CN201039094Y

CN201039094Y - 一种高增益射频低噪声放大器

Info

Publication number: CN201039094Y
Application number: CNU2007201095767U
Authority: CN
Inventors: 王良坤; 马成炎; 甘业兵
Original assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-05-21

Abstract

本实用新型公开一种高增益射频低噪声放大器，特别涉及用于无线通信接收机***射频前端芯片中的低噪声放大器。为了克服现有技术低噪声放大器的缺陷，采用由输入匹配电路，主放大器电路，直流偏置电路和输出匹配电路组成的共源共栅结构的差分低噪声放大器，放大器采用电容反馈来增大整个低噪声放大器的增益，并有效地减少了密勒效应的影响，负反馈电感的取值可减小，寄生效应影响得以削弱，主放大器电路的放大管偏置电压可调，可优化工作状态，使电路的噪声性能和输入匹配性能都得到了改善，既节省了电路版图面积，又节约了流片成本，经验证，功率增益提高12dB，噪声系数减小0.9dB，经济效益显著。

Description

一种高增益射频低噪声放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种高增益射频低噪声放大器，特别涉及用于无线通信接收机***射频前端芯片中的低噪声放大器。

背景技术

当今，随着包括移动通信和无线局域网的各类无线通信***和技术的飞速发展，与无线通信密切相关的射频集成电路(RFIC)形成了一个快速增长的市场，而倍受世界范围通信相关产业的关注，成为研究和开发的热点。无线通信接收机***射频前端芯片中的低噪声放大器也是无线收发机***设计的瓶颈之一，市场用户对无线产品的性能要求极为苛刻，既要求低功耗、小体积、高性能，又要求低成本。天线接收的信号在亚微伏量级，甚至会完全淹没在噪声里，将如此微弱的信号进行放大而不恶化信噪比是低噪声放大器设计的技术难题。低噪声放大器是无线接收机***中的关键模块，其噪声系数直接决定了整个***的噪声系数的下限值，并对***的灵敏度有决定性的影响。此外，还要求低噪声放大器具有足够高的放大增益，呈现特定的输入阻抗与天线实现阻抗匹配，以及尽可能低的功耗。

一般低噪声放大器是单端输入至单端输出的结构，此类单端输出结构的低噪声放大器要求其后的混频器也必须为单端输入式，因而存在下列重要的缺点：它无法有效地降低混频器的共模噪声和减小本地振荡器到混频器输出的泄漏。其次，它对于接地的寄生电感非常敏感。若采用差分结构的低噪声放大器，可以有效的解决这些问题。

以往的射频低噪声放大器一般采用GaAs、Bipolar或BiCMOS工艺，成本高。随着射频CMOS工艺的发展，已能实现高频下的低成本、低功耗和高集成度。传统的CMOS差分结构低噪声放大器电路如图1所示。在这个结构中，M01～M04是放大的有源器件，电感L01和L02使差分信号两个输入端与天线的50欧姆阻抗匹配，L03和L04将低噪声放大器的输入回路的谐振频点调谐到输入射频信号的载波频率上，L05和L06调谐低噪声放大器的输出回路和阻抗匹配，电流源Iss则为整个放大器电路提供直流偏置。它采用电感源端负反馈来实现噪声优化，但是，由于M01和M02的栅一漏的重叠电容会显著地减小从M011和M02的栅和漏之间的阻抗，使噪声性能和输入匹配都变差，必须加大负反馈电感值来进行补偿，同时，该重叠电容还会通过密勒效应使低噪声放大器的功率一电流转换效率降低，要达到所需电压增益，必然要增大负载阻抗，使构成差分共源共栅电路晶体管的噪声以及放大管的漏端电流噪声也会增大。另外要抑制密勒效应的影响，需要用较大尺寸的共栅器件以减小共源晶体管的增益，但伴随而来的源端寄生电容会对共栅器件高频的内部噪声显著放大。此类低噪声放大器的缺陷显而易见，用获得足够大的负反馈电感值和足够大的输入阻抗的电阻部分来优化噪声，其结果是总的放大级跨导减小，使整个放大器的增益减小，进而影响整个接收机的***噪声。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种高增益射频低噪声放大器，电路在具有良好的噪声性能的前提下，提高增益，并能显著改善***的噪声性能。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案实现的：一种高增益射频低噪声放大器，包括输入匹配电路，主放大器电路，直流偏置电路和输出匹配电路，如图2所示。

一个输入匹配电路，它有输入端1和输入端2、输出端1和输出端2，输入端1和输入端2分别连接RF_INP和RF_INN射频信号两路输入端。

一个主放大器电路为共源共栅结构的差分放大器，它有输入端1和输入端2、输出端1和输出端2以及恒流源接入端，其输入端1和输入端2分别连接输入匹配电路输出端1和输出端2；其输出端1和输出端2分别连在接低噪声放大器的输出端OUT_P和OUT_N；其恒流源接入端连接直流偏置电路的输出端。

一个直流偏置电路，它有一输入端和一输出端，其输入端与参考电压Vb相连，其输出端与恒流源接入端相连。

一个输出匹配电路，双路LC电路均并接在电源VDD和地之间，它有输出端1和输出端2，并接在低噪声放大器的输出端OUT_P和OUT_N。

所述的输入匹配电路为两路独立的LC串联滤波网络，它由电容C1和C2，电感L3和L4组成。输入端1和输入端2分别连接低噪声放大器前级的射频信号输出端RF_INP和RF_INN，输出端1和输出端2分别连接主放大器电路的输入端1和输入端2，即MOS管M1和M2的栅极。

所述的主放大器电路为共源共栅结构的差分放大器，它由MOS管M1、M2、M3和M4，电感L1和L2、电容C3和C4以及电阻R1和R2组成。输入匹配电路的两路差分射频信号输出端分别接入MOS管M1和M2的栅极，MOS管M1和M2的源极分别接电感L1和L2的一端，电感L1和L2的另一端并接点为恒流源接入端，连接到恒流源的输出端；MOS管M1和M3、M2和M4为漏极源极串联，M1和M2的的漏极分别接MOS管M3和M4的源极，MOS管M1的漏极通过电容C3连接到MOS管M4的栅极，MOS管M2的漏极通过电容C4连接到MOS管M3的栅极，MOS管M3和M4的栅极直接连在电源VDD上，MOS管M3和M4的漏极为主放大器电路的输出端，通过输出匹配电路连接电源VDD供电端。电阻R1和R2的一端分别接MOS管M1和M2的漏极，另一端分别连接MOS管M1和M2的栅极，提供固定栅极偏置电压。

所述的直流偏置电路为互补型直流偏置恒流源，它由MOS管M5～M11组成，其中PMOS管的M5和M6以及MOS管的M7和M8均为共栅结构；MOS管M10的漏极连接电感L1和L2的并接端，M10的源极接M11的漏极，M11的源极接地；PMOS管M5和M6的栅极耦合端接在参考电压Vb的输入端上，参考电压Vb由***提供，漏极分别连接MOS管M7和M8的漏极，它们的源极都接在电源VDD上，而M7和M8的栅极耦合接在M10的栅极上，M7的源极接M9的漏极，M9和M11的栅极耦合接在M7的漏极上，M8和M9的源极都接地；它有一输入端和一输出端，其输入端与参考电压Vb输入端相连，其输出端与主放大器电路的恒流源接入端相连。

所述的主放大器电路的两路直流偏置栅压为可调分压式偏置电压，它是由电阻R3、R4、R5和R6组成的两路分压器，电阻R3一端接在电源VDD供电端，电阻R4一端接地，电阻R3和R4的分压端连接电阻R5和R6，电阻R5和R6的另一端为分压值Vb1和Vb2的输出端，分别接在MOS管M1和M2的栅极，电阻R3和R4为可变电阻，通过改变R3或R4的阻值来调整MOS管M1和M2的直流栅压Vb1和Vb2，优化放大器的工作状态。

所述的主放大器电路的两路直流偏置栅压为有源偏置电压，它是由MOS管M12、电容C7、电阻R7和R8以及MOS管M13、电容C8、电阻R9和R10组成的两路有源偏置电路，MOS管M12和M13的漏极分别通过电阻R7和R9接在电源VDD上，它们的源极接地，栅极与漏极并联并分别通过电容C7和C8接地，电阻R8和R10的一端分别接在MOS管M21和M13的栅极，电阻R8和R10的另一端为两路直流偏置栅压输出端，分别连接主放大器电路的两路MOS管M1和M2的栅极，直流偏置栅压是有源偏置形成的。

所述的输出匹配电路由电容C5和C6，电感L5和L6组成。L5和C5，L6和C6均为串联连接，它们的串联端分别接在M3和M4的漏极，即低噪声放大器的输出端的输出端OUT_P和OUT_N，L5和L6的一端连接电源端VCC，C5和C6的一端接地； L5和C5以及L6和C6的取值满足低噪声放大器输出调谐于中心频率。

差分放大输入射频信号RF_INP和RF_INN，分别通过电容C1和C2以及电感L3和L4输入到MOS管M1和M2的栅极，MOS管M1和M2的源极分别接电感L1和L2，它们的漏极分别接MOS管M3和M4的源极，MOS管M1放大后的信号通过电容C3交流耦合到MOS管M4的栅极，MOS管M2放大后的信号通过电容C4交流耦合到MOS管M3的栅极，而MOS管M3和M4的栅极直接连在电源VDD上，它们的漏极分别通过电感L5和L6也接到电源VDD上，同时它们的漏极分别通过电容C5和C6接地。电感L1和L2的另一端接到MOS管M10的漏极，M10的源极接M11的漏极，M11的源极接地。PMOS管M5和M6的栅极耦合接在参考电压Vb上，它们的源极接在电源VDD上，漏极分别连接MOS管M7和M8的漏极，而M7和M8的栅极耦合接在M10的栅极上，M7的源极接M9的漏极，M9和M11的栅极耦合接在M7的漏极上，M8和M9的源极都接地。放大后的信号分别从M3和M4的漏极输出。在这个结构中，电容C1和C2是隔直电容，电感L1和L2分别用于产生一个实部电阻，使差分信号两个输入端与天线的50欧姆阻抗匹配，L3和L4分别用于将低噪声放大器的输入回路的谐振频点调谐到输入射频信号的载波频率上，M1～M4是用于放大的有源器件，电容C3和C4分别将MOS管M1和M2放大的信号交流耦合到MOS管M4和M3的栅极，后两个管子又提供了附加的增益，共栅连接的MOS管M3和M4的Cascode管方式，可以提高放大器的输出阻抗，使得放大器的负载阻抗完全由负载网络来决定。Cascode晶体管M3和M4又给放大管M1和M2提供一个低阻抗负载，使放大管处于合理的低增益，降低了放大管密勒效应对放大器性能的影响。Cascode晶体管还提高了反向隔离性能，可有效减弱了本地振荡信号的泄漏，使放大器单向化而大大简化设计方程，并避免了稳定性问题。Cascode晶体管还使得放大管漏端电压降低，减弱了载流子速度饱和对放大管的影响。C5和C6以及L5和L6分别用于低噪声放大器的输出回路的调谐和阻抗匹配，在M3和M4的漏极端的总节点电容与电感L5和L6分别形成谐振回路，既增加了在中心频率处的增益，同时又提高了带通滤波能力。由M5～M11构成的电流源Iss为整个放大器电路提供直流偏置。

本实用新型改进的CMOS射频低噪声放大器的技术方案具有以下明显的优点：

1)通过电容C3和C4分别将MOS管M1和M2放大的信号交流耦合到MOS管M4和M3的栅极，由后两个管子提供附加放大量，增大整个低噪声放大器的增益，经验证，功率增益有12dB的提高；

2)MOS管M1和M2的栅漏电容分别通过C3和C4交流接地，有效地减少了密勒效应的影响，使电路的噪声性能和输入匹配性能都得到了改善，经验证，噪声系数有0.9dB的减小；

3)电容C3和C4的存在，补偿MOS管M1和M2栅漏电容影响的源端负反馈电感的取值可减小，使负反馈电感的寄生效应影响得以削弱，提高了电路高频性能。

4)在微电子电路中电感占据很大的面积，源端负反馈电感的取值减小既节省了电路版图面积，又节约了流片成本，经济效益显著。

附图说明

图1为已有技术的CMOS射频低噪声放大器电原理示意图。

图2为本发明的CMOS射频低噪声放大器第一实施例电路结构示意图。

图3为本发明的CMOS射频低噪声放大器第二实施例电路结构示意图。

图4为本发明的CMOS射频低噪声放大器第三实施例电路结构示意图。

图中：RF_INP射频信号的P路输入端、RF_INN射频信号的N输入端、OUT_P—低噪声放大器的P路输出端、OUT_N—低噪声放大器的N路输出端、Vb—参考电压、Vb1—直流偏置栅压1、Vb2—直流偏置栅压2。

具体实施方式

本发明提出的一种高增益射频低噪声放大器结合拓扑结构示意图和实施例结构示意图详细说明如下：

本发明提出的一种高增益射频低噪声放大器，包括输入匹配电路、主放大器电路、输出匹配电路和直流偏置电路。如图2所示。

输入匹配电路主要是由电容C1和C2，电感L3和L4组成，其连接关系为：差分输入的射频信号RF_INP和RF_INN，分别通过C1和L3以及C2和L4输入到主放大器电路。

主放大器电路主要是由共源共栅结构的MOS管M1、M2、M3和M4，电感L1和L2以及电容C3和C4组成，其连接关系为：经过输入匹配电路的差分射频信号分别输入到MOS管M1和M2的栅极，而MOS管M1和M2的源极分别接电感L1和L2，它们的漏极分别接MOS管M3和M4的源极，MOS管M1的漏极通过电容C3连接到MOS管M4的栅极，MOS管M2的漏极通过电容C4连接到MOS管M3的栅极，而MOS管M3和M4的栅极直接连在电源VDD上，电感L1和L2的另一端接到恒流源输出接点上。

输出匹配电路由电容C5和C6，电感L5和L6组成。经过主放大器放大后的信号分别从MOS管M3和M4的漏极输出，电感L5和L6的一端分别连接在MOS管M3和M4的漏极，另一端接在电源VDD上，电容C5和C6的一端也分别连接在MOS管M3和M4的漏极，另一端接地。

直流偏置电路为由MOS管M5～M11构成的恒流源，其中M5和M6为PMOS管。MOS管M10的漏极连接电感L1和L2，，M10的源极接M11的漏极，M11的源极接地。PMOS管M5和M6的栅极耦合接在参考电压输入端Vb上，它们的源极都接在电源VDD上，漏极分别连接MOS管M7和M8的漏极，而M7和M8的栅极耦合接在M10的栅极上，M7的源极接M9的漏极，M9和M11的栅极耦合接在M7的漏极上，M8和M9的源极都接地。

输入匹配电路将天线接收到的差分射频信号通过电容C1和C2先隔去直流成分，再通过电感L3和L4将低噪声放大器的输入回路的谐振频点调谐到输入射频信号的载波频率上。

主放大器的差分低噪声放大器的电路结构，其中的电感L1和L2分别用于产生一个实部电阻，使差分信号两个输入端与天线的50欧姆阻抗匹配，M1～M4是用于放大的有源器件，其中M1和M2是放大管，电容C3和C4分别将MOS管M1和M2放大的信号交流耦合到MOS管M4和M3的栅极，由后两个管子提供附加的增益，同时电容C3和C4能够减少密勒效应以及放大管栅漏电容对电路匹配性能，功率一电流转换效率和噪声系数的影响。共栅方式连接的MOS管M3和M4是Cascode管，它们可以提高放大器的输出阻抗，使得放大器的负载阻抗完全由负载网络来决定；Cascode晶体管给放大管M1和M2提供了一个低阻抗负载，使放大管的增益有所减小，密勒效应对放大器性能的影响则大为降低；Cascode晶体管还提高了反向隔离性能，减弱了本地振荡信号的泄漏，同时使放大器成为一个单向化放大器，这会使得设计方程大大简化，并避免稳定性问题；Cascode晶体管还使得放大管漏端电压降低，减弱了载流子速度饱和对放大管的影响。

输出匹配电路中，C5和C6以及L5和L6分别用于低噪声放大器的输出回路的调谐和阻抗匹配。在M3和M4的漏端总的节点电容与电感L5和L6分别形成谐振既增加了在中心频率处的增益同时又额外地提高了非常希望的带通滤波能力。

直流偏置电路为整个放大器电路提供直流偏置。

本发明的CMOS射频低噪声放大器的第二和第三实施例电路结构如图3和如图4所示，它们的基本电路结构如第一实施例电路，不再重复描述。主要对MOS管M1和M2建立直流栅电压的分压式和有源式直流栅压电路作如下说明。

低噪声放大器的源阻抗一般固定不变为50欧姆。如果要保持晶体管的特征频率不变即保持晶体管的过驱动电压不变，放大管的跨导存在一个最优值，可以使得该放大器的噪声性能最优。当放大器的噪声性能最优时，可以计算出放大管的直流栅电压。

在图3所示的实施例中，该直流栅电压的建立是通过电阻分压实现的。电阻R3和R4连接处的电压就是MOS管M1和M2的直流栅电压。电阻R5和R6阻止交流信号通过分压电路，避免低噪声放大器的信号通路受到分压电路的影响。电阻R3或R4用可变电阻实现，可以通过改变R3或R4的阻值来调谐MOS管M1和M2的直流栅压，优化放大器的工作状态。

在图4所示的实施例中，该直流栅电压的建立是通过有源偏置实现的。如图4所示，MOS管M12和M13的漏极分别通过电阻R7和R9接在电源VDD上，它们的源极接地，同时它们的栅极与漏极相连并分别通过电容C7和C8接地，MOS管M12和M13的栅极还分别通过电阻R8和R10接在MOS管M1和M2的栅极上。MOS管M12和M1，M13和M2分别构成电流镜结构，使得流过放大管M1和M2的偏置电流与流过M5和M6的电流成比例镜像关系。为了保证电流镜像关系近似成立，MOS管M12和M13与M1和M2一样，采用最小沟道长度。电阻R8和R10阻止交流信号通过分压电路，避免低噪声放大器的信号通路受到偏置电路的影响。电阻R8和R10产生的热噪声对电路的影响近似可以忽略，但是在芯片实现时，会在放大器的输入节点引入寄生电容。电容C7和C8滤除偏置电路产生的噪声，消除偏置电路的噪声对低噪声放大器噪声性能的影响，电容C7和C8还可以稳定流过MOS管M1、M2和M12、M13的电流，提高抗干扰能力。

Claims

1.一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于由输入匹配电路、主放大器电路、直流偏置电路和输出匹配电路构成；其中：

一个输入匹配电路，它有输入端1和输入端2、输出端1和输出端2，输入端1和输入端2分别连接RF_INP和RF_INN射频信号两路输入端；

一个主放大器电路为共源共栅结构的差分放大器，它有输入端1和输入端2、输出端1和输出端2以及恒流源接入端，其输入端1和输入端2分别连接输入匹配电路输出端1和输出端2；其输出端1和输出端2分别连在接低噪声放大器的输出端OUT_P和OUT_N；其恒流源接入端连接直流偏置电路的输出端；

一个直流偏置电路，它有一输入端和一输出端，其输入端与参考电压Vb相连，其输出端与恒流源接入端相连；

2.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于输入匹配电路为两路独立的LC串联滤波网络，它由电容C1和电感L3，C2和L4串联组成，输入端1和输入端2分别连接低噪声放大器前级的射频信号输出端RF_INP和RF_INN，输出端1和输出端2分别连接主放大器电路的输入端1和输入端2，即MOS管M1和M2的栅极。

3.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于主放大器电路为共源共栅结构的差分放大器，它由MOS管M1、M2、M3和M4，电感L1和L2、电容C3和C4以及电阻R1和R2组成；输入匹配电路的两路差分射频信号输出端分别接入MOS管M1和M2的栅极，MOS管M1和M2的源极分别接电感L1和L2的一端，电感L1和L2的另一端并接点为恒流源接入端，连接到恒流源的输出端；MOS管M1和M3、M2和M4为漏极源极串联，M1和M2的的漏极分别接MOS管M3和M4的源极，MOS管M1的漏极通过电容C3连接到MOS管M4的栅极，MOS管M2的漏极通过电容C4连接到MOS管M3的栅极，MOS管M3和M4的栅极直接连在电源VDD上，MOS管M3和M4的漏极为主放大器电路的输出端，通过输出匹配电路连接电源VDD供电端；电阻R1和R2的一端分别接MOS管M1和M2的漏极，另一端分别连接MOS管M1和M2的栅极，为固定栅极偏置电压电路。

4.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于直流偏置电路为互补型直流偏置恒流源，它由MOS管M5～M11组成，其中PMOS管的M5和M6以及MOS管的M7和M8均为共栅结构；MOS管M10的漏极连接电感L1和L2的并接端，M10的源极接M11的漏极，M11的源极接地；PMOS管M5和M6的栅极耦合端接在参考电压Vb的输入端上，漏极分别连接MOS管M7和M8的漏极，它们的源极都接在电源VDD上；M7和M8的栅极耦合接在M10的栅极上，M7的源极接M9的漏极，M9和M11的栅极耦合接在M7的漏极上，M8和M9的源极都接地；它有一输入端和一输出端，其输入端与参考电压Vb的输入端相连，其输出端与主放大器电路的恒流源接入端相连。

5.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于所述的输出匹配电路由电感L5和L6、电容C5和C6组成；L5和C5，L6和C6均为串联连接，它们的串联端分别接在M3和M4的漏极，即低噪声放大器的输出端的输出端OUT_P和OUT_N，L5和L6的一端连接电源端VCC，C5和C6的一端接地；L5和C5以及L6和C6使低噪声放大器输出调谐于中心频率。

6.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于主放大器电路的两路直流偏置栅压为可调分压式偏置电压，它是由电阻R3、R4、R5和R6组成，电阻R3一端接在电源VDD供电端，电阻R4一端接地，电阻R3和R4的分压端连接电阻R5和R6，电阻R5和R6的另一端为分压值Vb1和Vb2的输出端，分别接在MOS管M1和M2的栅极，电阻R3和R4为可变电阻。

7.根据权利要求1所述的一种高增益射频低噪声放大器，其特征在于主放大器电路的两路直流偏置栅压为有源偏置电压，它是由MOS管M12、电容C7、电阻R7和R8以及MOS管M13、电容C8、电阻R9和R10组成的两路有源偏置电路，MOS管M12和M13的漏极分别通过电阻R7和R9接在电源VDD上，它们的源极接地，栅极与漏极并联并分别通过电容C7和C8接地，电阻R8和R10的一端分别接在MOS管M12和M13的栅极，电阻R8和R10的另一端为两路直流偏置栅压输出端，分别连接主放大器电路的两路MOS管M1和M2的栅极，直流偏置栅压是有源偏置形成的。