CN101789760A

CN101789760A - 采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器

Info

Publication number: CN101789760A
Application number: CN200910247544A
Authority: CN
Inventors: 周春媛; 柴路
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种并联反馈式窄带低噪声放大器。该放大器包含跨导放大器、并联反馈模块，以及输出负载模块。本发明去除了传统的源极电感负反馈窄带低噪声放大器的源极与栅极的电感，从而克服了片上电感的寄生电阻所带来的噪声恶化。该窄带低噪声放大器既可以实现窄带输入阻抗匹配，又能够在有限的片上电感Q值的情况下实现足够的增益和很低的噪声。当本发明中的并联反馈模块实现为可在多个窄带实现高阻抗时，窄带低噪声放大器可同时接收多个窄带信号，即成为多频段窄带低噪声放大器。

Description

采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器。

背景技术

随着社会与技术的进步，越来越多的无线应用得到开发，各类新的无线标准不断推出。这使得基于CMOS集成电路工艺的无线收发系统得到了迅猛的发展。对于窄带标准如TD-SCDMA、GSM、ZigBee、GPS、WLAN(802.11a、802.11b/g、802.16d)等，一个性能优异的窄带低噪声放大器是必需的。

在接收机系统中，低噪声放大器作为链路的第一级，承担了重要的作用，它的主要功能是提供足够的增益来克服后续各级(如混频器)的噪声。除了提供这一增益而又附加尽可能少的噪声以外，一个低噪声放大器应当对输入信号源(如天线)实现一定程度的阻抗匹配以达到最大功率传输的目的。当低噪声放大器的前级是一个无源滤波器时，阻抗匹配尤为重要，因为很多滤波器的传输特性对于终端匹配的情况是非常敏感的。

为了同时实现最大功率传输的阻抗匹配和最佳噪声性能的噪声匹配，窄带低噪声放大器通常采用的是源极电感负反馈结构[1]。然而要实现噪声系数(Noise Figure，NF)小于1dB的低噪声放大器时，噪声的主要来源不在于放大管本身，而是各种寄生效应，尤其是源极反馈电感和栅极串联匹配电感本身所带有的串联寄生电阻。用CMOS工艺实现的片上电感其品质因素Q通常在10以下，当信号频率较低需要一个大电感时，所带来的寄生电阻的噪声贡献成了主要因素。

本发明中的窄带低噪声放大器利用谐振网络作为并联反馈的元件，可以很好得解决这个问题，主要利用了[2]中的并联反馈原理。该方法去除了传统的源极电感负反馈窄带低噪声放大器的源极与栅极的电感，并使电路性能对片上电感的Q值不敏感。

发明内容

本发明的目的在于提出一种采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，以便克服传统的源极电感负反馈式窄带低噪声放大器的片上元件特别是源极反馈电感和栅极匹配电感的寄生电阻所带来的噪声恶化。该窄带低噪声放大器既可以实现窄带输入阻抗匹配，又能够在有限的片上电感Q值的情况下实现足够的增益和很低的噪声。

本发明所提出的并联反馈式窄带低噪声放大器由跨导放大器、并联反馈模块，以及输出负载模块组成，其中，反馈模块与跨导放大器并联，输出负载连接在跨导放大器和反馈模块的输出端。包含输入信号源的电路框图如图1所示，其中1表示输出阻抗为R_S的输入信号源，通常为天线或者天线后级的带通滤波器。5为本发明所提出的窄带低噪声放大器，V_in为输入端口，V_out为输出端口。在所述的窄带低噪声放大器5中，2代表跨导放大器，其放大系数为G_m，该放大器有较高的输入阻抗和输出阻抗，输出电流方向向内。3代表并联反馈模块，可以用电感、电容、电阻等组成的谐振网络构成。其阻抗值与频率有关，用Z(s)表示，s为频域复变量。该谐振网络在窄带信号频率范围内实现很高的输入输出阻抗，信号频率范围外输入输出阻抗很小，以实现窄带特性。当该谐振网络可在多个窄带频率范围内实现高阻抗时，本发明所提出的窄带低噪声放大器可同时接收多个窄带信号，即成为多频段窄带低噪声放大器。4代表负载模块，用ZL表示，在算式中ZL也表示该模块的负载值，该模块可以由任何无源器件如电感、电容、电阻或者有源器件如晶体管等构成，通常Z_L选择为使得功率增益或者电压增益在中心频率处达到最高。

对于所述的窄带低噪声放大器5，从输入端口V_in看进去的输入阻抗Z_in(s)可以表示为：

Z_{in} (s) = \frac{Z_{f} (s) + Z_{L}}{1 + G_{m} Z_{L}}

在信号频率范围内，令Z_in(s)等于R_S，即实现了输入阻抗匹配。此时Z_f(s)阻抗值很大，在反馈电路谐振点附近，其等效阻值用R_p表示。由于反馈电路为窄带系统，并且R_p比Z_L大很多，输入阻抗可以达到窄带匹配。

对于所述的窄带低噪声放大器5，从输入端口V_in到输出端口V_out的电压增益A_V(s)可以表示为：

A_{V} (s) = - \frac{Z_{L} \cdot (G_{m} Z_{f} (s) - 1)}{Z_{f} (s) + Z_{L}} = - G_{m} Z_{L} + \frac{Z_{L} \cdot (1 + G_{m} Z_{L})}{Z_{f} (s) + Z_{L}} = - G_{m} Z_{L} + \frac{Z_{L}}{Z_{in} (s)}

&DoubleRightArrow; A_{V} (s) = - G_{m} Z_{L} + \frac{Z_{L}}{R_{S}} = - (G_{m} - \frac{1}{R_{S}}) \cdot Z_{L}

如果Z_in(s)＝R_S

如上式所述，在信号频率范围内，通过调节G_m、Z_L，电压增益可以得到有效的控制。

下面分析并联反馈模块3的噪声贡献。在谐振点即信号频率处，Z_f(s)用等效阻值R_p表示，其产生的单位频率的均方噪声电流为：

\overset{&OverBar;}{i_{n, f}^{2}} = 4 kT / R_{p}

该噪声电流等效到输入端口V_in处的等效单位频率的均方噪声电压为：

\overset{&OverBar;}{v_{n, f}^{2}} = \frac{\overset{&OverBar;}{i_{n, f}^{2}} \cdot R_{S}^{2}}{{(\frac{Z_{L}}{R_{p}} + 1)}^{2}}

并联反馈模块3对整个电路的噪声贡献可以用下式表示：

NF = \frac{\overset{&OverBar;}{v_{n, f}^{2}}}{\overset{&OverBar;}{v_{n, S}^{2}}} = \frac{\overset{&OverBar;}{i_{n, f}^{2}} \cdot R_{S}^{2}}{{(\frac{Z_{L}}{R_{p}})}^{2}} \cdot \frac{1}{4 kT R_{S}} = \frac{4 kT \cdot R_{S}^{2}}{R_{p} \cdot {(\frac{Z_{L}}{R_{p}} + 1)}^{2}} \cdot \frac{1}{4 kT R_{S}} = \frac{R_{S}}{R_{p} \cdot {(\frac{Z_{L}}{R_{p}} + 1)}^{2}}

由于在满足阻抗匹配和一定增益的情况下，R_p＞＞Z_L，R_p＞＞R_S，所以来自于并联反馈模块3的噪声贡献很小。对于跨导放大器2和负载模块4的噪声贡献与其它低噪声放大器类似，不做赘述。

附图说明

图1为本发明所提出的并联反馈式结构的窄带低噪声放大器的原理框图。

图2为本发明所提出的并联反馈式结构的窄带低噪声放大器在CMOS工艺上的一种具体实现方式。

标号说明：1表示框图形式的窄带低噪声放大器的前级信号输入源，2表示框图形式的跨导放大器，3表示框图形式的并联反馈模块，4表示框图形式的负载模块，5表示框图形式的整个窄带低噪声放大器，6表示采用NMOS管M1、M2实现的跨导放大器级，7表示采用芯片上电感电容实现的并联反馈模块，8表示采用芯片上电感电容实现的负载级。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提出的并联反馈式结构的窄带低噪声放大器的一种实现方式进行描述。

图1中的跨导放大器2可由NMOS管M1、M2构成的一个共源共栅Cascode结构6来实现(见图2)，有利于提高输出阻抗、反向隔离度，并减小了M1管的Miller效应从而提高了带宽。

图1中的并联反馈模块3可由L1、C1构成的并联谐振网络来实现，见图2。C3用于隔离直流信号，对信号不起作用。L1、C1谐振在信号频率上，可用片上元件来实现。在相同的噪声系数指标下，该电路对L1的Q值要求远小于传统源极电感负反馈结构的窄带低噪声放大器。

图1中的负载模块4可由L2、C2构成的一个并联谐振网络来实现，并谐振在信号频率上，使得增益在信号频率处最大。见图2。

调整电路中的元件值，使其满足阻抗匹配、电压增益和噪声系数的要求，设计方法可参考前述分析。

图2中实现的窄带低噪声放大器可以接收一个频段的窄带射频信号。当图1中的并联反馈模块(3)实现为在多个频带上阻抗值符合阻抗匹配和增益的要求，利用图1结构的窄带低噪声放大器也可实现为可同时接收多个窄带射频信号的多频段窄带低噪声放大器。

综上所述，本发明所提出的并联反馈式结构的窄带低噪声放大器不仅可以在片上电感Q值不高的情况下实现低噪声，且不影响窄带低噪声放大器的其它性能指标，而且还可以实现多频段接收。

参考文献

[1]Shaeffer D K，Lee T H.A 1.5-V，1.5-GHz CMOS low noise amplifier.IEEE Journal ofSolid-State Circuits，1997，32(5)：745-759

[2]Zhan J-H C，Taylor S S A.5GHz resistive-feedback CMOS LNA for low-costmulti-standard applications.ISSCC，Dig.Tech.Papers，2006：721-730

Claims

1.一种采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于：由跨导放大器(2)、反馈模块(3)，以及输出负载模块(4)组成；其中，反馈模块(3)与跨导放大器(2)并联，输出负载模块(4)连接于跨导放大器(2)和反馈模块(3)得输出端。

2.如权利要求1所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于：跨导放大器(2)有较高的输入阻抗和输出阻抗，输出电流方向向内。

3.如权利要求1所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于所述的反馈模块(3)为由电感、电阻和电容组成的谐振网络构成。

4.如权利要求1所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于反馈模块(3)在信号频率范围内有很高输入输出的阻抗，在信号频率范围外输入输出阻抗很小，以实现窄带特性。

5.如权利要求1所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于输出负载模块(4)由无源器件或者有源器件构成，并且负载模块(4)选择为使得功率增益或者电压增益在信号中心频率处达到最高。

6.如权利要求1所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于使所述窄带低噪声放大器的输入端阻抗等于输入信号源的输入阻抗，实现输入阻抗匹配。

7.如权利要求5所述的采用并联反馈式结构的窄带低噪声放大器，其特征在于所述窄带低噪声放大器的输出端口的电压增益A_V(s)通过调节跨导放大器(2)的放大系数G_m和负载模块(4)的负载Z_L进行控制，其调节关系为：

A_{V} (s) = - (G_{m} - \frac{1}{R_{S}}) \cdot Z_{L},

其中R_S为输入信号阻抗。