CN106301237A - 低功耗三频带低噪声放大器 - Google Patents

低功耗三频带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低功耗三频带低噪声放大器，包括：带有源极电感和栅极电感的共源‑共栅拓扑结构的输入级，能够进行三频带信号放大的电路模块和采用三重电流复用技术的放大输出级，分别实现本发明低噪声放大器的输入阻抗匹配和低的噪声，在三个频带下产生高阻抗进而对三个频带信号进行放大和实现低功耗、高增益、输出阻抗匹配。本发明低噪声放大器，能够在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个频带下工作，增益S21分别为19.76dB、22.67dB和23.07dB，在2.5V的静态工作电压下，功耗仅为13.3mW。

Description

低功耗三频带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及射频集成电路领域，特别是涉及一种低功耗三频段低噪声放大器。
背景技术
随着无线通讯业务的不断发展，新的无线通讯标准不断被提出，因而，市场上出现了多个无线通信标准共存的局面。因此，用户希望无线通讯设备能够在多个频带下工作，来满足生活和工作的不同需要。
无线通讯设备对多频带信号的处理，主要是通过其无线接收机的多频带化来实现的。低噪声放大器位于无线接收机的前端，这就要求低噪声放大器应能够在多个频带下工作。当前，对多频带低噪声放大器的研究虽取得了一定的进展，但主要是针对双频带低噪声放大器进行的，随着无线通讯标准的不断增加，需要低噪声放大器能够在更多的通讯频带下工作。
另一方面，位于无线接收机前端的低噪声放大器，也存在着需要功耗不断减小的问题，以迎合射频集成电路向低功耗发展的趋势，因此，现行的低噪声放大器电路有待优化和改进。
因此，现有的多频带低噪声放大器存在着工作频带少，功耗需要减小的问题。当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新性的设计一种低噪声放大器能够在大于二频带的多频带下工作，且具有高的增益和低的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗三频带低噪声放大器。采用具有反向放大前馈支路的三频带高阻抗电路拓扑结构，同时采用三重电流复用技术的放大输出级，实现了低噪声放大器能够在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个频带下工作和对三频带信号进行多次放大，进而实现了三频带低噪声放大器的高增益和低功耗。
本发明采用如下技术方案：
发明的一种低功耗三频带低噪声放大器整体拓扑如图1所示，包括：带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，能够进行三频带信号放大的电路模块和采用三重电流复用技术的放大输出级。所述带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构输入级的第一端为低功耗三频带低噪声放大器的信号输入端，第二端与能够进行三频带信号放大的电路模块的第一端连接，所述能够进行三频带信号放大的电路模块位于该低功耗三频带低噪声放大器的输入级与输出级之间，所述采用三重电流复用技术的放大输出级的第一端与能够进行三频带信号放大的电路模块的第二端连接，采用三重电流复用技术的放大输出级的第二端为低功耗三频带低噪声放大器的信号输出端。
所述带有源极电感和栅极电感的共源-共栅结构拓扑的输入级，由栅极电感Lg、源极电感Ls1，电阻Rb1、Rb2，晶体管M1和M2而构成。其中M1的漏极连接M2的源极组成了共源-共栅拓扑结构，并且在M1的源极串联电感Ls1，在M1的栅极串联电感Lg，用于实现放大器的低噪声和输入阻抗匹配；所述能够进行三频带信号放大的电路模块，由电感L1、L2、L3、L4、L5，电容C1、C2、C3和C4，晶体管M3而构成。其中，L1的第二端连接L4的第一端，L1的第一端连接C1的第一端，C1的第二端连接L4的第二端，C1、L1和L4构成交流并联谐振回路，L2的第二端连接C2的第一端，L2与C2串联，L3的第二端连接C3的第一端，L3与C3串联，L2的第一端连接L3的第一端，C2的第二端连接C3的第二端，串联连接的L2-C2与串联连接的L3-C3并联构成两个陷波器，且L2的第一端与L3的第一端连接L1的第二端和L4的第一端，构成三频带高阻抗电路拓扑结构，旨在三个频带下产生高阻抗；C4的第一端连接L5的第二端，C4的第二端连接M3的栅极，构成反向放大前馈支路，L5的第一端同时连接L1的第一端和C1的第一端，使三频带高阻抗电路拓扑结构与反向放大前馈支路相结合，从而实现放大器能够在0.9GHz，2.0GHz和2.6GHz三个频带下信号的放大；所述采用三重电流复用技术的放大输出级，由晶体管M3、M4、M5，电感L6、L7、L8，电容C5、C6、C7、C8、C9而构成。其中，M3和M4构成两级共源放大拓扑结构，实现该放大器的高增益；M5为源跟随器，实现该放大器的输出阻抗匹配；C5、C6为耦合电容，C5连接在M5的栅极和M4的漏极之间，C6连接在M3的漏极和M4的栅极之间，为交流信号提供交流通路，C7、C8、C9为交流旁路电容，M5的源极连接C9，M3的源极连接C8，M4的源极连接C7，提供交流地，L7，L8为扼流电感，L7连接在M3的漏极与M4的源极之间，L8连接在M5的漏极与M3的源极之间，阻隔交流信号。利用耦合电容通交流以及扼流电感阻交流的性能，使整个放大结构仅有一条直流通路，实现了三重电流复用。这样，采用所述三重电流复用技术的放大输出级，实现了放大器的低功耗、高增益、输出阻抗匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提出的低功耗三频带低噪声放大器，分别采用了带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，能够进行三频带信号放大的电路模块和采用三重电流复用技术的放大输出级，分别实现了放大器的输入阻抗匹配和低噪声，在三个频带下产生高阻抗进而对三个频带信号进行放大和实现低功耗、高增益、输出阻抗匹配，使得本发明低噪声放大器拥有较好的综合性能。
附图说明
图1是本发明低功耗三频带低噪声放大器结构的整体框图；
图2是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的电路拓扑图；
图3是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的输入匹配与频率的关系图；
图4是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的输出匹配与频率的关系图；
图5是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的增益与频率的关系图；
图6是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的噪声与频率的关系图；
图7是本发明低功耗三频带低噪声放大器实施例的稳定因子与频率的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
图2是本发明低功耗三频带低噪声放大器的实施例电路拓扑图。包括：带源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，能够进行三频带信号放大的电路模块，采用三重电流复用技术的放大输出级。
优选的，所述带源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，由第一MOS晶体管(M1)，第二MOS晶体管(M2)，输入匹配栅极电感(Lg)，源极电感(Ls1)，第一偏置电阻(Rb1)，第二偏置电阻(Rb2)构成。具体的实施方式为：输入匹配栅极电感(Lg)的第一端是带源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入端，也是整个低功耗三频带低噪声放大器的输入端，输入匹配电感(Lg)的第二端连接第一MOS晶体管(M1)的栅极，同时连接第一偏置电阻(Rb1)的第一端；第一偏置电阻(Rb1)的第二端连接第一偏置电源(Vb1)，为第一MOS晶体管(M1)提供偏置电压；源极电感(Ls1)的第一端连接第一MOS晶体管(M1)的源极，源极电感(Ls1)的第二端与地连接；第一MOS晶体管(M1)的漏极连接第二MOS晶体管(M2)的源极，第二偏置电阻(Rb2)的第一端连接第二MOS晶体管(M2)的栅极，第二偏置电阻(Rb2)的第二端连接第二偏置电源(Vb2)，为第二MOS晶体管(M2)提供偏置电压；第二MOS晶体管(M2)的漏极作为带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输出端。该实施例中，第一MOS晶体管(M1)与第二MOS晶体管(M2)级联构成共源-共栅拓扑结构，并在第一MOS晶体管(M1)的源极级联源极电感(Ls1)，在第一MOS晶体管(M1)的栅极串联输入匹配电感(Lg)，实现低功耗三频带低噪声放大器输入阻抗匹配和低的噪声。
优选的，所述能够进行三频带信号放大的电路模块，由第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)，第五电感(L5)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第三MOS晶体管(M3)构成。具体的实施方式为：第一电感(L1)的第一端连接第五电感(L5)的第一端，同时连接第一电容(C1)的第一端，即图2所示的A点，作为能够进行三频带信号放大的电路模块的输入端，第一电感(L1)的第二端连接第四电感(L4)的第一端，同时连接第二电感(L2)的第一端与第三电感(L3)的第一端，第一电容(C1)的第二端与第四电感(L4)的第二端同时连接到2.5V的直流偏置电压上，第二电感(L2)的第二端连接第二电容(C2)的第一端，第三电感(L3)第二端连接第三电容(C3)的第一端。第二电容(C2)的第二端与第三电容(C3)的第二端同时连接到第三MOS晶体管(M3)的漏极，即图2所示的B点，作为能够进行三频带信号放大的电路模块的输出端，第四电容(C4)的第一端连接第五电感(L5)的第二端，第四电容(C4)的第二端连接第三MOS晶体管(M3)的栅极。该实施例中，第一电容(C1)、第一电感(L1)与第四电感(L4)构成交流并联谐振回路，第二电感(L2)与第二电容(C2)串联，第三电感(L3)与第三电容(C3)串联，串联连接的第二电感(L2)-第二电容(C2)与串联连接的第三电感(L3)-第三电容(C3)并联，构成了两个陷波器，第一电感(L1)的第二端连接第四电感(L4)的第一端，同时连接第二电感(L2)的第一端与第三电感(L3)的第一端，使两个并联的陷波器与交流并联谐振回路相结合，构成三频带高阻抗电路拓扑结构；第四电容(C4)的第一端连接第五电感(L5)的第二端，第五电感(L5)与第四电容(C4)串联，第四电容(C4)的第二端连接第三MOS晶体管(M3)的栅极，构成了反向放大前馈支路。在能够进行三频带放大的电路模块中，在如图2所示的A点，包含三个通带信号和两个阻带信号。三频带高阻抗电路拓扑结构对三个通带信号显示为高阻抗性能，对这两个带阻信号显示为低阻抗性能。因此，较多的两个阻带信号会进入三频带高阻抗电路拓扑结构从而前馈到B点；三个通带信号以及较少的两个阻带信号进入反向放大前馈支路，通过第三MOS晶体管(M3)进行放大。经过第三晶体管(M3)放大后的阻带信号和经过三频带高阻抗电路的阻带信号，将在B点汇聚并且相互抵消，从而在B点只剩下经过放大后的三个频带的通带信号，实现了低噪声放大器对0.9GHz，2.0GHz和2.6GHz三个频带下信号的放大。
优选的，所述采用三重电流复用技术的放大输出级电路，由第三MOS晶体管(M3)，第四MOS晶体管(M4)，第五MOS晶体管(M5)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第七电容(C7)，第八电容(C8)，第九电容(C9)，第六电感(L6)，第七电感(L7)，第八电感(L8)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第四电阻(R4)，第三偏置电阻(Rb3)构成。具体的实施方式为：第三MOS晶体管(M3)的源极连接第八电容(C8)的第一端，同时连接第八电感(L8)的第一端，第八电容(C8)的第二端接地，第三MOS晶体管(M3)的漏极连接第七电感(L7)的第一端，同时连接第六电容(C6)的第一端，第七电感(L7)的第二端连接第四MOS晶体管(M4)的源极，同时连接第七电容(C7)的第一端，第七电容(C7)的第二端接地，第四MOS晶体管(M4)的栅极连接第六电容(C6)的第二端，同时连接第一电阻(R1)的第一端，第四MOS晶体管(M4)的漏极连接第二电阻(R2)的第一端，同时连接第五电容(C5)的第一端，第二电阻(R2)的第二端连接第六电感(L6)的第一端，第一电阻(R1)的第二端和第六电感(L6)的第二端同时连接一个2.5V的直流偏置电压。第五MOS晶体管(M5)的漏极连接第八电感(L8)的第二端，第五MOS晶体管(M5)的栅极连接第五电容(C5)的第二端，同时连接第三偏置电阻(Rb3)的第一端，第五MOS晶体管(M5)的源极连接第九电容(C9)的第一端，同时连接第四电阻(R4)的第一端，第三偏置电阻(Rb3)的第二端连接第三偏置电压(Vb3)，为第五晶体管(M5)提供偏置电压，第四电阻(R4)的第二端接地，第九电容(C9)的第二端作为采用三重电流复用技术的放大输出级的输出端，同时也是整个低功耗三频带低噪声放大器的输出端。该实施例中，第三MOS晶体管(M3)和第四MOS晶体管(M4)构成两级共源放大拓扑结构，实现该放大器的高增益；第五MOS晶体管(M5)为源跟随器，实现该放大器的输出阻抗匹配；第五电容(C5)和第六电容(C6)为耦合电容，第五MOS晶体管(M5)的栅极与第四MOS晶体管(M4)的漏极之间连接第五电容(C5)，第三MOS晶体管(M3)的漏极与第四MOS晶体管(M4)的栅极之间连接第六电容(C6)，为交流信号提供交流通路，第七电容(C7)，第八电容(C8)和第九电容(C9)为交流旁路电容，第五MOS晶体管(M5)的源极连接第九电容(C9)，第三MOS晶体管(M3)的源极连接第八电容(C8)，第四MOS晶体管(M4)的源极连接第七电容(C7)，提供交流地，第七电感(L7)和第八电感(L8)为扼流电感，第七电感(L7)连接在第三MOS晶体管(M3)的漏极与第四MOS晶体管(M4)的源极之间，第八电感(L8)连接在第五MOS晶体管(M5)的漏极与第三MOS晶体管(M3)的源极之间，阻隔交流信号；利用耦合电容通交流以及扼流电感阻交流的性能，使整个放大结构仅有一条直流通路，实现了三重电流复用。这样，所述采用三重电流复用技术的放大输出级实现了该低功耗三频带低噪声放大器低功耗、高增益和输出阻抗匹配。
图3是本发明低功耗三频带低噪声放大器的输入匹配和频率的关系。可以看出，在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个工作频带下，输入反射系数S11分别为-15.17dB、-13.62dB和-15.58dB，表明本发明低功耗三频带低噪声放大器在这三个工作频带下均具有良好的输入阻抗匹配。
图4是本发明低功耗三频带低噪声放大器的输出匹配和频率的关系。可以看出，在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个工作频带下，输出反射系数S22分别为-20.61dB、-32.85dB和-29.48dB；表明本发明低功耗三频带低噪声放大器在相应的三个工作频带具有良好的输出阻抗匹配。
图5是本发明低功耗三频带低噪声放大器的增益与频率的关系。可以看出，本发明低功耗三频带放大器，在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个工作频带下，增益S21分别为19.76dB、22.67dB和23.07dB；表明该发明具有较高的增益。其中高频增益大于低频增益，对高频带信号进行了补偿，使本发明低功耗三频带低噪声放大器更加稳定。
图6是本发明低功耗三频带低噪声放大器的噪声与频率的关系。可以看出，本发明低功耗三频带放大器，在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个工作频带下，噪声NF分别为2.57dB、2.89dB和3.53dB，噪声性能良好。
图7是本发明低功耗三频带低噪声放大器的稳定因子与频率的关系。可以看出，在0.9GHz、2.0GHz和2.6GHz三个工作频带下，稳定因子μ分别8.62、10.25、8.99，在工作频带内均大于1，表明该低功耗三频带低噪声放大器无条件稳定。

Claims (2)

1.一种低功耗三频带低噪声放大器，其特征在于，包括：带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，能够进行三频带信号放大的电路模块，采用三重电流复用技术的放大输出级；所述带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构输入级的第一端为低功耗三频带低噪声放大器的信号输入端，第二端与能够进行三频带信号放大的电路模块的第一端连接，所述能够进行三频带信号放大的电路模块位于该低功耗三频带低噪声放大器的输入级与输出级之间，所述采用三重电流复用技术的放大输出级的第一端与能够进行三频带信号放大的电路模块的第二端连接，采用三重电流复用技术的放大输出级的第二端为低功耗三频带低噪声放大器的信号输出端。
2.如权利要求1所述的低功耗三频带低噪声放大器，其特征在于，所述带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的输入级，由栅极电感Lg、源极电感Ls1，电阻Rb1、电阻Rb2，晶体管M1和M2而构成；其中，Lg的第一端是带电感Ls1和电感Lg的共源-共栅拓扑结构的第一端，也是整个低功耗三频带低噪声放大器的输入端，Lg的第二端连接M1的栅极，同时连接Rb1的第一端，Rb1的第二端连接Vb1，为M1提供偏置电压，Ls1的第一端连接M1的源极，Ls1的第二端与地连接，M1的漏极连接M2的源极，Rb2的第一端连接M2的栅极，第二端连接Vb2，为M2提供偏置电压，M2的漏极是带有源极电感和栅极电感的共源-共栅拓扑结构的第二端；上述放大器的输入级电路拓扑实现了放大器的低噪声和输入阻抗匹配；所述能进行三频带信号放大的电路模块，由电感L1、L2、L3、L4、L5，电容C1、C2、C3和C4，晶体管M3而构成；其中，L1的第一端连接C1的第一端，作为能够进行三频带信号放大的电路模块的第一端，L1的第二端连接L4的第一端，同时连接L2的第一端与L3的第一端，C1的第二端与L4的第二端同时连接到2.5V的直流偏置电压上，L2的第二端连接C2的第一端，L3第二端连接C3的第一端，C2的第二端连接C3的第二端，C2的第二端与C3的第二端同时连接M3的漏极，构成了三频带高阻抗电路拓扑结构，实现了三个频带下的高阻抗；C4的第一端连接L5的第二端，C4的第二端连接M3的栅极，构成反向放大前馈支路，L5的第一端同时连接L1的第一端与C1的第一端，将三频带高阻抗电路拓扑结构与反向放大前馈支路相结合；所述采用三重电流复用技术的放大输出级，由晶体管M3、M4、M5，电感L6、L7、L8，电容C5、C6、C7、C8、C9而构成；其中，M3的源极连接C8的第一端，同时连接L8的第一端，C8的另一端接地，M3的漏极连接L7的第一端，同时连接C6的第一端，L7的第二端连接M4的源极，同时连接C7的第一端，C7的第二端接地，M4的栅极连接C6的第二端，同时连接R1的第一端，M4的漏极连接R2的第一端，同时连接C5的第一端，R2的第二端连接L6的第一端，R1的第二端和L6的第二端同时连接一个2.5V的直流偏置电压；M5的漏极连接L8的第二端，栅极连接C5的第二端，C5的第二端连接Rb3的第一端，Rb3的第二端连接Vb3，为M5提供偏置电压，M5的源极连接C9的第一端，同时连接R4的第一端，R4的第二端接地，C9的第二端作为采用三重电流复用技术的放大输出级的第二端，同时也是整个低功耗三频带低噪声放大器的输出端。
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