CN101316095B - 增益可控宽频低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种增益可控的宽频低噪声放大器，其中状态配置器用于产生输入、输出配置信号和增益、波段开关控制信号，分别对输入阻抗匹配电路、增益可控宽频低噪声放大器、输出阻抗匹配电路进行控制，设置合适的输入阻抗、放大器增益、工作带宽和输出阻抗。RF输入信号经过输入阻抗匹配电路可最大效率的传输至增益可控放大器，产生较少的能量反射。而后由于放大器增益的自适应性，放大器根据输入的RF信号幅度调节自身增益使得输出电压稳定，保证了后级电路的正常工作。由于输出阻抗匹配电路的存在，使得系统输出信号可最大效率的传输到后级电路，保证了电路的工作效率。本发明可应用于不同阻抗天线和不同工作频率协议的无线收发器中，并可进行自适应增益调节。

Description

增益可控宽频低噪声放大器 

技术领域

本发明涉及无线局域网和射频集成电路领域，具体的说是一种增益可控宽频低噪声放大器，该放大器尤其适用于多种无线协议网络片上系统(System-on-chip)的射频前端发射器。 

背景技术

在现代无线通信领域的射频收发器中，作为射频接收器前端的低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)的噪声系数和增益对整个接收机系统的信噪比有着至关重要的影响；此外，实际应用中的线性范围以及前后部件的匹配有较高的要求，LNA已成为一个极其重要的部件。 

随着无线技术的发展，对LNA的工作要求也越来越高，主要体现在以下几个方面： 

[1]具有较宽的工作频率，例如在UWB中，要求其工作频率为0～11G。其难点主要是输入阻抗匹配和低噪放大器的工作带宽极其有限； 

[2]高线性度，射频信号在传输中受传输路径的影响，输入信号的强弱是变化的，在接收有用信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，所以要求LNA具有较高的线性度以保证其可正常工作。 

[3]高增益，高的LNA增益可以很好的改善整个接收器的噪声系数，降低对LNA后级联电路的要求。 

[4]低功耗，这是与前面三项均成折衷关系，但由于便携设备的广泛使用，对射频接收器的功耗也提出了更要的要求，这也是对LNA设计的最主要的限制。 

对于第一点，目前一般主要集中于对电路和器件的改进而获得较宽的工作范围。但是由于功耗等性能限制，使得其改进有限。第二、第三点受到第四点的限制，呈强烈的折衷关系，以往许多结构中均是通过将LNA级 联一级可变增益放大器来进行折衷，如An 802.11g WLAN SoC(IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.40，NO.12，DECEMBER2005)所述，但是其会产生额外的噪声，使得整个接收器的性能有所下降。 

发明内容

本发明的目的是提供一种增益可控宽频低噪声放大器，该放大器具有噪音低、工作频率较宽的特点，可应用于多种频率无线接收器。 

本发明提供的增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：它包括状态配置器、输入阻抗匹配电路、增益可控低噪放大器和输出阻抗匹配电路； 

状态配置器用于接收来自于基带部分的配置信号，并根据配置信息生成输入配置信号给输入阻抗匹配电路，生成增益配置信号和频带选择信号给增益可控低噪放大器，生成输出配置信号给输出阻抗匹配电路； 

输入阻抗匹配电路接受状态配置器的输入配置信号，并将接受到的射频信号根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频信号传送给增益可控低噪放大器； 

增益可控低噪放大器接受状态配置器的频带选择信号和增益配置信号，并接受输入阻抗匹配电路传送来的射频信号，根据这两种信号进行频带的选择与射频信号的放大，将经过放大的射频信号传送给输出阻抗匹配电路； 

输出阻抗匹配电路接受状态配置器的输出配置信号，根据该输出配置信号对接收到放大后的射频信号进行信号匹配，再将匹配后的信号输出。 

本发明可满足多种频率无限网络对低噪声放大器的性能要求，具有较宽的工作频率和较为方便的增益调节和输入阻抗匹配调节方式。其频率通过输入阻抗匹配网络和状态配置器，使得增益的调节具有较好的灵活性，并通过控制选择放大器保证其可工作在一较宽的频率范围之内。并设计了自动增益控制反馈环路，使LNA的非线性和增益达到了良好的折衷，并可随 时控制调节。同时避免了级联可变增益放大器的使用，降低了系统噪声。对于输出阻抗，由于输出阻抗匹配电路地存在，可将其配置为广泛采用的50欧姆或其他值，方便了后续级联电路的设计同时避免了过多的电容电阻的使用，节省了电路面积，降低了成本。通过以上的改进，使得本LNA可应用于更宽的频率范围，适用于不同频率段的多种协议，也可用于对工作带宽要求较高如UWB协议等无线接收器，并具有良好的兼容性和自适应性。与传统的低噪放大器相比，具有更广泛的应用范围和良好的性能。 

附图说明

图1为本发明增益可控宽频低噪声放大器的结构示意图； 

图2为输入阻抗匹配网络的结构示意图； 

图3为增益可控低噪放大器的结构示意图； 

图4为高频低噪放大器的结构示意图； 

图5为输出阻抗匹配网络的结构示意图； 

图6为高频放大器简化电路结构示意图； 

图7为偏置控制电路结构示意图； 

图8为应用实例结构示意图。 

具体实施方式

整个低噪声放大器的输入信号可以分为两种，一是来自天线的射频输入信号，另一种为来自基带部分的状态配置信好。如图1所示，本发明包括四个部分：状态配置器1、输入阻抗匹配电路2、增益可控低噪放大器3和输出阻抗匹配电路4。本发明根据总线思想采用状态配置器1对输入阻抗匹配电路2，输出阻抗匹配电路4，以及增益可控低噪放大器3进行控制，使得输入输出阻抗具有更大的可调空间并具有较强的自适应性，扩展了放大器的应用范围使其可满足多种无线协议要求。 

状态配置器1接收来基带部分的配置信号，并根据配置信息生成输入配置信号给输入阻抗匹配电路2，输出增益配置信号和频带选择信号给增益可控低噪放大器3，输出配置信号给输出阻抗匹配电路4。 

输入阻抗匹配网络2接受状态配置器1的输入配置信号并生成相应的输入阻抗，保证其输入阻抗为50欧或其他可控值，其目的主要用于实现可控的输入阻抗匹配。输入匹配电路2接收到待处理的低频、中高频和超高频射频信号中的一种信号或者他们的组合信号，并将接受到的射频信号根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频信号传送给增益可控低噪放大器3。 

增益可控低噪放大器3接受状态配置器1的频带选择信号和增益配置信号，并根据这两种信号来实现频带的选择与射频信号的放大。增益可控低噪放大器3接受到输入阻抗匹配电路2传送来的射频信号，并将经过放大的射频信号传送给输出阻抗匹配电路4。 

输出阻抗匹配电路4接受状态配置器1的输出阻抗匹配信号，保证其输出阻抗恒定为50欧或其他可控值，其原理与输入阻抗匹配电路2基本相同。输出阻抗匹配电路4对放大后的射频信号进行信号匹配，并将匹配后的信号输出。 

下面举例对上述部分的具体结构作进一步详细的说明。 

如图2所示，输入阻抗匹配电路2包括输入阻抗匹配控制器21、输入选择开关阵列22、电容匹配网络23和电感匹配网络24。 

输入阻抗匹配控制器21根据接收到上层输入配置信号，产生输入选择信号，电容调节信号和电感调节信号，分别输入给输入选择开关阵列22、电容匹配网络23和电感匹配网络24。 

输入选择开关阵列22能根据输入阻抗匹配控制器21产生的择信号，通过自身开关阵列的开或关来选择合适的通路，将接收到的低频、中高频或着超高频射频信号传输给电容匹配网络23和电感匹配网络24进行匹配。 

电容匹配网络23和电感匹配网络24主要是实现输入阻抗的匹配。在射频接收器中，只有使得输入输出的阻抗相匹配，才可以达到较高的信号传输效率。电容匹配网络23和电感匹配网络24能够根据输入阻抗匹配控制器21产生的电容调节信号和电感调节信号产生相应的电感值和电容值，以合适的电感和电容的组合实现输入阻抗的匹配。 

如图3所示，增益可控低噪放大器3则用来实现频带的选择与射频信号的放大，它受到来自状态配置器1的频带选择信号和增益控制信号的控制。由于接收到的射频信号在传输中受传输路径的影响，输入信号的强弱是变化的，在接收有用信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大器有足够大的线性范围。但是，在功耗、噪声和增益的约束条件下，LNA的线性度一般不会很高。为了解决低噪声，高增益和高线性度的矛盾，本LNA的设计采用了双模设计的模式，即在输入信号很小时，通过配置寄存器36输出的增益配置信息调高LNA的增益，优先满足高增益的要求。另一方面，当输入信号较大时，通过配置寄存器36输出的增益配置信息调低LNA的增益，以低增益满足其高线性度的要求。 

同样，对于输入的射频信号为较高频率的时候，必须采用高频低噪放大器以保证接收器的性能，但是，高频低噪放大器在低频频段则性能较差，而且功耗也较高，所以本发明者采用了可重构的放大器结构。通过配置寄存器36输出的配置信息控制输入开关阵列31和输出开关阵列35的开和关，来选择低频放大器32、中高频放大器33和超高频放大器34中单个放大器或一个较为合适的组合进行工作，使得整个低噪放大器的工作范围可以覆盖一个很宽的频率范围，同时又具有很高的频率配置灵活性。在低频频段时，直接采用低频放大器既保证了接收器的性能也减小了功率的损耗；超高频频段时，则切换到超高频低噪放大器，以确保其良好的性能。低频放大器5、中高频放大器6和超高频放大器7在结构上相似，区别在与用于放大射频信号的晶体管在参数上有所不同。 

如图4所示，上述的低频放大器32、中高频放大器33和超高频放大器34均可以采用这种结构，它包括放大电路3a、电压比较电路3b、分级控制电路3c、偏置控制电路3d和负载控制电路3e。 

放大电路3a用于产生增益，放大射频信号，其增益受负载控制电路3e输出的负载控制信息和偏置控制电路3d输出的偏置控制信息联合控制，其中，偏置控制信息为增益的主调信息，负载控制信息为增益的微调信息。 

分级控制电路3c受到配置寄存器36的增益配置信息和电压比较电路3b 产生的差值信息的双重控制。配置寄存器36的增益配置信号是为了使放大电路3a的增益在大的范围内满足要求，电压比较电路3b产生的差值信息是为了使放大电路3a输出的电压稳定。分级控制电路3c对放大电路3a的增益调整是通过输出的偏置控制信息和负载控制信息来控制偏置电路3d的偏置信息和负载电路3e的负载信息实现的。 

电压比较电路3b将放大电路3a输出的电压与基准电压比较，当输出电压存在波动时，电压比较电路3b会把输出电压与基准电压的差值信息输入到分级控制电路3c，进而对放大电路3a的增益进行调整，直到放大电路3a的输出电压稳定为止。当放大电路3a输出的电压符合要求时，放大电路3a输出的电压将被输出，此时电压比较电路3b将停止工作。 

如图5所示的电路结构，输出阻抗匹配网络同输入阻抗匹配网络的基本原理是相同的。输出阻抗匹配网络4包含了输出阻抗匹配控制器41、电感匹配网络42、电容匹配网络43和输出选择开关阵列44。 

输出阻抗匹配控制器41根据状态配置器1的输出配置信号产生的电感配置信号、电容阻抗配置信号和输出选择信号传递给电感匹配网络42、电容匹配网络43和输出选择开关阵列44。 

电感匹配网络42和电容匹配网络43主要是实现输出阻抗的匹配。电容匹配网络42和电感匹配网络43能够根据输出阻抗匹配控制器41产生的电容调节信号和电感调节信号产生相应的电感值和电容值，以合适的电感和电容的组合实现输出阻抗的匹配。 

最后输出选择开关阵列44根据输出阻抗匹配控制器41的输出选择信号，通过自身开关阵列的开或关，将三路射频输入信号组合成一路输出信号(宽频输出信号)输出。 

图4中的放大电路3e可以由如图6所示的电路结构或者其相似的电路结构实现，图6中所示的输入电路总跨导G_m的表达式为： 

$G_m=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{{\mathrm{\ω}}_0(R_s+{\mathrm{\ω}}_T{L}_S)}---\left(1\right)$

ω_0是工作频率，ω_T是截止频率。 

$\left|A_V\right|=\frac{G_m(g_{m2}+g_{\mathrm{mb}2})\frac{1}{{\mathrm{SC}}_1}{R}_2}{1+(g_{m2}+g_{\mathrm{mb}2})\frac{1}{{\mathrm{SC}}_1}}---\left(2\right)$

如果电容C₁很小，使(g_m2+g_mb2)/SC₁＞＞1，增益可近似为： 

$\left|A_V\right|\≈G_m{R}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_T{R}_2}{{\mathrm{\ω}}_0(R_s+{\mathrm{\ω}}_T{L}_S)}---\left(3\right)$

式中R₂≈Q_Lω₀L_o，Q_L是电感的品质因子。 

为了达到控制LNA增益的目的，放大管M1的静态偏置电压V_bias1要能被调节，V_bias1改变，要求级联管M₂的偏置电压V_bias2也作相应的调整。其中V_bias1 对于放大器的增益影响较大，而V_bias2则相对较小，可首先调整V_bias1基本确定放大器的增益，而后通过调整V_bias2来对放大器的增益进行微调。 

图4中的偏置控制电路3e和负载控制电路3d原理基本相同，其结构如图7所示，它包括电流源Ibias、MOS管M3、M4和可调MOS管网络，可调MOS网络收到偏置控制信号，而后选择合适的MOS管个数，进而产生合适的V_bias1，即产生了合适的偏置信号。 

在射频接收器中，只有使得输入输出的阻抗相匹配，才可以达到较高的传输效率。因此选择一个能够适合于宽带输入匹配的电路结构是非常重要的。为实现完全的阻抗匹配，需满足两个条件：(1)输入阻抗Z_in的实部与天线的输出阻抗相等；(2)虚部消失，这时需要引入电感L_g，使电感(L_g+L_s)在工作频率ω₀下与电容C_gs相互抵消。其中还采用了电容阵列用来补偿电容、电感的工艺偏差。负载的理想阻抗匹配网络是一个在阻抗匹配频带边缘陡峭切断的矩形状带通滤波器。理论上这可以通过一具有无限多元件的最优带通匹配滤波器实现，但在实实际使用中采用数量很少的元件即可以得到很好的近似。由于这个最基本的原因，高效的宽带阻抗匹配结构必须是滤波器结构。输入输出匹配网络的优化目标是在不引入额外热噪声的前提下 使得输入端口反射系数最小。在用宽带匹配理论中的电抗匹配法设计匹配网络时，只需在加入一个LC并联支路，便可以得到宽带输入输出匹配网络。如果想用更高阶的滤波器来实现。这里，存在着一个芯片面积、噪声系数同增益平坦度之间的折中。一般而言，3～5阶切比雪夫滤波器的输入输出匹配网络足够使用。 

如图8所示，该本发明增益可控宽频低噪声放大器应用的实例为： 

假设在初始状态下，天线接收到一频率为2.4GHz的射频传输信号，低噪声放大器工作频率也为2.4GHz，首先输入阻抗匹配电路2根据状态配置器1产生输入状态配置信号产生一个合适的输入阻抗，并将经过匹配的射频信号传给增益可控低噪放大器3。增益可控低噪放大器3根据状态配置器1产生的频带选择信号选择合适的频带对射频信号进行放大，根据状态配置器1产生增益控制信号和输出信号的强度，不断调整自身增益，使低噪放大器的输出基本稳定，以确保后面电路工作在正常状态。而后，根据前面两参数的变化，输出匹配电路迅速作出调节，保证了输出阻抗的匹配，并将射频信号输出。由于整个调整时间非常短，所以保证了输入射频信号的及时传输，其可视为本低噪声放大器适用于2.4GHz频率的无线传输协议。 

本说明虽然是选一特定频率为例进行了分析说明，但是本专业的技术人员应该了解，本发明不局限于上述频率，而是适合不同工作频率的协议和增益要求自适应变化的情况。本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容，采用其它多种具体结构实现本发明。 

Claims (5)

1.一种增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：它包括状态配置器(1)、输入阻抗匹配电路(2)、增益可控低噪放大器(3)和输出阻抗匹配电路(4)；

状态配置器(1)用于接收来自于基带部分的配置信号，并根据配置信息生成输入配置信号给输入阻抗匹配电路(2)，生成增益配置信号和频带选择信号给增益可控低噪放大器(3)，生成输出配置信号给输出阻抗匹配电路(4)；

输入阻抗匹配电路(2)接受状态配置器(1)的输入配置信号，并将接受到的射频信号根据接收到的匹配选择信号进行匹配，将匹配后的射频信号传送给增益可控低噪放大器(3)；

增益可控低噪放大器(3)接受状态配置器(1)的频带选择信号和增益配置信号，并接受输入阻抗匹配电路(2)传送来的射频信号，根据这两种信号进行频带的选择与射频信号的放大，将经过放大的射频信号传送给输出阻抗匹配电路(4)；

输出阻抗匹配电路(4)接受状态配置器(1)的输出配置信号，根据该输出配置信号对接收到放大后的射频信号进行信号匹配，再将匹配后的信号输出。

2.根据权利要求1所述的增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：输入阻抗匹配电路(2)包括输入阻抗匹配控制器(21)、输入选择开关阵列(22)、电容匹配网络(23)和电感匹配网络(24)；

输入阻抗匹配控制器(21)根据来自状态配置器(1)的输入配置信号，产生输入选择信号，电容调节信号和电感调节信号，分别输入给输入选择开关阵列(22)、电容匹配网络(23)和电感匹配网络(24)；

输入选择开关阵列(22)根据输入阻抗匹配控制器(21)产生的选择信号，通过自身开关阵列的开或关来选择合适的通路，将接收到的低频、 中高频和超高频射频信号中的一种信号或者他们的组合信号传输给电容匹配网络(23)和电感匹配网络(24)；

电容匹配网络(23)和电感匹配网络(24)根据输入阻抗匹配控制器(21)产生的电容调节信号和电感调节信号产生相应的电感值和电容值，对输入阻抗进行匹配。

3.根据权利要求1或2所述的增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：增益可控低噪放大器(3)包括输入开关阵列(31)、低频放大器(32)、中高频放大器(33)、超高频放大器(34)、输出开关阵列(35)和配置寄存器(36)；

配置寄存器(36)用于存储配置寄存器(36)接收的配置信息，并提供给输入开关阵列(31)、低频放大器(32)、中高频放大器(33)、超高频放大器(34)和输出开关阵列(35)；

输入开关阵列(31)根据配置信息选择低频放大器(32)、中高频放大器(33)和超高频放大器(34)中一个或几个进行工作；

低频放大器(32)、中高频放大器(33)和超高频放大器(34)根据频带选择信号和增益配置信号，进行频带的选择与射频信号放大，并输出给输出开关阵列(35)；

输出开关阵列(35)根据配置信息选择输出放大后的射频信号。

4.根据权利要求3所述的增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：低频放大器(32)、中高频放大器(33)和超高频放大器(34)均包括放大电路(3a)、电压比较电路(3b)、分级控制电路(3c)、偏置控制电路(3d)和负载控制电路(3e)；

分级控制电路(3c)根据配置寄存器(36)的配置信息和电压比较电路(3b)产生的差值信息，输出偏置控制信息控制偏置控制电路(3d)产生的偏置信息；输出负载控制信息控制负载控制电路(3e)产生的负载信息； 

放大电路(3a)根据负载控制电路(3e)输出的负载控制信息和偏置控制电路(3d)输出的偏置控制信息产生增益，放大射频信号，将电压信号输出到电压比较电路(3b)，当放大电路(3a)输出的电压符合要求时，放大电路(3a)输出的电压输出到开关阵列(35)；

电压比较电路(3b)用于将放大电路(3a)输出的电压与基准电压比较，当输出电压存在波动时，电压比较电路(3b)将二者的差值信息输入到分级控制电路(3c)；当放大电路(3a)输出的电压符合要求时，电压比较电路(3b)停止工作；

偏置控制电路(3d)和负载控制电路(3e)根据分级控制电路(3c)的控制指令分别输出负载信息和偏置信息给放大电路(3a)。

5.根据权利要求3所述的增益可控宽频低噪声放大器，其特征在于：输出阻抗匹配电路(4)包括输出阻抗匹配控制器(41)、电感匹配网络(42)、电容匹配网络(43)和输出选择开关阵列(44)；

输出阻抗匹配控制器(41)根据状态配置器(1)的输出配置信号产生的电感配置信号、电容阻抗配置信号和输出选择信号传递给电感匹配网络(42)、电容匹配网络(43)和输出选择开关阵列(44)；

电容匹配网络(42)和电感匹配网络(43)分别根据输出阻抗匹配控制器(41)产生的电容调节信号和电感调节信号产生相应的电感值和电容值，输出至输出选择开关阵列(44)；

输出选择开关阵列(44)根据输出阻抗匹配控制器(41)的输出选择信号，通过自身开关阵列的开或关，将三路射频输入信号组合成一路输出信号输出。 

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