CN102611394A - 低噪声放大器及具有该低噪声放大器的前端系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器以及具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，天线接收包含有有用信号和干扰信号的信号，首先，经过输入匹配网络和blocker干扰抑制网络，对有用信号进行匹配处理，以及实现blocker干扰呈现高阻抗抑制；然后，通过低噪声放大器核心放大管对信号进行放大处理；最后，再通过输出LC选频网络对有用信号进行选频，输出无干扰的信号。通过在低噪声放大器内部设计blocker抑制网络使其取代芯片外部SAW滤波器，并与输入匹配网络相结合，在LNA内部滤除接收到的干扰信号，实现在滤除干扰信号的同时，减少了芯片面积、降低系统功耗和提高系统性能的目的。

Description

低噪声放大器及具有该低噪声放大器的前端系统

技术领域

本发明涉及3G无线通信领域，更具体的说，是涉及一种低噪声放大器以及具有该低噪声放大器的TD-SCDMA(Time Division-Synchronous CodeDivision Multiple Access，时分同步码分多址)射频前端系统。

背景技术

目前在无线通信产品中一般均采用板级SAW滤波器(surface acousticwave，声表面波滤波器)来滤除带外的干扰(blocker)。SAW滤波器是利用具有压电效应性质的石英、铌酸锂和钛酸钡晶体做成的。采用压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，可将电信号转为声信号。请参阅附图1为采用干扰滤波器(SAW滤波器)的低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)，利用SAW滤波器滤除带外干扰所得到的结果如表1所示。

表1：

(在表1中Parameter：参数；Gain：增益；NF：噪声系数；

IN-band IIP3：带内三阶交调点；Stop-band rejection：带外抑制；

Current drain：漏电流；Power supply：电源电压；

Measured w/filtering：带滤波器测试；

simulated w/filtering：带滤波器仿真；

Measured w/o filtering：不带滤波器测试；

simulated w/o filtering：不带滤波器仿真；)

由于，在现有的利用SAW滤波器滤除带外干扰的saw-less方案中，由于其价格高、占用面积大、BOM价格高、结构复杂、性能较差(噪声系数NF为6.8dB)，而且在进行滤除带外干扰的时候需要使用两个混频器，先进行降频滤波，然后再升频混频，致使功耗增大(29mA)。因此，当前迫切需要一种可以滤除带外干扰，且低成本、低功耗和高性能的不具有SAW滤波器的低噪声放大器。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低噪声放大器以及具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，以克服现有技术采用SAW滤波器滤除带外干扰成本较高、功耗较高和性能较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低噪声放大器，包括：

接收信号的输入匹配网络，所述信号中包括有用信号和干扰信号；

与所述输入匹配网络相配合，对所述有用信号进行阻抗匹配，以及对所述干扰信号进行高阻抗抑制的信号匹配及干扰抑制网络；

将所述滤除干扰信号后的有用信号进行放大的低噪声放大器LNA核心放大管；

与所述LNA核心放大管相连，对滤除干扰信号后的有用信号进行选频，输出无干扰信号的输出选频网络。

优选的，所述LNA核心放大管为共源共栅结构。

优选的，所述输入匹配网络的结构为由电感、电容、放大管构成的谐振电路。

优选的，所述信号匹配及干扰抑制网络为电感和电容所构成的LC谐振网络。

优选的，所述输出选频网络为由电感和电容所构成的LC选频网络，所述LC选频网络中的电容为电容阵列。

优选的，所述电感为高品质因子的电感。

优选的，所述LC谐振网络的非谐振频率点增益小于谐振频率点增益。

一种具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，包括上述所述的低噪声放大器，以及与所述低噪声放大器相连的信号输入单元和信号输出单元；

信号输入单元，用于接收TD-SCDMA射频前端的信号，所述信号包括有用信号和干扰信号；

低噪声放大器，用于完成对干扰信号的滤除和有用信号的匹配和放大；

信号输出单元，用于将经过干扰信号滤除的有用信号进行输出。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种低噪声放大器以及具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，在该低噪声放大器中不设置片外SAW滤波器，天线接收包含有有用信号和干扰信号的信号，首先经过输入匹配网络和blocker干扰抑制网络，对有用信号进行匹配处理，以及实现blocker干扰呈现高阻抗抑制；然后，通过低噪声放大器核心放大管对信号进行放大处理；最后，再通过输出LC选频网络对有用信号进行选频，输出无干扰的信号。通过在低噪声放大器内部设计blocker抑制网络使其取代芯片外部SAW滤波器，并与输入匹配网络相结合，在LNA内部滤除接收到的干扰信号，实现在滤除干扰信号的同时，减少了芯片面积、降低系统功耗和提高系统性能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中具有SAW滤波器的低噪声放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种低噪声放大器的电路方框图；

图3为本发明实施例公开的一种低噪声放大器的电路原理图；

图4为本发明实施例公开的一种单端谐振等效电路原理图；

图5为本发明实施例公开的一种单端非谐振等效电路原理图；

图6为本发明实施例公开的一种具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

TD-SCDMA：Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址；

SAW：surface acoustic wave，声表面波滤波器；

LNA：Low Noise Amplifier，低噪声放大器；

Blocker：干扰；

Cascode结构：共源共栅结构。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现有技术中，滤除TD-SCDMA射频前端系统中的带外干扰多采用板级SAW滤波器，但是由于其价格高、占用面积大和机构复杂，会造成系统的功耗增大，使系统的性能变差。因此，本发明提供了一种不具有SAW的低噪声放大器以及具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，通过取消使用高成本的SAW滤波器，减少芯片面积，降低系统的功耗和提高系统的性能。具体过程通过以下实施例进行说明。

请参阅附图2，为本发明实施例公开的一种低噪声放大器的电路方框图，主要包括：输入匹配网络1、LNA核心放大管2、信号匹配及blocker抑制网络3和输出选频网络4。

其中，输入匹配网络1与系统的信号输入端连接，输出选频网络4与系统的信号输出端连接。

输入匹配网络1，用于接收信号，该信号包括有用信号和干扰信号。

信号匹配及blocker抑制网络3，用于与输入匹配网络1配合完成对有用信号的匹配处理，即实现对有用信号的阻抗匹配，以及完成对干扰信号的滤除，即实现blocker干扰呈现高阻抗抑制。

LNA核心放大管2，用于对经过输入匹配网络1和信号匹配及blocker抑制网络3处理后的有用信号进行放大处理，并将放大后的有用信号发送至输出选频网络4。

输出选频网络4，用于对经匹配并滤除干扰的有用信号进行选频，并输出无干扰信号。

在本发明提供的无SAW方案的低噪声放大器的使用过程中，实现滤除带外干扰的过程主要为：

有用信号和干扰信号从输入匹配网络1输入，通过信号匹配和blocker抑制网络3，一方面将放大后的有用信号进行匹配处理，另一方面实现对带外干扰的抑制，即实现blocker干扰呈现高阻抗抑制，然后，通过LNA核心放大管2对处理后的经匹配并滤除干扰的有用信号进行放大，最后，再通过输出选频网络4对放大后的信号进行选频，输出无干扰的信号。在LNA内部包含取代外部SAW滤波器的blocker抑制网络3，通过LNA输入匹配网络1与blocker抑制网络3相结合，在LNA内部滤除接收到的干扰信号，实现输出选频网络4输出无干扰的信号。

需要说明的是，LNA核心放大管2一般为cascode结构，cascode结构中的“共栅”管称为cascode管，采用cascode结构可以增大输出电阻，减少输出电压的变化对电流的影响。

信号匹配及blocker抑制网络3中的blocker抑制网络为LC谐振网络，通过LC谐振网络对干扰信号进行处理，可以实现外部设置SAW滤波器的blocker抑制功能。而输入匹配网络1与信号匹配及blocker抑制网络3中的blocker抑制网络相结合时，包含有共源模式和共栅模式两种。

此外，输出选频网络4通常也选用常见的LC选频网络，在选频的过程中可以进一步对干扰信号进行滤除。但是，关于上述实施例公开的输入匹配网络1、LNA核心放大管2、信号匹配及blocker抑制网络3和输出选频网络4中的结构只要可以实现上述所描述的功能即可，本发明并不进行限定。因此，通过本发明以下实施例进行详细说明。

请参阅附图3，为本发明实施例公开的一种低噪声放大器的电路原理图，为无外设SAW滤波器的低噪声放大器，针对上述图2中的电路方框图，在附图3中，输入匹配网络由输入电感Lg、电容Cp、放大管，以及电感Ls构成；采用电容Cs和CL作为TD-SCDMA频段选择的电容阵列，可以覆盖多个TD-SCDMA的频段带宽，同时可以节省芯片面积。

需要说明的是，附图3种所设置的电感LL、Ls和Lg为高Q电感(Q为品质因子，因此，高Q电感是指高品质因子的电感)，电感LL用于负载LC选频率网络，Ls和Lg用于LNA匹配和blocker抑制网络。

在有用信号频段内，附图3中的电感Ls/2、电容Cs谐振，电感LL、CL谐振，构成单端等效电路，该单端等效电路分为附图4所示的单端谐振电路和附图5所示的单端非谐振电路。以下式(1)、式(2)和式(3)为与单端等效电路有关的计算公式：

$\mathrm{Zin}=s(\mathrm{Lg}+\mathrm{Ls}/2)+\frac{1}{\mathrm{sCp}}+\frac{\mathrm{gm}\·\mathrm{Ls}}{2\mathrm{Cp}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\Π}\sqrt{(\mathrm{Lg}+\mathrm{Ls}/2)\·\mathrm{Cp}}}---\left(2\right)$

s＝jω                               (3)

其中，Zin为输入阻抗，gm为跨导。

在谐振频率点的工作模式的情况下(如图4所示)，输入阻抗Zin如式(4)所示为：

$\mathrm{Zin}=\frac{\mathrm{gm}\·\mathrm{Ls}}{2\mathrm{Cp}}---\left(4\right)$

因此，上述本发明实施例公开的低噪声放大器在谐振时，噪声低、线性度好，以及功耗低。一般情况下的噪声系数可以达到1.5dB以下，而此时的LNA可以达到该标准，由结合图3可知，此时低噪声放大器的结构为cascode结构的共源共栅低噪声放大器。在该共源共栅低噪声放大器中Gain(增益)：

Gain＝gm_eff·Rload＝gm·Qin·Rload          (5)

其中，gm_eff为LNA有效跨导，Qin为输入等效Q(Q为输入匹配网络的品质因子)。

在谐振并输入阻抗匹配时，输入等效Q一般取值2～3左右。

$\mathrm{Qin}=\frac{1}{2\mathrm{Rs}\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}---\left(6\right)$

在非谐振频率点的工作模式的情况下，如图5所示，可以构成blocker抑制网络。在非谐振点(f/2，f/3，f/5)，呈现高阻Zin`，对blocker干扰进行抑制，从而实现对有用信号进行放大，对干扰进行抑制的功能。

参照式(1)和式(6)，在非谐振频率点时，等效的Qin`和Zin`为：

$\mathrm{Qin}`=\frac{\mathrm{sCp}}{\mathrm{Rs}+\mathrm{Zin}`}---\left(7\right)$

$\mathrm{Zin}`=s(\mathrm{Lg}+\mathrm{Ls}/2)+\frac{1}{\mathrm{sCp}}+\frac{1}{\mathrm{sCs}}+\frac{\mathrm{gm}\·\mathrm{Ls}}{2\mathrm{Cp}}-\frac{\mathrm{gm}}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{Cp}\·\mathrm{Cs}}---\left(8\right)$

从而，可以得到等效的Qin`为：

$\mathrm{Qin}`=\frac{\mathrm{sCp}}{\mathrm{Rs}+\mathrm{Zin}`}=\frac{\mathrm{sCp}}{\mathrm{Rs}+\{s(\mathrm{Lg}+\mathrm{Ls}/2)+\frac{1}{\mathrm{sCp}}+\frac{1}{\mathrm{sCs}}+\frac{\mathrm{gm}\·\mathrm{Ls}}{2\mathrm{Cp}}-\frac{\mathrm{gm}}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{Cp}\·\mathrm{Cs}}\}}$

基于上述针对本发明实施例公开的低噪声放大器在谐振和非谐振频率点的份写，可知，选择适当的Cp，Cs等电路参数使在非谐振频率点Qin`远小于谐振频率点Qin，达到非谐振频率点增益远小于谐振频率点，从而使本发明实施例公开的低噪声放大器具有较强的信号处理和干扰抑制的功能，实现无高成本的SAW滤波器时，减少芯片面积使用范围、降低系统功耗和提高系统性能的目的。

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种低噪声放大器，对于本发明所公开的低噪声放大器可以应用于TD-SCDAM射频前端系统中，因此本发明还公开了一种具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图6，为本发明实施例公开的一种具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统结构示意图，主要包括上述本发明公开的低噪声放大器101、信号输入单元102和信号输出单元103，其中，所述信号输入单元102和信号输出单元103为TD-SCDMA射频前端系统中的信号输入单元和信号输出单元。

其中，信号输入单元102与低噪声放大器101中的输入匹配网络1相连接，低噪声放大器101中的输出选频网络4与信号输出单元103相连接。

信号输入单元102，用于接收TD-SCDMA射频前端的信号，并将接收的信号发送至低噪声放大器101中。该接收到的信号中包括有用信号和干扰信号。

低噪声放大器101，用于接收信号输入单元102发送的有用信号和干扰信号，完成对干扰信号的滤除和有用信号的匹配、放大，并将不包含有干扰信号的放大信号，即进行匹配和放大后的有用信号发送至信号输出单元103。

信号输出单元103，用于将经过干扰信号滤除的有用信号进行输出。

由于，对于TD-SCDMA标准，TD-SCDMA射频前端系统接收到的干扰信号高达-15dBm(Pin_blocker)，而有用信号仅仅为-105dBm(Pin_desired)，两者之间的差值为90dB，如果不采用外部的SAW滤波器对干扰信号进行滤除，对系统的性能要求将会非常非常高，由后级电路线形度IP2表示为：

IP2＝2Pin_block-Pin_desired＝75dBm                    (9)

而设置于TD-SCDMA射频前端系统的LNA的增益一般有15dB，此时后级电路线性度IP2高达90dBm，因此，为了避免由于没有对TD-SCDMA射频前端系统中的干扰信号的滤除，造成对该系统的性能要求过高，从而增加系统的可行性和实现性。

因此，本发明上述实施例公开了一种低噪声放大器(LNA)，并将该低噪声放大器设置于TD-SCDMA射频前端系统中，从该LNA内部将blocker干扰进行抑制，在非谐振时，在f/2非谐振频率点抑制可达20dB，而对有用信号放大20dB，依据式(9)可知，这样可以减轻对后级电路非线性的要求，实现无外设SAW滤波器时，减少芯片面积使用范围、降低系统功耗和提高系统性能的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：

接收信号的输入匹配网络，所述信号中包括有用信号和干扰信号；

与所述输入匹配网络相配合，对所述有用信号进行阻抗匹配，以及对所述干扰信号进行高阻抗抑制的信号匹配及干扰抑制网络；

将经匹配并滤除干扰的有用信号进行放大的低噪声放大器LNA核心放大管；

与所述LNA核心放大管相连，对放大后的有用信号进行选频，输出无干扰信号的输出选频网络。

2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述LNA核心放大管为共源共栅结构。

3.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配网络的结构为由电感、电容、放大管构成的谐振电路。

4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述信号匹配及干扰抑制网络为电感和电容所构成的LC谐振网络。

5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出选频网络为由电感和电容所构成的LC选频网络，所述LC选频网络中的电容为电容阵列。

6.根据权利要求2至5所述的任意一项低噪声放大器，其特征在于，所述电感为高品质因子的电感。

7.根据权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述LC谐振网络的非谐振频率点增益小于谐振频率点增益。

8.一种具有该低噪声放大器的TD-SCDMA射频前端系统，其特征在于，包括权利要求1所述的低噪声放大器，以及与所述低噪声放大器相连的信号输入单元和信号输出单元；

信号输入单元，用于接收TD-SCDMA射频前端的信号，所述信号包括有用信号和干扰信号；

低噪声放大器，用于完成对干扰信号的滤除和有用信号的匹配和放大；

信号输出单元，用于将经过干扰信号滤除的有用信号进行输出。

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