CN218387444U - 一种宽频高增益低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽频高增益低噪声放大器，包含：放大级电路、缓冲级电路、输出级电路和反馈电路，所述放大级电路依序通过所述缓冲级电路、输出级电路产生输出信号；所述放大级电路采用共源共栅电阻反馈放大结构，所述共源共栅电阻反馈放大结构包括共源共栅放大器、场效应晶体管M1和反馈电阻Rf，所述场效应晶体管M1的栅极用于连接输入信号，所述场效应晶体管M1的源极接地，所述场效应晶体管M1的漏极与所述共源共栅放大器连接。本实用新型在实现宽频匹配的同时，能够满足高增益和低噪声系数，同时实现输入输出同时匹配，且输入输出无需匹配网络结构，应用简单，且采用无电感元件设计来降低成本与芯片面积。

Description

一种宽频高增益低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及射频信号接收技术领域，尤指一种宽频高增益低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信行业的不断发展，人们对无线通讯设备应用越来越广泛，如北斗导航、医疗卫生、智能家居以及工程建造等领域。为了满足不同场景下的应用与需求，移动终端逐渐趋向于多功能化、集成化与小型化。由于不同的应用中无线通信标准不同，往往需要多个频段进行收发,因此使得射频收发机的频率宽带成为讨论的焦点。

低噪声放大器处于全球导航卫星***接收机的最前端，其性能直接影响着整个接收机的性能，其主要作用就是接收来自天线的高频信号，对其进行放大，由于接收的天线信号非常微弱，受周围环境的影响，特别容易被覆盖，因此要求低噪声放大器具有极低的噪声系数、较高的增益和良好的阻抗匹配。

目前常见的低噪声放大器拓扑结构有输入端并联电阻的共源放大结构、共栅放大结构，并-串联电阻反馈结构及源极并电感型共源放大结构四种，其中输入端并联电阻的共源放大结构可以直接提供50欧姆的输入阻抗，实现宽带，但增益只有普通的共源放大的一半，同时输入端并联电阻，引入一个与源电阻一样大小的热噪声，噪声性能差；共栅放大结构利用共栅放大器的输入阻抗来实现输入阻抗匹配，但g_m受到限制，噪声系数差,且需要电感元件。相比前两种，后两种结构在低噪声放大器中应用比较广泛。例如，马雨生等人基于0.18um CMOS 工艺提出一种应用于GNSS全频段的低噪声放大器，工作在1.1-1.7GHz,***增益大于25dB，噪声系数小于1.75dB，该放大器采用源极电感负反馈结构的共源共栅放大器和共源放大的两级结构，实现了高增益和低噪声系数，但其需要极其复杂的输入匹配，级间匹配和输出匹配网络，电感元件极多，极大的增加芯片的面积和应用成本。2017年杨晶等人采用电阻并联反馈结构提出一种北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，该放大器在1G-2GHz内，最大增益为15dB，噪声系数最小为2.7dB，其为了实现宽频，在增益与噪声系数间进行折中，增益较高，但噪声系数大，且含有电感元件，需要额外输入匹配网络进行匹配。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种宽频高增益低噪声放大器，其在实现宽频匹配的同时，能够满足高增益和低噪声系数，且采用无电感元件设计来降低成本与芯片面积；另外，其输入输出无需匹配网络匹配，极大的简化应用，降低成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种宽频高增益低噪声放大器，包含：放大级电路、缓冲级电路、输出级电路和反馈电路，所述放大级电路用接收输入信号，所述输出级电路用于连接负载，所述放大级电路依序通过所述缓冲级电路、输出级电路产生输出信号，所述反馈电路用于将所述放大级电路的输出端反馈回所述放大级电路的输入端；

所述放大级电路采用共源共栅电阻反馈放大结构，所述共源共栅电阻反馈放大结构包括共源共栅放大器、场效应晶体管M1和反馈电阻Rf，所述场效应晶体管M1的栅极用于连接输入信号，所述场效应晶体管M1的源极接地，所述场效应晶体管M1的漏极与所述共源共栅放大器连接。

进一步，所述共源共栅放大器包括场效应晶体管M2和场效应晶体管M3，所述场效应晶体管M3的漏极与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M3的栅极通过电阻R1连接有第一偏置电压，所述场效应晶体管M3的源极与所述场效应晶体管M2的漏极连接，所述场效应晶体管M2的栅极与所述场效应晶体管M1的栅极连接，所述场效应晶体管M2的源极连接电压VDD。

进一步，所述缓冲级电路包括场效应晶体管M4和场效应晶体管M5，所述场效应晶体管M4的源极接地，所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管 M5的栅极共同与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M4的漏极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M5的源极连接电压 VDD。

进一步，所述输出级电路包括场效应晶体管M6、场效应晶体管M7和电容 C5，所述场效应晶体管M7的漏极连接电压VDD所述场效应晶体管M7栅极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M7的源极和所述场效应晶体管M6的漏极共同连接所述电容C5的一端，所述电容C5的另一端用于连接负载，所述场效应晶体管M6的源极接地，所述场效应晶体管M6的栅极连接有第二偏置电压。

进一步，所述反馈电路包括场效应晶体管M8和场效应晶体管M9，所述场效应晶体管M9的栅极与所述场效应晶体管M3的漏极连接，所述场效应晶体管M9 的源极与所述场效应晶体管M8的漏极共同连接所述场效应晶体管M1的栅极，所述场效应晶体管M9的漏极连接连接电压VDD，所述场效应晶体管M8的源极接地所述场效应晶体管M8的栅极连接有第三偏置电压。

进一步，所述反馈电阻Rf连接在所述场效应晶体管M1的漏极和栅极之间。

进一步，所述场效应晶体管M5的漏极和栅极之间连接有电阻R2。

进一步，所述放大级电路包括电容C1、电容C2和电容C4，所述电容C1的第一端用于连接输入信号，所述电容C1的第二端和所述场效应晶体管M1的栅极共同连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端与所述场效应晶体管 M2的栅极连接，所述电容C4连接在所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管M1的漏极之间。

进一步，所述反馈电路包括电阻Rm和电容C3,所述场效应晶体管M9的源极通过所述电阻Rm和电容C3与所述电容C2的第一端连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型包含：放大级电路、缓冲级电路、输出级电路和反馈电路，所述放大级电路依序通过所述缓冲级电路、输出级电路产生输出信号，所述反馈电路用于将所述放大级电路的输出端反馈回所述放大级电路的输入端；所述放大级电路采用共源共栅放大器和场效应晶体管M1，可以提供高增益与低噪声；所述缓冲级电路为所述放大级电路提供较大负载，同时提供较大的增益；所述输出级电路可以实现输出阻抗匹配及提高反向隔离度；所述反馈电路可以提高整体的增益和噪声系数，实现宽带匹配。因此，本实用新型在实现宽频匹配的同时，能够满足高增益和低噪声系数，且采用无电感元件设计来降低成本与芯片面积；另外，其输入输出无需匹配网络匹配，极大的简化应用，降低成本。

附图说明

图1是传统的电阻反馈放大结构的电路图。

图2是本实用新型的电路图。

图3是本实用新型的输入阻抗等效电路图。

图4是本实用新型的S参数仿真结果示意图。

图5是本实用新型的噪声系数NF仿真结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，传统的电阻反馈放大器由nmosM₁和pmosM₂及反馈电阻R_f组成，同时M₁与M₂电流复用，相比同源放大结构，在相同功耗下实现更大的增益。其开环增益表达式为：

Gv＝(g_m1+g_m2)(r₀₁//r₀₂) (1)

式中，g_m1和g_m2分别为M₁与M₂的有效跨导，r₀₁与r₀₂分别为M₁与M₂的内阻。

其闭环增益可表示为：

输入阻抗为：

因此，从式(3)可知，输入阻抗受反馈电阻R_f的影响较大，当R_f较大时，为匹配至50欧姆，G_v相应的也要取很大，由式(1)可知，意味着需要更大g_m1和g_m2，需要更大的电流，然而电阻R_f往往是几十千欧姆左右的取值，这样即使有更大的G_v,输入阻抗也很难匹配至50欧姆，无法实现宽频覆盖，相反，当R_f很小时，为实现输入阻抗匹配至50欧姆，增益较小，噪声系数较大。因此在增益、噪声系数与输入匹配之间存在很大的权衡问题，很难同时满足。

请参阅图2所示，本实用新型提供一种宽频高增益低噪声放大器，包含：放大级电路、缓冲级电路、输出级电路和反馈电路，所述放大级电路用接收输入信号，所述输出级电路用于连接负载，所述放大级电路依序通过所述缓冲级电路、输出级电路产生输出信号，所述反馈电路用于将所述放大级电路的输出端反馈回所述放大级电路的输入端；

所述放大级电路采用共源共栅电阻反馈放大结构，所述共源共栅电阻反馈放大结构包括共源共栅放大器、场效应晶体管M1和反馈电阻Rf，所述场效应晶体管M1的栅极用于连接输入信号，所述场效应晶体管M1的源极接地，所述场效应晶体管M1的漏极与所述共源共栅放大器连接。

进一步地，所述共源共栅放大器包括场效应晶体管M2和场效应晶体管M3，所述场效应晶体管M3的漏极与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M3的栅极通过电阻R1连接有第一偏置电压，所述场效应晶体管M3的源极与所述场效应晶体管M2的漏极连接，所述场效应晶体管M2的栅极与所述场效应晶体管M1的栅极连接，所述场效应晶体管M2的源极连接电压VDD。

进一步地，所述反馈电阻Rf连接在所述场效应晶体管M1的漏极和栅极之间。

第二级为放大级电路，在所述放大级电路中，采用共源共栅放大器和反馈电阻R_f，可以提供高增益与低噪声；其中，所述场效应晶体管M2和场效应晶体管 M3构成共源共栅放大，与传统的电阻反馈放大结构相比，其具有更高的增益，同时所述场效应晶体管M1和所述场效应晶体管M2的电流复用，在相同的电流下，实现更大的增益。

其开环增益表达式为：

Gv＝(g_m1+g_m2)[r₀₁//(r₀₂+r₀₃)] (4)

上式中，g_m1，g_m2和g_m2分别为M₁，M₂与M₃的有效跨导，r₀₁，r₀₂与r₀₃分别为M₁，M₂与M₃的内阻。

闭环增益可表示为：

为了在满足输入匹配的同时实现高增益,加入了反馈电路，所述反馈电路包括场效应晶体管M8、场效应晶体管M9、电阻Rm和电容C3，其中场效应晶体管M₉为源随放大，用来驱动电阻R_m，以实现输入阻抗匹配。其输入阻抗可表示为：

从式(6)可知，其输入阻抗由场效应晶体管M9的跨导与电阻R_m及增益共同决定，消除对反馈电阻R_f的影响，实现宽频覆盖。此时反馈电阻R_f可取较大值，实现高增益和低噪声系数。

输入阻抗分析如下：

本实用新型的输入阻抗等效电路如图3所示，假设输入电压为V_in,输入电流为I_in,

由此可得到以下方程：

化解可得：

由此可得输入阻抗R_in:

进一步地，所述缓冲级电路包括场效应晶体管M4和场效应晶体管M5，所述场效应晶体管M4的源极接地，所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管M5的栅极共同与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M4的漏极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M5的源极连接电压VDD。

第二级为缓冲级放大电路，在缓冲级放大电路中，所述场效应晶体管M4和场效应晶体管M5为两个共源放大，构成反相器的放大结构，为第一级提供负载，同时驱动后级，为整体电路提高增益。

进一步地，所述场效应晶体管M5的漏极和栅极之间连接有电阻R2。电阻 R2为反相偏置。

进一步地，所述输出级电路包括场效应晶体管M6、场效应晶体管M7和电容 C5，所述场效应晶体管M7的漏极连接电压VDD所述场效应晶体管M7栅极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M7的源极和所述场效应晶体管M6的漏极共同连接所述电容C5的一端，所述电容C5的另一端用于连接负载，所述场效应晶体管M6的源极接地，所述场效应晶体管M6的栅极连接有第二偏置电压。

第三级为输出级，其中，所述场效应晶体管M7采用源级跟随器作为放大器的输出级，驱动50欧姆的片外负载，其输出阻抗可表示为：

式中。r₀₆为M₆的内阻，g_m7为M₇的有效跨导。

从式(7)中可知，输出阻抗由r₀₆与g_m7共同决定，通过选择一个合适的g_m7值，可实现输出阻抗匹配至50欧姆，无需添加匹配网络，另外源级跟随器具有带宽很宽且电压增益近似为1。

进一步地，所述反馈电路包括场效应晶体管M8和场效应晶体管M9，所述场效应晶体管M9的栅极与所述场效应晶体管M3的漏极连接，所述场效应晶体管M9的源极与所述场效应晶体管M8的漏极共同连接所述场效应晶体管M1的栅极，所述场效应晶体管M9的漏极连接连接电压VDD，所述场效应晶体管M8的源极接地所述场效应晶体管M8的栅极连接有第三偏置电压。

进一步地，所述放大级电路包括电容C1、电容C2和电容C4，所述电容C1 的第一端用于连接输入信号，所述电容C1的第二端和所述场效应晶体管M1的栅极共同连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端与所述场效应晶体管M2的栅极连接，所述电容C4连接在所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管M1的漏极之间。

进一步地，所述反馈电路包括电阻Rm和电容C3,所述场效应晶体管M9的源极通过所述电阻Rm和电容C3与所述电容C2的第一端连接。

参照图2，本实用新型主要由放大级电路、缓冲级电路、输出级电路以及反馈电路组成；其中，放大级电路采用共源共栅电阻反馈兼电流复用放大结构，提供高增益与低噪声，源随放大反馈电路引入电阻R_m，旨在消除所述反馈电阻R_f对增益与噪声系数的影响，提高整体的增益和噪声系数，同时源随反馈的跨导与反馈电阻R_m及增益共同决定输入阻抗，实现宽带匹配；缓冲级电路为反相器放大结构，为放大级电路提供较大负载，同时提供较大的增益；输出级电路采用源随放大输出，主要实现输出阻抗匹配及提高反向隔离度。

参照图4，本实用新型在无电感匹配的情况下能够实现1G～2G的频率覆盖， S11&S22小于-10dB，能够很好的实现输入输出阻抗匹配，S21为放大器的增益，大于20dB，由S12可知，具有良好的反向隔离度。

参照图5，在1G～2GHz范围内，NF小于1.85dB，在整个带宽内变化小于0.1dB，具有极低的噪声系数。

为解决传统电阻反馈宽带放大器在增益和噪声系数上很难同时满足以及输入输出匹配复杂问题，本实用新型通过采用一种电流复用加源随反馈的技术，在满足宽频的同时，实现低噪声和高增益；同时本实用新型采用无电感的结构，实现输入输出同时匹配，极大的减小了芯片的面积，且输入输出无需匹配网络，极大的降低成本。具体为：

第一，采用共源共栅放大器作为放大器的第一级，相比传统的电阻反馈放大具有更高的增益；

第二，通过在并联电阻反馈放大后添加一种源随反馈技术引入电阻R_m，消除传统电阻反馈结构受反馈电阻R_f的影响，满足宽频覆盖的同时，实现高增益，且输入无需匹配网络结构实现阻抗匹配；

第三，在所述放大级电路输出加入缓冲级电路，所述缓冲级电路为第一级放大提供较大的负载，同时进一步地提高增益；

第四，输出级采用源级跟随器作为放大器的输出端，无需匹配网络结构实现输出阻抗匹配。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于，包含：放大级电路、缓冲级电路、输出级电路和反馈电路，所述放大级电路用接收输入信号，所述输出级电路用于连接负载，所述放大级电路依序通过所述缓冲级电路、输出级电路产生输出信号，所述反馈电路用于将所述放大级电路的输出端反馈回所述放大级电路的输入端；

所述放大级电路采用共源共栅电阻反馈放大结构，所述共源共栅电阻反馈放大结构包括共源共栅放大器、场效应晶体管M1和反馈电阻Rf，所述场效应晶体管M1的栅极用于连接输入信号，所述场效应晶体管M1的源极接地，所述场效应晶体管M1的漏极与所述共源共栅放大器连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述共源共栅放大器包括场效应晶体管M2和场效应晶体管M3，所述场效应晶体管M3的漏极与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M3的栅极通过电阻R1连接有第一偏置电压，所述场效应晶体管M3的源极与所述场效应晶体管M2的漏极连接，所述场效应晶体管M2的栅极与所述场效应晶体管M1的栅极连接，所述场效应晶体管M2的源极连接电压VDD。

3.根据权利要求2所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述缓冲级电路包括场效应晶体管M4和场效应晶体管M5，所述场效应晶体管M4的源极接地，所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管M5的栅极共同与所述场效应晶体管M1的漏极连接，所述场效应晶体管M4的漏极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M5的源极连接电压VDD。

4.根据权利要求3所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输出级电路包括场效应晶体管M6、场效应晶体管M7和电容C5，所述场效应晶体管M7的漏极连接电压VDD，所述场效应晶体管M7栅极与所述场效应晶体管M5的漏极连接，所述场效应晶体管M7的源极和所述场效应晶体管M6的漏极共同连接所述电容C5的一端，所述电容C5的另一端用于连接负载，所述场效应晶体管M6的源极接地，所述场效应晶体管M6的栅极连接有第二偏置电压。

5.根据权利要求4所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述反馈电路包括场效应晶体管M8和场效应晶体管M9，所述场效应晶体管M9的栅极与所述场效应晶体管M3的漏极连接，所述场效应晶体管M9的源极与所述场效应晶体管M8的漏极共同连接所述场效应晶体管M1的栅极，所述场效应晶体管M9的漏极连接连接电压VDD，所述场效应晶体管M8的源极接地，所述场效应晶体管M8的栅极连接有第三偏置电压。

6.根据权利要求1所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述反馈电阻Rf连接在所述场效应晶体管M1的漏极和栅极之间。

7.根据权利要求3所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述场效应晶体管M5的漏极和栅极之间连接有电阻R2。

8.根据权利要求5所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述放大级电路包括电容C1、电容C2和电容C4，所述电容C1的第一端用于连接输入信号，所述电容C1的第二端和所述场效应晶体管M1的栅极共同连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端与所述场效应晶体管M2的栅极连接，所述电容C4连接在所述场效应晶体管M4的栅极和所述场效应晶体管M1的漏极之间。

9.根据权利要求8所述的一种宽频高增益低噪声放大器，其特征在于：所述反馈电路包括电阻Rm和电容C3,所述场效应晶体管M9的源极通过所述电阻Rm和电容C3与所述电容C2的第一端连接。

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