CN103117712B - 一种cmos高增益宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS高增益宽带低噪声放大器（LNA），包括信号输入级、噪声抵消级和放大级，所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1-a和PMOS管M1-b组成，所述信号输入级利用所述电阻RF的负反馈实现输入阻抗的匹配；所述噪声抵消级由电阻R1、电容C1和两个NMOS晶体管M2、M3组成，所述噪声抵消级用于实现所述信号输入级的噪声电压相互抵消；所述放大级由电感L0、NMOS晶体管M4和电阻R2组成，所述放大级实现在不使噪声恶化的前提下进一步放大信号。本发明放大器在输入匹配、噪声、增益、带宽和线性度方面均具有一定的优势，其结构简单，芯片面积小，便于集成，成本低。

Description

一种CMOS高增益宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种放大器电路，尤其涉及一种CMOS高增益宽带低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，无线宽带技术已经成为大多数用户升级的首选技术。宽带低噪声放大器是无线宽带系统中非常关键的模块，尤其是在无线接收机当中，低噪声放大器一般位于接收机的最前端，如图1所示，从天线馈入的微弱信号经过频带选通滤波器后要通过低噪声放大器进行放大，再拿到后级进行处理，其性能直接影响到接收机的整体性能。它必须在很宽的频带范围内实现输入阻抗匹配、提供平坦的增益、引入尽可能低的噪声，并保证有足够的线性范围容纳可能出现的信号能量。因此设计一个大带宽的LNA是无线系统设计中非常重要的环节。

绝大多数应用要求低噪声放大器具有50Ω的输入阻抗，从而使得低噪声放大器的输入可以直接作为片外射频滤波器的终端负载，这是低噪声放大器的设放大器的计中必须满足的一个性能指标。当阻抗不匹配时，射频滤波器到低噪声放大器的功率传输会发生反射，严重恶化系统性能。目前可以提供电阻性输入阻抗的宽带匹配有共栅极输入和匹配网络匹配、电阻负反馈三种方式。共栅极输入的方式不需要复杂的匹配网络，但是它的增益不高，无法良好的抑制后级电路噪声。而且在特别是在短沟道器件下，它的噪声是相当高的。匹配网络匹配能够有较高增益，但需要采用片上电感，增加了芯片的面积和成本，同时电路的线性度也比较差，应用领域受到局限。带有并联电阻负反馈的共源结构能在宽带下实现输入匹配。但是其增益和噪声性能不佳。并且输入匹配和噪声之间存在折中。

由于输入信号中有很大的噪声，根据系统噪声级联公式可知，在接收端的低噪声放大器必须提供足够的增益以保证后级噪声不会对系统性能造成过大的影响，同时，足够的增益需要消耗高功耗才能实现，增益和带宽需要折衷。宽带工作频率对于电路的增益也是一个挑战，因为电路设计中，由于增益带宽积的限制，带宽和增益也需要折衷。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种CMOS高增益宽带低噪声放大器(LNA)。本发明放大器在输入匹配、噪声、增益、带宽和线性度方面均具有一定的优势，其结构简单，所具有的电子元器件的数量少，减小了芯片面积，不但便于集成，而且降低了成本，是一款具有较高性价比的CMOS宽带低噪声放大器。

为了解决上述技术问题，本发明一种CMOS高增益宽带低噪声放大器予以实现的技术方案是：包括信号输入级、噪声抵消级和放大级，所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1-a和PMOS管M1-b组成，所述信号输入级利用所述电阻RF的负反馈实现输入阻抗的匹配；所述噪声抵消级由电阻R1、电容C1和两个NMOS晶体管M2、M3组成，所述噪声抵消级用于实现所述信号输入级的噪声电压相互抵消；所述放大级由电感L0、NMOS晶体管M4和电阻R2组成，所述放大级实现在不使噪声恶化的前提下进一步放大信号；

上述各电子元器件之间的连接关系为：

电阻RF的一端、NMOS管M1-a的栅极、PMOS管M1-b的栅极、NMOS管M2的栅极通过串联的电容Ci、电阻Rs以及信号源Vs后接地，NMOS管M1-a的源极接地；PMOS管M1-b的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1-a的漏极、PMOS管M1-b的漏极和NMOS管M2的漏极连接后再与电容C1连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端和NMOS管M3的栅极连接，电阻R1的另一端和NMOS管M3的漏极连接至电源VDD，NMOS管M3的源极与NMOS管M2的漏极连接至电感L0的一端，电感L0的另一端与NMOS管M4的栅极连接，NMOS管M4的源极接地，NMOS管M4的漏极与电阻R2的一端连接，NMOS管M4的漏极进一步通过一个电容Co后作为信号的输出端Vo，NMOS管M4的源极通过电阻RL连接至信号的输出端Vo，电阻R2的另一端连接至电源VDD。

与现有技术相比，本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的有益效果是：

(1)将噪声抵消技术、电流复用技术和电阻负反馈相结合，并且增加了一级共源放大级，不仅满足输入匹配还有较高的增益、较低的噪声，满足了现在需求越来越多无线宽带技术的应用需求。

(2)本发明采用CHRT 0.18μm RF工艺，1.8V低电压供电有较低的功。

(3)本发明中只用了一个电感，有效的减小芯片面积，降低成本。

(4)采用CMOS工艺，可以与采用同样工艺的基带电路集成在同一块芯片上，实现片上系统，做成完整的宽带收发电路。

附图说明

图1是低噪声放大器在无线接收机中应用的示意图；

图2是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的电路图；

图3是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的噪声的后仿真结果图；

图4-1是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的正向电压增益(S21)后仿真结果图；

图4-2是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的输入反射系数(S11)后仿真结果图；

图4-3是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的反向电压增益(S12)后仿真结果图；

图4-4是本发明CMOS高增益宽带低噪声放大器的输出反射系数(S22)后仿真结果图。

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。

本发明一种CMOS高增益宽带低噪声放大器的结构是包括信号输入级、噪声抵消级和放大级。

其中，所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1-a和PMOS管M1-b组成，所述信号输入级利用所述电阻RF的负反馈实现输入阻抗的匹配，并且通过电流复用的方法达到高增益、低功耗的目的。所述噪声抵消级由电阻R1、电容C1和两个NMOS晶体管M2、M3组成，所述噪声抵消级用于实现所述信号输入级的噪声电压相互抵消。所述放大级由电感L0、NMOS晶体管M4和电阻R2组成；所述放大级实现在不使噪声恶化的前提下进一步放大信号。由于所述信号输入级的增益较高，并由级联电路噪声公式可知，本发明中后面放大级电路对噪声性能影响较小。

如图2所示，上述各电子元器件之间的连接关系为：电阻RF的一端、NMOS管M1-a的栅极、PMOS管M1-b的栅极、NMOS管M2的栅极通过串联的电容Ci、电阻Rs以及信号源Vs后接地，NMOS管M1-a的源极接地；PMOS管M1-b的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1-a的漏极、PMOS管M1-b的漏极和NMOS管M2的漏极连接后再与电容C1连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端和NMOS管M3的栅极连接，电阻R1的另一端和NMOS管M3的漏极连接至电源VDD，NMOS管M3的源极与NMOS管M2的漏极连接至电感L0的一端，电感L0的另一端与NMOS管M4的栅极连接，NMOS管M4的源极接地，NMOS管M4的漏极与电阻R2的一端连接，NMOS管M4的漏极进一步通过一个电容Co后作为信号的输出端Vo，NMOS管M4的源极通过电阻RL连接至信号的输出端Vo，电阻R2的另一端连接至电源VDD。

图2所示的本发明低噪声放大器的工作原理如下：若只考虑输入晶体管PMOS管M1-b和NMOS管M1-a的热噪声电流In，此电流流过电阻RF和电阻Rs到地，在M1-a的漏极B和M1-a和M1-b的栅极A产生相位相同而幅度不等的噪声电压V_n，B和V_n，A,。然后，噪声电压V_n，A被噪声消除级的共源极NMOS M2放大至M2的栅极和M3的源极的连接点C点，噪声电压V_n，B经过NMOS管M3至C点，V_n，B和V_n，A放大后在C点结合，由于这两路电压相位相反，只要调整电路参数即NMOS管M2和NMOS管M3的宽长比，使其幅度相同，就可将噪声完全抵消，信号放大，然后信号再经过放大级的共源极NMOS管M4放大。

实施例：

根据图2所示的本发明一种CMOS高增益宽带低噪声放大器，其电路的仿真基于CHRT0.18μm RF工艺，采用Cadence SpectreRF工具。其中电源VDD电压为1.8V，工作频段在0.1-1.2GHz，图3示出了给该低噪声放大器的噪声的后仿真结果图，图4-1至图4-4给出了正向电压增益S21、输入反射系数S11、反向电压增益S12和输出反射系数S22的后仿真结果图，由图3和图4-1、图4-2、图4-3和图4-4可见，本发明实施例的噪声为1.18-1.57dB，增益为30.80-32.95dB，输入输出匹配较好，说明本发明一种CMOS高增益宽带低噪声放大器在输入匹配、噪声、增益、带宽方面有一定的优势。

本发明可以实现在噪声抵消级和放大级之间提供谐振，以抵消此处的容性寄生，降低米勒效应的影响，增加带宽。

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 (1)

1.一种CMOS高增益宽带低噪声放大器，包括信号输入级、噪声抵消级和放大级，其特征在于：

所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1-a和PMOS管M1-b组成，所述信号输入级利用所述电阻RF的负反馈实现输入阻抗的匹配；

所述噪声抵消级由电阻R1、电容C1和两个NMOS晶体管M2、M3组成，所述噪声抵消级用于实现所述信号输入级的噪声电压相互抵消；

所述放大级由电感L0、NMOS晶体管M4和电阻R2组成，所述放大级实现在不使噪声恶化的前提下进一步放大信号；

上述各电子元器件之间的连接关系为：

电阻RF的一端、NMOS管M1-a的栅极、PMOS管M1-b的栅极、NMOS管M2的栅极通过串联的电容Ci、电阻Rs以及信号源Vs后接地，NMOS管M1-a的源极接地；PMOS管M1-b的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1-a的漏极、PMOS管M1-b的漏极和NMOS管M2的漏极连接后再与电容C1连接，电容C1的另一端与电阻R1的一端和NMOS管M3的栅极连接，电阻R1的另一端和NMOS管M3的漏极连接至电源VDD，NMOS管M3的源极与NMOS管M2的漏极连接至电感L0的一端，电感L0的另一端与NMOS管M4的栅极连接，NMOS管M4的源极接地，NMOS管M4的漏极与电阻R2的一端连接，NMOS管M4的漏极进一步通过一个电容Co后作为信号的输出端Vo，NMOS管M4的源极通过电阻RL连接至信号的输出端Vo，电阻R2的另一端连接至电源VDD。