CN103633946A - 一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入输出匹配电路、共源共栅放大电路和旁路电容；所述放大电路采用典型的源极电感负反馈的共源共栅结构，采用Chrt0.18μm RF CMOS工艺实现了片上的输入输出50欧姆匹配的电路设计。本发明同时实现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。同时本发明可以获得比较好的功率增益，使得电路结构具有非常高的实用价值。经过严格的仿真验证该电路的输入输出匹配良好，具有20dB以上的增益以及1.6dB的噪声。

Description

一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种射频低噪声放大器，特别是涉及一种实现片上输入输出50欧姆匹配的2.4GHz低噪声放大器。

背景技术

随着大规模以及差大规模混合信号集成电路技术的快速发展，集成了各种功能的便携式设备给我们的生活带来了极大的方便，如手机，蓝牙，无限网络等。低噪声放大器是这些射频设备接收器中最重要而且是必不可少的模块。低噪声放大器用来放大从天线接收到的微弱信号（-140dBm—40dBm即0.03mV到3mV数量级的电压）并且引入尽可能小的自身噪声。由于受到复杂通信环境的影响，射频信号在被天线接手之前往往会被多径衰减。所以一个性能良好的低噪声放大器对于射频接收机来讲是至关重要的。射频接收机的性能要求十分严格，不仅需要好的灵敏度而且需要优秀的噪声系数。图1为典型的射频接收机链路的框图，如图所示低噪声放大器处在射频接收机的前端，其噪声性能决定了整个接收机的噪声性能。对于一个性能良好的低噪声放大器的基本设计要求为足够低的噪声系数，较高的功率增益以降低后级电路噪声性能对整个射频接收机的影响，具有良好的稳定性和大的动态范围，以及较低的功耗。上面提到的各项指标是相互制约相互关联的，所以在设计的过程中需要对上述参量进行折衷，才能设计出性能良好的低噪声放大器。

通过对国内外近些年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。但是由于大多数的芯片设计都会采用片外无源器件实现的输入输出匹配电路来实现好的噪声匹配和功率传输。另外随着集成电路产业的飞速发展，单一芯片中集成的功能越来越多，晶体管数量也不断增加，随之而来的是芯片的功耗在不断增加。尽管我们不断降低芯片的工作电压，不断改进工艺，不断使用各种方法降低芯片的功耗，但功耗仍然是当今集成电路设计中最令工程师头痛的问题之一。在低噪声放大器中同样存在低功耗问题，如何实现低功耗设计是目前的研究热点，特别是在功耗约束条件下实现最小噪声系数和最大功率传输的同时匹配。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，目的是为了解决以上集成电路需要外挂器件实现输入输出匹配的问题以及电路低增益的问题。本发明采用共源共栅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Chrt0.18μm RF CMOS工艺，将所有电子元器件均集成在同一半导体衬底上，通过不断的设计优化，不仅实现了完全在片的50Ω输入输出匹配，而且同时实现了良好的噪声匹配和功率传输。本发明低噪声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GPS，蓝牙，无线网络等领域。

为了解决上述技术问题，本发明一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入匹配电路、共源共栅结构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L1、MOS管M1、并联电容C1以及与MOS管M1相连的源极电感L2组成；输入端RFin的射频信号通过输入端电感L1输入到MOS管M1的栅极，MOS管M1的源极通过源极电感L2接地，同时并联电容C1并联在MOS管M1的栅极和源极两端；所述共源共栅结构放大电路包括由MOS管M1和M2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M3组成的直流偏置电路；其中，MOS管M3和MOS管M1组成电流镜结构用于实现所述MOS管M1的电流偏置；MOS管M2的源极连接到MOS管M1的漏极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L3连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，另一端与栅漏相接的MOS管M3的漏极相连，MOS管M3的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M3的栅极和电感L1的输入端相接，从而为MOS管M1提供直流偏置；所述输出匹配电路包括电感L3、电容C2和电容C3组成；所述电容C2和电容C3的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3的另一端接在电路的输出端RFout；在电源VDD与接地之间设有旁路电容C4，以减小电源噪声对电路噪声性能的影响；通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。

本发明实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器中，所有的有源和无源器件均用Chrt0.18um CMOS集成电路工艺集成在同一半导体衬底上。所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件，以减小MOS管的衬底偏置效应对电路造成的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（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，不需要任何外部的无源器件进行匹配和优化且达到了良好的性能。

（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L1和L2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:

$Z_{\mathrm{in}}\left(s\right)=\frac{1}{s{C}_{\mathrm{gs}}^{\′}}+s(L1+L2)+{\mathrm{\ω}}_T+L2---\left(1\right)$

C'_gs=C1+C_gs                   （2）

$R_s=\frac{g_m}{C_{\mathrm{gs}}^{\′}}L2---\left(3\right)$

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{C_{\mathrm{gs}}^{\′}(L1+L2)}}---\left(4\right)$

当输入端口匹配时,Z_in(s)=50欧姆,g_m是MOS管M1的跨导,C_gs’是MOS管M1的栅源电容C_gs和C1并联后得到的,由此可以计算得到两个电感的L1和L2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L1、L2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，栅极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。通过该匹配网络可以同时得到良好的噪声匹配和功率传输。

（3）通过一个电感L3和两个电容C2、C3组成的输出匹配网络完成了片上的50Ω阻抗匹配。可以很好的与下级电路相连。

本发明可以直接在无线网络接收器、蓝牙接收等设备芯片中集成应用。

附图说明

图1是一种外差式CMOS射频接收器的拓扑结构示意图；

图2是本发明实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器电路原理图；

图3为本发明低噪声放大器的增益仿真曲线；

图4为本发明低噪声放大器的噪声仿真曲线；

图5为本发明低噪声放大器的输入匹配(S11)仿真曲线；

图6为本发明低噪声放大器的输出匹配(S22)仿真曲线。

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2所示本发明一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入匹配电路、共源共栅结构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L1、MOS管M1、并联电容C1以及与MOS管M1相连的源极电感L2组成；输入端RFin的射频信号通过输入端电感L1输入到MOS管M1的栅极，MOS管M1的源极通过源极电感L2接地，同时并联电容C1并联在MOS管M1的栅极和源极两端。

所述共源共栅结构放大电路包括由MOS管M1和M2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M3组成的直流偏置电路；其中，MOS管M3和MOS管M1组成电流镜结构用于实现所述MOS管M1的电流偏置；MOS管M2的源极连接到MOS管M1的漏极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L3连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，另一端与栅漏相接的MOS管M3的漏极相连，MOS管M3的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M3的栅极和电感L1的输入端相接，从而为MOS管M1提供直流偏置。

所述输出匹配电路包括电感L3、电容C2和电容C3组成；所述电容C2和电容C3的一端共同接在MOS管M3的漏极，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3的另一端接在电路的输出端RFout。本发明低噪声放大器中，还包括一个旁路电容C4，其一端接电源，另一端接地。

综上，本发明低噪声放大器的主放大部分电路为共源共栅结构放大，采用共源共栅结构不仅可以获得更高的增益还可以增加输入输出端口之间的隔离增加电路的稳定性。直流偏置电路中的的电阻R1和电阻R2的作用是为电路提供偏置的同时由于电阻R2的阻值较大可以阻挡偏置电路的噪声进入主放大电路以及射频信号从偏置电路流失，对电路噪声的减小具有十分重要的作用。在实际的设计中要使电阻R1和电阻R2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L1和L2的大小，改善了噪声性能,也易于使用CMOS工艺实现。由于匹配网络工作在谐振状态所以实现了信号的第一次放大，然后经过共源共栅放大器实现二次放大，所以该电路可以获得足够高的增益。由于放大电路采用带有源极负反馈的结构所以本发明低噪声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L3和两个电容C2、C3组成完成在片的输出匹配，并且由于输出端电容C3的存在隔绝了直流偏置点对下级电路的影响。在电路中还增加了电源旁路电容，以减小电源噪声对电路噪声性能的影响。本发明采用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，从而通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。本发明中所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件，从而减小了器件的衬底偏调制效应对电路性能的影响，从而使得电路的工作状态更加稳定。

试验例：利用Cadence软件，在Spectre仿真环境下对图1所示本发明低噪声放大器电路原理图进行仿真。

首先，根据电路结构估算电路中器件的参数，具体设计参数如下表所示：

然后，根据得到的参数进行仿真并手动优化电路的S参数使得电路前仿真的S11<‐30，S22<‐171.5实现良好的输入输出匹配，实现电路的功率增益20dB，噪声系数为1.6dB，稳定系数K>1；通过上述仿真得到的低噪声放大器的增益仿真曲线如图3，噪声仿真曲线如图4所示；本发明低噪声放大器的输入匹配(S11)仿真曲线如图5，本发明低噪声放大器的输出匹配(S22)仿真曲线如图6所示。

本发明同时实现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。同时本发明可以获得比较好的功率增益，使得电路结构具有非常高的实用价值。经过严格的仿真验证该电路的输入输出匹配良好，具有20dB以上的增益以及1.6dB的噪声。另外本发明也能够利用功耗约束噪声优化技术(Power-Constrained Noise Optimization Technique)选择MOS管M1的适当尺寸，在功耗约束条件下实现低噪声放大器输入端的同时匹配。

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 (3)

1.一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入匹配电路、共源共栅结构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L1、MOS管M1、并联电容C1以及与MOS管M1相连的源极电感L2组成；输入端RFin的射频信号通过输入端电感L1输入到MOS管M1的栅极，MOS管M1的源极通过源极电感L2接地，同时并联电容C1并联在MOS管M1的栅极和源极两端；

所述共源共栅结构放大电路包括由MOS管M1和M2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M3组成的直流偏置电路；其中，MOS管M3和MOS管M1组成电流镜结构用于实现所述MOS管M1的电流偏置；MOS管M2的源极连接到MOS管M1的漏极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L3连接到电源VDD上；电阻R1一端连接到电源VDD上，另一端与栅漏相接的MOS管M3的漏极相连，MOS管M3的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M3的栅极和电感L1的输入端相接，从而为MOS管M1提供直流偏置；

所述输出匹配电路包括电感L3、电容C2和电容C3组成；所述电容C2和电容C3的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3的另一端接在电路的输出端RFout；

在电源VDD与接地之间设有一旁路电容C4，以减小电源噪声对电路噪声性能的影响；

通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。

2.根据权利要求1所述实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，其中，所有的有源和无源器件均用chrt0.18um CMOS集成电路工艺集成在同一半导体衬底上。

3.根据权利要求1所述实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，其中，所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件，以减小MOS管的衬底偏置效应对电路造成的影响。

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