低噪聲放大電路的制作方法

本發明涉及電子電路技術領域，特別是涉及低噪聲放大電路。

背景技術：

Ka波段寬帶衛星的運用將會成為未來衛星寬帶通信的行業趨勢。Ka波段主要是26.5～40GHz，這大大提高了通信的帶寬。一系列的配套設備和組件對于整個通信網絡的構建具有至關重要的作用。其中，對于地面小站來說，收發機是構建地面小站的關鍵部件。在用于衛星廣播的應用中，收發機的下變頻模塊(low noise block，LNB)是接收信號的最關鍵模塊。下變頻模塊接收從衛星發射的微弱信號，下變頻模塊對其進行放大以及下變頻為中頻信號，再經過調制解調器進行后續處理。

由于接收機系統噪聲系數主要由低噪聲放大器決定，因此設計一款增益合理、噪聲低、性能可靠穩定、大動態范圍的放大器在接收前端的設計中顯得尤為重要。傳統的低噪聲放大電路是由多個復雜的電子元器件構成，其成本高、占用PCB板的面積大。

技術實現要素：

基于此，有必要針對電路結構復雜、成本高、占用PCB板面積大的問題，提供一種低噪聲放大電路。

一種低噪聲放大電路，包括級聯的多級低噪聲放大器、對每一級所述低噪聲放大器進行偏置的第一偏置單元或第二偏置單元，其中，

對多級所述低噪聲放大器中前級低噪聲放大器進行偏置的為所述第一偏置單元，對多級所述低噪聲放大器中后級低噪聲放大器進行偏置的為所述第二偏置單元，其中，所述前級低噪聲放大器至少包括第一級低噪聲放大器，所述后級低噪聲放大器至少包括最后一級低噪聲放大器，所述第二偏置單元還用于對所述第一偏置單元提供偏置電壓；或

對多級所述低噪聲放大器中每一級所述低噪聲放大器進行偏置的均為所述第一偏置單元。

在其中一個實施例中，所述第一偏置單元包括第一三極管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻和第五電阻；

所述第一三極管的基極分別與所述第一電阻、第二電阻連接，所述第一電阻的另一端接地，所述第二電阻的另一端與正電壓供電端連接；所述第一三極管的集電極經所述第三電阻、第四電阻與負電壓供電端連接；所述第一三極管的發射極經所述第五電阻與所述正電壓供電端連接；

所述低噪聲放大器為晶體管放大器，所述晶體管放大器的源極接地；所述晶體管放大器的柵極與所述第三電阻、第四電阻的公共點連接；所晶體管放大器的漏極與所述第一三極管的發射極連接。

在其中一個實施例中，所述第一偏置單元第二三極管；所述第二三極管的發射極經所述第二電阻與所述正電壓供電端連接，所述第二三極管的集電極與所述第二三極管的基極連接；所述第二三極管的基極分別與所述第一電阻、第一三極管的基極連接。

在其中一個實施例中，所述第二偏置單元為直流偏置芯片；

所述直流偏置芯片包括多組對應設置的柵極偏置引腳和漏極偏置引腳；其中，所述柵極偏置引腳為所述晶體管放大器的柵極提供正電壓、所述漏極偏置引腳為所述晶體管放大器的漏極提供負電壓；以及

還包括為所述第一偏置單元提供電壓的正電壓輸出端和負電壓輸出端。

在其中一個實施例中，所述低噪聲放大電路中包括三級級聯的第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器、第三級晶體管放大器。

在其中一個實施例中，對所述第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器分別進行偏置的均為所述第一偏置單元；對所述第三級晶體管放大器進行偏置的為第二偏置單元；

其中，所述第二偏置單元的正電壓輸出端分別與所述第一偏置單元中的第五電阻連接；所述第二偏置單元的負電壓輸出端分別與所述第一偏置單元中的第四電阻連接；

所述第二偏置單元任意一組中的所述柵極偏置引腳、漏極偏置引腳分別對應與所述第三級晶體管放大器的柵極、漏極連接。

在其中一個實施例中，所述低噪聲放大電路包括對所述第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器同時進行偏置的PNP型通用雙晶體管；以及對所述第三級晶體管放大器進行偏置的為第二偏置單元；

其中，所述第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器的柵極分別與PNP型通用雙晶體管的集電極連接；所述第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器的漏極分別與所述PNP型通用雙晶體管的發射極連接；所述第一級晶體管放大器、第二級晶體管放大器的源極接地；

所述第二偏置單元的正電壓輸出端與所述PNP型通用雙晶體管的發射極連接；所述第二偏置單元的負電壓輸出端與所述PNP型通用雙晶體管的集電極連接；

所述第二偏置單元任意一組中的所述柵極偏置引腳、漏極偏置引腳分別對應與所述第三晶體管放大器的柵極、漏極連接。

在其中一個實施例中，對三級所述低噪聲放大器中每一級所述低噪聲放大器進行偏置的均為所述第一偏置單元；

所述第一偏置單元中的第一三極管的發射極均加載正電壓，第一三極管的集電極均加載負電壓。

在其中一個實施例中，對所述第一級晶體管放大器進行偏置的為所述第一偏置單元；對所述第二級晶體管放大器、第三級晶體管放大器同時進行偏置的為第二偏置單元；

所述第二偏置單元的正電壓輸出端與所述第一偏置單元中的第五電阻連接；所述第二偏置單元的負電壓輸出端與所述第一偏置單元中的第四電阻連接；

所述第二偏置單元中第一組所述柵極偏置引腳、所述漏極偏置引腳分別對應與所述第二級晶體管放大器的柵極、漏極連接；所述第二偏置單元中第二組所述柵極偏置引腳、所述漏極偏置引腳分別對應與所述第三級晶體管放大器的柵極、漏極連接。

在其中一個實施例中，還包括多個隔直電容，所述隔直電容串接于相鄰兩級所述低噪聲放大器之間。

上述低噪聲放大電路，包括級聯的多級低噪聲放大器、對每一級所述低噪聲放大器進行偏置的第一偏置單元或第二偏置單元，其中，對多級所述低噪聲放大器中前級低噪聲放大器進行偏置的為所述第一偏置單元，對多級所述低噪聲放大器中后級低噪聲放大器進行偏置的為所述第二偏置單元，所述第二偏置單元還用于對所述第一偏置單元提供偏置電壓；或對多級所述低噪聲放大器中每一級所述低噪聲放大器進行偏置的均為所述第一偏置單元。該低噪聲放大電路中的多級低噪聲放大器僅需要一種或兩種偏置單元為其進行偏置，就能使各級低噪聲放大器處于最佳的工作狀態，其結構簡單、成本低，同時也節約了PCB板的使用面積。

附圖說明

圖1為一實施例低噪聲放大電路的結構框架圖；

圖2為一實施例中第一偏置單元的電路圖；

圖3為另一實施例中第一偏置單元的電路圖；

圖4為一實施例中直流偏置芯片管腳排布圖；

圖5為一實施例中晶體管放大器的漏極電流-漏極電壓特性曲線圖；

圖6為一實施例中低噪聲放大電路的電路圖之一；

圖7為一實施例中低噪聲放大電路的電路圖之二；

圖8為一實施例中低噪聲放大電路的電路圖之三；

圖9為一實施例中低噪聲放大電路的電路圖之四。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對發明進行更全面的描述。附圖中給出了發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

一種低噪聲放大電路，對接收或將要發送的信號進行放大處理，使其該電路中的總噪聲系數小、功率增益高，其低噪聲放大電路可以用在Ka波段、Ku波段、X波段中的收發系統中等。

如圖1所示的為低噪聲放大電路的結構框架圖，其中，低噪聲放大電路包括級聯的多級低噪聲放大器(M1、M2、…、Mn)以及對每一級低噪聲放大器進行偏置的第一偏置單元110或第二偏置單元120。

對多級低噪聲放大器(M1、M2、…、Mn)中前級低噪聲放大器進行偏置的為第一偏置單元110，對多級低噪聲放大器(M1、M2、…、Mn)中后級低噪聲放大器進行偏置的為第二偏置單元120，其中，前級低噪聲放大器至少包括第一級低噪聲放大器M1，后級低噪聲放大器至少包括最后一級低噪聲放大器Mn。第二偏置單元120還用于對第一偏置單元110提供偏置電壓。或對多級低噪聲放大器(M1、M2、…、Mn)中每一級低噪聲放大器進行偏置的均為第一偏置單元110。

在本實施例中，低噪聲放大電路應用在收發機的下變頻模塊(Low Noise Block，LNB)中，通過多級低噪放大器(M1、M2、…、Mn)將接收的Ka波段高頻信號放大。其中，低噪聲放大器為晶體管放大器，其晶體管放大器采用高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)對高頻信號進行放大處理。在其他實施例中，晶體管放大器還可以為異質結雙極型晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)、贗晶型高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，pHEMT)、金屬-半導體場效應晶體管(Metal-Semiconductor FET)或結型場效應晶體管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)。

通過多級晶體管放大器(M1、M2、…、Mn)對高頻信號進行放大，同時每一級晶體管放大器均設有對應的第一偏置單元110或第二偏置單元120，對晶體管放大器進行偏置，使晶體管放大器處于最佳的工作狀態，即漏極電壓以及漏極電流工作在最佳狀態。同時，第二偏置單元120還可以為第一偏置單元110提供偏置電壓，電路設計簡單、節省了設計成本以及物料成本，同時又節省了PCB的面積。

其中，噪聲系數是低噪聲放大器的最重要的參數，多級級聯低噪聲放大器的噪聲系數公式可以為：

NF＝NF₁+(NF₂-1)/G₁+(NF₃-1)/(G₁*G₂)+…

其中，NF_n為第n級低噪聲放大器的噪聲系數(Noise Figure，NF)，G_n為第n級低噪聲放大器的增益，從上述公式可以看出，第一級低噪聲放大器的噪聲及其關鍵。可見為了使接收機的總噪聲系數小，要求各級低噪聲放大器的噪聲系數小，功率增益高；而各級內部噪聲的影響各不相同，級數越靠前，對總噪聲系數的影響最大，所以總噪聲系數主要取決于最前面幾級，這就是接收機要采用高增益低噪聲放大器的主要原因。

如圖2所示的為一實施例中第一偏置單元的電路圖。第一偏置單元110包括第一三極管Q1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4和第五電阻R5。第一三極管Q1的基極分別與第一電阻R1、第二電阻R2連接，第一電阻R1的另一端接地，第二電阻R2的另一端與正電壓供電端V_OUT連接；第一三極管Q1的集電極經第三電阻R3、第四電阻R4與負電壓供電端V_NEG連接；第一三極管Q1的發射極經第五電阻R5與正電壓供電端V_OUT連接。晶體管放大器M1的源極接地；晶體管放大器M1的柵極與第三電阻R3、第四電阻R4的公共點連接；晶體管放大器M1的漏極與第一三極管Q1的發射極連接。

通過第一偏置單元110中的第一三極管Q1和電阻，能夠為晶體管放大器M1提供需要的正壓偏置電壓和負壓偏置電壓，使晶體管放大器M1工作在漏極電壓V_DS＝2V，I_DS＝10mA的最佳工作條件。同時，第一偏置單元110還起到了穩定電流的作用，使晶體管放大器M1獲得穩定的直流狀態。若晶體管放大器M1的電流因受溫度變化的影響而上升時，使得第一三極管Q1的發射極電流變小，于是，第一三極管Q1集電極電流也隨之變小。進而使得連接負電壓供電端的第一三極管集電極Q1的電壓也降低，即降低了晶體管放大器M1的柵極電壓，使得晶體管放大器M1的源漏電流I_DS降低，從而起到了負反饋的作用，使得晶體管放大器M1獲得穩定的直流狀態。

如圖3所示的為另一實施例中第一偏置單元的電路圖。第一偏置單元110還包括第二三極管Q2；第二三極管Q2的發射極經第二電阻R2與正電壓供電端V_OUT連接，第二三極管Q2的集電極與第二三極管Q2的基極連接；第二三極管Q2的基極分別與第一電阻R1、第一三極管Q1的基極連接。同時設置第二三極管Q2也是起到溫度補償和穩定工作點的作用。

在一實施例中，第一偏置單元110還包括第六電阻R6和第七電阻R7。第七電阻R7串接于第一三極管Q1的發射極與晶體管放大器M1的漏極之間，第六電阻R6串接于第三電阻R3、第四電阻R4的公共點與晶體管放大器M1的柵極之間。在本實施例中，第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7均為可調電阻，可用于調節晶體管放大器的輸出的電流值。

在本實施例中，第一三極管Q1、第二三極管均為為PNP型三極管，也可以為NPN型第一三極管，采用的為PNP型第一三極管。在其他實施例中，可根據實際需求，第一三極管Q1、第二三極管均為NPN型三極管，也還可以用MOS管來替代。

由于晶體管放大器M1的源極接地，第一三極管Q1的發射極經第五電阻R5與正電壓供電端V_OUT連接，其中，正電壓供電端V_OUT為5伏的正電壓供電端，在本實施例中，由第二偏置單元120的正電壓輸出端為正電壓供電端V_OUT提供5伏電壓。5伏電壓經與地的第一電阻R1、第二電阻R2進行分壓，分壓至第一三極管Q1的基極，為第一三極管Q1的基極偏置。同時，晶體管放大器M1的漏極經過第七電阻R7與第一三極管Q1的發射極連接，獲得正壓偏置電壓，晶體管放大器M1的柵極經第六電阻R6、第四電阻R4與負電壓供電端V_ENG連接，在本實施例中，由第二偏置單元120的負電壓輸出端為負電壓供電端V_ENG提供-2.5伏電壓，獲得負壓偏置電壓。在其他實施例中，第一偏置單元110中的正電壓供電端以及負電壓供電端的電壓還可以通過直流電源來供電，并不限于此。

第二偏置單元120為直流偏置芯片U1，參考圖4，直流偏置芯片U1包括多組對應設置的柵極偏置引腳和漏極偏置引腳以及為第一偏置單元110提供電壓的正電壓輸出端V_OUT和負電壓輸出端V_ENG。其中，漏極偏置引腳D為晶體管放大器的柵極提供正電壓、柵極偏置引腳G為晶體管放大器的漏極提供負電壓。在本實施例中，直流偏置芯片U1包括四組對應設置的柵極偏置引腳(G1、G2、G3、G4)和漏極偏置引腳(D1、D2、D3、D4)，還有一組為第一偏置單元110提供電壓的正電壓輸出端V_OUT和負電壓輸出端V_ENG。由于工作在Ka波段的晶體管放大器的漏極電壓為2V，柵極一般為負。在本實施例中，直流偏置芯片U1的漏極偏置引腳D輸出的正電壓為2伏，柵極偏置引腳G的負電壓為-0.6伏。

如圖5所示的為晶體管放大器的漏極電流-漏極電壓特性圖，由于每一種晶體管放大器的有著不同的特性曲線，在本實施例中，當晶體管放大器的源極接地、漏極電壓為2伏、元漏極電流為10mA時，在此工作條件下的晶體管放大器的柵極電壓為-0.6伏。在其他實施例中，可以根據晶體管放大器的實際工作條件，來設定直流偏置電壓的具體數值。

在本實施例中，用于衛星信號接收的下變頻模塊采用三級晶體管放大器進行放大，參考圖6，包括三級級聯的第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2、第三級晶體管放大器M3。其中，還包括多個隔直電容(C1、C2)，隔直電容串接于相鄰兩級晶體管放大器之間。每一級晶體管放大器之間通過隔直電容(C1、C2)進行級聯，使得每一級的晶體管放大器直流偏置互不影響。

為了使接收機的總噪聲系數小，其第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2的噪聲系數對接收機的總噪聲系數影響較大，參考圖5，對第一級晶體管放大器M1進行偏置的為第一偏置單元110、第一偏置單元110’對第二級晶體管放大器M2進行偏置的為第一偏置單元110’。對第三級晶體管放大器M3進行偏置的為第二偏置單元U1。

其中，第二偏置單元U1的正電壓輸出端V_OUT均與第一偏置單元(110、110’)中的第五電阻R5連接；第二偏置單元U1的負電壓輸出端V_NEG均與第一偏置單元(110、110’)中的第四電阻R4連接。第一級晶體管放大器M1的漏極經第一隔直電容C1與第二級晶體管放大器M2的柵極連接。第二偏置單元U1任意一組中柵極偏置引腳G、漏極偏置引腳D分別對應與第三晶體管放大器M3的柵極、漏極連接。在本實施例中，第二偏置單元U1中的柵極偏置引腳G3與第三級晶體管放大器M3的柵極連接，漏極偏置引腳D3與第三級晶體管放大器M3的漏極連接。第二級晶體管放大器M2的漏極經第二隔直電容C2與第三級晶體管放大器M3的柵極連接。第三級晶體管放大器M3的漏極輸出放大的高頻信號給其他設備(濾波器等)。

第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2均采用相同的有源直流偏置，通過第一三極管Q1對晶體管放大器進行直流偏置，能夠保證第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2的最佳直流工作狀態，同時還具有一定的溫度穩定性。第三級晶體管放大器M3采用直流偏置芯片U1進行偏置，直流偏置芯片U1直接輸出第三級晶體管放大器M3所需的柵極和漏極偏置電壓，同時還能夠為第一三極管Q1提供正電壓和負電壓，在滿足第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2噪聲系數性能較佳的同時，簡化了電路設計，降低了PCB面積以及成本。

在其中一實施例中，低噪聲放大電路包括對第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2同時進行偏置的PNP型通用雙晶體管U2；以及對第三級晶體管放大器M3進行偏置的為第二偏置單元U1。

其中，第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器的柵極M2分別與所述PNP型通用雙晶體管U2的集電極連接；第一級晶體管放大器M1、第二晶體管放大器M2的漏極分別與PNP型通用雙晶體管U2的發射極連接；第一級晶體管放大器M1、第二級晶體管放大器M2的源極接地。第二偏置單元U1的正電壓輸出端與PNP型通用雙晶體管U2發射極連接；第二偏置單元U1的負電壓輸出端與PNP型通用雙晶體管U2的集電極連接。第二偏置單元U1任意一組中的柵極偏置引腳G、漏極偏置引腳D分別對應與第三晶體管放大器M3的柵極、漏極連接。也即，可以將對第一級晶體管放大器M1進行偏置的第一偏置單元110、第二級晶體管放大器M2進行偏置第一偏置單元110’中的兩個第一三極管(Q1、Q1’)可以集成在一起，形成一個元器件，參考圖7，其集成的元器件可以采用一個PNP型通用雙晶體管(NXP/PUMT1)來替換，簡化了電子元器件的使用，同時也減小了PCB板的使用面積。

在其中一實施例中，參考圖8，對三級低噪聲放大器中每一級低噪聲放大器進行偏置的均為第一偏置單元110，也即，三個第一偏置單元(110、110’、110”)分別對應對三級晶體管放大器(M1、M2、M3)進行偏置。三個第一偏置單元(110、110’、110”)中的第一三極管(Q1、Q1’、Q1”)的發射極均加載正電壓，第一三極管(Q1、Q1’、Q1”)的集電極均加載負電壓。對三級晶體管放大器(M1、M2、M3)均采用三個分離的第一三極管(Q1、Q1’、Q1”)來進行偏置，可以提供給三級晶體管放大器(M1、M2、M3)最佳的直流工作狀態，同時還具有一定的溫度穩定性，是接收機的總噪聲系數小、功率增益高。其中，三個第一偏置單元(110、110’、110”)中，任意相鄰的兩個第一三極管均可以用通用雙第一三極管(NXP/PUMT1)來替換。

在其中一實施例中，參考圖9，對第一級晶體管放大器M1進行偏置的為第一偏置單元110；對第二級晶體管放大器M2、第三級晶體管放大器M3同時進行偏置的為第二偏置單元U1。

其中，第二偏置單元U1的正電壓輸出端V_OUT與第一偏置單元110中的第五電阻R5連接；第二偏置單元U1的負電壓輸出端V_NEG與第一偏置單元110中的第四電阻R4連接。第二偏置單元U1中第一組中柵極偏置引腳G2、漏極偏置引腳D2分別對應與第二級晶體管放大器M2的柵極、漏極連接；第二偏置單元U1中第二組中柵極偏置引腳G3、漏極偏置引腳D3分別對應與第三級晶體管放大器M3的柵極、漏極連接。在另一實施例中，也可以使用第二偏置單元U1對同時對三級級聯的晶體管放大器(M1、M2、M3)進行偏置，第二偏置單元U1提供的柵極偏置電壓、漏極偏置單元需滿足實際需求。通過合理的設置第一三極管和直流偏置芯片U1對三級晶體管放大器進行偏置，可以減小PCB板上電子元器件的使用量，簡化了電路設計，降低了PCB板的面積及成本。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。