CN102394572A

CN102394572A - 高线性度的低噪声放大器及其设计方法

Info

Publication number: CN102394572A
Application number: CN2011103115253A
Authority: CN
Inventors: 徐化; 林敏�; 石寅
Original assignee: SUZHOU ZHONGKE
Current assignee: Kweifa Semiconductor Suzhou Co ltd
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102394572B

Abstract

本发明涉及一种高线性度的低噪声放大器，其包括具有主放大管的放大单元、放大偏置单元，放大偏置单元连接在第一偏置电压与主放大管的栅极之间，其还包括辅助单元，辅助单元包括辅助管、辅助偏置电路，辅助管的源极与主放大管的源极相连接，辅助管的漏极与主放大管的漏极相连接，辅助偏置电路连接在第二偏置电压与辅助管的栅极之间。本发明中辅助管的增加并不影响低噪声放大器的噪声性能；同时辅助管的偏置远远小于主放大管，因而没有对功耗产生很大的影响；最后，仅增加了一个辅助管以及相应的辅助偏置电路，也不回引起芯片面积的增加。本发明的普遍性，适于作为要求高线性度的系统的低噪声放大器。

Description

高线性度的低噪声放大器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种低噪声放大器及其设计方法，具体地说，涉及一种线性度优化的并适用于要求高线性度系统的低噪声放大器及其设计方法。

背景技术

低噪声放大器（LNA），是射频接收机前端的主要部分。在接收机中，射频信号经诸如滤波器，低噪声放大器，混频器及中频放大器等单元模块的传输，由于每个单元都有固有噪声，经传输后都将输出信噪比变差。由于接收到的射频信号一般都很微弱，因此考虑接收机的噪声系数有重要的意义。在多极系统中，低噪声放大器的噪声系数和增益对整个系统的噪声系数有决定性的影响。其次，为了达到功率最大传输，低噪声放大器（LNA）的输入端必须和前端与它相接的天线或天线滤波器很好的匹配。第三，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此低噪声放大器（LNA）一般是频带放大器。

低噪声放大器（LNA）的指标为：低的噪声系数（NF）、足够的线性范围（IIP3）、合适的增益（gain）、输入输出阻抗的匹配（VSWR）、输入输出间良好的隔离，而各个指标之间互相折中。一些对线性度要求较高的低噪声放大器，例如应用于GPS的低噪声放大器（LNA）工作在1575.42MHz与1561.098MHz两个频段，除了低噪声、合适的增益、输入输出阻抗的匹配、输入输出间良好的隔离，还要求一定的抗手机干扰能力，即满足对带外手机干扰信号所产生的带内三阶项有一定的抑制度。这通常远远大于对低噪声放大器（LNA）本身的带内线性度的要求。因此需要采用一定的线性度提高技术。

目前为止，已经提出了多种线性度优化技术，以改善大信号下低噪声放大器的线性度。通用的线性度优化技术包括多栅技术（Multi-Gated）、前馈技术、反馈技术、预失真技术。这些技术在一定的折中下提高了低噪声放大器（LNA）的线性度，包括噪声折中、功耗折中、面积折中。

发明内容

本发明的目的是提供一种在保证噪声优化、功耗优化、面积优化的同时，改善带外线性度的低噪声放大器，尤其是一种能够工作在手机上，有效的抗手机干扰信号的应用于GPS的低噪声放大器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高线性度的低噪声放大器，具有输入端口与输出端口，其包括放大单元、提供第一偏置电压的放大偏置单元，所述的放大单元包括主放大管，所述的输入端口与所述的主放大管的栅极相连接，所述的放大偏置单元给所述的主放大管的栅极提供第一偏置电压，所述的放大单元的输出端与所述的输出端口相连接，所述的高线性度的低噪声放大器还包括辅助单元，所述的辅助单元包括辅助管、提供第二偏置电压的辅助偏置电路，所述的辅助管的源极与所述的主放大管的源极相连接，所述的辅助管的漏极与所述的主放大管的漏极相连接，所述的辅助偏置电路给所述的辅助管的栅极提供第二偏置电压。

优选的，所述的放大单元为共源共栅放大单元，其包括共源管、共栅管，所述的辅助管的源极、漏极分别于所述的共源管的源极、漏极相连接。

优选的，所述的主放大管的栅极与源极间并联有栅源电容。

优选的，所述的放大单元的输出端与所述的输出端口之间连接有输出负载单元及输出阻抗匹配单元；所述的输出负载单元为LC谐振电路，所述的输出阻抗配单元为串联电容。

优选的，所述的主放大管和所述的辅助管的源极连接有负反馈电感。

优选的，所述的高线性度的低噪声放大器还包括低增益通路单元，所述的低增益通路单元抽取所述的放大单元的小信号电流。

一种上述高线性度的低噪声放大器的设计方法，其包括如下步骤：

（1）设计所述的放大单元，根据噪声性能及功耗限定设计所述的主放大管的尺寸；

（2）设计与所述的放大单元相应的所述的放大偏置电路；

（3）调节所述的放大单元的电流获得最优带外输入三阶交调点；

（4）根据输入三阶交调点最优的原则设计所述的辅助管的尺寸及电流。

优选的，所述的步骤（3）中，在所述的主放大管的栅极与源极之间引入所述的并联的栅源电容，调节所述的栅源电容的大小实现所述的功率与噪声的匹配。

本发明工作原理是：辅助管的漏极即主放大管的输出端的三阶小信号经过辅助管的漏栅寄生电容耦合到辅助管的栅极，此三阶小信号经过辅助管的跨导进行反向放大到其输出端，与主放大管产生的三阶小信号符号相反，从而起到抵消三阶非线性、提高带外线性度的作用。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明由于由输入端口引入的输入信号并不经过辅助管，因而辅助管的增加并不影响低噪声放大器的噪声性能；同时由于在最优三阶线性度的情况下辅助管的偏置远远小于主放大管，因而辅助管的增加也没有对功耗产生很大的影响；最后，辅助单元仅仅增加了一个辅助管以及相应的辅助偏置电路，因此也不会引起芯片面积的增加。由于本发明的普遍性，本发明中所采用的提高带外三阶非线性的技术方案不仅适用于抗手机干扰的GPS低噪声放大器，也适于作为要求高线性度的其他系统的低噪声放大器。

附图说明

附图1为本发明的高线性度的低噪声放大器的电路原理图。

附图2为本发明的高线性度的低噪声放大器的设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。

一种抗手机干扰的适用于GPS的高线性度的低噪声放大器，具有输入端口与输出端口，其包括放大单元、提供第一偏置电压Vg_mt的放大偏置单元、辅助单元、输出负载单元、输出阻抗匹配单元及低增益通路单元。

放大单元为共源共栅放大单元，其包括共源管M1、共栅管M2，共源管M1为主放大管，输入端口与共源管M1的栅极相连接，放大偏置单元给共源管M1的栅极提供第一偏置电压Vg_mt；共栅管M2的漏极为放大单元的输出端，其与输出端口相连接。

共源管M1的源极连接有负反馈电感，负反馈电感由封装downbond电感提供，共源管M1的栅极与源极间并联有栅源电容。在固定源极负反馈电感的情况下，调节主放大管的栅源电容，使得在给定的功耗下实现噪声与功耗的同时匹配。同时，由于栅源电容的作用，减小了由主放大管二阶非线性带来的三阶项输出，因此优化了主放大管的三阶非线性。

辅助单元包括辅助管M3、提供第二偏置电压Vg_ct的辅助偏置电路。辅助管M3的源极与共源管M1的源极相连接，辅助管M3的漏极与共源管M1的漏极相连接，辅助偏置电路连接在第二偏置电压Vg_ct与辅助管M3的栅极之间。辅助管M3的漏极即主放大管的输出端的三阶小信号经过辅助管M3的漏栅寄生电容耦合到辅助管M3的栅极，此三阶小信号经过辅助管M3的跨导进行反向放大到其输出端，与主放大管产生的三阶小信号符号相反，从而起到抵消三阶非线性、提高带外线性度的作用。

共栅管M2的漏极与输出端口之间连接有输出负载单元及输出阻抗匹配单元。输出负载单元为LC谐振电路，输出阻抗配单元为串联电容C1。LC谐振电路与串联电容C1实现片上输出阻抗匹配到50ohm，不需额外的片外匹配网络可直接接片外50ohm输入的SAW滤波器，以供GPS使用。

低增益通路单元由第一晶体管M4、连接在第一晶体管M4的栅极与地之间的第一电容C4、第二晶体管M5、连接在第二晶体管M5的栅极与地之间的第二电容C5组成，第一晶体管M4的源极、第二晶体管M5的源极均与共栅管M2的源极相连接，第一晶体管M4的漏极与共栅管M2的漏极相连接，第二晶体管M5的漏极与LC谐振电路相连接。低增益通路单元抽取放大单元的小信号电流使增益减小。该低噪声放大器提供高低两种增益，当其输入端口外接低噪声放大器时，其提供高增益；反之，则提供低增益。由于在低增益状态该低噪声放大器的输入端与高增益状态基本一样，因此高低增益状态可以采用同一个输入匹配网络实现同时输入功率匹配，同时在低增益状态时的输出端与高增益状态的输出端结构一样，因此输出阻抗基本一样，也只需要同一套输出匹配网络即可实现高低增益同时输出功率匹配。

该低噪声放大器由于由输入端口引入的输入信号并不经过辅助管M3，因而辅助管M3的增加并不影响低噪声放大器的噪声性能；同时由于在最优三阶线性度的情况下辅助管M3的偏置远远小于主放大管，因而辅助管M3的增加也没有对功耗产生很大的影响；最后，辅助单元仅仅增加了一个辅助管M3以及相应的辅助偏置电路，因此也不回引起芯片面积的增加。综上所述，该低噪声放大器通过引入辅助单元，实现了噪声、增益、功耗、面积的同时优化。本技术方案的普遍性，其不仅适用于抗手机干扰的GPS低噪声放大器，也适用于要求高线性度的其他系统的低噪声放大器。

参见附图2所示，上述高线性度的低噪声放大器的设计方法包括如下步骤：

（1）设计放大单元，采用共源共栅放大极结构，根据噪声性能、在给定功耗限制以及固定用作源极负反馈电感的片外封装downbond电感的条件下，设计主放大管即共源管M1的尺寸，使得在此功耗下，当输入端匹配到源阻抗时，噪声性能最优；

（2）设计与主放大管相应的放大偏置电路；

（3）在共源管M1的栅源端引入并联的栅源电容，通过调节栅源电容的大小，以及片外匹配网络，使得在输入阻抗与源阻抗匹配的条件下，NF=NF_min，即噪声匹配，并获得最优带外输入三阶交调点；此时，由于栅源电容的增加，导致低噪声放大器输入端Q值的降低，使得低噪声放大器的功率增益有所下降，栅源电容的增加不可使得功率增益下降到系统要求的值；

（4）辅助管M3的漏源极分别接到共源管M1的漏源极，辅助管M3的栅极由辅助偏置电路提供第二偏置电压Vg_ct，通过调整共源管M1与辅助管M3的电流，可以得到最优带外三阶线性度，根据输入三阶交调点最优的原则设计辅助管M3的尺寸及电流，辅助管M3的尺寸与偏置约为主放大管的七分之一，输入三阶交调点最高可达20dBm；

（5）采用抽电流方法设计低增益通路单元，其抽取共栅管M2小信号电流，使增益减小；

（6）采用LC 谐振电路做输出负载，并通过输出串联电容C1实现片上输出阻抗匹配到50ohm。

本发明提供了一种在保证噪声、功耗、面积不受影响的情况下，通过辅助单元的引用，极大的增加了带外三阶线性度的抗手机干扰的CMOS GPS低噪声放大器，可用作工作在不同频率的窄带接收系统中的CMOS低噪声放大器。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高线性度的低噪声放大器，具有输入端口与输出端口，其包括放大单元、提供第一偏置电压的放大偏置单元，所述的放大单元包括主放大管，所述的输入端口与所述的主放大管的栅极相连接，所述的放大偏置单元给所述的主放大管的栅极提供第一偏置电压，所述的放大单元的输出端与所述的输出端口相连接，其特征在于：所述的高线性度的低噪声放大器还包括辅助单元，所述的辅助单元包括辅助管、提供第二偏置电压的辅助偏置电路，所述的辅助管的源极与所述的主放大管的源极相连接，所述的辅助管的漏极与所述的主放大管的漏极相连接，所述的辅助偏置电路给所述的辅助管的栅极提供第二偏置电压。

2.根据权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器，其特征在于：所述的放大单元为共源共栅放大单元，其包括共源管、共栅管，所述的辅助管的源极、漏极分别于所述的共源管的源极、漏极相连接。

3.根据权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器，其特征在于：所述的主放大管的栅极与源极间并联有栅源电容。

4.根据权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器，其特征在于：所述的放大单元的输出端与所述的输出端口之间连接有输出负载单元及输出阻抗匹配单元；所述的输出负载单元为LC谐振电路，所述的输出阻抗配单元为串联电容。

5.根据权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器，其特征在于：所述的主放大管和所述的辅助管的源极连接有负反馈电感。

6.根据权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器，其特征在于：所述的高线性度的低噪声放大器还包括低增益通路单元，所述的低增益通路单元抽取所述的放大单元的小信号电流。

7.一种如权利要求1所述的高线性度的低噪声放大器的设计方法，其特征在于：其包括如下步骤：

（2）设计与所述的放大单元相应的所述的放大偏置电路；

8.根据权利要求7所述的高线性度的低噪声放大器的设计方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，在所述的主放大管的栅极与源极之间引入所述的并联的栅源电容，调节所述的栅源电容的大小实现所述的功率与噪声的匹配。