CN115765642A - 低噪声放大器及射频接收模组 - Google Patents

低噪声放大器及射频接收模组 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低噪声放大器及射频接收模组，其中，所述低噪声放大器包括依次电连接的信号输入端、输入匹配电路、放大电路、输出匹配电路以及信号输出端；所述输入匹配电路包括第一电容、变压器以及第一负反馈电感；所述变压器包括初级线圈电感、次级线圈电感以及所述初级线圈电感和所述次级线圈电感形成耦合的耦合系数。本发明中的低噪声放大器可以提升宽带的输入匹配效果，以避免低噪声放大器由于环境温度、频率、信号源及负载等因素的变化而导致失配的现象。

Description

低噪声放大器及射频接收模组
【技术领域】
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种低噪声放大器及射频接收模组。
【背景技术】
随着无线通信用户数目及网络数据业务的海量增长，人们对无线通信网络的传输速率和数据吞吐率有着越来越高的需求。
802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准，而802.11ax(即Wi-Fi 6)是这个标准的最新修订版本，与上一代802.11ac协议相比，802.11ax协议解决了多用户并发性能的问题，在速率上也有了更进一步的提升，同时支持2.4GHz和5GHz频段。
针对上述技术指标，接收机射频的前端也需满足宽带工作的需求，而作为接收机射频前端的第一个放大模块，低噪声放大器(Low NoiseAmplifier,LNA)需要将天线所接收到的微小信号进行放大，其噪声系数会直接影响整个接收机的灵敏度，对接收机性能有着重要影响。
传统的低噪声放大器往往采用多个窄带低噪声放大器并联的结构，并通过开关来进行切换，但开关的插损会随频率的升高而增大，导致低噪声放大器的噪声系数的恶化，同时多个窄带低噪声放大器相并联的结构也会大幅度增加电路面积和功耗，导致低噪声放大器容易受到环境温度、频率、信号源以及负载等因素的变化而出现失配的现象。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种新的低噪声放大器，以解决现有低噪声放大器容易受到环境温度、频率、信号源以及负载等因素的变化而导致失配的问题。
第一方面，本发明提供了一种低噪声放大器，其包括依次电连接的信号输入端、输入匹配电路、放大电路、输出匹配电路以及信号输出端；
所述输入匹配电路用于实现所述信号输入端与所述低噪声放大器的阻抗匹配；所述输入匹配电路包括第一电容、变压器以及第一负反馈电感；
所述第一电容的第一端与所述信号输入端连接；
所述变压器包括初级线圈电感、与所述初级线圈电感形成耦合的次级线圈电感以及所述初级线圈电感和所述次级线圈电感形成耦合的耦合系数；所述初级线圈电感的第一端与所述第一电容的第二端连接，所述初级线圈电感的第二端接地，所述次级线圈电感的第一端连接至所述放大电路的输入端，所述次级线圈电感的第二端连接至第一电源偏置电压；所述第一负反馈电感的第一端连接至所述放大电路，所述第一负反馈电感的第二端接地；
所述放大电路用于将所述输入匹配电路输出的信号进行功率放大并输出；
所述输出匹配电路连接至所述放大电路的输出端与所述信号输出端之间，用于实现所述低噪声放大器与所述信号输出端的阻抗匹配。
更优的，所述输入匹配电路还包括串联至所述第一电容的第二端与所述初级线圈电感的第一端之间的泄露电感。
更优的，所述放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路以及连接所述第一级放大电路和第二级放大电路的级间匹配电路；所述级间匹配电路用于实现所述第一级放大电路与所述第二级放大电路的阻抗匹配；
所述次级线圈电感的第一端和所述第一负反馈电感的第一端分别连接至所述第一级放大电路，所述输出匹配电路与所述第二级放大电路连接。
更优的，所述第一级放大电路包括第一MOS晶体管以及第二MOS晶体管，并形成共源同栅结构；
所述第一MOS晶体管的栅极作为所述放大电路的输入端与所述次级线圈电感的第一端连接，所述第一MOS晶体管的源极与所述第一负反馈电感的第一端连接；
所述第二MOS晶体管的源极与所述第一MOS晶体管的漏极连接，所述第二MOS晶体管的栅极连接至第二电源偏置电压，所述第二MOS晶体管的漏极连接至第一电源电压；
所述级间匹配电路与所述第二MOS晶体管的漏极连接。
更优的，所述级间匹配电路包括第一漏极电感、级间耦合电容以及第二负反馈电感；
所述第二MOS晶体管的漏极经串联所述第一漏极电感后连接至所述第一电源电压；
所述级间耦合电容的第一端与所述第二MOS晶体管的漏极连接；
所述第二负反馈电感的第一端和所述级间耦合电容的第二端分别连接至所述第二级放大电路，所述第二负反馈电感的第二端接地。
更优的，所述第二级放大电路包括第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管，并形成共源同栅结构；
所述第三MOS晶体管的栅极与所述级间耦合电容的第二端连接，所述第三MOS晶体管的源极与所述第二负反馈电感的第一端连接；
所述第四MOS晶体管的源极与所述第三MOS晶体管的漏极连接，所述第四MOS晶体管的栅极连接至第三电源偏置电压，所述第四MOS晶体管的漏极连接至第二电源电压；
所述输出匹配电路与所述第四MOS晶体管的漏极连接。
更优的，所述输出匹配电路包括第二漏极电感、第二电容、第三电容以及第四电容；
所述第四MOS晶体管的漏极经串联所述第二漏极电感后连接至所述第二电源电压；
所述第二电容的第一端与所述第四MOS晶体管的漏极连接，所述第二电容的第二端连接至所述信号输出端；
所述第三电容的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第三电容的第二端接地；
所述第四电容的第一端与所述第二电容的第二端连接，所述第四电容的第二端接地。
更优的，所述输出匹配电路还包括串联至所述第二漏极电感与所述第二电源电压之间的电阻。
第二方面，本发明提供了一种射频接收模组，所述射频接收模组包括如上所述的低噪声放大器。
与现有技术相比，本发明的低噪声放大器通过变压器的初级线圈电感、次级线圈电感以及初级线圈电感和次级线圈电感形成耦合的耦合系数的设计，配合第一电容，等效于提供了一个高阶的匹配网络，与单级电感配合电容的匹配网络相比拥有更高的自由度，提供了更多的极点，因此具有了更高的带宽，提升了宽带的输入匹配效果，避免了低噪声放大器由于环境温度、频率、信号源以及负载等因素的变化而导致失配的现象。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的电路整体框选图；
图2为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的电路部分框选图；
图3为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的S参数仿真结果图；
图4为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的噪声系数仿真结果图。
其中，100、低噪声放大器；1、输入匹配电路；11、变压器；2、放大电路；21、第一放大级电路；22、级间匹配电路；23、第二级放大电路；3、输出匹配电路。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种低噪声放大器100，结合图1和图2所示，其包括依次电连接的信号输入端IN、输入匹配电路1、放大电路2、输出匹配电路3以及信号输出端OUT。
其中，输入匹配电路1用于实现信号输入端IN与低噪声放大器100的阻抗匹配，并向放大电路2传输射频信号；放大电路2用于将输入匹配电路1输出的信号进行功率放大并输出；输出匹配电路3用于实现低噪声放大器100与信号输出端OUT的阻抗匹配。输出匹配电路3连接至放大电路2的输出端信号输出端OUT之间。
具体地，输入匹配电路1包括第一电容C1、变压器11以及第一负反馈电感LS1。
其中，第一电容C1的第一端与信号输入端IN连接。
变压器11包括初级线圈电感L2、与初级线圈电感L2形成耦合的次级线圈电感L3以及初级线圈电感L2和次级线圈电感L3形成耦合的耦合系数k1；初级线圈电感L2的第一端与第一电容C1的第二端连接，初级线圈电感L2的第二端接地，次级线圈电感L3的第一端连接至放大电路2的输入端，次级线圈电感L3的第二端连接至第一电源偏置电压VG1；第一负反馈电感LS1的第一端连接至放大电路2，第一负反馈电感LS1的第一端接地。
本实施例中，输入匹配电路1还包括串联至第一电容C1的第二端与初级线圈电感L2的第一端之间的泄露电感Lg。
具体地，放大电路2包括第一级放大电路21、第二级放大电路23以及连接第一级放大电路21和第二级放大电路23的级间匹配电路22；级间匹配电路22用于实现第一级放大电路21与第二级放大电路23的阻抗匹配。
其中，次级线圈电感L3的第一端和第一负反馈电感LS1的第一端分别连接至第一级放大电路21，输出匹配电路3与第二级放大电路23连接。
本实施例中，第一级放大电路21包括第一MOS晶体管M1以及第二MOS晶体管M2，并形成共源同栅结构。
第一MOS晶体管M1的栅极作为放大电路2的输入端与次级线圈电感L3的第一端连接，第一MOS晶体管M1的源极与第一负反馈电感LS1的第一端连接。
第二MOS晶体管M2的源极与第一MOS晶体管M1的漏极连接，第二MOS晶体管M2的栅极连接至第二电源偏置电压VG2，第二MOS晶体管M2的漏极连接至第一电源电压VD1。
级间匹配电路22与第二MOS晶体管M2的漏极连接。
本实施例中，级间匹配电路22包括第一漏极电感Ld1、级间耦合电容C2以及第二负反馈电感LS2。
第二MOS晶体管M2的漏极经串联第一漏极电感Ld1后连接至第一电源电压VD1；即第一漏极电感Ld1的第一端与第二MOS晶体管M2的漏极连接，第一漏极电感Ld1的第二端连接至第一电源电压VD1。
级间耦合电容C2的第一端与第二MOS晶体管M2的漏极连接。
第二负反馈电感LS2的第一端和级间耦合电容C2的第二端分别连接至第二放大级电路23，第二负反馈电感LS2的第二端接地。
本实施例中，第二级放大电路23包括第三MOS晶体管M3以及第四MOS晶体管M4，并形成共源同栅结构。
第三MOS晶体管M3的栅极与级间耦合电容C2的第二端连接，第三MOS晶体管M3的源极与第二负反馈电感LS2的第一端连接。
第四MOS晶体管M4的源极与第三MOS晶体管M3的漏极连接，第四MOS晶体管M4的栅极连接至第三电源偏置电压VG3，第四MOS晶体管M4的漏极连接至第二电源电压VD2。
输出匹配电路3与第四MOS晶体管M4的漏极连接；即第四MOS晶体管M4的漏极还作为放大电路2的输出端。
具体地，输出匹配电路3包括第二漏极电感Ld2、第二电容C4、第三电容C3以及第四电容C5。
第四MOS晶体管M4的漏极经串联第二漏极电感Ld2后连接至第二电源电压VD2；即第二漏极电感Ld2的第一端与第四MOS晶体管M4的漏极连接，第二漏极电感Ld2的第二端连接至第二电源电压VD2。
第二电容C4的第一端与第四MOS晶体管M4的漏极连接，第二电容C4的第二端连接至信号输出端OUT。
第三电容C3的第一端与第二电容C4的第一端连接，第三电容C3的第二端接地。
第四电容C5的第一端与第二电容C4的第二端连接，第四电容C5的第二端接地。
本实施例中，输出匹配电路3还包括串联至第二漏极电感Ld2与第二电源电压VD2之间的电阻R1；即电阻R1的第一端与第二漏极电感Ld2的第二端连接，电阻R1的第二端连接至第二电源电压VD2。
本实施例中两个器件之间的“连接”应当理解为“电连接”或“电性连接”。
与现有技术相比，本发明的低噪声放大器100通过变压器11(片上变压器)的初级线圈电感L2、次级线圈电感L3以及存在初级线圈电感L2和次级线圈电感L3之间的耦合系数k1的设计，配合第一电容C1和品质因素，等效于提供了一个高阶的匹配网络，与单级电感配合电容的匹配网络(LC匹配网络)相比拥有了更好的自由度，提供了更多的极点，因此具有了更好的带宽，提升了宽带的输入匹配效果，避免了低噪声放大器100由于环境温度、频率、信号源以及负载等因素的变化而导致失配的现象，同时该低噪声放大器100还可以实现5-7GHz频带内的良好匹配。
变压器11的优化设计过程中，很难在不影响变压器11其它参数的情况下对变压器11的某一项参数进行单独调节，所以变压器11的优化设计过程较为复杂，往往需要进行多次迭代，而为了简化设计步骤，减少迭代次数，选择在其输入端***泄露电感Lg来辅助设计，即在初级线圈电感L2的第一端增设泄露电感Lg，这样泄露电感Lg便可以在不影响变压器11的次级线圈电感L3的感值的情况下，调节变压器11的初级线圈电感L2的感值和耦合系数k1，从而简化变压器11的优化设计和迭代过程。
第一级放大电路21和第二放大电路2通过均采用共源共栅(共源同栅)的结构，可以有效减少第一MOS晶体管M1至第四MOS晶体管M4的Miller效应(米勒效应)和有限输出阻抗对低噪声放大器100性能的影响，并提供良好的反向隔离性能，减弱本地振荡信号的泄露，同时使低噪声放大器100成为一个单向优化放大器结构，可以在很大程度上简化设计过程，并避免其稳定性不佳的问题。
第一级放大电路21和第二放大电路2通过在两者的共源管源极分别引入第一负反馈电感LS1和第二负反馈电感LS2，从而可以通过调整第一负反馈电感LS1和第二负反馈电感LS2的具体参数优化低噪声放大器100的噪声系数、小信号增益、输入匹配电路1、级间匹配电路22以及稳定性的效果。
第二级放大电路23通过在共栅管漏极引入电阻R1，可以使小信号的增益曲线更加平滑，以改善带内增益平坦度。
输出匹配电路3通过采用pi型匹配网络，从而可以实现宽带的输出匹配，扩展低噪声放大器100的带宽。
图3为本实施例提供的低噪声放大器100的S参数(散射参数)仿真结果图，图中S12为反向传输系数，也就是隔离，S21为正向传输系数，也就是增益，S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗；图4为本实施例提供的低噪声放大器100的噪声系数仿真结果图，图中NF为噪声系数；从而图3和图4可以得出该低噪声放大器100在5-7GHz频带内的良好匹配，且输入回波耗损和输出回波耗损均大于10dB，提供了较高的增益，最高的增益可达19.41dB，频带内的增益曲线变化十分平缓，增益平坦度为1.1dB，此外，还提供了较低的噪声系数，噪声系数只处于1.43-1.67dB，均小于2dB。
另外，本发明还提供了一种射频接收模组的实施例，该射频接收模组包括上述实施例中的低噪声放大器100。
由于本实施例中的射频接收模组包括了上述实施例中的低噪声放大器100，因此其也能达到上述实施例中低噪声放大器100所达到的技术效果，在此不作赘述。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低噪声放大器，包括依次电连接的信号输入端、输入匹配电路、放大电路、输出匹配电路以及信号输出端；所述输入匹配电路用于实现所述信号输入端与所述低噪声放大器的阻抗匹配；其特征在于，所述输入匹配电路包括第一电容、变压器以及第一负反馈电感；
所述第一电容的第一端与所述信号输入端连接；
所述变压器包括初级线圈电感、与所述初级线圈电感形成耦合的次级线圈电感以及所述初级线圈电感和所述次级线圈电感形成耦合的耦合系数；所述初级线圈电感的第一端与所述第一电容的第二端连接，所述初级线圈电感的第二端接地，所述次级线圈电感的第一端连接至所述放大电路的输入端，所述次级线圈电感的第二端连接至第一电源偏置电压；所述第一负反馈电感的第一端连接至所述放大电路，所述第一负反馈电感的第二端接地；
所述放大电路用于将所述输入匹配电路输出的信号进行功率放大并输出；
所述输出匹配电路连接至所述放大电路的输出端与所述信号输出端之间，用于实现所述低噪声放大器与所述信号输出端的阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路还包括串联至所述第一电容的第二端与所述初级线圈电感的第一端之间的泄露电感。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路以及连接所述第一级放大电路和第二级放大电路的级间匹配电路；所述级间匹配电路用于实现所述第一级放大电路与所述第二级放大电路的阻抗匹配；
所述次级线圈电感的第一端和所述第一负反馈电感的第一端分别连接至所述第一级放大电路，所述输出匹配电路与所述第二级放大电路连接。
4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路包括第一MOS晶体管以及第二MOS晶体管，并形成共源同栅结构；
所述第一MOS晶体管的栅极作为所述放大电路的输入端与所述次级线圈电感的第一端连接，所述第一MOS晶体管的源极与所述第一负反馈电感的第一端连接；
所述第二MOS晶体管的源极与所述第一MOS晶体管的漏极连接，所述第二MOS晶体管的栅极连接至第二电源偏置电压，所述第二MOS晶体管的漏极连接至第一电源电压；
所述级间匹配电路与所述第二MOS晶体管的漏极连接。
5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述级间匹配电路包括第一漏极电感、级间耦合电容以及第二负反馈电感；
所述第二MOS晶体管的漏极经串联所述第一漏极电感后连接至所述第一电源电压；
所述级间耦合电容的第一端与所述第二MOS晶体管的漏极连接；
所述第二负反馈电感的第一端和所述级间耦合电容的第二端分别连接至所述第二级放大电路，所述第二负反馈电感的第二端接地。
6.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路包括第三MOS晶体管以及第四MOS晶体管，并形成共源同栅结构；
所述第三MOS晶体管的栅极与所述级间耦合电容的第二端连接，所述第三MOS晶体管的源极与所述第二负反馈电感的第一端连接；
所述第四MOS晶体管的源极与所述第三MOS晶体管的漏极连接，所述第四MOS晶体管的栅极连接至第三电源偏置电压，所述第四MOS晶体管的漏极连接至第二电源电压；
所述输出匹配电路与所述第四MOS晶体管的漏极连接。
7.如权利要求6所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括第二漏极电感、第二电容、第三电容以及第四电容；
所述第四MOS晶体管的漏极经串联所述第二漏极电感后连接至所述第二电源电压；
所述第二电容的第一端与所述第四MOS晶体管的漏极连接，所述第二电容的第二端连接至所述信号输出端；
所述第三电容的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第三电容的第二端接地；
所述第四电容的第一端与所述第二电容的第二端连接，所述第四电容的第二端接地。
8.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路还包括串联至所述第二漏极电感的第二端与所述第二电源电压之间的电阻。
9.一种射频接收模块，其特征在于，所述射频接收模块包括如权利要求1至8任意一项所述的低噪声放大器。
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