CN102983818A

CN102983818A - 一种低噪声放大器

Info

Publication number: CN102983818A
Application number: CN2012104838659A
Authority: CN
Inventors: 李琛; 张远; 方泽姣
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器，包括由导线卷绕而成的至少一圈螺旋线圈，所述导线的不同部位具有多个引出端点，所述导线的一端作为所述输入匹配电感的输入端，所述多个引出端点作为所述输入匹配电感的输出端；多个控制开关，对应连接于多个引出端点，控制开关根据控制信号打开或关闭以将所述输入匹配电感不同部位的引出端点引出，从而切换所述输入匹配电感的电感值；以及放大管，连接多个控制开关的输出端。本发明能够使低噪声放大器在不同的频率下工作。

Description

一种低噪声放大器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种频率可变的低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器(Low-NoiseAmplifier，LNA)是射频收发机中的重要模块之一，其性能对整个收发机系统起着决定性的作用。低噪声放大器主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大，以便于后级的接收机电路处理。由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪声放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位以减小信号损耗。

正是由于低噪声放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量。为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确恢复，一个好的低噪声放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。

实现低噪声放大器高增益和低噪声的关键因素是输入端的阻抗匹配和噪声匹配，而对输入端的阻抗匹配和噪声匹配影响最大的因素之一则是LNA的电感。图1所示为传统低噪声放大器结构示意图。其中MOS管M1为放大管，实现低噪声放大器最基本的放大功能；RL为负载电阻，为放大器提供谐振负载。通过联合设计输入匹配电感L1、源极负反馈电感L2和跨接电容Cgs，能够实现低噪声放大器输入端的50Ω阻抗匹配。因此，对于传统的低噪声放大器来说，特定的匹配输入电感L1、源极负反馈电感L2以及跨接电容Cgs能够在特定频率f0下实现阻抗匹配，然而这也就意味着该低噪声放大器只能应用于频率f0下。

随着现代移动通讯的发展，低噪声放大器要求能够适用于各种频率和协议的应用，因此对低噪声放大器提出了更高的要求。因此，如何实现一个适用于不同频率的低噪声放大器，从而使整个接收机成为一个宽带的接收机，对于应用于现代各类通信协议的接收机来说有着重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种频率可变的宽带低噪声放大器，使得接收机能够适应各种频率的应用。

为达成上述目的，本发明提供一种低噪声放大器，包括输入匹配电感，其包括由导线卷绕而成的至少一圈螺旋线圈，所述导线的不同部位具有多个引出端点，所述导线的一端作为所述输入匹配电感的输入端，所述多个引出端点作为所述输入匹配电感的输出端；多个控制开关，所述多个引出端点从次顶层金属层引出以对应连接所述多个控制开关，所述控制开关根据控制信号打开或关闭以将所述输入匹配电感不同部位的引出端点引出，从而切换所述输入匹配电感的电感值；以及放大管，连接所述多个控制开关的输出端。

优选的，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈中与对应的所述控制开关距离最近处，其中N为大于0的整数。

优选的，所述多个控制开关位于所述螺旋线圈的同一侧。

优选的，所述螺旋线圈为方形螺旋线圈。

优选的，所述多个引出端点分别位于所述输入匹配电感的第N+1/4圈处，其中N为大于等于0的整数。

优选的，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈的直角上，其中N为大于0的整数。

优选的，所述螺旋线圈的圈数为5圈。

优选的，所述螺旋线圈为圆形螺旋线圈。

优选的，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈的中间。

优选的，所述螺旋线圈的圈数为6圈。

优选的，所述放大管的栅极连接所述多个控制开关，其源极经源极负反馈电感接地，其漏极连接所述低噪声放大器的输出端。

优选的，所述低噪声放大器还包括：跨接电容，跨接于所述放大管的栅极和源极之间；以及负载电阻，连接于所述放大管的漏极与电源之间。

优选的，所述控制开关为MOSFET管。

优选的，所述放大管为MOS管。

本发明的优点在于，通过切换输入匹配电感绕线圈数使得电感值分立可变，进而实现低噪声放大器的工作频率可调，使得低噪声放大器能够应用于不同频率，有效提高了接收机的工作效率。

附图说明

图1为现有技术中低噪声放大器的结构示意图。

图2为本发明实施例低噪声放大器的结构示意图。

图3为本发明实施例低噪声放大器的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的低噪声放大器包括输入匹配电感L1，多个控制开关以及放大管M1。其中，输入匹配电感L1包括由位于顶层金属层的导线卷绕而成的螺旋线圈，且螺旋线圈的圈数至少为一圈，导线上的不同部位还具有多个引出端点，引出端点从次顶层金属层引出。导线的一端作为输入匹配电感的输入端，而这些引出端点则可作为输入匹配电感的输出端。多个控制开关与多个引出端点对应连接。在本发明的一实施例中，引出端点位于螺旋线圈第N圈中与对应的控制开关距离最近的位置，其中，N为大于0的整数。较佳的，控制开关都位于螺旋线圈的同一侧，这样做的好处是，由于多个引出端点与多个控制开关之间的连接需要多条金属连线，通过上述的引出端点及控制开关的分布方式能够使后续的金属布线更为灵活方便。当然，在本发明的其他实施例中，也可在同一圈的不同部位上设置多个引出端点，或在多个线圈中仅设置一个引出端点。在本发明的另一实施例中，如图2所示，输入匹配电感L1的螺旋线圈为方形螺旋线圈，圈数为5圈，且在第1又1/4圈，第2又1/4圈，第3又1/4圈以及第4又1/4圈处具有引出端点，当然引出端点也可设置在螺旋线圈的其他直角上，设置在直角上的好处在于能够更方便地将引出端点引出。当然，螺旋线圈也可为圆形螺旋线圈，圈数例如为6圈，引出端点可位于线圈的1/2位置处。请继续参考图2，导线上的引出端点1~4均可作为输入匹配电感L1的输出端，而输入匹配电感L1的输入端也即是导线的其中一端则作为低噪声放大器的输入端。导线的引出端点从次顶层金属层引出，与控制开关对应连接，从而控制开关与输入匹配电感L1的输出端相连。控制开关可为MOSFET管，形成在衬底上。在本实施例中，控制开关位于输入匹配电感L1的同一侧，控制开关S1~S4分别对应连接引出端点1~4，控制开关由控制信号控制其开闭状态，从而选择相应的引出端点作为输入匹配电感L1的输出端以切换输入匹配电感L1的电感值。放大管M1连接控制开关S1~S4的输出端，用于实现低噪声放大器的放大功能。具体来说，放大管M1为MOS晶体管，形成在衬底上，其栅极接控制开关S1~S4的输出端，其源极经源极负反馈电感L2接地，且栅极和源极之间跨接一跨接电容Cgs，其漏极经反馈电阻RL接电源，同时其漏极可作为低噪声放大器的输出端，或连接低噪声放大器的输出端。

接下来，将详细阐述本发明实施例的频率可变的宽带低噪声放大器的工作方式。

请参考图2，当控制信号使得控制开关S1关闭、其余控制开关S2、S3、S4打开时，导线引出端点1连接放大管M1的栅极，整个输入匹配电感L1的螺旋线圈的圈数为4又1/4圈，在本优选实施例中，该输入匹配电感的电感值L11为15nH；

当控制信号切换开关S2关闭、其余开关S1、S3、S4打开时，导线引出端点2作为输入匹配电感L1的输出端连接放大管M1的栅极，整个输入匹配电感L1的螺旋线圈的圈数为3又1/4圈，在本优选实施例中，该输入匹配电感的的电感值L12为12nH；

当控制信号切换开关S3关闭、其余开关S1、S2、S4打开时，导线引出端点3连接放大管M1的栅极，整个输入匹配电感L1的螺旋线圈的圈数为2又1/4圈，在本优选实施例中，该输入匹配电感的电感值L13为9nH；

当控制信号切换开关S4关闭、其余开关S1、S2、S3打开时，导线引出端点4连接放大管M1的栅极，整个输入匹配电感L1的螺旋线圈的圈数为1又1/4圈，在本优选实施例中，该输入匹配电感的电感值L14为6nH。

因此，通过控制信号切换开关S1、S2、S3、S4的工作状态，输入匹配电感L1能够表现出的电感值分别为L11、L12、L13、L14，其中L11>L12>L13>L14，即输入匹配电感L1表现出不同的电感值，从而能够在不增加电感等效面积的情况下，实现电感值的分立可变。

图3所示为本发明低噪声放大器的等效电路图，低噪声放大器工作频率以及输入匹配公式如下所示：

ω_{0}^{2} = \frac{1}{(L_{1} + L_{2}) C_{1}}

（公式1）

R_{s} = \frac{g_{m} L_{2}}{C_{1}} = 50 Ω

（公式2）

其中L1代表输入匹配电感值，L2代表源极负反馈电感值，C1代表跨接电阻Cgs的值，g_m代表放大管M1的跨导值。由公式（1）可知，低噪声放大器的谐振（工作）角频率由（L1+L2）C1的倒数决定，如此一来，当切换开关S1、S2、S3、S4的开闭状态，使整个输入匹配电感L1表现出不同的电感值时，则低噪声放大器的工作频率也将会相应变化，从而实现了一种频率可变的宽带低噪声放大器。此外，根据公式（2）可知，就整个低噪声放大器而言，仅输入匹配电感L1发生变化，而源极负反馈电感L2、跨接电阻C1、负载电阻RL均未改变，因此并不会影响到阻抗匹配，也就是说同样可以满足该低噪声放大器在不同的频率下实现阻抗匹配。

在本发明的优选实施例中，当控制信号切换开关S1、S2、S3、S4关闭时，整个输入匹配电感L1表现出不同的电感值15nH、12nH、9nH、6nH，而低噪声放大器的工作频率则相应可以在f1=480MHz、f2=570MHz、f3=660MHz、f4=740MHz中切换。由此可见，整个低噪声放大器覆盖了工作频率480MHz～740MHz，从而实现了一种在480MHz～740MHz内频率可变的宽带低噪声放大器。

综上，本发明所提出的低噪声放大器，在不增加电感串联等效面积的情况下，通过切换输入匹配电感绕线圈数使电感值分立可变，进而实现低噪声放大器的工作频率可调，使得低噪声放大器能够应用于不同频率，提高了工作效率，降低了能耗。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：

输入匹配电感，其包括由导线卷绕而成的至少一圈螺旋线圈，所述导线的不同部位具有多个引出端点，所述导线的一端作为所述输入匹配电感的输入端，所述多个引出端点作为所述输入匹配电感的输出端；

多个控制开关，对应连接所述多个引出端点，所述控制开关根据控制信号打开或关闭以将所述输入匹配电感不同部位的引出端点引出，从而切换所述输入匹配电感的电感值；以及

放大管，连接所述多个控制开关的输出端。

2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈中与对应的所述控制开关距离最近处，其中N为大于0的整数。

3.根据权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述多个控制开关位于所述螺旋线圈的同一侧。

4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述螺旋线圈为方形螺旋线圈。

5.根据权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈的直角上，其中N为大于0的整数。

6.根据权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述螺旋线圈的圈数为5圈。

7.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述螺旋线圈为圆形螺旋线圈。

8.根据权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述引出端点位于所述螺旋线圈第N圈的中间。

9.根据权利要求8所述的低噪声放大器，其特征在于，所述螺旋线圈的圈数为6圈。

10.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大管的栅极连接所述多个控制开关，其源极经源极负反馈电感接地，其漏极连接所述低噪声放大器的输出端。

11.根据权利要求10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：

跨接电容，跨接于所述放大管的栅极和源极之间；以及

负载电阻，连接于所述放大管的漏极与电源之间。

12.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述控制开关为MOSFET管。

13.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大管为MOS管。