CN103281038A - 宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件，公开了一种宽带低噪声放大器。本发明中，该宽带低噪声放大器利用交叉耦合晶体管网络作为宽带阻抗匹配网络，可在很宽的频带内实现近似纯电阻的特性，并且电路结构简单，使其在不牺牲噪声的前提下，实现良好的宽带阻抗匹配性能，即实现噪声性能和带宽性能的同时优化；与传统的低噪声放大器相比，其避免了射频电感的使用，使得芯片面积大大降低，可以减小80%以上。

Description

宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别涉及宽带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器，一般是指噪声系数较低的放大器，它一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。它通常作为这类电子设备的第一级，在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。因此，其噪声性能很大程度上决定了整个系统的灵敏度。

然而，除了噪声性能之外，它的另外一个技术指标，高频阻抗匹配特性也是不容忽视的。在高频尤其是射频频段，只有在端口阻抗取得良好匹配的前提下，信号能量才能被电路有效吸收，否则即使噪声性能再好，也无法实现有用信号的放大及后续处理。

传统的低噪声放大器都是窄带，所谓窄带，就是在很窄的信号带宽内，可实现良好的阻抗匹配特性和低噪声特性。而在此有效带宽之外，低噪声放大器的阻抗匹配特性和噪声特性将严重恶化。其典型实现方式如图1所示，晶体管m1至m4采用差分共源共栅放大器结构，以实现良好的噪声性能和输入输出隔离性能以及良好的稳定性。电感l1和l2用来实现输入50欧姆的阻抗匹配，并将晶体管m1，m2的栅源电容调谐，电容c1、c2和电阻r1、r2分别起到隔直、限流的作用，在电阻r1、r2的一端接电压信号vb。负载结构由电源VDD、电阻r3、r4、电容c3、c4和电感l3、l4组成，该负载利用LC谐振回路以便提高电路的增益。然而，由于输入回路中含有电感l1和l2，以及晶体管m1，m2的栅源电容，那么就限制了其带宽，其必定是在一个较窄的带宽内正常工作。

目前，随着移动通信3G，4G标准等的普及和宽带应用的不断扩展，对于宽带射频电路，尤其是对宽带高性能低噪声放大器的需求呈现井喷式的增长。但是本发明的发明人发现，目前大多数的低噪声宽带放大器，都是要利用非常复杂的反馈回路来实现宽带阻抗匹配网络，其中包含多个有源器件，关键是这些有源器件的噪声常常会恶化整个宽带放大器的噪声性能，那么就必然存在带宽和噪声性能的矛盾关系，使得这两项性能指标无法实现同时优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带低噪声放大器，实现噪声性能和带宽性能的同时优化，并且使得芯片面积大大降低。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种宽带低噪声放大器，包括输入放大级电路和负载输出电路；

负载输出电路用于实现放大器的增益；

输入放大级电路包括第一、第二、第三、第四金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称“MOSFET”），第一、第二电容和第一、第二电阻；

第一、第二MOS管的栅极接第一电压信号；

第一MOS管的源漏极的一极接地，第一MOS管的另一极接第一输入信号并与第三MOS管的源漏极的一极连接，该第三MOS管的另一极与负载输出电路连接，该第三MOS管的栅极与第一电阻、第一电容的一极连接，该第一电阻的另一极接第二电压信号，该第一电容的另一极接第二输入信号；

第二MOS管的源漏极的一极接地，第二MOS管的另一极接第二输入信号并与第四MOS管的源漏极的一极连接，该第四MOS管的另一极与负载输出电路连接，该第四MOS管的栅极与第二电阻、第二电容的一极连接，该第二电阻的另一极接第二电压信号，该第二电容的另一极接第一输入信号。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

本发明的宽带低噪声放大器，利用交叉耦合晶体管网络作为宽带阻抗匹配网络，可在很宽的频带内实现近似纯电阻的特性，并且电路结构简单，使其在不牺牲噪声的前提下，实现良好的宽带阻抗匹配性能，即实现噪声性能和带宽性能的同时优化；与传统的低噪声放大器相比，其避免了射频电感的使用，使得芯片面积大大降低，可以减小80%以上。

进一步地，在实际应用中，温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压，利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。

进一步地，在负载输出电路中使用控制晶体管控制负载电阻的大小，可实现对放大器增益的控制。

附图说明

图1是现有的低噪声放大器的结构示意图；

图2是本发明第一实施方式中一种宽带低噪声放大器的结构示意图；

图3是本发明第二实施方式中一种宽带低噪声放大器的结构示意图；

图4是本发明第二实施方式中一种宽带低噪声放大器的结构示意图；

图5是本发明第二实施方式中一种宽带低噪声放大器的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种宽带低噪声放大器。图2是该宽带低噪声放大器的结构示意图。如图2所示，该宽带低噪声放大器包括输入放大级电路和负载输出电路。

负载输出电路用于实现放大器的增益。

输入放大级电路包括第一、第二、第三、第四MOS管，即图2中的晶体管M1、M2、M3、M4，第一、第二电容，即图2中的C1、C2，和第一、第二电阻，即图2中的R1、R2。

晶体管M1、M2的栅极接第一电压信号VB1。

晶体管M1的源漏极的一极接地，晶体管M1的另一极接第一输入信号VinN并与晶体管M3的源漏极的一极连接，该晶体管M3的另一极与负载输出电路连接，该晶体管M3的栅极与第一电阻R1、第一电容C1的一极连接，该第一电阻R1的另一极接第二电压信号VB2，该第一电容C1的另一极接第二输入信号VinP。

晶体管M2的源漏极的一极接地，晶体管M2的另一极接第二输入信号VinP并与晶体管M4的源漏极的一极连接，该晶体管M4的另一极与负载输出电路连接，该晶体管M4的栅极与第二电阻R2、第二电容C2的一极连接，该第二电阻R2的另一极接第二电压信号VB2，该第二电容C2的另一极接第一输入信号VinN。

作为可选实施方式，上述第一输入信号VinN和第二输入信号VinP为差分信号。可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以是第一输入信号VinN和第二输入信号VinP的其中一个为地信号。

在本实施方式中，优选地，晶体管M1、晶体管M3、第一电阻R1、第一电容C1分别与晶体管M2、晶体管M4、第二电阻R2、第二电容C2相同。

在实际应用中，温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压，利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。

在本实施方式中，优选地，晶体管M1、M2、M3、M4为相同的半导体类型，并且晶体管M1、M2、M3、M4为NMOS管。

可以理解，在本发明的其他实施方式中，各MOS管也可以为PMOS管，相应地，需将电源调整为负电源或是将电源与接地端互换位置，以实现本发明的技术方案。

此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，各MOS管类型并不限于上述形式，由于各半导体类型MOS管的分配与连接为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。

在本发明的各实施方式中，上述使用交叉耦合宽带匹配网络的输入放大级电路可以用其他的低噪声宽带匹配来替代，同样可以实现宽带低噪声放大器。

本实施方式的宽带低噪声放大器，利用交叉耦合晶体管网络作为宽带阻抗匹配网络，可在很宽的频带内实现近似纯电阻的特性，即可方便地与天线的50欧姆阻抗实现高频匹配，并且电路结构简单，使其在不牺牲噪声的前提下，实现良好的宽带阻抗匹配性能，即实现噪声性能和带宽性能的同时优化。与传统的低噪声放大器相比，其避免了射频电感的使用，使得芯片面积大大降低，可以减小80%以上。

本发明第二实施方式涉及一种宽带低噪声放大器。图3到图5分别是该宽带低噪声放大器的结构示意图。

第二实施方式在第一实施方式的基础上进行了改进，主要改进之处在于：在负载输出电路中使用控制晶体管控制负载电阻的大小，可实现对放大器增益的控制。具体地说：

如图3所示，负载输出电路包括电源VDD，第五、第六MOS管，即图3中的晶体管M5、M6和第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十电阻，即图3中R3到R10。

第九、第十电阻R9、R10的一极接电源，该第九电阻R9的另一极与晶体管M5的源漏极的一极、第三电阻R3的一极连接，该第十电阻R10的另一极与晶体管M5的另一极、第六电阻R6的一极连接，该第三电阻R3的另一极与第四、第五电阻R4、R5的一极、输入放大级电路连接并在该连接处输出第一输出信号，该第六电阻R6的另一极与第七、第八电阻R7、R8的一极、输入放大级电路连接并在该连接处输出第二输出信号，该第四、第五电阻R4、R5的另一极相互连接并与晶体管M6的源漏极的一极连接，该第七、第八电阻R7、R8的另一极相互连接并与晶体管M6的另一极连接。

晶体管M5、M6的栅极分别接相应的门控信号Gctrl0、Gctrl1。

在本实施方式中，优选地，第三、第四、第五、第九电阻R3、R4、R5、R9分别与第六、第七、第八、第十电阻R6、R7、R8、R10相同。

在实际应用中，温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压，利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。

作为可选实施方式，晶体管M5、M6为相同的半导体类型，并且晶体管M5、M6为PMOS管。可以理解，在本发明的其他实施方式中，两MOS管也可以为NMOS管或是一个为PMOS管、一个为NMOS管，通过调整各门控信号Gctrl0、Gctrl1以实现负载控制，从而实现增益控制。

此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以使用其他负载电阻的控制电路结构（例如图4、图5），并不限于图3所示的结构，只要能实现对放大器增益的控制即可。在负载电阻变化的范围内，上述采用宽带匹配网络结构的输入放大级电路与该负载输出电路相匹配，以形成一个宽带低噪声放大器。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入放大级电路和负载输出电路；

所述负载输出电路用于实现所述放大器的增益；

所述输入放大级电路包括第一、第二、第三、第四金属氧化物半导体MOS管，第一、第二电容和第一、第二电阻；

第一、第二MOS管的栅极接第一电压信号；

第一MOS管的源漏极的一极接地，第一MOS管的另一极接第一输入信号并与第三MOS管的源漏极的一极连接，该第三MOS管的另一极与所述负载输出电路连接，该第三MOS管的栅极与第一电阻、第一电容的一极连接，该第一电阻的另一极接第二电压信号，该第一电容的另一极接第二输入信号；

第二MOS管的源漏极的一极接地，第二MOS管的另一极接第二输入信号并与第四MOS管的源漏极的一极连接，该第四MOS管的另一极与所述负载输出电路连接，该第四MOS管的栅极与第二电阻、第二电容的一极连接，该第二电阻的另一极接第二电压信号，该第二电容的另一极接第一输入信号。

2.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一MOS管、第三MOS管、第一电阻、第一电容分别与第二MOS管、第四MOS管、第二电阻、第二电容相同。

3.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一输入信号和第二输入信号为差分信号。

4.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一输入信号和第二输入信号的其中一个为地信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述负载输出电路包括电源，第五、第六MOS管和第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十电阻；

第九、第十电阻的一极接所述电源，该第九电阻的另一极与第五MOS管的源漏极的一极、第三电阻的一极连接，该第十电阻的另一极与第五MOS管的另一极、第六电阻的一极连接，该第三电阻的另一极与第四、第五电阻的一极、所述输入放大级电路连接并在该连接处输出第一输出信号，该第六电阻的另一极与第七、第八电阻的一极、所述输入放大级电路连接并在该连接处输出第二输出信号，该第四、第五电阻的另一极相互连接并与第六MOS管的源漏极的一极连接，该第七、第八电阻的另一极相互连接并与第六MOS管的另一极连接；

第五、第六MOS管的栅极分别接相应的门控信号。

6.根据权利要求5所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三、第四、第五、第九电阻分别与第六、第七、第八、第十电阻相同。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四MOS管为相同的半导体类型。

8.根据权利要求7所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四MOS管为NMOS管。

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