CN103051291A - 级间匹配可调的cmos超宽带低噪声放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路。该电路至少包括：基于连接第一MOS管的负反馈电路来实现对超宽带输入信号的匹配的信号接入电路；与信号接入电路共同构成第一级放大电路的信号抽取电路，其基于连接第一MOS管与第二MOS管的高频匹配电路、及连接第二MOS管的低频匹配电路来将信号接入电路输出的信号抽取至所述第二MOS管；基于可变电容来耦合所述信号抽取电路输出的信号的级间匹配电路；基于共源共栅电路来放大所述级间匹配电路输出的信号的第二级放大电路。本发明具有低噪声、低功耗、高增益、超宽带、高增益平坦度、结构简单、工艺误差影响小、成本低等优点，能够适用在UWB通信系统中。

Description

级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路。

背景技术

超宽带(UWB)技术起源于0世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并备受关注。UWB技术是一种采用极短的脉冲信号来传送信息的技术，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几百皮秒之间。这些脉冲所能提供的带宽高达数GHz，因此最大的数据传输速率可以达到数百Mbps；而且，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式。

2002年美国联邦通信委员会(FCC)公布了允许民用的UWB频段，即3.1~ 10.6 GHz。目前，在UWB系统的定义上存在两种方案：直接序列(DS-CDMA)和多带频分复用(MB-OFDM)。在这两种方案的系统中，都需要在接收机端使用低噪声放大器(LNA)模块。

低噪声放大器是射频接收机前端关键模块之一。在传统的窄带LNA中，核心的指标要求为低噪声系数、合适的增益、良好的输入输出匹配以及较高的线性度。而在带宽达几个或十几个GHz (中心频率为数个GHz)的超宽带系统中，由于带宽太宽，因此在整个频段内达到良好的输入输出匹配和平坦的增益是除了噪声特性外超宽带LNA的研究重点。

传统的窄带单端输入低噪声放大电路通常采用共源或者共源共栅结构来实现，能够实现在较小的噪声系数下达到较高的增益，但是传统的输入输出匹配网络很难覆盖较宽的频率范围。

为了在宽带范围内能够得到良好的输入匹配，目前广泛应用的方法有采用共栅输入结构、采用带有并联电阻负反馈的共源结构以及采用电流复用技术。对于共栅输入结构，增益不高，无法良好的抑制后级电路噪声，特别是在短沟道器件中，系统的噪声较高，同时其所需的功耗较大；而传统意义上的并联电阻反馈的共源结构，由于寄生参数的影响，在高频段工作性能不佳；而采用电流复用技术在高频段能够提高增益，但是限制于超宽带的频率要求，整个频带内的增益平坦度很难得到保证。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能适用在UWB通信系统中的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其至少包括：

信号接入电路，其基于连接第一MOS管的负反馈电路来实现对超宽带输入信号的匹配；

与所述信号接入电路共同构成第一级放大电路的信号抽取电路，其基于连接所述第一MOS管与第二MOS管的高频匹配电路、及连接第二MOS管的低频匹配电路来将所述信号接入电路输出的信号抽取至所述第二MOS管；

连接所述信号抽取电路的级间匹配电路，其基于可变电容来耦合所述信号抽取电路输出的信号；

连接所述级间匹配电路的第二级放大电路，其基于共源共栅电路来放大所述级间匹配电路输出的信号。

优选地，所述负反馈电路包括由电阻与电容构成的第一并联负反馈电路；更为优选地，还包括连接所述第一MOS管的源极串联负反馈电路。

优选地，所述第一MOS管与所述第二MOS管连接成共源共栅管对。

优选地，所述高频匹配电路包括连接所述第一MOS管漏端的电容及一端连接电容、另一端连接所述第二MOS管栅端的电感。

优选地，所述低频匹配电路包括连接在所述第一MOS管漏端与所述第二MOS管源端之间的电感以及连接在所述第二MOS管源端与地之间的电容。

优选地，所述级间匹配电路包括可调电容及电阻构成的电路。

优选地，所述第二级放大电路包括第二并联电阻负反馈电路。

如上所述，本发明的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，采用了并联电阻负反馈、电流抽取和级间匹配可调技术，使电路噪声系数降低，对工艺误差的敏感性降低，增益平坦度提高，输入输出带宽增加，具有低噪声、低功耗、高增益、超宽带、高增益平坦度、结构简单、工艺误差影响小、成本低等优点，能够适用在UWB通信系统中。

附图说明

图1显示为本发明的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路示意图。

图2显示为本发明的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路的仿真结果示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图所示，本发明提供一种级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路。该CMOS超宽带低噪声放大器电路1至少包括：信号接入电路11、信号抽取电路12、级间匹配电路13、及第二级放大电路14。

所述信号接入电路11基于连接第一MOS管的负反馈电路来实现对超宽带输入信号的匹配。

例如，如图1所示，所述信号接入电路11包括：第一MOS管M1、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1及第二电阻R2；其中，第二电容C2和第二电阻R2构成第一MOS管M1的并联负反馈电路；第二电感L2构成第一MOS管M1的源极串联负反馈电路。

所述信号抽取电路12与所述信号接入电路11共同构成第一级放大电路，其基于连接所述第一MOS管与第二MOS管的高频匹配电路、及连接第二MOS管的低频匹配电路来将所述信号接入电路输出的信号抽取至所述第二MOS管。

例如，如图1所示，所述信号抽取电路12包括：第二MOS管M2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第三电阻R3、及第四电阻R4；其中，第三电容C3和第四电感L4构成第一MOS管M1漏极和第二MOS管M2栅极之间高频匹配电路；第三电感L3和第四电容C4构成第一MOS管M1漏极和第二MOS管M2源极之间低频匹配电路。

所述级间匹配电路13连接所述信号抽取电路12，其基于可变电容来耦合所述信号抽取电路输出的信号。

例如，如图1所示，所述级间匹配电路13包括：第一可变电容Cv1、第二可变电容Cv2、第五电阻R5、第六电阻R6、及第七电阻R7。

所述第二级放大电路14连接所述级间匹配电路13，其基于共源共栅电路来放大所述级间匹配电路13输出的信号。

例如，如图1所示，所述第二级放大电路14包括：第三MOS管M3、第四MOS管M4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第六电容C6、第七电容C7、第六电感L6、及第七电感L7。

如图1所示，上述各电阻、电感、电容及MOS管的连接关系如下：

第一射频输入端RFIN与第一电容C1一端相连，第一电容C1另一端与第一电感L1、第一电阻R1、第二电阻R2的一端分别相连，第一电感L1的另一端连接至第一MOS管M1的栅极，第一电阻R1的另一端接至第一偏置端VBIAS1，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端连至第一MOS管M1的漏极，第一MOS管M1的源极与第二电感L2的一端相连，第二电感L2的另一端接地，第三电感L3的一端与第一MOS管M1的漏极相连，第三电感L3的另一端与第二MOS管M2的源极相连，第三电容C3的一端与第一MOS管M1的漏极相连，第三电容C3的另一端与第四电感L4、第三电阻R3的一端分别相连，第四电感L4的另一端与第二MOS管M2的栅极相连，第三电阻R3的另一端与第二偏置端VBIAS2相连，第四电容C4的另一端接地，第二MOS管M2的漏极与第五电感L5、第五电容C5的一端分别相连，第五电感L5的另一端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接直流供电VDD，第五电容C5的另一端和第一可变电容Cv1、第五电阻R5的一端相连，第一可变电容Cv1的另一端和第二可变电容Cv2、第七电阻R7的一端相连，第七电阻R7的另一端接第一控制端VCTRL，第二可变电容Cv2的另一端与第六电阻R6、第六电感L6、第八电阻R8的一端相连，第五电阻R5的另一端和第六电阻R6的另一端相连后接第三控制端VBIAS3，第六电感L6的另一端接第三MOS管M3的栅极，第八电阻R8的另一端接第六电容C6，第六电容C6的另一端与第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的源极分别相连，第三MOS管M3的源极接地，第四MOS管M4的栅极接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端接第四控制端VBIAS4，第四MOS管M4的漏极与第七电感L7、第七电容C7的一端分别相连，第七电感L7的另一端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与直流供电VDD相连，第七电容C7的另一端与第一射频输出端RFOUT相接。

本实施例建立在SMIC 0.13um CMOS工艺基础上，上述各元件的尺寸如下：

器件名	尺寸
		M1	0.13um*2um*64
M2	0.13um*2um*64
		M3	0.13um*2um*64
M4	0.13um*2um*64
		R1	2kΩ
R2	700Ω
		R3	2kΩ
R4	30Ω
		R5	2kΩ
R6	2kΩ
		R7	2kΩ
R8	700Ω
		R9	2kΩ
R10	30Ω
		L1	1nH
L2	100pH
		L3	3nH
L4	1nH
		L5	1nH
L6	1nH
		L7	1nH
C1	5pF
		C2	800fF
C3	1.5pF
		C4	5pF
C5	4pF
		C6	800fF
C7	5pF
		Cv1	100fF–500fF
Cv2	100fF–500fF

由上述各元件构成的CMOS超宽带低噪声放大器电路1的信号通路如下：

信号通路方面：射频输入信号经过第一电容C1和第一电感L1组成的输入匹配网络后进入第一级共源共栅管对，其中，第二电容C2和第二电阻R2构成第一MOS管M1并联负反馈电路，第二电感L2构成源极串联负反馈电路，两者均起到稳定电路，提供宽带匹配，提高增益平坦度作用；第三电感L3和第四电容C4构成第一MOS管M1漏极和第二MOS管M2源极之间低通滤波匹配网络，第三电容C3和第四电感L4构成第一MOS管M1漏极和第二MOS管M2栅极之间高频匹配网络，两者共同作用下将高频信号电流抽取到第二MOS管M2栅极，第四电容C4为第二MOS管M2提供射频地，这样实现了电流抽取技术，达到了提高高频段增益的目的；第一可变电容Cv1、第二可变电容Cv2、第七电组R7共同形成级间匹配可变电路，通过变容器的容值的微调进一步提高信号的带内增益平坦度；第二级共源共栅电路中的第八电阻R8和第六电容C6形成了并联电阻负反馈网络，提高了放大器工作带宽，进一步优化增益平坦度；第二级共源共栅电路中的第四MOS管M4提供了输入输出的隔离，便利输出端匹配。最终经过RFOUT输出3-13GHz超宽带高增益平坦度的低噪声信号。

如图2所示，经过实验验证，上述CMOS超宽带低噪声放大器电路的增益高达23dB，噪声系数低至2dB，4.5GHz-13.3GHz内增益平坦度小于1dB，工作带宽为3GHz-14GHz。

综上所述，本发明的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，与传统的低噪声放大器相比，具有以下的积极效果：

1）在电流抽取技术的共源共栅级电路的基础上，再在源级引入并联电阻和串联小电感两种技术，在提高高频段增益的同时，有效的提高了整体增益的平坦度和工作带宽；

2）采用了灵活的级间匹配可变电路，通过级间可变电容的容值变化调节级间阻抗特性，克服工艺偏差带来的级间失配恶化，从而解决由此造成的增益平坦度下降等问题，提高电路的鲁棒性；

3）在第一级源级采用串联小电感技术，在不影响噪声系数的前提下提高了电路的稳定性；且采用两级共源共栅结构，降低了直流功耗。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于，所述级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路至少包括：

信号接入电路，其基于连接第一MOS管的负反馈电路来实现对超宽带输入信号的匹配；

与所述信号接入电路共同构成第一级放大电路的信号抽取电路，其基于连接所述第一MOS管与第二MOS管的高频匹配电路、及连接第二MOS管的低频匹配电路来将所述信号接入电路输出的信号抽取至所述第二MOS管；

连接所述信号抽取电路的级间匹配电路，其基于可变电容来耦合所述信号抽取电路输出的信号；

连接所述级间匹配电路的第二级放大电路，其基于共源共栅电路来放大所述级间匹配电路输出的信号。

2.根据权利要求1所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述负反馈电路包括由电阻与电容构成的第一并联负反馈电路。

3.根据权利要求1或2所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述负反馈电路包括连接所述第一MOS管的源极串联负反馈电路。

4.根据权利要求1所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述第一MOS管与所述第二MOS管连接成共源共栅管对。

5.根据权利要求1或4所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述高频匹配电路包括连接所述第一MOS管漏端的电容及一端连接电容、另一端连接所述第二MOS管栅端的电感。

6.根据权利要求1或4所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述低频匹配电路包括连接在所述第一MOS管漏端与所述第二MOS管源端之间的电感以及连接在所述第二MOS管源端与地之间的电容。

7.根据权利要求1所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述级间匹配电路包括可调电容及电阻构成的电路。

8.根据权利要求1所述的级间匹配可调的CMOS超宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述第二级放大电路包括第二并联电阻负反馈电路。

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