CN101350592A

CN101350592A - 超宽带低噪声放大器

Info

Publication number: CN101350592A
Application number: CNA2008100224045A
Authority: CN
Inventors: 汪小军; 黄风义; 王勇
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2009-01-21

Abstract

本发明公开了一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组成，其中放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一MOS管的栅极，第一输出端接第二MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与第二MOS管的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管、第三MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管、第四MOS管的源端。本发明结构简单、能耗低，能满足超宽带通信***在全频段内的功能要求。

Description

超宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路设计技术领域，特别是应用于超宽带通信***的一种超宽带低噪声放大器。

背景技术

目前，超宽带通信主要有两种方式，一种是基带窄脉冲形式，通过PPM等方式携带信息；另一种是带通调制载波形式，通过MB-OFDM，DS-UWB等调制方式携带信息。在这两种方案的通信***中，接收机都使用了宽带低噪声放大器(LNA)模块。

传统的CMOS宽带LNA的实现方式通常采用分布式和电阻并联负反馈结构。

下面分析这两种结构的特点。

(1)分布式放大器：此种放大器能提供很好的输入匹配，提供宽频范围内比较平坦的增益，以及较高的三阶交调点IIP₃。但因为需要高Q值的传输线，这就使得芯片面积加大，不利于降低成本；另外，由于CMOS晶体管的增益特性，分布式放大器不能达到很高的增益，其平均增益大约8dB左右。这在某些应用场合对接收UWB信号是不够的。而且分布式放大器也消耗过多的直流功耗，也不符合低功耗UWB***的要求。

(2)电阻并联负反馈放大器：此种放大器能提供宽带输入匹配，通过反馈来降低噪声系数。但是由于CMOS晶体管的低跨导，导致要消耗大的功耗去达到较高的单级环路增益，也无法适应低功耗UWB***的要求。而如采用多级放大来提高增益，则可能会引起稳定性问题。

在现有的UWB LNA技术，主要分为两种拓扑结构。

一种是采用一级放大结构，有两种方式。第一种方式是单端共源共栅并利用联峰化技术扩展带宽和提高增益，其电路的优点是在超宽带频段的低频段3.1GHz-5.2GHz增益能达到10dB左右，噪声系数在4dB左右，同时功耗也比较小，芯片面积较小，缺点是在高频段，该拓扑结构很难实现高增益与低噪声系数的相互折中；第二种方式是差分共源共栅结构，利用负反馈技术来展宽带宽提高增益，其电路的优点是在超宽带频段的低频段3.1GHz-5.2GHz增益平坦度小于1dB，最小噪声系数在3.5dB，功耗14.4mW；缺点增益小于10dB且在高频段，该拓扑结构很难实现高增益。

另一种采用两级结构，两极结构有两种方式。第一种方式是第一级用共栅结构来扩展带宽，第二级用共源共栅结构来提高增益其电路拓扑结构简单，增益也高于10dB，输入输出匹配较好，增益平坦度也较低，缺点是噪声系数相对比较大；第二种方式是两级都用共源共栅结构，利用负反馈技术来展宽带宽提高增益其优点是增益能达到很高，增益平坦度很低，噪声系数也较小，缺点是功耗很大。

所以如何设计一种宽带低噪声放大器，使噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有一定程度的提高，成为一个重要的开发课题。

在2006年9月13日公开的发明专利申请CN1832335A披露了一种CMOS超宽带低噪声放大器，其放大电路采用差分共源共栅放大结构由两个PMOS管和四个NMOS组成，在超宽带频段的低频段3.1GHz-5.2GHz有着较高的增益和较低的噪声系数，但使用了两个PMOS管分流，必然使***功耗增加，对于UWB***来说，这无法满足***低功耗的要求；同时其工作频段为低频段3.1GHz-5.2GHz，在高频段无法达到***高增益和低噪声系数的要求。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于：针对以上现有技术存在的缺点，设计一种在UWB的全频段内(3.1-10.6GHz)具有较好增益，噪声系数，输入输出匹配，功耗性能指标的超宽带低噪声放大器集成电路。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组成，所述放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一管的栅极，第一输出端接第二MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与第二MOS管的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管、第三MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管、第四MOS管的源端。

所述第一反馈电路由第一反馈电阻、第一反馈电容、第一反馈电感串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻、第二反馈电容、第二反馈电感串联组成。

有益效果：本发明放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，结构简单、能耗低，并且在UWB全频段内(3.1-10.6GHz)都具有较好的增益，噪声系数，输入输出匹配，功耗性能指标。

附图说明

下面结合附图对本实用新型具体实施方式进行详细说明。

图1：宽带LNA结构图；

图2：匹配级电路图；

图3：放大级电路图；

图4：本发明超宽带低噪声放大器整体电路图；

图5：示例S21和NF仿真结果图；

图6：示例S11和S22仿真结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种超宽带低噪声放大器，由匹配级1、放大级2、负载级3依次连接组成。

如图3所示，放大级2由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级2为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端Vim连接第一MOS管M1的栅极，第一输出端Vom接第二MOS管M2的漏极，第一MOS管M1的栅极与第二MOS管M2的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端Vip接第三MOS管M3的栅极，第二输出端Vop接第四MOS管M4的漏极，第三MOS管M3的栅极与第四MOS管M4的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管M1、第三MOS管M3的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管M2、第四MOS管M4的源端。

第一反馈电路由第一反馈电阻R_f1、第一反馈电容C_f1、第一反馈电感L_f1依次串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻R_f2、第二反馈电容C_f2、第二反馈电感L_f2依次串联组成。第一、第二反馈电阻R_f1、R_f2用来控制反馈到栅极的反馈量。第一、第二隔直电容C_f1、C_f2用来减小直流功耗，同时使交流信号反馈到栅极。第一、第二反馈电感L_f1、L_f2的作用是在放大器的高频段呈现一个很高的电抗，不允许电路在高频段有降低增益的负反馈。通过降低高频段的负反馈来扩展带宽，同时也提高了LNA在高频段的增益。

如图2所示，所述匹配级1为一个LC带通滤波器，用于展宽频带用。

如图4所示，所述负载级3为电感电阻串联电路，构成并联峰化负载，形成了一个零点，扩展了电路的带宽，同时运用并联峰化负载也补偿了电路的高频增益，提高了电路在整个工作带宽的增益平坦度。

同时为了测试的目的，输出端由4个MOS管构成源级跟随器，用来驱动50Ω的负载终端。

下面给出一个具体实现的例子。

Claims

1.一种超宽带低噪声放大器，由匹配级(1)、放大级(2)、负载级(3)依次连接组成，其特征在于所述放大级(2)由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级(2)为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端(Vim)连接第一MOS管(M1)的栅极，第一输出端(Vom)接第二MOS管(M2)的漏极，第一MOS管(M1)的栅极与第二MOS管(M2)的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端(Vip)接第三MOS管(M3)的栅极，第二输出端(Vop)接第四MOS管(M4)的漏极，第三MOS管(M3)的栅极与第四MOS管(M4)的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管(M1)、第三MOS管(M3)的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)的源端。

2.如权利要求1所述的一种超宽带低噪声放大器集成电路，其特征在于所述第一反馈电路由第一反馈电阻(R_f1)、第一反馈电容(C_f1)、第一反馈电感(L_f1)串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻(R_f2)、第二反馈电容(C_f2)、第二反馈电感(L_f2)串联组成。