CN106803746B - 一种低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低噪声放大器，包括：等效射频信号源的一端与等效射频电阻的一端相连接；等效射频电阻的另一端与第一耦合电容的一端相连；第一耦合电容的另一端与第二耦合电容的一端、第一晶体管的漏极、第三晶体管的漏极共同连接于一节点，第二耦合电容的另一端与反馈电阻的一端、第二晶体管的栅极连接于一节点；反馈电阻的另一端连接于第二偏置电压；第一晶体管的栅极连接第一偏置电压，第一晶体管的漏极连接第一差分信号输出端、第一负载电阻的一端；第二晶体管的漏极连接第二差分信号输出端、第二负载电阻的一端；第一负载电阻的另一端与第二负载电阻的另一端共同连接至电源正极；第三晶体管的栅极与第一晶体管的漏极相连。

Description

一种低噪声放大器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(LNA)是射频收发机中的重要模块之一，主要用于通讯***中将接收自天线的信号放大，以便于后级的接收机电路处理。
由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪声放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位以减小信号损耗。正是由于噪声放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量。为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确的恢复，一个好的低噪声放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。
随着现代移动通讯的发展，低噪声放大器要求能够适用于各种频率和协议的应用，因此对LNA的电感提出了更高的要求，尤其是要求LNA的电感可变，满足各种频率和协议应用的需要，从而使整个接收机成为一个宽带的接收机。输入端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键，对输入端的阻抗匹配和噪声匹配影响最关键的是LNA的电感。
但是电感消耗了较多的芯片面积，因此一种不用电感的LNA解决方案便是采用噪声消除结构。通过噪声消除结构LNA，可以在不使用电感的前提下，获得较好的增益和噪声。但是对于很多协议来说，这类噪声消除LNA的噪声仍然是不可接受的。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种低噪声放大器，从而有效降低宽带噪声。
为了达到上述目的，本发明提供了一种低噪声放大器，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一负载电阻、第二负载电阻、反馈电阻、等效射频电阻、第一耦合电容、第二耦合电容、等效射频信号源、第一差分信号输出端、第二差分信号输出端、电源、第一偏置电压端和第二偏置电压端；其中，
等效射频信号源的一端与等效射频电阻的一端相连接，通过等效射频电阻输入信号；等效射频信号源的另一端接地；
等效射频电阻的另一端与第一耦合电容的一端相连；第一耦合电容的另一端与第二耦合电容的一端、第一晶体管的漏极、第三晶体管的漏极共同连接于一节点，第二耦合电容的另一端与反馈电阻的一端、第二晶体管的栅极连接于一节点；
反馈电阻的另一端连接于第二偏置电压；
第一晶体管的栅极连接第一偏置电压，第一晶体管的漏极连接第一差分信号输出端、且还连接于第一负载电阻的一端；
第二晶体管的源极接地，第二晶体管的漏极连接第二差分信号输出端、且还连接于第二负载电阻的一端；
第一负载电阻的另一端与第二负载电阻的另一端共同连接至电源的正极；
第三晶体管的栅极与第一晶体管的漏极相连，第三晶体管的源极接地。
优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均为NMOS晶体管。
优选地，所述等效射频电阻为30～75欧姆。
优选地，所述等效射频信号源的射频范围为50MHz～5.5GHz。
优选地，所述第一负载电阻为3～10千欧姆。
优选地，所述第二负载电阻为3～10千欧姆。
优选地，所述反馈电阻为1～5千欧姆。
优选地，所述第一耦合电容的范围为2～20pF，第二耦合电容的范围为2～20pF。
本发明的低噪声放大器，第三晶体管是一个反馈晶体管，也是一个共源级放大结构，输入信号通过第一晶体管放大后，由第一晶体管的漏极输出，同时通过第三晶体管的栅极反馈至第一晶体管的漏极，形成反馈结构，这样，由于第三晶体管作为反馈晶体管反馈作用于第一晶体管上，会改变第一晶体管的跨导值，也就改变第一晶体管所在支路的电流，这样第一负载电阻两端的电压降与传统LNA相比就更小了，既可使本发明的低噪声放大器能够获得较大增益，同时还不影响第一晶体管的支路的电流，从而不会影响到噪声系数。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的低噪声放大器的电路结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的低噪声放大器的输入匹配曲线图
图3为本发明的一个较佳实施例的低噪声放大器的增益曲线图
图4为本发明的一个较佳实施例的低噪声放大器的噪声系数曲线图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1～4和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1，本实施例的一种低噪声放大器包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一负载电阻R1、第二负载电阻R2、反馈电阻RF、等效射频电阻RS、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、等效射频信号源VS、第一差分信号输出端Vout_p、第二差分信号输出端Vout_n、电源、第一偏置电压端VB1和第二偏置电压端VB2。本实施例中，第一晶体管M1、第二晶体管M2和第三晶体管M3均为NMOS晶体管。
具体的，等效射频信号源VS的一端与等效射频电阻RS的一端相连接，通过等效射频电阻RS输入信号；等效射频信号源的另一端接地。等效射频信号源的射频范围可以为50MHz～5.5GHz。
等效射频电阻的另一端与第一耦合电容的一端相连；第一耦合电容的另一端与第二耦合电容的一端、第一晶体管的漏极、第三晶体管的漏极共同连接于一节点，第二耦合电容的另一端与反馈电阻的一端、第二晶体管的栅极连接于一节点。反馈电阻的另一端连接于第二偏置电压。这里的，等效射频电阻可以为30～75欧姆，较佳的为50欧姆；第一耦合电容的范围可以为2～20pF，较佳的，为5pF，第二耦合电容的范围可以为2～20pF，较佳的，为5pF。
第一晶体管的栅极连接第一偏置电压，第一晶体管的漏极连接第一差分信号输出端、且还连接于第一负载电阻的一端；第二晶体管的源极接地，第二晶体管的漏极连接第二差分信号输出端、且还连接于第二负载电阻的一端。第三晶体管的栅极与第一晶体管的漏极相连，第三晶体管的源极接地。
第一负载电阻的另一端与第二负载电阻的另一端共同连接至电源的正极。这里的第一负载电阻可以为3～10千欧姆，较佳的为5千欧姆，第二负载电阻可以为3～10千欧姆，较佳的为5千欧姆，反馈电阻可以为1～5千欧姆，较佳的为2.5千欧姆。
以下，对本实施例的低噪声放大器的原理进行详细说明。
本实施例的低噪声放大器中，通过等效射频信号输入等效射频信号，通过第一晶体管M1、第二晶体管M2这两个支路的信号放大，最终转换成差分信号由第一差分信号输出端Vout_p和第二差分信号输出端Vout_n输出。因此，这里的低噪声放大器所运行的过程也是一个单端转差分的过程。
本实施例的低噪声放大器采用第三晶体管M3作为一个反馈晶体管，也同时是一个共源级放大结构，第一晶体管M1作为一个共栅极放大管，射频输入信号通过第三晶体管M3的漏极输入，一方面通过第一晶体管M1放大后，从第一晶体管M1的漏极输出，另一方面，通过第三晶体管M3的栅极反馈至第一晶体管M1的漏极，形成反馈结构。
由于第三晶体管M3不在放大支路上，因此不会影响该低噪声放大器的电压增益。但是由于第三晶体管M3反馈作用于第一晶体管M1上，会改变第一晶体管M1的跨导(gm)值，使得第一晶体管M1所在支路的电流变小，电压降也随之减小，从而导致第一负载电阻R1两端的电压降更小，因此为了获得更高的增益，再由于增益与第一负载电阻R1正相关，可以适当增加第一负载电阻R1的阻抗，这样，既可使低噪声放大器获得较大增益，又可以不影响第一晶体管M1支路的电流，从而不会影响到噪声系数。
根据电路等效计算，该低噪声放大器的输入阻抗匹配Zin,new为：
Figure BDA0001179475800000051
其中，Zin为传统噪声消除低噪声放大器的输入阻抗，gm3为第三晶体管M3的跨导，R1为第一负载电阻。
由于采用第三晶体管M3作为反馈晶体管，该低噪声放大器的噪声系数NF可以计算为：
Figure BDA0001179475800000052
其中，等效射频电阻Rs采用50欧姆匹配，Gain为该低噪声放大器的增益。
图2所示为本实施例的低噪声放大器的输入匹配曲线S11。从图2中可以看出，该噪声消除低噪声放大器具备较好的宽带特性，整个频率范围可以覆盖10MHz～8GHz的超宽频段范围。该频段范围可以满足大部分协议对于低噪声放大器的要求。
图3所示为本实施例的低噪声放大器的增益曲线S21。从图3中可以看出，该低噪声放大器的峰值增益为20.9dB，峰值增益频率为291MHz。在低频段(～10MHz)，该低噪声放大器的增益为19.7dB，在高频段(～8GHz)，该低噪声放大器的增益为18.2dB。这些增益范围可以满足大部分协议对于低噪声放大器的要求。
图4所示为本实施例的低噪声放大器的噪声系数曲线。从图4中可以看出，该低噪声放大器的噪声最小值为1.4dB，最小值所在频率为315MHz，在77MHz～1.8GHz范围内，本低噪声放大器的噪声系数均小于1.5dB，对于噪声消除低噪声放大器而言，该噪声水平也是较好的。该低噪声放大器在工作频率(10MHz～8GHz)范围内的噪声均小于4.0dB。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一负载电阻、第二负载电阻、反馈电阻、等效射频电阻、第一耦合电容、第二耦合电容、等效射频信号源、第一差分信号输出端、第二差分信号输出端、电源、第一偏置电压端和第二偏置电压端；其中，
等效射频信号源的一端与等效射频电阻的一端相连接，通过等效射频电阻输入信号；等效射频信号源的另一端接地；
等效射频电阻的另一端与第一耦合电容的一端相连；第一耦合电容的另一端与第二耦合电容的一端、第一晶体管的漏极、第三晶体管的漏极共同连接于一节点，第二耦合电容的另一端与反馈电阻的一端、第二晶体管的栅极连接于一节点；
反馈电阻的另一端连接于第二偏置电压；
第一晶体管的栅极连接第一偏置电压，第一晶体管的漏极连接第一差分信号输出端、且还连接于第一负载电阻的一端；
第二晶体管的源极接地，第二晶体管的漏极连接第二差分信号输出端、且还连接于第二负载电阻的一端；
第一负载电阻的另一端与第二负载电阻的另一端共同连接至电源的正极；
第三晶体管的栅极与第一晶体管的漏极相连，第三晶体管的源极接地；其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管均为NMOS晶体管。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述等效射频电阻为30～75欧姆。
3.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述等效射频信号源的射频范围为50MHz～5.5GHz。
4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一负载电阻为3～10千欧姆。
5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第二负载电阻为3～10千欧姆。
6.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈电阻为1～5千欧姆。
7.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一耦合电容的范围为2～20pF，第二耦合电容的范围为2～20pF。
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