專利名稱：一種增益可調(diào)低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種增益可調(diào)低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
增益控制機(jī)制廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，通過增益控制，電路可以擴(kuò)展接收信 號的動(dòng)態(tài)范圍，降低功耗和提高線性度。尤其在最近幾年，便攜式射頻終端市場的快速發(fā)展 使得功耗成為一個(gè)愈發(fā)重要的考慮因素。信號的衰減和反射現(xiàn)象的存在造成了接收器前端 信號功率的變化，接收機(jī)的輸入信號變化范圍可以達(dá)到80dB以上，如從幾個(gè)微伏的小信號 到幾十毫伏的大信號，低噪聲放大器LNA作為射頻接收系統(tǒng)的第一級電路應(yīng)具備接受處理 大動(dòng)態(tài)范圍射頻信號的能力。增益可控既能有效地避免接收機(jī)元件的飽和，同時(shí)也可以使 手持設(shè)備工作在低增益、低功耗的模式下，從而延長其電池壽命。在接收機(jī)中，低噪聲放大 器必須向下一級電路(混頻器)輸出適當(dāng)?shù)男盘?。信號過小，混頻器無法檢測；信號過大又 會對混頻器造成過載，使線性度惡化。而低噪聲放大器從天線接收到的信號是一個(gè)動(dòng)態(tài)范 圍很大的信號，因此LNA增益調(diào)節(jié)可控變得十分必要。增益控制技術(shù)主要有以下幾種1開關(guān)負(fù)載法。主要優(yōu)點(diǎn)是增益調(diào)節(jié)不會嚴(yán)重影 響電路噪聲系數(shù)，但是，增益調(diào)節(jié)步長對于負(fù)載鏈上的寄生阻抗變化十分敏感，同時(shí)可能影 響電壓偏置。2旁路開關(guān)法。信號可以從有源器件旁的另一條通路通過，此通路由開關(guān)控 制，從而實(shí)現(xiàn)不同地增益控制。開關(guān)通路會引起損耗，但是只要損耗在可接受的范圍，這種 技術(shù)還是可行的，而增益和線性度確實(shí)不可控制的。3電流分離法。此法用旁路分離出放大 器的輸出電流，但此電流與放大器輸出電流之和不變，所以輸出電流會變小，增益減小。這 種方法電路實(shí)現(xiàn)簡單，而且功耗不變，但是在低增益模式下會嚴(yán)重惡化噪聲系數(shù)。4改變偏 置。此法實(shí)質(zhì)上是控制輸入管跨導(dǎo)，或者是控制放大管跨導(dǎo)，容易實(shí)現(xiàn)，增益變化時(shí)增益平 坦度不會惡化，但噪聲性能會惡化，且難以精確控制。

實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不增加系 統(tǒng)噪聲、不影響偏置和輸入阻抗、不增加功耗、增益調(diào)節(jié)能精確控制的增益可調(diào)低噪聲放大器。技術(shù)方案本實(shí)用新型所述的增益可調(diào)低噪聲放大器，由輸入匹配、放大級、增益 控制和輸出LC諧振網(wǎng)絡(luò)三部分組成，在主體共源共柵管上交叉并接兩組共源共柵管，將跨 導(dǎo)管放大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流到負(fù)輸出端，部分射頻輸入的負(fù)電流 流到正輸出端，從而交叉抵消形成可實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器增益調(diào)節(jié)的增益控制電路，其中增 益控制電路可根據(jù)輸入信號的強(qiáng)弱，控制交叉并接共源共柵管的通斷，從而調(diào)節(jié)低噪聲放 大器的增益。本實(shí)用新型所述的增益可調(diào)低噪聲放大器，具體方案為包括輸入放大級、增益控 制電路和輸出諧振；所述輸入放大級包括用作射頻跨導(dǎo)管的N型金屬氧化物晶體管(簡稱NMOS管)Ml、M2，用作共源共柵管(級連晶體管)的M3、M4，源簡并電感Lsl、Ls2，柵電感Lgl、 Lg2，偏置電阻Rl、R2 ；所述增益控制電路由N型金屬氧化物晶體管M5、M6、M7、M8組成，M5 和M6由Vcontl控制通斷，M7和M8由VCont2控制通斷；所述輸出諧振包括諧振電感Ldl、 Ld2，以及由電容CA1、CA2、CA3、CA4開關(guān)管M9、M10、Mil、M12組成的開關(guān)電容陣列；射頻輸入正極連到電感Lgl的正端，電感Lgl的負(fù)端與Ml的柵極相連；射頻輸入 負(fù)極連到電感Lg2的正端，電感Lg2的負(fù)端與M2的柵極相連；Ml管的源極接電感Lsl的正 端，電感Lsl的負(fù)端接地；M2管的源極接電感Ls2的正端，電感Ls2的負(fù)端接地；偏置電阻 Rl的正端接Ml的柵極，R2的正端接M2的柵極，Rl與R2的負(fù)端接偏置電壓；Ml的漏極接 M3的源級，M3的漏極接電感Ldl的負(fù)端，電感Ldl的正端接電源；M2的漏極接M4的源級， M4的漏極接電感Ld2的負(fù)端，電感Ld2的正端接電源；M3、M4的柵極接偏置電壓；M5源極接 M4源極，漏極接M3漏極；M6源極接M3源極，漏極接M4漏極；M7源極接M4源極，漏極接M3 漏極；M8源極接M3源極，漏極接M4漏極；M5、M6的柵極接控制電壓Vcontl，M7、M8柵極接 控制電壓VCont2 ；電容CAl的上極板接M4的漏極，下極板接M9的漏極，M9的源極接地；電 容CA2的上極板接M3的漏極，下極板接MlO的漏極，MlO的源級接地；M9、MlO的柵極接控 制電壓VCont3 ；電容CA3的上極板接M4的漏極，下極板接Mll的漏極，Mll的源極接地；電 容CA4的上極板接M3的漏極，下極板接M12的漏極，M12的源級接地；M11、M12的柵極接控 制電壓VCont4 ；M3的漏極接射頻輸出正極，M4的漏極接射頻輸出負(fù)極。本實(shí)用新型增益可調(diào)低噪聲放大器采用共源共柵源簡并電感型共源放大器結(jié)構(gòu)， 源簡并電感型共源放大器具有噪聲系數(shù)低、增益高、線性度好并可以實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配等 特點(diǎn)。采用差分結(jié)構(gòu)，能很好地消除源級電感Ls變化對低噪放性能的影響，同時(shí)提高低噪 放對襯底耦合的抑制能力。源簡并電感共源輸入由Ml、M2、LsU Ls2、Lgl和Lg2組成，Lg、 Ls與放大管的Cgs諧振，使輸入阻抗虛部為0，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。M3和M4作為共源共柵 管，可以提高放大器的輸出阻抗，降低放大管Miller效應(yīng)對放大器性能的影響，同時(shí)還提 高了反向隔離度，避免了穩(wěn)定性問題。在輸出端，電感Ldl、Ld2，開關(guān)電容陣列以及M3和 M4管總的漏端電容，組成輸出LC諧振，開關(guān)電容陣列可以使輸出準(zhǔn)確地諧振在所需頻率點(diǎn) 上，減少對后級電路的諧波干擾。增益控制部分由晶體管M5、M6、M7、M8組成，M5和M6由Vcontl控制通斷，M7和M8 由VCont2控制通斷。射頻輸入信號通過跨導(dǎo)管Ml、M2轉(zhuǎn)化為射頻電流，射頻電流流過共源 共柵管，以及LC諧振負(fù)載，輸出電壓信號以驅(qū)動(dòng)下一級的電容性負(fù)載(對于全集成的CMOS 接收機(jī)來說)。從共源共柵管M3 M8的源級看進(jìn)去的電阻為MOS器件跨導(dǎo)的倒數(shù)l/gm，因 此分離出電流的大小取決于晶體管的跨導(dǎo)& 。如果設(shè)置M5、M6的柵極導(dǎo)通電壓Vcontl與 M7、M8的柵極導(dǎo)通電壓VCont2和M3、M4的偏置電壓Vbias3都為電源電壓，則^11的大小就 完全由晶體管自身的尺寸所決定。綜上，根據(jù)所需增益控制的要求，合理設(shè)置交叉并接共源 共柵管的尺寸，便可以實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是1、本實(shí)用新型增益可調(diào)低噪聲放大 器，通過交叉并接的共源共柵管，把跨導(dǎo)管放大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流 到負(fù)輸出端，部分射頻輸入的負(fù)電流流到正輸出端，從而交叉抵消，實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)；2、低 噪聲放大器的增益控制技術(shù)是基于交叉并接的共源共柵管，而共源共柵管的噪聲對輸出的 貢獻(xiàn)是微乎其微的，所以此增益控制技術(shù)不增加系統(tǒng)噪聲；同時(shí)分離電流由共源共柵管的尺寸決定，所以增益控制精確；分離電流來自跨導(dǎo)管的電流，因而總電流不變，所以不增加 功耗；同時(shí)本實(shí)用新型還具有不影響偏置和輸入阻抗的特點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型的增益可調(diào)低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的低噪聲放大器的增益控制原理示意圖；在主體共源共柵管上 交叉并接兩組共源共柵管，把跨導(dǎo)管放大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流到負(fù) 輸出端，部分射頻輸入的負(fù)電流流到正輸出端，從而交叉抵消，來實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的增益 調(diào)節(jié)。圖3為本實(shí)用新型的低噪聲放大器在四種增益模式下S21的仿真曲線圖，其中黑 實(shí)線為最小增益模式，點(diǎn)虛線為最大增益模式；根據(jù)所需增益控制的要求，合理設(shè)置交叉并 接共源共柵管的尺寸，便可以實(shí)現(xiàn)所要求的增益調(diào)節(jié)效果。圖4為本實(shí)用新型的低噪聲放大器在四種增益模式下噪聲系數(shù)NF的仿真曲線圖， 其中黑實(shí)線為最小增益模式，點(diǎn)虛線為最大增益模式。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，通過一個(gè)最佳實(shí)施例，對本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。本實(shí)用新型的增益可調(diào)低噪聲放大器，將吉爾伯特單元實(shí)現(xiàn)可變增益放大器的基 本思想應(yīng)用于低噪聲放大器，在主體共源共柵管上交叉并接兩組共源共柵管，把跨導(dǎo)管放 大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流到負(fù)輸出端，部分射頻輸入的負(fù)電流流到正 輸出端，從而交叉抵消，來實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的增益調(diào)節(jié)。如圖1所示，本實(shí)用新型增益可調(diào)低噪聲放大器包含輸入放大級、增益控制電路 和輸出諧振。輸入放大級包含用作射頻跨導(dǎo)管的N型金屬氧化物晶體管(以下簡稱NMOS 管)Ml、M2，用作共源共柵管(級連晶體管)的M3、M4，源簡并電感Lsl、Ls2，柵電感Lgl、 Lg2，偏置電阻Rl、R2。增益控制部分由NMOS管M5、M6、M7、M8組成，M5和M6由Vcontl控 制通斷，M7和M8由VCont2控制通斷。輸出諧振部分包含諧振電感Ldl、Ld2，以及由電容 CA1、CA2、CA3、CA4開關(guān)管M9、M10、Mil、M12組成的開關(guān)電容陣列。射頻輸入正極連到電感Lgl的正端，電感Lgl的負(fù)端與Ml的柵極相連。射頻輸入 負(fù)極連到電感Lg2的正端，電感Lg2的負(fù)端與M2的柵極相連。Ml管的源極接電感Lsl的正 端，電感Lsl的負(fù)端接地。M2管的源極接電感Ls2的正端，電感Ls2的負(fù)端接地。偏置電阻 Rl的正端接Ml的柵極，R2的正端接M2的柵極，Rl與R2的負(fù)端接偏置電壓。Ml的漏極接 M3的源級，M3的漏極接電感Ldl的負(fù)端，電感Ldl的正端接電源。M2的漏極接M4的源級， M4的漏極接電感Ld2的負(fù)端，電感Ld2的正端接電源。M3、M4的柵極接偏置電壓。M5源極 接M4源極，漏極接M3漏極；M6源極接M3源極，漏極接M4漏極；M7源極接M4源極，漏極接 M3漏極；M8源極接M3源極，漏極接M4漏極。M5、M6的柵極接控制電壓Vcontl，M7、M8柵 極接控制電壓VCont2。電容CAl的上極板接M4的漏極，下極板接M9的漏極，M9的源極接 地。電容CA2的上極板接M3的漏極，下極板接MlO的漏極，MlO的源級接地。M9、MlO的柵 極接控制電壓VCont3。電容CA3的上極板接M4的漏極，下極板接Mll的漏極，Mll的源極接地。電容CA4的上極板接M3的漏極，下極板接M12的漏極，M12的源級接地。M11、M12的 柵極接控制電壓VCont4。M3的漏極接射頻輸出正極，M4的漏極接射頻輸出負(fù)極。
如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本實(shí)用新型，但其不得 解釋為對本實(shí)用新型自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本實(shí)用新型的精神和范圍 前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求1.一種增益可調(diào)低噪聲放大器，其特征在于在主體共源共柵管上交叉并接兩組共源 共柵管，將跨導(dǎo)管放大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流到負(fù)輸出端，部分射頻輸 入的負(fù)電流流到正輸出端，從而交叉抵消形成可實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器增益調(diào)節(jié)的增益控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益可調(diào)低噪聲放大器，其特征在于包括輸入放大級、增益 控制電路和輸出諧振；所述輸入放大級包括用作射頻跨導(dǎo)管的N型金屬氧化物晶體管Ml、 M2，用作共源共柵管的M3、M4，源簡并電感Lsl、Ls2，柵電感Lgl、Lg2，偏置電阻R1、R2 ；所述 增益控制電路由N型金屬氧化物晶體管M5、M6、M7、M8組成，M5和M6由Vcontl控制通斷， M7和M8由VCont2控制通斷；所述輸出諧振包括諧振電感Ldl、Ld2，以及由電容CA1、CA2、 CA3、CA4開關(guān)管M9、M10、M11、M12組成的開關(guān)電容陣列；射頻輸入正極連到電感Lgl的正端，電感Lgl的負(fù)端與Ml的柵極相連；射頻輸入負(fù)極 連到電感Lg2的正端，電感Lg2的負(fù)端與M2的柵極相連；Ml管的源極接電感Lsl的正端，電 感Lsl的負(fù)端接地；M2管的源極接電感Ls2的正端，電感Ls2的負(fù)端接地；偏置電阻Rl的 正端接Ml的柵極，R2的正端接M2的柵極，Rl與R2的負(fù)端接偏置電壓；Ml的漏極接M3的 源級，M3的漏極接電感Ldl的負(fù)端，電感Ldl的正端接電源；M2的漏極接M4的源級，M4的 漏極接電感Ld2的負(fù)端，電感Ld2的正端接電源；M3、M4的柵極接偏置電壓；M5源極接M4源 極，漏極接M3漏極；M6源極接M3源極，漏極接M4漏極；M7源極接M4源極，漏極接M3漏極； M8源極接M3源極，漏極接M4漏極；M5、M6的柵極接控制電壓VContl，M7、M8柵極接控制電 壓VCont2 ；電容CAl的上極板接M4的漏極，下極板接M9的漏極，M9的源極接地；電容CA2 的上極板接M3的漏極，下極板接MlO的漏極，MlO的源級接地；M9、MlO的柵極接控制電壓 Vcont3 ；電容CA3的上極板接M4的漏極，下極板接Mll的漏極，Mll的源極接地；電容CA4 的上極板接M3的漏極，下極板接M12的漏極，M12的源級接地；M11、M12的柵極接控制電壓 Vcont4 ；M3的漏極接射頻輸出正極，M4的漏極接射頻輸出負(fù)極。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種增益可調(diào)低噪聲放大器，在主體共源共柵管上交叉并接兩組共源共柵管，將跨導(dǎo)管放大的電流交叉分流，部分射頻輸入的正電流流到負(fù)輸出端，部分射頻輸入的負(fù)電流流到正輸出端，從而交叉抵消形成可實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器增益調(diào)節(jié)的增益控制電路。本實(shí)用新型相對于傳統(tǒng)的低噪放增益控制方法具有增益調(diào)節(jié)不增加系統(tǒng)噪聲、增益控制精確、不影響偏置和輸入阻抗、不增加功耗的特點(diǎn)。
文檔編號H03F1/26GK201918964SQ20112000054
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者吳建輝, 張萌, 徐震, 李紅, 楊世鐸, 竺磊, 趙亮, 陳超 申請人:東南大學(xué)