CN101944883A - 低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，所述低噪声放大器还包括：偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；耦合电路，用于将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；高频阻抗电路，用于将经过所述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。本发明的低噪声放大器采用了电流复用技术，在提高增益的同时节省了功耗。

Description

低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器(Low-Noise Amplifier，LNA)作为射频前端的关键模块，其性能对整个系统起着决定性的作用。低噪声放大器要求具有较低噪声的同时又能提供一定的增益，从而来抑制混频器等后续模块的噪声。

描述低噪声放大器的性能的主要参数有：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低噪声放大器的整体性能成了设计的主要难点。最近几年来，带源极电感负反馈的共源共栅结构成为了大多数低噪声放大器的选择，这种结构综合性能较好，其典型的指标为增益15dB，噪声系数3dB，输入输出匹配都小于-10dB。

请参见图1，图1是一种现有技术的低噪声放大器的电路结构示意图。所述低噪声放大器包括第一晶体管M′₁、第二晶体管M′₂和第三晶体管M′₃。所述第一晶体管M′₁和所述低噪声放大器的信号输入端V′_in之间连接有输入阻抗电路。所述输入阻抗电路包括电感L′_g、电感L′_s和电容C′_in。所述第二晶体管M′₂的源极连接所述第一晶体管M′₁漏极，所述第二晶体管M′2的漏极经负载电感L′_d连接电源VDD，所述第二晶体管M′2的栅极连接所述电源VDD。所述第二晶体管M′2的漏极和所述低噪声放大器的信号输出端V′_out之间连接有输出匹配电路。所述输出匹配电路包括电容C′_d和电容C′_out。所述第三晶体管M′₃的源极接地，所述第三晶体管M′₃的栅极经偏置电阻R′_b1连接所述第一晶体管M′₁的栅极，所述第三晶体管M′₃的漏极经另一偏置电阻R′_b2连接所述电源VDD。

近几年来，随着蓝牙技术的发展，出现了越来越多的蓝牙方案，有单芯片方案，也有多芯片方案。对于多芯片方案，射频前端模块的需求也越来越多。在蓝牙应用中，对系统的灵敏度要求较高，这就要求第一级的低噪声放大器能够提供较高的增益来抑制后续模块的噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高增益的低噪声放大器。

一种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，所述低噪声放大器还包括：偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；耦合电路，用于将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；高频阻抗电路，用于将经过所述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。

本发明优选的一种技术方案，所述耦合电路包括耦合电容所述耦合电容连接在所述第一晶体管的漏极和第二晶体管的栅极之间。

本发明优选的一种技术方案，所述高频阻抗电路包括第一电感，所述第一电感连接于所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间。

本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包括信号输入端和输入阻抗电路，所述输入阻抗电路连接于所述信号输入端和所述第一晶体管之间。

本发明优选的一种技术方案，所述输入阻抗电路包括第二电感、第三电感、第一电容，所述第一晶体管的源极经由所述第二电感接地，所述第一晶体管的栅极经所述第一电容和所述第三电感连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述第一晶体管的漏极经所述高频阻抗电路连接所述第二晶体管的源极。

本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包旁路电容，所述旁路电容连接于所述第二晶体管的源极和地之间。

本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包负载电感，所述第二晶体管的源极经所述高频阻抗电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的栅极经所述耦合电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的漏极经所述负载电感连接直流电源。

本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包括信号输出端和输出匹配电路，所述输出匹配电路连接于所述信号输出端和所述第二晶体管之间。

本发明优选的一种技术方案，所述输出匹配电路包括第二电容、第三电容，所述第二晶体管的漏极经所述第二电容连接所述信号输出端，所述第三电容连接于所述第二晶体管的漏极和地之间。

本发明优选的一种技术方案，所述偏置电路包括串接在直流电源和地之间的第三晶体管、第四晶体管和第一偏置电阻。

本发明优选的一种技术方案，所述偏置电路还包括第二偏置电阻和第三偏置电阻，所述第三晶体管的漏极经所述第一偏置电阻连接所述直流电源，所述第三晶体管的漏极连接所述第三晶体管的栅极，所述第三晶体管的栅极经由所述第二偏置电阻连接所述第二晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极。

本发明优选的一种技术方案，所述第四晶体管的源极接地，所述第四晶体管的栅极经由所述第三偏置电阻连接所述第一晶体管的栅极，所述第四晶体管的栅极连接所述第四晶体管的漏极。

与现有技术相比，本发明的低噪声放大器的第一晶体管和第二晶体管之间连接有耦合电路和高频阻抗电路。所述耦合电路把射频信号耦合到所述第二晶体管，所述高频阻抗电路阻止射频信号经过所述高频阻抗电路，而直流电流可以流过所述高频阻抗电路，再提供给所述第一晶体管，这样就实现了电流复用，节省了功耗。本发明的高增益低噪声放大器是堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。

附图说明

图1是一种现有技术的低噪声放大器的电路结构示意图。

图2是本发明的低噪声放大器的电路结构示意图。

图3是本发明的低噪声放大器与现有技术的低噪声放大器的性能参数比对表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

请参阅图2，图2是本发明的低噪声放大器的电路结构示意图。所述低噪声放大器包括第一晶体管M₁、第二晶体管M₂、偏置电路、输入阻抗电路、输出匹配电路、耦合电路、高频阻抗电路和负载电感L_d。所述第一、第二晶体管M₁、M₂串联耦接。优选的，所述第一晶体管M₁和所述第二晶体管M₂为MOS晶体管，所述第一晶体管M₁的宽长比是400um/0.18um，所述第二晶体管M₂的宽长比是80um/0.18um。

所述偏置电路用于向所述第一晶体管M₁和所述第二晶体管M₂提供偏置电压。所述耦合电路连接于所述第一晶体管M₁和所述第二晶体管M₂之间，用于将经过所述第一晶体管M₁的射频信号耦合到所述第二晶体管M₂。所述高频阻抗电路连接于所述第一晶体管M₁和第二晶体管M₂之间，用于将经过所述第二晶体管M₂的直流电流提供给所述第一晶体管M₁且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。优选的，所述耦合电路为耦合电容C₁，所述耦合电容C₁的电容值为8.455pF，所述高频阻抗电路为一电感，定义该电感为第一电感L₁，所述第一电感L₁的电感值为10.88nH。

所述第二晶体管M₂的源极经所述第一电感L₁连接所述第一晶体管M₁的漏极。所述第二晶体管M₂的栅极经所述耦合电容C₁连接所述第一晶体管M₁的漏极，所述第二晶体管M₂的漏极经负载电感L_d连接直流电源VDD。所述第二晶体管M₂的源极和地之间连接旁路电容C₂，用于消除高频信号的影响。优选的，所述负载电感L_d的电感值为5.784nH，所述旁路电容C₂的电容值为5.125pF。

所述输入阻抗电路连接于所述低噪声放大器的信号输入端V_in和所述第一晶体管M₁之间。所述输入阻抗电路包括第二电感L_s、第三电感L_g和第一电容C_in。所述第一晶体管M₁的源极经由所述第二电感L_s接地。所述第一晶体管M₁的栅极经所述第一电容C_in和所述第三电感L_g连接所述低噪声放大器的信号输入端V_in。所述第一晶体管M₁的漏极经所述第一电感L₁连接所述第二晶体管M₂的源极。所述第二电感L_s、所述第三电感L_g、所述第一电容C_in和所述第一晶体管M₁的栅源寄生电容C_gs1提供了所述低噪声放大器的输入阻抗。所述第二电感L_s是源极负反馈电感。优选的，所述第一电容C_in的电容值为0.768pF，所述第二电感L_s的电感值为0.666nH，所述第三电感L_g的电感值为6.054nH。

当所述第一晶体管M₁工作时，所述第二电感L_s、所述第三电感L_g提供了工作在2.4GHz处的输入匹配，输入阻抗如下：

$Z_{\mathrm{in}}=L_{g}s+\frac{1}{C_{\mathrm{gs}1}s}+\frac{g_{m1}{L}_s}{C_{\mathrm{gs}1}}$

其中，g_m1是所述第一晶体管M₁的跨导，C_gs1是所述第一晶体管M₁的栅源电容。

所述输出匹配电路连接于所述低噪声放大器的信号输出端V_out和所述第二晶体管M₂之间。所述输出匹配电路包括第二电容C_out和第三电容C_d，所述第二晶体管M₂的漏极经所述第二电容C_out连接所述信号输出端V_out。所述第三电容C_d连接于所述第二晶体管M₂的漏极和地之间。优选的，所述第二电容C_out的电容值为0.384pF，所述第三电容C_d的电容值为0.1202pF。

所述偏置电路包括连接在所述直流电源VDD和地之间的第三晶体管M₃、第四晶体管M₄、第一偏置电阻R_b1、第二偏置电阻R_b2和第三偏置电阻R_b3。要保证所述第二偏置电阻R_b2和所述第三偏置电阻R_b3引入的噪声电流可以忽略，根据双端口噪声理论可以获知，所述第二偏置电阻R_b2和第三偏置电阻R_b3的电阻值在几百到几千欧姆比较合适。优选的，所述偏置电路消耗的电流为233uA，提供给所述第一晶体管M₁和所述第二晶体管M₂的电压分别是0.584V和1.248V。优选的，所述第三晶体管M₃的宽长比是10um/0.18um，所述第四晶体管M₄的宽长比是10um/0.18um，所述第一偏置电阻R_b1、第二偏置电阻R_b2和第三偏置电阻R_b3的电阻值是2.379kΩ。

所述第三晶体管M₃的漏极经所述第一偏置电阻R_b1连接所述电源VDD，所述第三晶体管M₃的漏极连接所述第三晶体管M₃的栅极，所述第三晶体管M₃的栅极经由所述第二偏置电阻R_b2连接所述第二晶体管M₂的栅极，所述第三晶体管M₃的源极连接所述第四晶体管M₄的漏极。所述第四晶体管M₄的源极接地，所述第四晶体管M₄的栅极经由所述第三偏置电阻R_b3连接所述第一晶体管M₁的栅极，所述第四晶体管M₄的栅极连接所述第四晶体管M₄的漏极。所述低噪声放大器的输出阻抗如下：

$Z_L=L_{d}s\left|\right|\frac{1}{C_{L}s}$

其中，C_L是所述第三晶体管M₃漏极的总寄生电容。

射频电压信号经过所述第一晶体管M₁转换成电流信号，在所述第一电感L₁处产生放大的射频电压信号，所述耦合电容C₁把射频电压信号耦合到所述第二晶体管M₂。因此，所述第一电感L₁必须提供一个较大的等效阻抗，阻止射频信号经过所述第一电感L₁，而直流电流可以流过所述第一电感L₁，再提供给所述第一晶体管M₁，这样就实现了电流复用，节省了功耗。所述旁路电容C₂消除了高频信号的影响。最后射频电压信号经过所述第二晶体管M₂转换成电流信号，流过负载电感L_d，最后转换成电压输出。

与现有技术相比，本发明的低噪声放大器将射频电压信号经过所述第一晶体管M₁转换成电流信号，在所述第一电感L₁处产生放大的射频电压信号，本发明的低噪声放大器相当于经过两次放大，两次放大倍数乘起来，就相对比现有技术中的增益要大。

与现有技术相比，本发明的低噪声放大器的第一晶体管M₁和第二晶体管M₂之间连接有耦合电路和高频阻抗电路，即连接有所述耦合电容C₁和所述第一电感L₁。所述耦合电容C₁把射频电压信号耦合到所述第二晶体管M₂，所述第一电感L₁阻止信号经过所述第一电感L₁，而直流电流可以流过所述第一电感L₁，再提供给所述第一晶体管M₁，这样就实现了电流复用，虽然经过两级放大，但是采用电流复用技术，只消耗了一路直流电流，节省了功耗。本发明的高增益低噪声放大器是堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。

请参阅图3，图3是本发明的低噪声放大器与现有技术的低噪声放大器的性能参数比对表。由图可见，当本发明的低噪声放大器工作在2.4GHz时，增益为26dB，噪声系数在1.82dB，电路的功耗为8.64mW，电源电压为1.8V，输入和输出匹配在2.4GHz处都小于-13dB。本发明的低噪声放大器在消耗同等电流时，通过增加少量器件把增益提高了8.6dB，噪声仅仅下降了0.08dB。本发明电流复用的高增益低噪声放大器，不增加功耗，不牺牲噪声，仅增加少量电感、电容、电阻和MOS管情况下，把增益提高到了26dB。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (12)

1.一种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，其特征在于，所述低噪声放大器还包括：

偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；

耦合电路，用于将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；

高频阻抗电路，用于将经过所述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述耦合电路包括耦合电容，所述耦合电容连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的栅极之间。

3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述高频阻抗电路包括第一电感，所述第一电感连接于所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间。

4.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器还包括信号输入端和输入阻抗电路，所述输入阻抗电路连接于所述信号输入端和所述第一晶体管之间。

5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入阻抗电路包括第二电感、第三电感、第一电容，所述第一晶体管的源极经由所述第二电感接地，所述第一晶体管的栅极经所述第一电容和所述第三电感连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述第一晶体管的漏极经所述高频阻抗电路连接所述第二晶体管的源极。

6.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器还包旁路电容，所述旁路电容连接于所述第二晶体管的源极和地之间。

7.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器还包负载电感，所述第二晶体管的源极经所述高频阻抗电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的栅极经所述耦合电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的漏极经所述负载电感连接直流电源。

8.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器还包括信号输出端和输出匹配电路，所述输出匹配电路连接于所述信号输出端和所述第二晶体管之间。

9.如权利要求8所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括第二电容和第三电容，所述第二晶体管的漏极经所述第二电容连接所述信号输出端，所述第三电容连接于所述第二晶体管的漏极和地之间。

10.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路包括串接在直流电源和地之间的第三晶体管、第四晶体管和第一偏置电阻。

11.如权利要求10所述的低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路还包括第二偏置电阻和第三偏置电阻，所述第三晶体管的漏极经所述第一偏置电阻连接所述直流电源，所述第三晶体管的漏极连接所述第三晶体管的栅极，所述第三晶体管的栅极经由所述第二偏置电阻连接所述第二晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极。

12.如权利要求10所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第四晶体管的源极接地，所述第四晶体管的栅极经由所述第三偏置电阻连接所述第一晶体管的栅极，所述第四晶体管的栅极连接所述第四晶体管的漏极。

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