CN101431316A - 双频段电感复用的射频cmos低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器，属于射频低噪声放大器的技术领域。该放大器在背景技术的双频段低噪声放大器的基础上将放大5.2GHz信号的模式改成了共栅放大模式，去除一个电感，增加一个由MOS管构成的5.2GHz使能电路，5.2GHz输出信号从与2.4GHz信号输出端分开的5.2GHz信号输出端输出。该放大器有噪声低、功耗小和面积小等优点，特别适于在无线通信设备中作前端放大器。

Description

双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器，属于射频低噪声放大器的技术领域。

背景技术

近年来，随着射频集成电路的迅速发展，日常生活中无线通讯产品的使用日趋频繁：900MHz GSM移动电话，2.4GHz的蓝牙通信，4.9GHz的公众安全通信系统，5.2GHz的无线局域网等。在这些产品中无线接收机模块前端的重要部分是射频低噪声放大器(RadioFrequency Low Noise Amplifier，简称RFLNA)。它的作用是将通过天线接收到的微弱信号进行放大，同时尽可能的降低射频低噪声放大器本身的噪声，以及尽可能的提高增益，以便接收机的后续模块进行处理。由于射频低噪声放大器是除了天线以外整个接收机，同时也是整个系统中最先处理无线信号的模块，其特性指标会对整个接收机的性能有重要影响。因此提高射频低噪声放大器的各项指标是十分必要的。

描述射频低噪声放大器性能的主要参数有：电压增益、输入损耗、输出损耗、反向隔离度、线性度和噪声。由于这些参数是相互关联、相互制约的，因此采用何种折衷方案来提高射频低噪声放大器的整体性能成了接收机设计的主要难点。Zhenbiao Li等发表了论文“A Dual—Band CMOS Front—End With Two Gain Modes for Wireless LANApplications”，该文报道了的一个双频段射频低噪声放大器，在两个频段增益都很高，分别达到了30dB和25dB，见图1，但是该射频低噪声放大器需要使用五个电感，大大增加了芯片占用面积，而且功耗极大，工作时，两个频段的功耗分别为5.4mW和16.38mW。

发明内容

本发明的目的是推出一种双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器。该放大器具有噪声低、功耗小和面积小等优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。该放大器在背景技术的双频段低噪声放大器的基础上将放大5.2GHz信号的模式改成了共栅放大模式，去除一个电感，增加一个由MOS管构成的5.2GHz使能电路，5.2GHz输出信号从与2.4GHz信号输出端分开的5.2GHz信号输出端输出。

现结合附图具体描述本发明的技术方案。

一种双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器，含第一MOS管M1，第二MOS管M2，第一电感L1，第二电感L2，第三电感L_s，第四电感L_g，电阻R_B，第一电感L1、第二电感L2、第二MOS管M2、第一MOS管M1和第三电感L_s串联后跨接在电源正端VDD和电源负端GND之间：第一电感L1的一端与电源正端VDD连接，第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与第二MOS管M2的漏极连接在一起作为2.4GHz输出信号的输出端V_out，2.4，第二MOS管M2的源极与第一MOS管M1的漏极连接，第一MOS管M1的源极与第三电感L_s的一端连接，第三电感L_s的另一端与电源负端GND连接，第二MOS管M2的栅极作为信号控制端V_2.4，enable，第四电感L_g的一端作为2.4GHz信号的输入端V_in，2.4，第四电感L_g的另一端与第一MOS管M1的栅极连接，电阻R_B的一端与第一MOS管M1的栅极连接，电阻R_B的另一端作为2.4GHz信号的偏置电压输入端V_B，2.4，其特征在于，它还含第三MOS管M3，第四MOS管M4，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第二电容C2与第一电容C1串联后跨接在第一MOS管M1的源极和电源负端GND之间，第二电容C2与第一电容C1的连接点作为5.2GHz输入信号的输入端V_in，5.2，第三MOS管M3的漏极和源极跨接在第一电感L1与第二电感L2的连接点和第一MOS管M1的源极之间，第三MOS管M3的栅极作为放大5.2GHz信号的放大器的使能端V_5.2，enable，第三MOS管M3的漏极作为5.2GHz输出信号的输出端V_out，5.2，第三电容C3与第四MOS管M4串联后跨接在第三MOS管M3的漏极和电源负端GND之间：第三电容C3的一端与第三MOS管M3的漏极连接，第三电容C3的另一端与第四MOS管M4的漏极连接，第四MOS管M4的源极与电源负端GND连接，第四MOS管M4的栅极作为5.2GHz信号的偏置电源输入端V_B，5.2。

与背景技术相比，本发明的优点：

1、本发明只使用四个电感，比背景技术少用了一个电感，有助于在制造集成电路时节省宝贵的芯片面积。

2、本发明工作在两个频段时消耗的电能少，分别为3.6mW和6mW，为低功耗双频段低噪声放大器的设计提供了一个解决方案。

附图说明

图1：开关控制电感的CMOS低噪声放大器。

图2：本发明的双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器。

图3：本发明的低噪声放大器工作在2.4GHz模式的电路图。

图4：本发明的低噪声放大器工作在5.2GHz模式的电路图。

具体实施方案

现结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例

本实施例具有与图2所示的电路完全相同的电路结构。本实施例所用的的元器件的规格和电路参数罗列如下：

第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3，第四MOS管M4的宽长比分别是120μm/0.13μm，100μm/0.13μm，130μm/0.13μm，150μm/0.13μm；

第一电感L_g，第二电感L_s，第三电感L1，第四电感L2的电感量分别是8.885nH，1.166nH，2.766nH，7.657nH；

第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3电容值分别是35fF，300fF，50fF；

电阻R_B为2kΩ；

放大2.4GHz信号的放大器的偏置端V_B，2.4电压是0.9V或0V；

放大2.4GHz信号的放大器的使能端V_2.4，enable电压是1.2V或0V；

放大5.2GHz信号的放大器的偏置端V_B，5.2电压是0V或0.7V；

放大5.2GHz信号的放大器的使能端V_5.2，enable电压是0V或0.9V；

电源电压是1.8V。

下面详细说明本发明技术方案的工作原理。本发明的双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器电路图如图4所示。

当放大5.2GHz信号的放大器的使能端V_5.2，enable和放大5.2GHz信号的放大器的偏置端V_B，5.2的电压都为0V时，第三MOS管M3和第四MOS管M4截止，双频段低噪声放大器处在放大2.4GHz信号的状态，这时的工作电路如图3所示。该电路是CMOS共源共栅放大电路，第四电感L_g和第三电感L_s为2.4GHz的信号提供了输入匹配，输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{in},2.4}=L_{g}s+\frac{1}{C_{\mathrm{gs}1}s}+\frac{L_{s}s}{1+(C_1+C_2)L_s{s}^2}+\frac{g_{m1}{L}_s}{(1+(C_1+C_2)L_s{s}^2)C_{\mathrm{gs}1}}---\left(1\right)$

式中，g_m1是M1的跨导，C_gs1是第一MOS管M1的栅源电容。输出阻抗为：

$Z_{L,2.4}=[L_{2}s+\left(L_{1}s\left|\right|\frac{1}{C_{\mathrm{PL}2}s}\left)\right]\right||\frac{1}{C_{L2}s}---\left(2\right)$

式中，C_PL2是第四MOS管M4、第一电感L₁和第二电感L₂的总寄生电容，C_L2是第二MOS管M2和第二电感L₂的总寄生电容。在放大2.4GHz信号的放大器的偏置端V_B，2.4加上0.9V的偏置电压，在放大2.4GHz信号的放大器的使能端V_2.4，enable加上1.8V的电压，第一MOS管M1和第二MOS管M2就工作在放大状态，输入信号从2.4GHz信号的输入端V_in，2.4输入，第一MOS管M1将输入信号(电压)转换成电流信号，该电流信号经过第一电感L₁和第二电感L₂，在第二MOS管M2的漏极形成2.4GHz的输出信号，经2.4GHz信号的输出端V_out，2.4输出。

当放大2.4GHz信号的放大器的使能端V_2.4，enable和放大2.4GHz信号的放大器的偏置端V_B，2.4的电压都为0V时，第一MOS管M1和第二MOS管M2截止，双频段低噪声放大器处在放大5.2GHz信号的状态，这时的工作电路如图4所示。该电路是CMOS共栅放大电路，对5.2GHz信号而言，输入阻抗的实部为：

$\mathrm{Re}\left[Z_{\mathrm{in},5.2}\right]\≈{\left(\frac{C_2}{C_1+c_2}\right)}^2\·\frac{1}{g_{m3}}---\left(3\right)$

输入阻抗的虚部在下面的角频率下发生谐振：

$w_{\mathrm{0,5.2}}\≈\frac{1}{\sqrt{L_s\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}}}---\left(4\right)$

此时谐振网络的Q值为：

$Q_{5.2}=\frac{1}{w_{\mathrm{0,5.2}}{L}_s{g}_{m3}}---\left(5\right)$

5.2GHz信号的输出端处的谐振网络主要由L₂和C_L3组成，输出阻抗为：

$Z_{L,5.2}=\left(L_{1}s\right|\left|\frac{1}{C_{L3}s}\right)\left|\right|(L_{2}S+\frac{1}{C_{\mathrm{PL}3}s})---\left(6\right)$

式中，C_L3是第三MOS管M3和第四MOS管M4的寄生电容，C_PL3主要是第二MOS管M2的寄生电容。在放大5.2GHz信号的放大器的使能端V_5.2，enable加0.9V的电压，第三MOS管M3进入放大状态。在放大5.2GHz信号的放大器的偏置端V_B，5.2加上0.7V的偏置电压，使第四MOS管M4处于导通状态，给输出阻抗提供匹配电容。5.2GHz的输入信号通过第一电容C1和第二电容C2传输到第三MOS管M3的源极，通过第三MOS管M3的共栅放大，在第三MOS管M3的漏极形成5.2GHz的输出信号，经5.2GHz信号的输出端V_out，2.4输出。

在两种模式下，输出信号都大于输入信号，换言之，输入信号得到了放大。

本发明的低噪声放大器使用了复用电感的结构。当工作在2.4GHz的模式中，输入晶体管第一MOS管M1处于共源结构，第一MOS管M1和第二MOS管M2组成了经典的共源共栅放大电路，提供了高增益，高隔离度；当工作在5.2GHz的模式中，2.4GHz模式中的输入晶体管第一MOS管M1截止，5.2GHz模式中的输入晶体管第三MOS管M3处于共栅结构。在两种工作模式中，低噪声放大器共用了源极负反馈电感第三电感Ls和其负载电感第一电感L₁和第二电感L₂，减少了使用电感的个数，节省了宝贵的芯片面积，而且在两个频段上的功耗只有3.6mW和6mW。具体的性能比较见下表：

表

本发明的低噪声放大器特别适于在无线通信设备中作前端放大器。

Claims (2)

1、一种双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器，含第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L_s)，第四电感(L_g)，电阻(R_B)，第一电感(L1)、第二电感(L2)、第二MOS管(M2)、第一MOS管(M1)和第三电感(L_s)串联后跨接在电源正端(VDD)和电源负端(GND)之间：第一电感(L1)的一端与电源正端(VDD)连接，第一电感(L1)的另一端与第二电感(L2)的一端连接，第二电感(L2)的另一端与第二MOS管(M2)的漏极连接在一起作为2.4GHz输出信号的输出端(V_out，2.4)，第二MOS管(M2)的源极与第一MOS管(M1)的漏极连接，第一MOS管(M1)的源极与第三电感(L_s)的一端连接，第三电感(L_s)的另一端与电源负端(GND)连接，第二MOS管(M2)的栅极作为信号控制端(V_2.4，enable)，第四电感(L_g)的一端作为2.4GHz信号的输入端(V_in，2.4)，第四电感(L_g)的另一端与第一MOS管(M1)的栅极连接，电阻(R_B)的一端与第一MOS管(M1)的栅极连接，电阻(R_B)的另一端作为2.4GHz信号的偏置电压输入端(V_B，2.4)，其特征在于，它还含第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第二电容(C2)与第一电容(C1)串联后跨接在第一MOS管(M1)的源极和电源负端(GND)之间，第二电容(C2)与第一电容(C1)的连接点作为5.2GHz输入信号的输入端(V_in，5.2)，第三MOS管(M3)的漏极和源极跨接在第一电感(L1)与第二电感(L2)的连接点和第一MOS管(M1)的源极之间，第三MOS管(M3)的栅极作为放大5.2GHz信号的放大器的使能端(V_5.2，enable)，第三MOS管(M3)的漏极作为5.2GHz输出信号的输出端(V_out，5.2)，第三电容(C3)与第四MOS管(M4)串联后跨接在第三MOS管(M3)的漏极和电源负端(GND)之间：第三电容(C3)的一端与第三MOS管(M3)的漏极连接，第三电容(C3)的另一端与第四MOS管(M4)的漏极连接，第四MOS管(M4)的源极与电源负端(GND)连接，第四MOS管(M4)的栅极作为5.2GHz信号的偏置电源输入端(V_B，5.2)。

2、根据权利要求1所述的双频段电感复用的射频CMOS低噪声放大器，其特征在于，所用的的元器件的规格和电路参数罗列如下：

第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)的宽长比分别是120μm/0.13μm，100μm/0.13μm，130μm/0.13μm，150μm/0.13μm；

第一电感(L_g)，第二电感(L_s)，第三电感(L1)，第四电感(L2)的电感量分别是8.885nH，1.166nH，2.766nH，7.657nH；

第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)电容值分别是35fF，300fF，50fF；

电阻(R_B)为2kΩ；

放大2.4GHz信号的放大器的偏置端(V_B，2.4)电压是0.9V或0V；

放大2.4GHz信号的放大器的使能端(V_2.4，enable)电压是1.2V或0V；

放大5.2GHz信号的放大器的偏置端(V_B，5.2)电压是0V或0.7V；

放大5.2GHz信号的放大器的使能端(V_5.2，enable)电压是0V或0.9V；

电源电压是1.8V。

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