CN103117711A - 一种单片集成的射频高增益低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路；所述第一级放大电路采用典型的带有源极电感负反馈的共源共栅结构，第二级放大电路为带电阻反馈的共源极结构，采用chrt0.18umRFCMOS工艺实现了所有的有源和无源器件完全在片集成的电路设计。本发明同时完成了最优噪声匹配和输入阻抗匹配，不仅可以使电路具有最佳的噪声性能，而且可以使电路实现较好功率传输。另外本发明在获得高增益的同时具有更好的稳定性，也使得电路结构具有更高的实用价值。经验证该电路的输入输出匹配良好，具有27dB以上的增益以及2dB的噪声。

Description

一种单片集成的射频高增益低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种射频低噪声放大器，特别是涉及一种工作于2.4GHz单片集成的高增益噪声放大器，它可以直接应用于电子通讯、蓝牙接收等领域。

背景技术

近年来，随着集成电路技术的快速发展，我们的日常生活中越来越离不开无线通信产品，例如工作于880-915MHz的GSM无线通信网络、工作于2.4Ghz的蓝牙通信产品等。射频低噪声放大器是这些产品中无线接收机模块前端的关键部分。它的作用是将通过天线接收到的微弱信号进行放大，以便接收机后面的模块进行处理。低噪声放大器是现代射频通信系统的关键部件，长期以来一直是人们研究的热点。低噪声放大器处于整个射频接收系统的最前端如图1所示，其性能的好坏直接决定了整个接收机的性能，对整个接受系统性能的提高也起着决定性的作用。天线接收的信号在亚微伏量级，甚至会完全淹没在噪声里，将如此微弱的信号进行放大而不恶化信噪比是低噪声放大器设计的技术难题。对于低噪声放大器的基本要求为噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、较低的功耗和大的动态范围。由于这些指标相互关联、相互制约，因此找到合适的折衷方案来提高低噪声的整体性能成为设计的主要难点。

根据国内外对低噪声放大器的研究发现，经典的共源共栅结构依然是被广为采用的低噪声放大器的电路结构如图2所示。但是这种结构的增益较低，而且要实现最优的阻抗及噪声匹配需要很大的栅极电感和源极电感因而往往需要挂片外器件，这给电路的单片集成带来了很大的挑战，因为大的电感在现有额工艺条件下很难实现并且大的电感会占据大的面积，而且集成电感的Q值比较低这会导致电路的噪声性能进一步恶化，并且会使电路的增益更低。然而为了抑制射频接收系统后级电路的噪声往往要求第一级电路具有较高的增益。另外共源共栅结构的输出电压摆幅也比较低。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，目的是为了解决以上集成电路需要外挂器件集成度不够的问题以及电路低增益低摆幅的问题。本发明采用两级放大结构在提供较低的噪声系数的同时，实现了较高的增益及较大的输出电压摆幅。本发明基于chrt0.18um CMOS RF工艺，将所有电子元器件均集成在同一半导体衬底上，通过优化，不但实现了完全在片的输入输出匹配，而且同时控制实现噪声匹配和功率匹配。本发明放大器的电路结构具有较低的噪声较高的增益，因此可以在射频接收系统中得到良好的应用，可直接应用于电子通讯、蓝牙接收等领域。

为了解决上述技术问题，本发明一种单片集成的射频高增益低噪声放大器予以实现的技术方案是：包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路；

所述输入匹配电路由输入端电感L2、MOS管M2、与MOS管M2的栅极并联的电容C1以及与MOS管M2相连的源极电感L3组成；输入端的射频信号通过电感L2输入到MOS管M2的栅极，MOS管M2的源极通过电感L3接地，同时，电容C1并联在MOS管M2的栅极两端；

所述第一级放大电路，包括由MOS管M2和MOS管M3组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻R1、电阻R2和MOS管M1组成的第一直流偏置电路；其中，所述MOS管M1和MOS管M2组成电流镜结构用于实现电流的复制；MOS管M3的源极连接到MOS管M2的栅极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L1连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，电阻R1的另一端与栅漏相接的MOS管M1的漏极相连，MOS管M1的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M1的栅极和MOS管M2的栅极相接，从而为MOS管M2提供直流偏置；

所述第二级放大电路包括由MOS管M5、电阻R5、电容C3以及电感L4组成的共源极放大电路，以及由电阻R3、电阻R4和MOS管M4组成的第二直流偏置电路；经过第一级电路放大后的信号通过电容C2耦合到MOS管M5的栅极，MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极通过一电感L3接到电源VDD上；所述电阻R5和电容C3连接在MOS管M5的栅漏极之间，构成反馈电路；电阻R3的一端连接到电源VDD上，电阻R3的另一端与栅漏相接的MOS管M4的漏极相连，MOS管M5的源极接地；

所述输出匹配电路包括电感L4、电容C4和电容C5组成；所述电容C4和电容C5的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C4的另一端接地，所述电容C5的另一端接在电路的输出端；

用chrt0.18um CMOS集成电路工艺实现将所有的有源和无源器件均集成在同一半导体衬底上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明单片集成的射频高增益低噪声放大器与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点:

（1）本发明实现了包括输入输出匹配网络在内的所有有源器件和无源器件在内的单片集成，不需要任何匹配外部的匹配和优化且具有优秀的性能。

（2）本发明在输入端的MOS管的栅源极两端并联了电容C1来调节栅源电容C′_gs的大小。合理选取两个电感L2和L3的L₂和L₃的值,可以使电路谐振于工作频率ω₀,同时获得50Ω的输入阻抗Z_in(s)，为了使输入端口阻抗匹配,需要满足:

$Z_{\mathrm{in}}\left(s\right)=\frac{1}{s{c}_{\mathrm{gs}}^{\′}}+s(L_2+L_3)+{\mathrm{\ω}}_T{L}_s---\left(1\right)$

C′_gs＝C₁+C_gs    (2)

$R_s=\frac{g_m}{C_{\mathrm{gs}}^{\′}}{L}_3={\mathrm{\ω}}_T{L}_3---\left(3\right)$

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{C_{\mathrm{gs}}^{\′}(L_2+L_3)}}---\left(4\right)$

当输入端口匹配时,Z_in(s)=50Ω,g_m是MOS管M1的跨导,C′_gs是MOS管M1的栅源电容

C_gs和C1（的电容C₁)并联后得到的,由此可以计算得到两个电感的L₂和L₃值。根据公式(2)(4),在低噪声放大器LNA的工作频率一定的情况下,在MOS管M1的栅源极之间并联一个电容C1,增大了总的栅源电容,就可以使两个电感的L₂、L₃的值变小,改善了噪声性能,也易于使用CMOS工艺实现。在电路中电感占据很大的面积，源极负反馈电感的取值减小既节省了电路版图面积，又节约了流片成本，经济效益显著。

（3）本发明采用两级放大结构，第一级为共源共栅结构，第二级为带电阻反馈的共源极结构，采用两级放大结构可以显著的增加电路的增益（可高达27dB），两级放大电路通过电容C2耦合到一块。第二级电路采用栅漏电阻反馈既可以减小第二级输入管MOS管M5的输入电阻，使电路更高效的进行功率传输又可以增加电路的稳定性。另外，第二级放大电路采用与第一级放大电路相同的直流偏置电路以使电路具有最佳的工作状态。由于第一级放大具有较高的增益所以第二级放大在使得增益增加的同时引入很小的噪声，电路具有极佳的噪声系数(仅为1.75dB)。

附图说明

图1是一种传统的CMOS射频接收器的拓扑结构示意图；

图2是一种典型的CMOS射频低噪声放大器拓扑结构示意图；

图3为本发明的CMOS射频低噪声放大器设计结构示意图；

图4为本发明的前仿真增益仿真曲线；

图5为本发明的前仿真噪声仿真曲线；

图6为本发明的后仿真增益仿真曲线；

图7为本发明的后仿真噪声仿真曲线。

图中RFIN是指射频信号的输入端、RFOUT是指射频信号的输出端。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图3所示，本发明一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路。

所述输入匹配电路由输入端电感L2、MOS管M2、与MOS管M2的栅源并联的电容C1以及与MOS管M2相连的源极电感L3组成；输入端的射频信号RFIN通过电感L2输入到MOS管M2的栅极，MOS管M2的源极通过电感L3接地，同时，电容C1并联在MOS管M2的栅源两端，通过输入匹配网络实现最优噪声和较好的功率传输。

所述第一级放大电路，包括由MOS管M2和MOS管M3组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻R1、电阻R2和MOS管M1组成的第一直流偏置电路；其中，所述MOS管M1和MOS管M2组成电流镜结构用于实现电流的复制；MOS管M3的源极连接到MOS管M2的栅极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L1连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，电阻R1的另一端与栅漏相接的MOS管M1的漏极相连，MOS管M1的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M1的栅极和MOS管M2的栅极相接，从而为MOS管M2提供直流偏置。

所述第二级放大电路包括由MOS管M5、电阻R5、电容C3以及电感L4组成的共源极放大电路，以及由电阻R3、电阻R4和MOS管M4组成的第二直流偏置电路；经过第一级电路放大后的信号通过电容C2耦合到MOS管M5的栅极，MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极通过一电感L3接到电源VDD上；所述电阻R5和电容C3连接在MOS管M5的栅漏极之间，构成反馈电路；电阻R3的一端连接到电源VDD上，电阻R3的另一端与栅漏相接的MOS管M4的漏极相连，MOS管M5的源端接地。

所述输出匹配电路包括电感L4、电容C4和电容C5组成；所述电容C4和电容C5的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C4的另一端接地，所述电容C5的另一端接在电路的输出端（RFOUT）。

本发明用chrt0.18um CMOS集成电路工艺实现将所有的有源和无源器件均集成在同一半导体衬底上，通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。

另外，本发明中所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件以减小MOS管的底偏置效应。

下面结合附图3进一步说明本发明放大器的工作原理及对各电子元器件参数的要求。

本发明放大器的放大部分电路为两级放大，信号经过第一级（共源共栅）放大电路实现对信号的第一次放大，然后信号经过耦合电容C2进入第二级放大电路。第二级放大电路为带电阻反馈的共源极结构对信号进行第二次放大。通过两级放大电路对信号进行放大实现了较大的功率增益。其中的电阻R2和电阻R4的作用是为电路提供偏置的同时阻挡偏置电路的噪声进入第一级放大电路，对噪声的减小具有十分重要的作用。由于电阻R2和R4对噪声性能影响显著，所以在实际的设计中要使该两个电阻的值尽可能的大，以降低由于实际加工时产生的误差对电路的影响。在输入管MOS管M1的栅源极两端并联电容C1，通过调节电容C1的大小可以很容易的完成输入匹配并且可以减小MOS管M1栅极和源极的串联电感L2和L3的大小，改善了噪声性能,也易于使用CMOS工艺实现。第二级放大电路采用带电阻反馈的共源极结构，这种结构可以减小第二级输入管MOS管M4的输入阻抗使得功率传输更具效率，并且采用了反馈结构使得电路工作在更稳定的状态。由于第一级放大电路的增益较高所以第二级放大电路引入的噪声很小，因此本发明放大器的电路具有极佳的噪声性能。另外输出匹配电路由电感L5和两个电容C4、C5组成完成在片的输出匹配，并且由于输出端电容C5的存在隔绝了直流偏置点对下级电路的影响。

本发明中所有器件均采用chrt0.18μmCMOS工艺，所有的MOS管均采用深N阱器件，减小了器件的衬底偏调制效应，电路的工作状态更加稳定。

利用Cadence软件，在Spectre仿真环境下对本发明的电路原理图进行仿真。

本发明的低噪声放大器的前仿真增益仿真曲线如图4，前仿真噪声仿真曲线如图5所示；本发明的低噪声放大器的电路后仿真增益仿真曲线如图6，后仿真噪声仿真曲线如图7所示，在仿真过程中主要采用了以下步骤:

（1）手动优化电路的S参数使得电路前仿真的VSWR<1.5实现良好的输入输出匹配，实现电路的功率增益28dB，噪声系数为1.75dB，稳定系数k_f=30；

（2）完成电路的版图后进行后仿真并对电路的S参数进行优化，通过后仿真和手动优化，实现VSWR<1.5，功率增益28dB，噪声系数2dB，K>1；

下面为本发明实施例的具体设计参数：

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，其特征在于，包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路；

所述输入匹配电路由输入端电感L2、MOS管M2、与MOS管M2的栅极并联的电容C1以及与MOS管M2相连的源极电感L3组成；输入端的射频信号通过电感L2输入到MOS管M2的栅极，MOS管M2的源极通过电感L3接地，同时，电容C1并联在MOS管M2的栅极两端；

所述第一级放大电路，包括由MOS管M2和MOS管M3组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻R1、电阻R2和MOS管M1组成的第一直流偏置电路；其中，所述MOS管M1和MOS管M2组成电流镜结构用于实现电流的复制；MOS管M3的源极连接到MOS管M2的栅极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L1连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，电阻R1的另一端与栅漏相接的MOS管M1的漏极相连，MOS管M1的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M1的栅极和MOS管M2的栅极相接，从而为MOS管M2提供直流偏置；

所述第二级放大电路包括由MOS管M5、电阻R5、电容C3以及电感L4组成的共源极放大电路，以及由电阻R3、电阻R4和MOS管M4组成的第二直流偏置电路；经过第一级电路放大后的信号通过电容C2耦合到MOS管M5的栅极，MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极通过一电感L3接到电源VDD上；所述电阻R5和电容C3连接在MOS管M5的栅漏极之间，构成反馈电路；电阻R3的一端连接到电源VDD上，电阻R3的另一端与栅漏相接的MOS管M4的漏极相连，MOS管M5的源极接地；

所述输出匹配电路包括电感L4、电容C4和电容C5组成；所述电容C4和电容C5的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C4的另一端接地，所述电容C5的另一端接在电路的输出端；

用chrt0.18um CMOS集成电路工艺实现将所有的有源和无源器件均集成在同一半导体衬底上。

2.根据权利要求1所述一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，其特征在于，所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件以减小MOS管的衬底偏置效应。

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