探测距离长，带宽大，频段相对使用较少等优点，逐渐发展为车载毫米波长距雷达应用波段，而77G~81GHz成为车载毫米波短距雷达的主要应用频段。

雷达系统主要分为调频连续波（FMCW）雷达以及脉冲雷达。对于脉冲雷达系统来说，当目标距离非常近时，发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小，该系统就必须采用信号高速处理技术，系统就会变得非常复杂。因此，汽车毫米波雷达系统通常采用结构简单、成本较低及适合做近距离探测的调频连续波雷达体制。

传统的毫米波系统多采用分离器件，而采用SiGe工艺可以大大提高雷达系统的集成度，降低成本，但是在毫米波波段，工艺的寄生参数对电路的性能影响大大增加，需要特定的设计手段和技术来进行相应的处理。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，采用SiGeBiCMOS工艺而设计的用于77GHz的LNA电路，能够提高汽车雷达系统的灵敏度和集成度。

本发明通过下述技术方案实现：一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，包括相互连接的采用SiGe BiCMOS工艺设置的两级放大器，所述两级放大器包括相互连接的第一级放大器和第二级放大器。

其中，第一级放大器用于实现高增益和高隔离度，所述第二级放大器用于实现宽带输出匹配和提高线性度。

进一步的为更好地实现本发明，做到第一级放大器保持高增益和提高两级放大器之间的级间反相隔离，同时能够避免恶化噪声系数，避免信号泄漏到地，三极管采取基级两指结构（CBEBC）有效降低C_{bc_M1}、C_{be_M1}、C_{bc_M2}，特别采用下述设置结构：所述第一级放大器为共射共基组态连接结构，且第一级放大器包括三极管M1和M2，在三极管M1的基极上连接有微带线TL1，三极管M1的发射极上连接有微带线TL2，且微带线TL2接地；三极管M1的集电极与三极管M2的发射级相连接形成共射共基组态连接，三极管M2的基极通过偏置电阻R1连接工作电源，三极管M2的集电极通过串联微带线负载与电源相连接。

进一步的为更好地实现本发明，为有效保障级间增益、带宽及线性度，特别采用下述设置结构：所述串联微带线负载包括相互串联的微带线TL3和微带线TL4，微带线TL3的非公接端与电源相连接，微带线TL4的非公接端与三极管M2的集电极相连接。

进一步的为更好地实现本发明，能够实现第一级放大器与第二级放大器之间的级间良好匹配，特别采用下述设置结构：还包括与微带线TL3、微带线TL4共同构成级间匹配电路的电容C2，所述微带线TL3和微带线TL4的公接端与电容C2的第一端相连接，电容C2的第二端与第二级放大器相连接，电容C2亦为隔直电容。

进一步的为更好地实现本发明，为提高线性度，特别采用下述设置结构：所述第二级放大器为共射组态连接结构，且第二级放大器包括三极管M3，三极管M3的基极与电容C2的第二端相连接，在三极管M3的发射极上连接有微带线TL5，且微带线TL5接地；在三极管M3的集电极上连接有微带线负载，且微带线负载的另一端与电源相连接。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述微带线TL5亦为三极管M3的射级负反馈电路。

进一步的为更好地实现本发明，能够构成第二级放大器的负载，特别采用下述设置结构：所述微带线负载包括相互串联的微带线TL6及微带线TL7，微带线TL6的非公接端与电源相连接，微带线TL7的非公接端与三极管M3的发射极相连接。

进一步的为更好地实现本发明，能够构成整个电路的输出匹配，并将低噪声放大后的毫米波信号输送至后级电路，特别采用下述设置结构：所述微带线负载亦为输出匹配电路，且微带线负载的公共端输出低噪声放大后的毫米波信号。

进一步的为更好地实现本发明，在实现带宽接收的同时，还能实现高的线性度，特别采用下述设置结构：所述微带线TL1和微带线TL2还构成输入匹配电路，且微带线TL2为三极管M1的射级负反馈电路。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明采用SiGe BiCMOS工艺而设计的用于77GHz的LNA电路，能够提高汽车雷达系统的灵敏度和集成度。

（2）本发明采用SiGe BiCMOS工艺，设计一款工作在77GHz的，并涵盖77~81GHz的毫米波低噪声放大器。

（3）本发明可实现高增益、低噪声和高线性度和宽带，且可集成在毫米波雷达接收芯片内实现了接收系统的小型化，可用于76~77GHz的长距汽车雷达应用和77GHz~81GHz的短距汽车雷达应用。

附图说明

图1为SiGe工艺中NPN管的寄生电容示意图。

图2为本发明的电路连接关系图。

图3是实施例11的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示为SiGe工艺中NPN管的寄生电容示意图（即两级放大器的三极管和级联管的寄生电容示意图），其中，BE之间的寄生电容为C_be，BC之间的寄生电容为C_bc，CE之间发寄生电容为C_ce。

实施例1：

本发明提出了一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，采用SiGe BiCMOS工艺而设计的用于77GHz的LNA电路，能够提高汽车雷达系统的灵敏度和集成度，如图2所示，特别采用下述设置结构：包括相互连接的采用SiGe BiCMOS工艺设置的两级放大器，所述两级放大器包括相互连接的第一级放大器和第二级放大器。

其中，所述第一级放大器采用能够降低噪声系数和避免放大器的放大管寄生电容将信号泄漏到地的基级两指结构；

所述第二级放大器采用共射结构设计的放大器电路；

其中，所述第一级放大器用于实现高增益和高隔离度，所述第二级放大器用于实现宽带输出匹配和提高线性度。

所述SiGe BiCMOS工艺采用0.18μm SiGeBicmos工艺。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，做到第一级放大器保持高增益和提高两级放大器之间的级间反相隔离，如图2所示，特别采用下述设置结构：进一步的为更好地实现本发明，做到第一级放大器保持高增益和提高两级放大器之间的级间反相隔离，同时能够避免恶化噪声系数，避免信号泄漏到地，三极管采取基级两指结构（CBEBC）有效降低C_{bc_M1}、C_{be_M1}、C_{bc_M2}，特别采用下述设置结构：所述第一级放大器为共射共基组态连接结构，且第一级放大器包括三极管M1和M2，在三极管M1的基极上连接有用于接收RF信号（RFin）的微带线TL1，并连接偏置电压Bias1，三极管M1的发射极上连接有微带线TL2，且微带线TL2接地；三极管M1的集电极与三极管M2的发射级相连接形成共射共基组态连接（共射共基级联），三极管M2的基极通过偏置电阻R1连接工作电源（工作偏置电源Vcas1），三极管M2的集电极通过串联微带线负载与电源相连接。

在设计时，第一级放大器结合级联电路所构成的结构采用放大管共射共基连接结构（三极管M1、M2），并做到了高增益和提高了级间反相隔离。由于当采用共射共基结构时，配置相比较共射级恶化了噪声系数（在毫米波波段三极管M2发射级的寄生电容形成的阻抗Z_Cpara比1/g_{m_M2}大），并且，三极管M1的寄生电容C_{bc_M1}连同C_{be_M2}也会引起信号泄漏到地。因此，为了减少上述两种效应，针对三极管M1和M2，皆采取基级两指结构（CBEBC），有效的降低了C_{bc_M1}、C_{be_M1}、C_{bc_M2}。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，进一步的为更好地实现本发明，为有效保障级间增益、带宽及线性度，如图2所示，特别采用下述设置结构：所述串联微带线负载包括相互串联的微带线TL3和微带线TL4，微带线TL3的非公接端与电源相连接，微带线TL4的非公接端与三极管M2的集电极相连接。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，进一步的为更好地实现本发明，能够实现第一级放大器与第二级放大器之间的级间良好匹配，如图2所示，特别采用下述设置结构：还包括与微带线TL3、微带线TL4共同构成级间匹配电路的电容C2，所述微带线TL3和微带线TL4的公接端与电容C2的第一端相连接，电容C2的第二端与第二级放大器相连接，电容C2亦为隔直电容。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，如图2所示，进一步的为更好地实现本发明，为提高线性度，特别采用下述设置结构：所述第二级放大器为共射组态连接结构，且第二级放大器包括三极管M3，三极管M3的基极与电容C2的第二端及偏置电源Bias2相连接，在三极管M3的发射极上连接有微带线TL5，且微带线TL5接地；在三极管M3的集电极上连接有微带线负载，且微带线负载的另一端与电源相连接，优选的微带线TL5的值为微带线TL2的两倍。

为便于提高线性度，第二级放大器选择共射结构。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，如图2所示，进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述微带线TL5亦为三极管M3的射级负反馈电路。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，如图2所示，进一步的为更好地实现本发明，能够构成第二级放大器的负载，特别采用下述设置结构：所述微带线负载包括相互串联的微带线TL6及微带线TL7，微带线TL6的非公接端与电源相连接，微带线TL7的非公接端与三极管M3的发射极相连接。

实施例8：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，如图2所示，进一步的为更好地实现本发明，能够构成整个电路的输出匹配，并将低噪声放大后的毫米波信号输送至后级电路，特别采用下述设置结构：所述微带线负载亦为输出匹配电路，且微带线负载的公共端输出低噪声放大后的毫米波信号（即输出RFout）。

实施例9：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步的优化，如图2所示，进一步的为更好地实现本发明，在实现带宽接收的同时，还能实现高的线性度，特别采用下述设置结构：所述微带线TL1和微带线TL2还构成输入匹配电路，且微带线TL2为三极管M1的射级负反馈电路。

在设计时，作为输入匹配的微带线TL1及微带线TL2采用如下配置方式：通过选择L_TL1 、L_TL2 及L_pad实现低的品质因数Q_network来达到宽带的匹配（第一级放大器的输入匹配到50Ω，当完全匹配时，定义其输入谐振网络的品质因数为Q_network），根据指标和实际电路性能，设置Q_network<1.5，此种配置不仅实现了宽带的接收，还能实现高的线性度。

实施例10：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，如图2所示，采用SiGe BiCMOS工艺，设计一款工作在77GHz并涵盖77~81GHz的毫米波低噪声放大器，共设计有两级放大器，并在两级放大器的基础上设置有由微带线实现的输入匹配、级间匹配、输出匹配电路。

其中，输入匹配电路由微带线TL1和作为M1的发射极负反馈电路的微带线TL2共同组成；两级放大器包括第一级放大器，第一级放大器首先由三极管M1做共射组态连接，三极管M1的基级连接微带线TL1接收RF信号，三极管M1的发射级接微带线TL2后连接到地；三极管M1的集电极接M2的发射级后形成共射共基级联，三极管M2的基级通过偏置电阻R1接工作电压Vcas1，三极管M2的发射级接微带线TL3、微带线TL4后连接到电源；微带线TL3、微带线TL4、电容C2连同作为第二级放大器的三极管M3的射级负反馈电路的微带线TL5一同实现两级放大器的级间匹配。

第二级放大器由三极管M3做共射组态连接，三极管M3的基级连接C2接收第一级放大器的放大信号，三极管M3的发射级接微带线TL5连接到地，三极管M3的集电极接微带线TL6、微带线TL7连接到电源；微带线TL6、微带线TL7组成输出匹配，向后级输出低噪声放大后的毫米波信号。

作为级间匹配的微带线TL3、微带线TL4在满足增益、带宽、线性度各条件下折衷选择；作为输出匹配的微带线TL6、微带线TL7按照50欧姆输出进行配置。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，如图3所示，采用SiGe BiCMOS工艺，设计一款工作在77GHz并涵盖77~81GHz的毫米波低噪声放大器，共设计有两级放大器，并在两级放大器的基础上设置有由微带线实现的输入匹配、级间匹配、输出匹配电路。

本实施例的具体电路采用0.18μm SiGeBicmos工艺设计。

在电路参数选择配置具体如下：

共射共基级两个NPN管（三极管M1、M2）均采用基级双指结构（CBEBC）来减少寄生效应，经过对噪声的优化其尺寸选择8*0.15μm²，作为共射级组态连接结构的三极管M3也采用基级双指结构（CBEBC）来减少寄生效应方便级间匹配和提高线性度，其尺寸选择为6.8*0.15μm²。

第一级射级负反馈（三极管M1的射级负反馈电路）的微带线TL2出于减少寄生电容的考虑设为75μm/35pH，第二级射级负反馈（三极管M3的射级负反馈电路）的微带线TL5出于线性度考虑设为135μm/70pH。

输入匹配的微带线TL1根据微带线TL2和三极管M1的设置进行配置，设为190μm/80pH。

第一级负载同时也是级间匹配的微带线TL3和微带线TL4分别设为70μm/40pH和238μm/155pH。

第二级负载同时也是输出匹配的微带线TL6和微带线TL7分别设为160μm/63pH和235μm/140pH。

此参数配置下，此电路可实现15dB的增益和6dB的噪声系数在77GHz，其3dB带宽覆盖77GHz~81GHz。通过此设计，可满足76~77GHz的长距汽车雷达应用和77GHz~81GHz的短距汽车雷达应用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：包括相互连接的采用SiGeBiCMOS工艺设置的两级放大器，所述两级放大器包括相互连接的第一级放大器和第二级放大器。

2.根据权利要求1所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述第一级放大器为共射共基组态连接结构，且第一级放大器包括三极管M1和M2，在三极管M1的基极上连接有微带线TL1，三极管M1的发射极上连接有微带线TL2，且微带线TL2接地；三极管M1的集电极与三极管M2的发射级相连接形成共射共基组态连接，三极管M2的基极通过偏置电阻R1连接工作电源，三极管M2的集电极通过串联微带线负载与电源相连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述串联微带线负载包括相互串联的微带线TL3和微带线TL4，微带线TL3的非公接端与电源相连接，微带线TL4的非公接端与三极管M2的集电极相连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：还包括与微带线TL3、微带线TL4共同构成级间匹配电路的电容C2，所述微带线TL3和微带线TL4的公接端与电容C2的第一端相连接，电容C2的第二端与第二级放大器相连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述第二级放大器为共射组态连接结构，且第二级放大器包括三极管M3，三极管M3的基极与电容C2的第二端相连接，在三极管M3的发射极上连接有微带线TL5，且微带线TL5接地；在三极管M3的集电极上连接有微带线负载，且微带线负载的另一端与电源相连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述微带线TL5亦为三极管M3的射级负反馈电路。

7.根据权利要求5所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述微带线负载包括相互串联的微带线TL6及微带线TL7，微带线TL6的非公接端与电源相连接，微带线TL7的非公接端与三极管M3的发射极相连接。

8.根据权利要求5或6或7所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述微带线负载亦为输出匹配电路，且微带线负载的公共端输出低噪声放大后的毫米波信号。

9.根据权利要求8所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述微带线TL1和微带线TL2还构成输入匹配电路，且微带线TL2为三极管M1的射级负反馈电路。

10.根据权利要求2-7任一项所述的一种用于77GHz汽车雷达的低噪声放大器，其特征在于：所述微带线TL1和微带线TL2还构成输入匹配电路，且微带线TL2为三极管M1的射级负反馈电路。