專利名稱:一種高增益的寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種高增益的寬帶低噪聲放大器,屬于射頻電路技術(shù)領(lǐng)域,其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,具有較大的輸入輸出匹配帶寬的同時,改善了噪聲與增益性能,在100M-5GHZ頻帶范圍內(nèi)具有良好的輸入阻抗匹配性能,同時有較高的增益和較小的噪聲系數(shù)。
背景技術(shù):
低噪聲放大器是噪聲系數(shù)很低的放大器,一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路,對于幾乎所有的射頻接收機系統(tǒng), 必不可少的一個模塊就是低噪聲放大器。由于系統(tǒng)接收到的射頻信號幅度通常很弱,放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重,因此希望減小這種噪聲,并且提供一定的電壓增益,以提高輸出的信噪比。設(shè)計高增益、低噪聲的放大器電路IP核具有較為廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。
共柵結(jié)構(gòu)放大器廣泛應(yīng)用于寬帶低噪聲放大器的設(shè)計中,主要原因是其具有寬帶輸入匹配特性,傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器電路如圖1所示。信號由晶體管Ml源極輸入,通過調(diào)整Ml寬長比及柵極偏置電壓,可以調(diào)整流經(jīng)Ml電流大小,進而改變Ml的跨導(dǎo)gm,使其輸入阻抗與50歐姆匹配。通過調(diào)整負(fù)載電阻Rl阻值大小,可以獲得不同的電壓增益。該結(jié)構(gòu)具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬。但是,傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器具有以下缺點
第一是增益低,傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益很大程度上取決于負(fù)載阻抗大小,但是大負(fù)載電阻會帶來過多的壓降,而有限的電源電壓限制了傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增 .、/■Mo
第二是噪聲大,傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的噪聲系數(shù)較大,往往超過4dB。
第三是設(shè)計應(yīng)用缺乏靈活性。傳統(tǒng)的共柵LNA和在完成輸入匹配后,輸入管的跨導(dǎo)也隨之確定,電路可以實現(xiàn)的最小噪聲系數(shù)和最大增益也就確定了,設(shè)計缺乏靈活性。
另外,有一種基于跨導(dǎo)增強原理被稱為電容交叉耦合共柵LNA (CCC-CGLNA)被提出,其電路原理圖如圖2所示。由于其跨導(dǎo)增強技術(shù)通過無源方式實現(xiàn),對增益和噪聲性能改善較小。同時也存在完成輸入匹配后,輸入管的跨導(dǎo)也隨之確定,設(shè)計缺乏靈活性。并且, 其只能用在差分信號場合,在單端信號場合無法應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明提出一種高增益的寬帶低噪聲放大器,采用有源實現(xiàn)跨導(dǎo)增強技術(shù)的寬帶LNA,能夠大幅改善寬帶共柵LNA的增益和噪聲性能,并且輸入共柵管跨導(dǎo)不受輸入匹配的制約,設(shè)計靈活。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種高增益的寬帶低噪聲放大器,其特征在于采用有源跨導(dǎo)增強電路,設(shè)有高頻扼流單元、負(fù)載單元以及第一、第二兩個輸入放大單元,射頻輸入信號分別連接第一、第二兩個輸入放大單元的輸入端,第一輸入放大單元的輸出端將放大信號輸入到第二輸入放大單元,第二輸入放大單元的輸出端連接負(fù)載單元,負(fù)載單元輸出射頻輸出信號,第二輸入放大單元的輸入端還串聯(lián)高頻扼流單元后接地,其中
第一輸入放大單元包括NMOS管Ml、兩個電阻Rl、R2、兩個電容Cl、C2,NMOS管Ml 的柵極與電阻Rl的一端以及電容Cl的一端連接,電阻Rl的另一端連接第一偏置電壓,電容Cl的另一端連接射頻輸入信號,NMOS管Ml的漏極串聯(lián)電阻R2后連接到電源電壓,同時, NMOS管Ml的漏極通過電容C2輸出放大信號,NMOS管Ml的源極接地;
第二輸入放大單元包括NMOS管M2、電阻R3,NM0S管M2的柵極連接第一輸入放大單元的放大信號輸出端,并通過串聯(lián)電阻R3后連接第二偏置電壓,NMOS管M2的源極連接射頻輸入信號,NMOS管M2的漏極為第二輸入放大單兀的輸出端;
高頻扼流單元包括電感LI,電感LI的一端連接到第二輸入放大單元NMOS管M2的源極,電感LI的另一端接到地;
負(fù)載單元包括電阻R4,電阻R4的一端連接第二輸入放大單元的輸出端,此端也是射頻輸出信號端,電阻R4的另一端連接電源電壓。
本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果
(I)高增益。傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益很大程度上取決于負(fù)載阻抗大小,但是大負(fù)載電阻會帶來過多的壓降,而有限的電源電壓限制了傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益。 本發(fā)明采用跨導(dǎo)增強技術(shù),在完成匹配的同時大大減少了共柵LNA的電流,使得在相同壓降條件下,負(fù)載電阻的取值可以大大增加,從而提高了增益。并且由于本發(fā)明的跨導(dǎo)增強技術(shù)通過有源電路實現(xiàn),相比采用無源方式的電容交叉耦合共柵LNA,可以大大提升跨導(dǎo)的增強幅度,得到更高的增益。
(2)低噪聲。傳統(tǒng)共柵LNA的噪聲系數(shù)無法低于l+γ/α。本發(fā)明采用有源跨導(dǎo)增強技術(shù),大大降低了電路噪聲系數(shù)。
(3)設(shè)計與應(yīng)用靈活。傳統(tǒng)的共柵LNA和電容交叉耦合共柵LNA在完成輸入匹配后,輸入管的跨導(dǎo)也隨之確定,電路可以實現(xiàn)的最小噪聲系數(shù)和最大增益也就確定了,設(shè)計缺乏靈活性。而本發(fā)明在實現(xiàn)輸入匹配時有兩個參數(shù)可供調(diào)整第一輸入放大單元的增益和第二輸入放大單元的跨導(dǎo),增加了設(shè)計的靈活性,可以得到最優(yōu)的增益和噪聲系數(shù)。同時電容交叉耦合共柵LNA只能用在差分信號場合,而本發(fā)明既可以用在差分信號場合,又可以用在單端信號場合。
圖1是傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電路原理圖2是電容交叉耦合共柵LNA (CCC-CGLNA)的電路原理圖3是本發(fā)明的電路方框圖4是本發(fā)明的電路原理圖5是本發(fā)明與圖1、圖2現(xiàn)有技術(shù)在完成輸入匹配情況下的電壓增益仿真曲線比較;
圖6是本發(fā)明與圖1、圖2現(xiàn)有技術(shù)在完成輸入匹配情況下的噪聲系數(shù)曲線比較;
圖7、8、9是圖4的另外三種實施電路。
具體實施方式
參看圖3,本發(fā)明設(shè)有高頻扼流單元、負(fù)載單元以及第一輸入放大單元和第二輸入放大單元,射頻輸入信號RFin分別連接兩個輸入放大單元的輸入端,第一輸入放大單元的輸出端將放大信號輸入到第二輸入放大單元,第二輸入放大單元的輸出端連接負(fù)載單元, 負(fù)載單元輸出射頻輸出信號RFout,第二輸入放大單元的輸入端還串聯(lián)高頻扼流單元后接地。
圖4為圖3的具體電路。第一輸入放大單元設(shè)有NMOS管Ml,電阻Rl,R2,電容Cl、 C2 ;第二輸入放大單元包括NMOS管M2,電阻R3,負(fù)載單元為電阻R4,高頻扼流單元為電感 LI。Ml的柵極串聯(lián)電阻Rl后連接偏置電壓1,M1的柵極串聯(lián)Cl后連接射頻輸入信號RFin, 漏極連接電阻R2到電源Vcc,同時串聯(lián)電容C2將信號耦合給第二輸入放大單元。M2柵極串聯(lián)R3后連接偏置電壓2,源極連接射頻輸入信號RFin并且串聯(lián)高頻扼流單元電感LI到地。第一輸入放大單元中Ml的漏極通過電容C2連接第二輸入放大單元中M2的柵極。M2 的漏極連接負(fù)載電阻R4后連接電源電壓Vcc,M2的漏極同時輸出射頻輸出信號RFout。
圖4電路中,第一輸入放大單元采用共源結(jié)構(gòu),第二輸入放大單元采用共柵結(jié)構(gòu), 并在第二輸入放大單元的源極和柵極之間引入第一輸入放大單元,對其跨導(dǎo)進行了增強。 輸入信號通過第一和第二輸入放大單元實現(xiàn)50 Ω輸入阻抗的寬帶匹配特性。負(fù)載單元為電阻。第一輸入放大單元的柵極接輸入信號,源極接地,漏極輸出信號經(jīng)過電容耦合輸入到第二輸入放大單元的柵極。第二輸入放大單元的源極接輸入信號并且串聯(lián)高頻扼流單元到地,柵極接第一輸入放大單元的反相放大信號,起到跨導(dǎo)增強的作用,提高增益的同時可以抑制整體電路噪聲,降低電路的噪聲系數(shù),漏極接負(fù)載單元,并且輸出射頻信號。
工作原理射頻輸入信號通過第一和第二輸入放大單元輸入,對于傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu) LNA,其輸入阻抗約為l/(gm),此處,gm為共柵極晶體管的跨導(dǎo),要實現(xiàn)輸入阻抗匹配需要滿足gm=l/Rs,Rs為源阻抗。當(dāng)實現(xiàn)輸入阻抗匹配的時候,傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)LNA的共柵極晶體管的跨導(dǎo)便隨之確定。這使得在進行傳統(tǒng)共柵LNA設(shè)計時,增益和噪聲性能得不到有效的優(yōu)化,設(shè)計缺乏靈活性。本專利中采用跨導(dǎo)增強技術(shù),在第二輸入放大單元的源極和柵極之間引入第一輸入放大單元,對第二輸入放大單元的M2管進行跨導(dǎo)增強,輸入阻抗變?yōu)?l/[(l+gmlR2)gm2],其中g(shù)ml, gm2分別為晶體管Ml和M2的跨導(dǎo),R2為電阻值。電路的等效跨導(dǎo)增加了 gmlR2倍,要實現(xiàn)輸入阻抗匹配只要使得gm2=l/[(l+gmlR2)Rs]便可,可見第二輸入放大 單元中共柵管M2所需的跨導(dǎo)縮小了(l+gmlR2)倍,所以M2的電流便縮小了(l+gmlR2)倍,這樣在相同壓降條件下負(fù)載單元R5的阻值便可以取到傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)LNA 的(l+gmlR2)倍,提高了電路的整體增益。電容交叉耦合共柵LNA最多只能使得輸入共柵管的跨導(dǎo)縮小到原來的1/2,即增益最多提高為原來的2倍,而本發(fā)明可以提高為原來的 (l+gmlR2)倍,gmlR2可以》1,故本發(fā)明可以提供遠大于傳統(tǒng)共柵LNA和容交叉耦合共柵 LNA的增益。同時可以通過優(yōu)化gmlR2,來使得電路的性能適合于不同應(yīng)用,增加了電路的設(shè)計靈活性。
另一方面,在第二輸入放大單元的源極和柵極之間引入第一輸入放大單元,對第二輸入放大單元的M2管進行跨導(dǎo)增強,可以大幅度降低電路的噪聲系數(shù)。
傳統(tǒng)共柵LNA的噪聲表達式為
權(quán)利要求
1.一種高增益的寬帶低噪聲放大器,其特征在于采用有源跨導(dǎo)增強電路,設(shè)有高頻扼流單元、負(fù)載單元以及第一、第二兩個輸入放大單元,射頻輸入信號分別連接第一、第二兩個輸入放大單元的輸入端,第一輸入放大單元的輸出端將放大信號輸入到第二輸入放大単元,第二輸入放大單元的輸出端連接負(fù)載單元,負(fù)載單元輸出射頻輸出信號,第二輸入放大單元的輸入端串聯(lián)高頻扼流單元后接地,其中 第一輸入放大單元包括NMOS管Ml、兩個電阻Rl、R2、兩個電容C1、C2,NMOS管Ml的柵極與電阻Rl的一端以及電容Cl的一端連接,電阻Rl的另一端連接第一偏置電壓,電容Cl的另一端連接射頻輸入信號,NMOS管Ml的漏極串聯(lián)電阻R2后連接到電源電壓,同吋,NMOS管Ml的漏極通過電容C2輸出放大信號,NMOS管Ml的源極接地; 第二輸入放大單元包括NMOS管M2、電阻R3,NM0S管M2的柵極連接第一輸入放大單元的放大信號輸出端,并通過串聯(lián)電阻R3后連接第二偏置電壓,NMOS管M2的源極連接射頻輸入信號,NMOS管M2的漏極為第二輸入放大單兀的輸出端; 高頻扼流單元包括電感LI,電感LI的一端連接到第二輸入放大單元NMOS管M2的源極,電感LI的另一端接到地; 負(fù)載單元包括電阻R4,電阻R4的一端連接第二輸入放大單元的輸出端,此端也是射頻輸出信號端,電阻R4的另一端連接電源電壓。
全文摘要
一種高增益的寬帶低噪聲放大器,其特征在于采用有源跨導(dǎo)增強電路,設(shè)有高頻扼流單元、負(fù)載單元以及第一、第二兩個輸入放大單元,射頻輸入信號分別連接第一、第二兩個輸入放大單元的輸入端,第一輸入放大單元的輸出端將放大信號輸入到第二輸入放大單元,第二輸入放大單元的輸出端連接負(fù)載單元,負(fù)載單元輸出射頻輸出信號,第二輸入放大單元的輸入端還串聯(lián)高頻扼流單元后接地。
文檔編號H03F3/189GK102983817SQ20121048032
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李智群, 陳亮 申請人:東南大學(xué)