CN100536318C

CN100536318C - 具有低噪声与高增益的低噪声放大器

Info

Publication number: CN100536318C
Application number: CNB2004101003323A
Authority: CN
Inventors: 苏炯光; 刘慈祥; 王是琦
Original assignee: Richwave Technology Corp
Current assignee: Richwave Technology Corp
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-12-06
Also published as: CN1787364A

Abstract

本发明涉及一种具有低噪声与高增益的低噪声放大器，其包含一差动放大器，一前置放大器以及一阻抗匹配网络。该阻抗匹配网络与该差动放大器和该前置放大器相连，用来匹配该差动放大器的输入阻抗与该前置放大器的输出阻抗。相较于现有的低噪声放大器，本发明的低噪声放大器具有低噪声指数，高放大增益，以及容易设计的优点。

Description

具有低噪声与高增益的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种低噪声放大器，特别涉及一种具有高增益的低噪声放大器。

背景技术

随着手机的普及，移动通信在现在人们的生活中已占据着非常重要的角色。许多电路的设计厂商致力通信系统中各个电路区块的研发改进。低噪声放大器属于通信系统中接收器的一部分，其在通信系统的接收器设计上扮演着将接收的信号放大并且抑制接收器本身噪声的功能。

一般低噪声放大器的设计是单端输入至单端输出的架构，然而此等单端输出架构使得在低噪声放大器之后的混波器必须设计为单端输入式，因而无法有效地降低混频器的共模噪声与由震荡器传至混频器输出的信号。若改以差动输出方式的低噪声放大器，正好可以有效的解决这些问题。欲得到一差动输出的低噪声放大器，最简易且常见的架构为差动输入至差动输出的低噪声放大器。然而这种架构需在差动输入至差动输出的低噪声放大器前级外加一级平衡至非平衡的转换器，以将天线端的单端接收信号变为差动对信号。这样的做法在成本上将多花费一级平衡至非平衡的转换器的价格，同时也由于外加这个转换器所多出的损耗增加了整个接收器的噪声指针。因此，比较理想的设计方式是一个单端输入差动输出的低噪声放大器。

请参考图1。图1是一现有单端输入差动输出的低噪声放大器10。低噪声放大器10利用一个被动式的单端输入至差动输出的转换器来达成。低噪声放大器10包含一个转换器12、一个差动放大器14。转换器12是由集成电路上的金属绕线而成。其后接上包含两个差动对晶体管的差动放大器以将RFin端进入的高频信号放大。图1中差动放大器14内的ZL为输出的匹配阻抗，差动输出为RFout。转换器12由集成电路上的金属绕线而成的，这样子的金属绕线在电路布局上占据很大的面积，因此，相对的增加了很多的制作成本。

请参考图2。图2是另一现有单端输入差动输出的低噪声放大器20。低噪声放大器20包含一第一端输入阻抗21、一第二端输入阻抗22以及一差动放大器。低噪声放大器20将差动放大器其中一个差动对晶体管的栅极经由第二端输入阻抗22接地。另一个差动对晶体管的栅极经由第一端输入阻抗21接到输入端RFin。图2的架构不但可以实现单端输入差动输出的低噪声放大器，而且去掉了图1中较占面积的转换器线圈，相对了改进图1中低噪声放大器的缺点。然而，这一边接地的方式需要两边做阻抗的匹配，增加低噪声放大器的复杂度。此乃因为在高频操作上，用以偏压差动对的电流源Is并非一理想的高阻抗电流源，因此晶体管M2在噪声与增益的设计上无法单纯地将之视为共源组态。

在现有的单端输入、差动输出的低噪声放大器中，如在输入端采用金属绕线做为转换器，则因转换器在电路布局上占据较大面积而产生制作成本增加的问题。另一方面，如利用接地的方式实现单端输入，则会因为需要考虑电流源对差动对晶体管的高频影响，而增加低噪声放大器的噪声与设计复杂度。

发明内容

本发明揭露一种用于通信系统中具有低噪声与高增益的低噪声放大器，其包含：一差动放大器，其包含一第一输入端以及一第二输入端，该第二输入端连接至一接地阻抗；一前置放大器，其包含一输入端以及一输出端，用于降低噪声指针；以及一阻抗匹配网络，其一端与该差动放大器的第一输入端相连，其另一端与该前置放大器的输出端相连，该阻抗匹配网络是用来匹配该差动放大器的输入阻抗与该前置放大器的输出阻抗。

附图说明

图1是为一现有单端输入差动输出的低噪声放大器的示意图。

图2是为另一现有单端输入差动输出的低噪声放大器的示意图。

图3是为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第一实施例的示意图。

图4是为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第二实施例的示意图。

图5是为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第三实施例的示意图。

图6是为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第四实施例的示意图。

附图符号说明

10、20、30、40、50、60 低噪声放大器

12 平衡至非平衡转换器

14、24、34、44、54、64 差动放大器

21 第一端输入阻抗

22 第二端输入阻抗

32、42、52、62 前置放大器

36、46、56、66 阻抗匹配网络

38、48、58、68 接地阻抗

具体实施方式

请参考图3。图3是本发明的具有高增益的低噪声放大器的第一实施例30的示意图。低噪声放大器30包含一前置放大器32、一差动放大器34、一阻抗匹配网络36以及一接地阻抗38。在此实施中，差动放大器34主要由两颗构成差动对的晶体管M2和M3组成。晶体管M2和M3的漏极各连接一负载Z_L到电源供应电位V_DD。同时，晶体管M2和M3的漏极即是本低噪声放大器的差动输出端。差动放大器34的差动输入为晶体管M2和M3的栅极，其中一端差动输入端(晶体管M3的栅极)连接至接地阻抗38。本实施例的接地阻抗38为一电容C_B，用来阻隔直流信号以形成晶体管M3的栅极偏压。阻抗匹配网络36连接差动放大器34的另一个输入端(晶体管M4的栅极)和前置放大器32的输出端。

现有技术者知道，当信号的频率高到某一程度之后，比如说是射频范围的信号，电路中晶体管的杂散电容或旁路电容等等效应皆变成影响系统效能表现的重要考虑因素，同时，高频信号的传递必须以电磁波的观点去看待，才能准确的预测系统的表现。电磁波在介质传递的过程中如遇到不同段介质的阻抗不同，则会发生部分反射、部分透射的现象，这种情况会造成信号无法有效的传递到下一段介质，因此必须想办法加以解决。解决高频信号的传递问题必须透过阻抗匹配的方法，使得信号从一级电路区块传至下一级电路区块时，能尽量避免信号反射而完全传递至下一级。

阻抗匹配网络36连接前置放大器32和差动放大器34，用途在于匹配这两级放大器之间的阻抗。整个前置放大器32为一个单端输入单端输出的放大器，其包含一颗共源极晶体管M1和一个负载匹配阻抗Z1。晶体管M1的源极经一退化(degeneration)阻抗Z_DEG至接地端，漏极接到负载匹配阻抗Z1，而栅极为前置放大器32的输入端。本发明的低噪声放大器的输入信号由图3的输入阻抗Zin的一端输入，再进入前置放大器做放大。

本发明的主要精神在于改变低噪声放大器为单端输入差动输出的型式，并增加了前置放大器32，目的是实现低噪声的设计。由Friis方程式可以得知，晶体管M1的噪声指针高低决定了图3中整个低噪声放大器的噪声指针高低。Friis方程式如下所示：

F_{LNA} &cong; F_{1} + \frac{F_{2} - 1}{G_{A 1}}

式中的F_LNA为整个低噪声放大器的噪声指针，F1为以M1为主的噪声指针，F2为以M2与M3差动放大器为主的噪声指针。而G_A1为以M1为主的可资用增益(available power gain)。由式中可知，M2与M3差动放大器为主的噪声指针将因为加了一个前置放大器而使得贡献到整个低噪声放大器的噪声指针变得较不重要，真正比较明显的噪声贡献为前置放大器的噪声指针。而由于前置放大器32只是一个简单的单晶体管放大器，所以噪声指针会比差动放大器34来的小，如此一来，就可达成整个低噪声放大器30具有较低噪声指数的目的。同时，多了一个前置放大器32，低噪声放大器30的全部增益也会变得比较大。最后，因为加了前置放大器32后，整个低噪声放大器的设计将较为简单，只需针对M1进行杂因参数与增益间的最佳化取舍即可。

相较于图1中的利用被动式转换器的单端输入至差动输入的低噪声放大器而言，本发明的单端输入至差动输出的低噪声放大器除了有前述所述的大幅节省被动式转换器所占的面积外，更可避免因被动式转换器所产生的损耗。一如Friis方程式所称，前级的损耗将直接增加整个单端输入至差动输出的噪声指针，此等损耗在具损耗的基板(如硅质基板)上尤其严重。相较于图2的单端接地式的差动对架构而言，本发明的低噪声放大器具有较容易设计以及较低噪声的优点。究其因，图2的单端输入至差动输出的低噪声放大器由于高频接地点不易设计，因此很容易发生差动对的两端无法达到真正的阻抗对称，而使真正在实体电路上的电流源与差动对的源极接点上找不到虚接地点，反而使得电流源贡献其噪声至整个低噪声放大器。

本发明的最佳实施案例是以金氧半晶体管(MOSFET)组件为范例。在实际的实现上，双载子晶体管(BJT)或其它具有放大功能的主动组件均可以此架构施行。图3的M1可以施以双载子晶体管(BJT)或其它具有放大功能的主动组件替换之，亦能得到相同的裨益；而在接下来的实施例中，将不再注明相对于图3中的M1、M2与M3的组件是晶体管或其它具放大功能的主动组件。此外，图3中M2与M3所构成的差动对亦不限于只有两颗晶体管所组成的架构，而可为具有串迭(cascode)架构的差动对。请参阅图4。图4为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第二实施例40的示意图。本发明的具有高增益的低噪声放大器40包含一前置放大器42、一差动放大器44、一阻抗匹配网络46以及一接地阻抗48。与图3中的本发明的低噪声放大器的第一实施例30相比，图4的M4与M5为串迭级放大器，其偏压为VB1与VB2。M4与M5可以增加差动放大器44的增益并同时改善其稳定度。再请参阅图5。图5为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第三实施例50的示意图，其为图4的延伸架构。同样地，本发明的具有高增益的低噪声放大器50包含一前置放大器52、一差动放大器54、一阻抗匹配网络56以及一接地阻抗58。而在图5的差动放大器54中，M2与M3的源极分别串接到二退化电感Z_D2与Z_D3。将M2与M3的源极串接至退化电感可以增加此级放大器的线性度。

请参阅图6。图6为本发明的具有高增益的低噪声放大器的第四实施例60的示意图。图6所示的本发明的具有高增益的低噪声放大器60是为高增益与低增益切换的架构，其包含一前置放大器62、一差动放大器64、一阻抗匹配网络66以及一接地阻抗68。。当放大器切换至高增益时，M4与M5为打开状态而M6与M7为关闭状态。此时高频信号由M2至M4与Z_L1到RFout的正端，且另一路由M3至M5与Z_L1到RFout的负端而形成差动信号。类似地，当放大器切换至低增益时，M6与M7为打开状态而M4与M5为关闭状态。此时放大器的输出端RFout将看到由Z_L1，Z_L2与Z_G所形成的被动网络。

在现有的单端输入、差动输出的低噪声放大器中，如在输入端采用金属绕线做为转换器，则因转换器在电路布局上占据较大面积而产生制作成本增加的问题。另一方面，如利用接地的方式实现单端输入，则会因为需要在差动对晶体管两边做阻抗匹配，而增加低噪声放大器的复杂度。本发明的低噪声放大器在差动放大器的一输入端利用一接地阻抗接至地电位，并定义该输入端的输入电压，而在另一输入端加上一个前置放大器。因此，本发明的低噪声放大器构成了单端输入差动输出的低噪声放大器型式，同时，整个放大器的噪声指数由原本主要从差动放大器贡献变成主要由前置放大器贡献，使得噪声指数变得较低，另外，也由于多了一级前置放大器的关系，本发明的低噪声放大器的增益也将提升。最后，由于利用单颗晶体管做为前置放大器的设计，整个低噪声放大器的设计将较为简单，只需针对M1进行杂因参数与增益间的最佳化取舍即可。因此，本发明的具有低噪声，高增益，以及容易设计的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种具有低噪声与高增益的低噪声放大器，用于通信系统中，其包含：

一差动放大器，其包含一第一输入端以及一第二输入端，该第二输入端连接至一接地阻抗；

一前置放大器，其包含一输入端以及一输出端，用于降低一噪声指针；以及

一阻抗匹配网络，其一端与该差动放大器的第一输入端相连，其另一端与该前置放大器的输出端相连，该阻抗匹配网络是用来匹配该差动放大器的输入阻抗与该前置放大器的输出阻抗。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其另包含一输入匹配阻抗，连接于该前置放大器的输入端。

3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中，该前置放大器是一共源极单晶体管放大器，其包含：

一晶体管，其源极接至地电位；以及

一负载匹配阻抗，连接于该晶体管的漏极。

4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中，该前置放大器是为一共源极单晶体管放大器，其包含：

一晶体管，其源极接至地电位；

一负载匹配阻抗，连接于该晶体管的漏极；以及

一退化阻抗，连接于该晶体管的源极与地之间。

5.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中，该差动放大器的该第二输入端所连接的阻抗是为一电容。

6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其中，该差动放大器具有两差动输出端。