CN106374843A - 一种低功耗的高增益低噪声放大器及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低功耗的高增益低噪声放大器及运行方法，所述放大器包括偏置电路、输入匹配电路、信号放大电路和输出匹配电路，输入匹配电路输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；信号放大电路对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；输出匹配电路对放大后的信号进行二次阻抗匹配，输出二次阻抗匹配后的射频信号；偏置电路向输入匹配电路提供偏置电压，并对放大后的信号进行增益。相对现有技术，本发明节约了偏置电路的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益。

Description

一种低功耗的高增益低噪声放大器及运行方法
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其涉及一种低功耗的高增益低噪声放大器及运行方法。
背景技术
低噪声放大器位于接收机前端，是接收机中的第一级有源电路，需要把来自天线的信号进行放大，抑制各种噪声干扰，提高***灵敏度。评价一个低噪声放大器的性能好坏，主要看它是否有足够低的噪声系数(NF)、良好的匹配性能和稳定性等。
然而，现有技术的低噪声放大器还存在不足，比如不能实现足够低的功耗去维持电池的使用时间、合理的增益等。
发明内容
本发明的目的是一种低功耗的高增益低噪声放大器及运行方法，所要解决的技术问题是：如何在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种低功耗的高增益低噪声放大器，包括偏置电路、输入匹配电路、信号放大电路和输出匹配电路，所述输入匹配电路与射频输入端连接，输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；所述信号放大电路与所述输入匹配电路连接，对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；所述输出匹配电路与所述信号放大电路连接，对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端输出二次阻抗匹配后的射频信号；所述偏置电路分别与所述输入匹配电路和输出匹配电路连接，所述偏置电路向所述输入匹配电路提供偏置电压，并对放大后的信号进行增益。
本发明的有益效果是：偏置电路既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益；噪声性能好，抑制各种噪声干扰，提高灵敏度；实现在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述偏置电路包括MOS管M3、MOS管M4和电阻R1，所述MOS管M4的漏极与输出匹配电路连接，所述MOS管M4的栅极与所述信号放大电路连接，所述MOS管M4的源极分别与所述MOS管M3的漏极和栅极连接，所述MOS管M3的栅极经电阻R1与输入匹配电路连接，所述MOS管M3的源极接地。
进一步方案的有益效果是：偏置电路既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益。
进一步，所述输入匹配电路包括电容C1、电感L1～L2和MOS管M1，所述电容C1的一端与射频输入端与连接，接入射频信号，另一端经电感L1与MOS管M1的栅极连接，MOS管M1的源极经电感L2接地，MOS管M1的漏极经电感L3与信号放大电路连接。
进一步方案的有益效果是：对射频信号进行一次阻抗匹配，提升匹配稳定性。
进一步，所述信号放大电路包括MOS管M2和电感L4，所述MOS管M2的源极与电感L3连接，还经电容C3接地；所述MOS管M2的栅极与MOS管M4的栅极连接，还经电容C2与MOS管M1的漏极连接，还经电阻R2接入电源电压VDD；所述MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极连接，还经电感L4与电阻R2连接，接入电源电压VDD，还与输出匹配电路连接。
进一步方案的有益效果是：对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大，实现放大功能。
进一步，所述输出匹配电路包括电容C4，所述电容C4的一端与MOS管M2的漏极连接，另一端与与射频输出端。
进一步方案的有益效果是：偏置电路、输入匹配电路、信号放大电路和输出匹配电路构成窄带低噪声放大器，能够实现在特定频率处达到性能最佳，不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高窄带低噪声放大器的增益性能。
进一步，所述输入匹配电路还包括电阻R3、电阻R4、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C5与MOS管M1的漏极连接；所述电阻R4的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C6与MOS管M1的源极连接。
进一步，所述信号放大电路还包括电感L5，所述电感L5的一端与MOS管M2的栅极连接，另一端分别电阻R2、电容C2和MOS管M4的栅极连接。
进一步，所述信号放大电路还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电感L4连接，另一端与电阻R2连接，并接入电源电压VDD。
进一步方案的有益效果是：偏置电路、输入匹配电路、信号放大电路和输出匹配电路构成超宽带带低噪声放大器，能够实现在特定频率段达到性能最佳。
进一步，所述MOS管M1～M4均为NMOS管。
进一步方案的有益效果是：NMOS管能降低本装置的的噪声。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种低功耗的高增益低噪声放大器的运行方法，包括以下步骤：
步骤S1.输入匹配电路输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；偏置电路向输入匹配电路提供偏置电压；
步骤S2.信号放大电路对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；偏置电路对放大后的信号进行增益；
步骤S3.输出匹配电路对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端输出二次阻抗匹配后的射频信号。
本技术方案的有益效果：通过偏置电路来提供增益，这样能够使电路在不增加功耗的前提下提高增益，节约了偏置电路所产生的电流，实现在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
附图说明
图1为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器的模块框图；
图2为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器关于实施例1的电路原理图；
图3为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器关于实施例1的S参数仿真图；
图4为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器关于实施例2的电路原理图；
图5为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器关于实施例2的S参数仿真图；
图6为本发明一种低功耗的高增益低噪声放大器的运行方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、偏置电路，2、输入匹配电路，3、信号放大电路，4、输出匹配电路，5、射频输入端，6、射频输出端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1和图2所示，一种低功耗的高增益低噪声放大器，包括偏置电路1、输入匹配电路2、信号放大电路3和输出匹配电路4，所述输入匹配电路2与射频输入端5连接，输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；所述信号放大电路3与所述输入匹配电路2连接，对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；所述输出匹配电路4与所述信号放大电路3连接，对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端6输出二次阻抗匹配后的射频信号；所述偏置电路1分别与所述输入匹配电路2和输出匹配电路4连接，所述偏置电路1向所述输入匹配电路2提供偏置电压，并对放大后的信号进行增益；通过偏置电路1来提供增益，这样能够使电路在不增加功耗的前提下提高增益，节约了偏置电路1所产生的电流；
偏置电路1既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路1的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益；噪声性能好，抑制各种噪声干扰，提高灵敏度；实现在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
上述实施例中，所述偏置电路1包括MOS管M3、MOS管M4和电阻R1，所述MOS管M4的漏极与输出匹配电路4连接，所述MOS管M4的栅极与所述信号放大电路3连接，所述MOS管M4的源极分别与所述MOS管M3的漏极和栅极连接，所述MOS管M3的栅极经电阻R1与输入匹配电路2连接，所述MOS管M3的源极接地；偏置电路1既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益。
所述输入匹配电路2包括电容C1、电感L1～L2和MOS管M1，所述电容C1的一端与射频输入端5与连接，接入射频信号，另一端经电感L1与MOS管M1的栅极连接，MOS管M1的源极经电感L2接地，MOS管M1的漏极经电感L3与信号放大电路3连接；对射频信号进行一次阻抗匹配，提升匹配稳定性。
所述信号放大电路3包括MOS管M2和电感L4，所述MOS管M2的源极与电感L3连接，还经电容C3接地；所述MOS管M2的栅极与MOS管M4的栅极连接，还经电容C2与MOS管M1的漏极连接，还经电阻R2接入电源电压VDD；所述MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极连接，还经电感L4与电阻R2连接，接入电源电压VDD，还与输出匹配电路4连接；对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大，实现放大功能。
所述输出匹配电路4包括电容C4，所述电容C4的一端与MOS管M2的漏极连接，另一端与与射频输出端6；偏置电路1、输入匹配电路2、信号放大电路3和输出匹配电路4构成窄带低噪声放大器，能够实现在特定频率处达到性能最佳，不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高窄带低噪声放大器的增益性能。
上述实施例中，所述MOS管M1～M4均为NMOS管；NMOS管能降低本装置的的噪声。
如图3所示，本实施例采用TSMC 0.18um RF CMOS工艺库，利用Cadence公司发行的仿真软件Spectre RF，采用TT工艺角与默认环境,对电路进行仿真验证，得S参数仿真图。
实施例2：
如图1和图4所示，一种低功耗的高增益低噪声放大器，包括偏置电路1、输入匹配电路2、信号放大电路3和输出匹配电路4，所述输入匹配电路2与射频输入端5连接，输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；所述信号放大电路3与所述输入匹配电路2连接，对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；所述输出匹配电路4与所述信号放大电路3连接，对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端6输出二次阻抗匹配后的射频信号；所述偏置电路1分别与所述输入匹配电路2和输出匹配电路4连接，所述偏置电路1向所述输入匹配电路2提供偏置电压，并对放大后的信号进行增益；通过偏置电路1来提供增益，这样能够使电路在不增加功耗的前提下提高增益，节约了偏置电路1所产生的电流；
偏置电路1既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路1的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益；噪声性能好，抑制各种噪声干扰，提高灵敏度；实现在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
上述实施例中，所述偏置电路1包括MOS管M3、MOS管M4和电阻R1，所述MOS管M4的漏极与输出匹配电路4连接，所述MOS管M4的栅极与所述信号放大电路3连接，所述MOS管M4的源极分别与所述MOS管M3的漏极和栅极连接，所述MOS管M3的栅极经电阻R1与输入匹配电路2连接，所述MOS管M3的源极接地；偏置电路1既能提供偏置电压，同时还能对放大后的信号进行增益，节约了偏置电路的电流，能够使电路在不增加功耗的情况下增加电路的增益。
所述输入匹配电路2包括电容C1、电感L1～L2和MOS管M1，所述电容C1的一端与射频输入端5与连接，接入射频信号，另一端经电感L1与MOS管M1的栅极连接，MOS管M1的源极经电感L2接地，MOS管M1的漏极经电感L3与信号放大电路3连接；所述输入匹配电路2还包括电阻R3、电阻R4、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C5与MOS管M1的漏极连接；所述电阻R4的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C6与MOS管M1的源极连接；对射频信号进行一次阻抗匹配，提升匹配稳定性。
所述信号放大电路3包括MOS管M2和电感L4，所述MOS管M2的源极与电感L3连接，还经电容C3接地；所述MOS管M2的栅极与MOS管M4的栅极连接，还经电容C2与MOS管M1的漏极连接，还经电阻R2接入电源电压VDD；所述MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极连接，还经电感L4与电阻R2连接，接入电源电压VDD，还与输出匹配电路4连接；所述信号放大电路3还包括电感L5，所述电感L5的一端与MOS管M2的栅极连接，另一端分别电阻R2、电容C2和MOS管M4的栅极连接；所述信号放大电路3还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电感L4连接，另一端与电阻R2连接，并接入电源电压VDD；对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大，实现放大功能。
所述输出匹配电路4包括电容C4，所述电容C4的一端与MOS管M2的漏极连接，另一端与与射频输出端6；偏置电路1、输入匹配电路2、信号放大电路3和输出匹配电路4构成窄带低噪声放大器，能够实现在特定频率处达到性能最佳，不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高窄带低噪声放大器的增益性能。
所述输入匹配电路2还包括电阻R3、电阻R4、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C5与MOS管M1的漏极连接；所述电阻R4的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C6与MOS管M1的源极连接；所述信号放大电路3还包括电感L5，所述电感L5的一端与MOS管M2的栅极连接，另一端分别电阻R2、电容C2和MOS管M4的栅极连接；所述信号放大电路3还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电感L4连接，另一端与电阻R2连接，并接入电源电压VDD；偏置电路1、输入匹配电路2、信号放大电路3和输出匹配电路4构成超宽带带低噪声放大器，能够实现在特定频率段达到性能最佳。
上述实施例中，所述MOS管M1～M4均为NMOS管；NMOS管能降低本装置的的噪声。
如图5所示，本实施例采用TSMC 0.18um RF CMOS工艺库，利用Cadence公司发行的仿真软件Spectre RF，采用TT工艺角与默认环境,对电路进行仿真验证，得S参数仿真图。
实施例3：
如图6所示，一种低功耗的高增益低噪声放大器的运行方法，包括以下步骤：
步骤S1.输入匹配电路2输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；偏置电路1向输入匹配电路2提供偏置电压；
步骤S2.信号放大电路3对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；偏置电路1对放大后的信号进行增益；
步骤S3.输出匹配电路4对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端6输出二次阻抗匹配后的射频信号；
通过偏置电路1来提供增益，这样能够使电路在不增加功耗的前提下提高增益，节约了偏置电路1所产生的电流，实现在不影响噪声、功耗以及匹配性能的情况下提高超宽带低噪声放大器的增益性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：包括偏置电路(1)、输入匹配电路(2)、信号放大电路(3)和输出匹配电路(4)，所述输入匹配电路(2)与射频输入端(5)连接，输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；所述信号放大电路(3)与所述输入匹配电路(2)连接，对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；所述输出匹配电路(4)与所述信号放大电路(3)连接，对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端(6)输出二次阻抗匹配后的射频信号；所述偏置电路(1)分别与所述输入匹配电路(2)和输出匹配电路(4)连接，所述偏置电路(1)向所述输入匹配电路(2)提供偏置电压，并对放大后的信号进行增益。
2.根据权利要求1所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路(1)包括MOS管M3、MOS管M4和电阻R1，所述MOS管M4的漏极与输出匹配电路(4)连接，所述MOS管M4的栅极与所述信号放大电路(3)连接，所述MOS管M4的源极分别与所述MOS管M3的漏极和栅极连接，所述MOS管M3的栅极经电阻R1与输入匹配电路(2)连接，所述MOS管M3的源极接地。
3.根据权利要求2所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路(2)包括电容C1、电感L1、电感L2和MOS管M1，所述电容C1的一端与射频输入端(5)连接，接入射频信号，另一端经电感L1与MOS管M1的栅极连接，MOS管M1的源极经电感L2接地，MOS管M1的漏极经电感L3与信号放大电路(3)连接。
4.根据权利要求3所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述信号放大电路(3)包括MOS管M2和电感L4，所述MOS管M2的源极与电感L3连接，还经电容C3接地；所述MOS管M2的栅极与MOS管M4的栅极连接，还经电容C2与MOS管M1的漏极连接，还经电阻R2接入电源电压VDD；所述MOS管M2的漏极与MOS管M4的漏极连接，还经电感L4与电阻R2连接，接入电源电压VDD，还与输出匹配电路(4)连接。
5.根据权利要求4所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输出匹配电路(4)包括电容C4，所述电容C4的一端与MOS管M2的漏极连接，另一端与与射频输出端(6)。
6.根据权利要求5所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路(2)还包括电阻R3、电阻R4、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C5与MOS管M1的漏极连接；所述电阻R4的一端分别与所述电容C1和电阻R1连接，另一端经电容C6与MOS管M1的源极连接。
7.根据权利要求6所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述信号放大电路(3)还包括电感L5，所述电感L5的一端与MOS管M2的栅极连接，另一端分别电阻R2、电容C2和MOS管M4的栅极连接。
8.根据权利要求7所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述信号放大电路(3)还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电感L4连接，另一端与电阻R2连接，并接入电源电压VDD。
9.根据权利要求4至8任一项所述一种低功耗的高增益低噪声放大器，其特征在于：所述MOS管M1～M4均为NMOS管。
10.一种低功耗的高增益低噪声放大器的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.输入匹配电路(2)输入射频信号，对射频信号进行一次阻抗匹配；偏置电路(1)向输入匹配电路(2)提供偏置电压；
步骤S2.信号放大电路(3)对阻抗匹配后的射频信号进行信号放大；偏置电路(1)对放大后的信号进行增益；
步骤S3.输出匹配电路(4)对放大后的信号进行二次阻抗匹配，向所述射频输出端(6)输出二次阻抗匹配后的射频信号。
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