CN107733375B - 超宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带低噪声放大器，主要解决现有技术噪声和线性度性能较差的问题。其采用两级级联结构，且两级之间利用电容C3耦合。该第二级放大电路采用并联峰值结构的基本共源极电路；该第一级放大电路的输入‑输出之间连接由反馈MOS管M3和反馈耦合电容C2组成串联电路，用以提供宽带的匹配和提高线性度，反馈MOS管M3的源极连接有偏置MOS管M4，用以为反馈MOS管M3提供偏置电流；第一级放大电路输入端与第二级放大电路输出端之间连接有辅助跨导放大器G。本发明可部分或全部消除由第一级放大电路中部分元器件产生的噪声，提高了超宽带低噪声放大器整体的噪声性能，可用于超宽带的无线通信。

Description

超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种超宽带低噪声放大器，主要用于超宽带无线通信。
背景技术
超宽带低噪声放大器一般作为超宽带射频前端的第一个模块，负责将天线上接收到的微弱信号功率放大供后级电路使用，同时需引入较小的噪声功率，其性能对整个***的性能有重要的影响。天线上接收的信号一般为经过调制的信号，信号频率在射频或微波的范围内，通过高频电路理论可知输入信号的反射程度与天线和低噪声放大器输入阻抗的匹配程度有密切的关系，即：
Figure BDA0001456376910000011
式中Γ代表入射信号的反射系数，Rin代表低噪声放大器的输入阻抗，Rs代表天线特征阻抗。
由于在天线和低噪声放大器之间的反射会引起信号功率损失，严重的情况下会损坏信号使通信质量下降。为了解决这一问题，通用的方法是在放大管的栅极和漏极之间加入负反馈电阻，使从放大器输入端看见去的阻抗有合适的实部分量，再通过阻抗匹配的方式转换到50欧姆，或者采用共栅极的放大模式。但如此一来，采用负反馈电阻会使匹配网络复杂化，为了在整个通信频带内都得到近似50欧姆的输入阻抗需要加入电感、电容等无源元件，牺牲了芯片面积，并且无法进一步提高线性度，采用共栅极输入匹配则会限制单级放大器增益和噪声性能，对于简单的共栅极电路，在输入端实现匹配时放大器的噪声系数≥3dB。
由级联的噪声理论可知，最前级即低噪声放大器的噪声系数对***整体的噪声起着决定性作用，因为该噪声经过接收链整体增益的放大最终出现在输出端，而其他部分的噪声仅经过接收链部分模块的增益放大。所以通过技术手段进一步减小低噪声放大器的噪声贡献，对提高接收链的整体性能十分有效。与此同时，低噪声放大器的增益要足够高，以使后级的噪声等效到输入端的影响可以尽可能减小；增益-频率特性要足够平坦，使时域信号的失真程度尽可能减小。
随着无线通信***变得越来越普及，导致整个通信环境变得极其嘈杂，天线在接收有用信号的同时也接收了通频带内其他的噪声或者通讯信号，如果该干扰足够大则会影响到低噪声放大器的正常工作状态，使之失去对有用信号的放大能力。另一个常见的情况：考虑发射通路与接收通路通过双工器共用天线的情况，假设需要接收的信号功率在-80dBm左右，发射端功放的输出功率为30dBm，双工器的发射端口与接收端口的隔离特性为50dBm，这将意味着发射的功率有-20dBm泄漏到输入端，其与有用信号共同输入到低噪声放大器，由于发射信号的泄露功率较大，使得低噪声放大器处在增益压缩的状态，有用信号不能被有效放大。同时由于超宽带通信***的宽带宽特性，其接收到的总信号功率为整个频带内信号功率的积分，使得这种非线性现象对超宽带通信***的影响更加强烈。在低噪声放大器的设计过程中，负反馈是提高线性度的有效方法，但这以牺牲增益为代价，同时造成低噪声放大器和***整体的噪声系数的恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带低噪声放大器电路结构，以对匹配性能、噪声、增益和线性度四者之间强烈的折中关系进行弱化，在保持增益特性和匹配性能不变的情况下提高噪声特性和线性度。
本发明的技术思路是：鉴于匹配、增益、噪声和线性度之间的折中关系，合理的选择出低噪声放大电路的电路结构，恰当的设置电路元器件的参数值，在实现匹配性能的同时引入较少的噪声，并通过电路结构改善电路的噪声和线性度，以满足通信***对低噪声放大器各种性能参数的要求，提高接收链的整体性能。
根据上述思路，本发明的超宽带低噪声放大器，包括一种超宽带低噪声放大器，采用两级级联结构，第一级放大电路包含以电阻为负载的基本共源极电路，第二级采用并联峰值结构的基本共源极电路，包括第二放大管M2、第二偏置电阻R3、第二负载电阻R4及并联峰值电感L1，两级之间信号利用电容耦合，其特征在于：
第一级放大电路，包括第一放大管M1、二极管连接的反馈MOS管M3、偏置MOS管M4、第一偏置电阻R1、第一负载电阻R2、第三偏置电阻R5及反馈耦合电容C2，反馈MOS管M3和反馈耦合电容C2组成串联电路，连接在第一放大管M1的栅极与漏极之间，用以提供宽带的匹配和提高线性度，反馈MOS管M3的源极与偏置MOS管M4的漏极连接，偏置MOS管M4的源极连接到地，用以为反馈MOS管M3提供偏置电流；
第一放大管M1的栅极与第二放大管M2的漏极之间连接有辅助跨导放大器G，用于部分或全部消除由第一放大管M1、偏置MOS管M4及第一负载电阻R2的噪声，提高超宽带低噪声放大器整体的噪声性能。
作为优选，所述反馈MOS管M3采用NMOS管。
作为优选，所述反馈MOS管M3、偏置MOS管M4和第一放大管M1的沟道长度，均使用CMOS生产工艺中规定的最小尺寸，以减小寄生电容，改善频率特性和匹配性能。
作为优选，所述偏置MOS管M4的栅极通过第三偏置电阻R5接至电流源的偏置电压vb2，用来减小偏置MOS管M4的栅漏寄生电容对输入匹配的影响。
作为优选，所述第一放大管M1的栅极连接第一偏置电阻R1的一端，R1的另一端连接至第一级放大电路的偏置电压vb1；第一放大管M1的漏极连接第一负载电阻R2的一端，R2的另一端连接到电源vdd；第一放大管M1的源极接地。
作为优选，所述第二放大管M2的栅极接第二偏置电阻R3的一端，R3的另一端接第二级放大电路偏置电压vb3；第二放大管M2的漏极接第二负载电阻R4的一端，R4的另一端接并联峰值电感L1的一端，L1的另一端接电源vdd；第二放大管M2的源极接地。
本发明相对于现有技术，具有如下优点：
1.本发明在保持了良好的匹配和增益特性的前提下，由于运用反馈MOS管M3的非线性特性进一步改善了整体的线性度；
2.本发明由于在在第一放大管M1栅极与第二放大管M2的漏极之间跨接有辅助跨导放大器G，降低了第一放大管M1、第一负载电阻R2和偏置MOS管M4的噪声贡献，提高了噪声性能。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的实施例的电路结构图；
图3是对本发明实施例仿真得到的输入匹配性能图；
图4是对本发明实施例仿真得到的噪声特性图；
图5是对本发明实施例仿真得到的三阶交调特性图；
图6是对本发明实施例仿真得到的增益特性曲线。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行结构与效果的详细描述，应当理解，优选实施例仅仅为了说明本发明，不应理解为限制本发明的保护范围。
参照图1，本发明超宽带低噪声放大器的一个优选实施例，主要由第一级放大电路A1、第二级放大电路A2和辅助放大器G构成，其中Vs和Rs分别为激励源和内阻。信号经输入隔直电容C1进入到第一级放大电路A1进行第一级放大，A1的输出信号经级间耦合电容C3耦合到第二级放大电路A2进行第二级放大，经第二级放大了的信号再经输出隔直电容C4输出。通过这两级放大可使得超宽带低噪声放大器的整体增益更容易达到要求的数值，且第一级放大电路A1的反馈MOS管M3可提供50欧姆的输入电阻分量，进而实现了良好的输入匹配；通过辅助放大器G可使第一级放大电路A1的噪声在第二级的输出端部分抵消，进而改善本发明的噪声性能。
参照图2，第一级放大电路A1包含以电阻为负载的基本共源极电路，由第一放大管M1、二极管连接的反馈MOS管M3、偏置MOS管M4、第一偏置电阻R1、第一负载电阻R2、第三偏置电阻R5及反馈耦合电容C2组成。第一放大管M1的源极接地，漏极接第一负载电阻R2的一端，第一负载电阻R2的另一端接电源vdd，第一放大管M1的栅极连接第一偏置电阻R1的一端，第一偏置电阻R1的另一端连接第一级放大电路偏置电压vb1，反馈MOS管M3的栅极和漏极短接，连接到第一放大管M1的漏极，反馈MOS管M3的源极连接反馈耦合电容C2的一端，C2的另一端连接到第一放大管M1的栅极，用来提供宽带输入匹配和提高线性度，反馈MOS管M3的源极连接至偏置MOS管M4的漏极，偏置MOS管M4的源极接地，栅极连接第三偏置电阻R5的一端，第三偏置电阻R5的另一端连接到电流源的偏置电压vb2，用来减小偏置MOS管M4的栅漏寄生电容对输入匹配的影响。
第二级放大电路A2，采用并联峰值结构的基本共源极电路，包括第二放大管M2、第二偏置电阻R3、第二负载电阻R4及并联峰值电感L1。第二放大管M2的栅极接第二偏置电阻R3的一端，第二偏置电阻R3的另一端连接第二级放大电路偏置电压vb3，第二放大管M2的源极接地，漏极接第二负载电阻R4的一端，R4的另一端连接并联峰值电感L1的一端，L1的另一端接至电源vdd，用来提升高频增益。
第一放大管M1的栅极与第二放大管M2的漏极之间连接辅助跨导放大器G，用于部分或全部消除由第一放大管M1、偏置MOS管M4及第一负载电阻R2的噪声，提高超宽带低噪声放大器整体的噪声性能。
输入信号Si、第一级放大电路A1、第二级放大电路A2与输出信号So之间采用电容耦合。更具体的，第一放大管M1的栅极连接输入隔直电容C1的一端，输入信号通过输入隔直电容C1的另一端输入；第一放大管M1的漏极接级连接耦合电容C3的一端，C3另一端连接至第二放大管M2的栅极；第二放大管M2的漏极接输出隔直电容C4的一端，经放大后的信号由输出隔直电容C4的另一端输出，并流向下一级。
本发明的原理及性能分析：
1.输入匹配的理论分析
第一级放大电路A1中，第一放大管M1将输入的信号电压转换为信号电流，信号电流流过A1的等效输出阻抗产生压降，反馈MOS管M3，实现从M1的漏极到M1栅极的电压-电流反馈，M4作为电流源而出现，为M3提供合适的偏置电流。
在低频小信号情况下，忽略寄生因素的影响可以得到输入阻抗的实部为：
Figure BDA0001456376910000051
上式中Rin为低噪声放大器输入电阻分量，gM1、gM3分别为第一放大管M1和反馈MOS管M3的小信号跨导。
从上式可以看出，通过调节gM1、gM3和R2的大小可以得到输入电阻Rin为50欧姆。通过设置M1、M3和M4的沟道长度为CMOS生产工艺规定的最小尺寸，可以最大限度减小输入寄生电容的影响，达到与天线良好匹配的目的，优化频率特性，这对于M3来说要用NMOS管，因为对于相同的gM3，NMOS相对于PMOS有更小的尺寸，在本实施例中最小沟道长度为0.18um。
图3示出了该实施例的超宽带低噪声放大器的输入匹配特性，从图3中可以看出该实施例的反射系数S11在500MHz-5GHz频段内小于-10dB，实现了良好的匹配。
2.噪声性能提高的分析
本发明在结构上采用跨导放大器G，引入噪声相消通路，通过噪声分析可知：M1产生的噪声电流流过第一级放大电路的等效输出阻抗，在图2中的A点和B点产生极性相同的噪声电压，其中A点的噪声电压经过第二级放大电路的放大转换为M2的漏极电流，B点的噪声电压经过辅助跨导放大器G的放大产生G的输出电流，这两路噪声电流在M2的漏极相叠加。由于G的跨导和第二级放大电路的跨导具有相反的符号，因此合理选择辅助跨导放大器G的增益则可以恰好使两路噪声电流抵消，即在低噪声放大器的输出端消除了由M1产生的噪声电流。在M1的噪声电流完全消除的条件下，由第一负载电阻R2、偏置MOS管M4产生的噪声也得到不同程度的抵消。
与对噪声的分析结果相反，输入到M1栅极的信号电压经过两级共源极放大器的放大，得到了与输入信号相同极性的输出信号；输入信号经过辅助跨导放大器进行放大，同样得到了同极性的输出信号，即在输出端信号电压得到加强。
通过使用辅助跨导放大器，削弱了第一放大管M1、第一负载电阻R2和偏置MOS管M4的噪声，加强了输出信号电压，这两方面的影响使得所述超宽带低噪声放大器得到了良好的噪声特性。
图4示出了本实施例的噪声特性随频率变化的曲线，可以看出在500MHz-5GHz的整个频带内噪声系数NF小于3dB，得到了良好的噪声性能。
3.线性度提高的理论分析
采用反馈MOS管M3作为第一级放大电路的反馈通路，除了考虑匹配的因素还由于它可以对输入的大信号做预失真处理，使得两级电路整体的线性度有所提升。
根据图1，在大信号情况下，对使用反馈MOS管作为反馈通路提高线性度的原理做进一步解释。
在图1中放大器A0的增益足够大、反馈MOS管M3具有理想的平方率特性的条件下，可以得出从输入源Vs到中间节点C的电压增益为：
Figure BDA0001456376910000061
式中VC为图1中C点的输出大信号电压，K＝0.5μnCoxW/L，为反馈MOS管M3的工艺和尺寸参数，VTH为M3的阈值电压。由于输入电压Vs本身为负值所以在根号内部出现负号。
从上式中可以看出，C点的输出电压Vc与输入电压Vs呈平方根关系，即A1对输入的大信号进行了预失真处理。实施例中第二级电路A2采用共源极结构，因此第二级放大电路的输入输出电压特性为平方率特性，预失真的信号电压经过级间耦合电容C3耦合至第二级放大电路M2的栅极，经过A2平方率特性的放大得到具有良好线性度的输出信号电压。
图5示出了实施例的线性度仿真结果。在2GHz测试频率时，输出三阶交调点可达12.24dBm，线性度得到改善。
4.高频增益保持的理论分析
在第二级放大电路A2中，用第二负载电阻R4与并联峰值电感电感L1的串联作为A2的总体负载。这里假设负载电容表示为CL并忽略管子的寄生因素，由电路理论可以推知第二级放大电路从M2栅极到M2漏极的小信号增益为：
Figure BDA0001456376910000062
上式中Av为第二级放大电路电压增益，gM2为第二放大管M2的跨导。
由上式可以看出，在第二级放大电路中，由于采用了电阻、电感串联负载，其频率特性中存在一个零点-R4/L1，调节R4和L1的取值可以调节零点的位置，去抵消放大器的一个极点，使所述超宽带低噪声放大器的整体增益在高频时依然保持较高水平。
图6所示为本发明实施例的增益仿真结果，当频率从500MHz增加到5GHz时，增益从小于19dB逐渐上升至大于20dB，可以看出零点的存在使增益随频率的增大而有所升高。
上述为本发明的实现原理，如前所述，应当理解本发明并非局限于所披露的形式，本领域的技术人员基于本发明通过有限的逻辑推理提出的设计不脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超宽带低噪声放大器，采用两级级联结构，第一级放大电路A1包含以电阻为负载的基本共源极电路，第二级放大电路A2采用并联峰值结构的基本共源极电路，包括第二放大管M2、第二偏置电阻R3、第二负载电阻R4及并联峰值电感L1，两级之间信号利用电容耦合，其特征在于：
第一级放大电路A1，包括第一放大管M1、二极管连接的反馈MOS管M3、偏置MOS管M4、第一偏置电阻R1、第一负载电阻R2、第三偏置电阻R5及反馈耦合电容C2，反馈MOS管M3和反馈耦合电容C2组成串联电路，连接在第一放大管M1的栅极与漏极之间，用以提供宽带的匹配和提高线性度，反馈MOS管M3的源极与偏置MOS管M4的漏极连接，偏置MOS管M4的源极连接到地，用以为反馈MOS管M3提供偏置电流；
第一放大管M1的栅极与第二放大管M2的漏极之间连接有辅助跨导放大器G，用于部分或全部消除由第一放大管M1、偏置MOS管M4及第一负载电阻R2的噪声，提高超宽带低噪声放大器整体的噪声性能。
2.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于反馈MOS管M3采用NMOS管。
3.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于反馈MOS管M3、偏置MOS管M4和第一放大管M1的沟道长度，均使用CMOS生产工艺中规定的最小尺寸，以减小寄生电容，改善频率特性和匹配性能。
4.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于偏置MOS管M4的栅极通过第三偏置电阻R5接至电流源的偏置电压vb2，用来减小偏置MOS管M4的栅漏寄生电容对输入匹配的影响。
5.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于第一放大管M1的栅极连接第一偏置电阻R1的一端，R1的另一端连接至第一级放大电路的偏置电压vb1；第一放大管M1的漏极连接第一负载电阻R2的一端，R2的另一端连接到电源vdd；第一放大管M1的源极接地。
6.如权利要求1所述的超宽带低噪声放大器，其特征在于第二放大管M2的栅极接第二偏置电阻R3的一端，R3的另一端接第二级放大电路偏置电压vb3；第二放大管M2的漏极接第二负载电阻R4的一端，R4的另一端接并联峰值电感L1的一端，L1的另一端接电源vdd；第二放大管M2的源极接地。
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