CN103633947A - 一种无电感高增益cmos宽带低噪声放大器 - Google Patents

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闫月星
杨来春
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Abstract

本发明公开了一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器，包括信号输入级和噪声抵消级，所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1n和PMOS管M1p组成，其中的PMOS管M1p和NMOS管M1n构成了一个自偏置反相器，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、PMOS管M2p和三个NMOS晶体管M2n、M3和M4组成，所述的M2p用于增加M2的跨导并复用M2n的电流。所述噪声抵消级用于与所述信号输入级的噪声电压相互抵消。本发明放大器在输入匹配、噪声、增益、带宽和线性度方面有一定的优势，其结构简单，芯片面积小，便于集成，成本低，其性价比高。

Description

一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器，尤其涉及一种无电感高增益CMOS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，低噪声放大器输出的信号再由下变频混频器变频得到正交的I、Q信号，再由后级进行处理。低噪声放大器是第一个处理信号的有源器件，所以它的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和带有并联电阻负反馈三种方式。其中，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。匹配网络匹配的方式虽然能够有较高增益，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。小信号传输需要系统的噪声系数NF达到系统的要求，而输入匹配和噪声系数之间存在着重要的折衷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器，本发明结构简单，减小了芯片面积，便于集成，降低了成本，本发明放大器在输入匹配、噪声、增益、带宽和线性度方面具有一定的优势，其性价比高。
为了解决上述技术问题，本发明一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器包括信号输入级和噪声抵消级，所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1n和PMOS管M1p组成，其中的PMOS管M1p和NMOS管M1n构成了一个自偏置反相器，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、PMOS管M2p、NMOS晶体管M2n、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4组成，所述PMOS管M2p用于增加NMOS晶体管M2的跨导并复用NMOS晶体管M2n的电流；所述噪声抵消级用于与所述信号输入级的噪声电压相互抵消；
上述各电子元器件之间的连接关系为：
信号的输入端与电阻RF的一端、NMOS管M1n的栅极、PMOS管M1p的栅极、NMOS管M2n的栅极和PMOS管M2p的栅极连接；NMOS管M1n的源极接地，PMOS管M1p的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1n的漏极和PMOS管M1p的漏极结合再与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接电阻R1的一端和NMOS管M4的栅极，电阻R1的另一端和NMOS管M4的漏极连接至电源VDD，NMOS管M4的源极与NMOS管M3的漏极连接后作为信号的输出端，NMOS管M3的源级与NMOS管M2n的漏极和PMOS管M2P的漏极相连，NMOS管M2n的源级接地，PMOS管M2n的源级接电源VDD。
与现有技术相比，本发明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，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CHART0.18μm RF工艺，1.8V低电压供电有较低的功。
（3）本发明中的电子元器件数量少，可以有效的减小芯片面积，降低了成本。
（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是本发明无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器的电路图；
图3是本发明低噪声放大器的噪声后仿真结果图；
图4是本发明低噪声放大器的S参数的后仿真结果图；
图5是本发明低噪声放大器600MHz时的输入三阶截点(IIP3)的仿真结果图。
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。
如图2所示，本发明一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器，包括信号输入级和噪声抵消级。
所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1n和PMOS管M1p组成，其中的PMOS管M1p和NMOS管M1n构成了一个自偏置反相器，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、PMOS管M2p、NMOS晶体管M2n、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4组成，所述PMOS管M2p用于增加NMOS晶体管M2的跨导并复用NMOS晶体管M2n的电流；所述噪声抵消级用于与所述信号输入级的噪声电压相互抵消。
本发明中各电子元器件之间的连接关系为：
信号的输入端与电阻RF的一端、NMOS管M1n的栅极、PMOS管M1p的栅极、NMOS管M2n的栅极和PMOS管M2p的栅极连接；NMOS管M1n的源极接地，PMOS管M1p的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1n的漏极和PMOS管M1p的漏极结合再与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接电阻R1的一端和NMOS管M4的栅极，电阻R1的另一端和NMOS管M4的漏极连接至电源VDD，NMOS管M4的源极与NMOS管M3的漏极连接后作为信号的输出端，NMOS管M3的源级与NMOS管M2n的漏极和PMOS管M2P的漏极相连，NMOS管M2n的源级接地，PMOS管M2n的源级接电源VDD。
本发明放大器的工作原理如下：若只考虑输入晶体管PMOS管M1p和NMOS管M1n的热噪声电流In，此电流流过电阻RF和电阻RS串联回路到地，在PMOS管M1p和NMOS管M1n的漏极Y和PMOS管M1p和NMOS管M1n的栅极（如图2中X点所示）产生相位相同而幅度不等的噪声电压Vn,Y和Vn,X。然后噪声电压Vn,X被噪声抵消级的NMOS管M2n和M3放大至M3的栅极和M4的源极的连接点C点，噪声电压Vn,Y经过NMOS管M4至C点，在C点结合，由于这两路电压相位相反，只要调整电路参数使其幅度相同，就可将噪声完全抵消。
实施例：
本实施例采用图2所示电路结构，电路的仿真基于CHRT0.18μm RF工艺，采用Cadence SpectreRF工具。电源VDD电压为1.8V，工作频段在0.1-1.2GHz，图3给出了该实施例噪声（NF)后仿真结果图；图4给出了该实施例S参数的后仿真结果图，其中的S11，S12，S21和S22分别表示输入反射系数、反向电压增益、正向电压增益和输出反射系数；图5给出了600MHz频率下输入三阶截点IIP3的仿真结果。噪声为1.2-1.65dB，电路的增益为20.5-23dB，600MHz频率电路的三阶交调点IIP3为-12.1dBm。这些结果说明本发明在输入匹配、噪声、增益、带宽和线性度方面有一定的优势。
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，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种无电感高增益CMOS宽带低噪声放大器，包括信号输入级和噪声抵消级，其特征在于：
所述信号输入级由电阻RF、NMOS管M1n和PMOS管M1p组成，其中的PMOS管M1p和NMOS管M1n构成了一个自偏置反相器，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、PMOS管M2p、NMOS晶体管M2n、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4组成，所述PMOS管M2p用于增加NMOS晶体管M2的跨导并复用NMOS晶体管M2n的电流；
所述噪声抵消级用于与所述信号输入级的噪声电压相互抵消；
上述各电子元器件之间的连接关系为：
信号的输入端与电阻RF的一端、NMOS管M1n的栅极、PMOS管M1p的栅极、NMOS管M2n的栅极和PMOS管M2p的栅极连接；NMOS管M1n的源极接地，PMOS管M1p的源极接电源VDD；电阻RF的另一端与NMOS管M1n的漏极和PMOS管M1p的漏极结合再与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接电阻R1的一端和NMOS管M4的栅极，电阻R1的另一端和NMOS管M4的漏极连接至电源VDD，NMOS管M4的源极与NMOS管M3的漏极连接后作为信号的输出端，NMOS管M3的源级与NMOS管M2n的漏极和PMOS管M2P的漏极相连，NMOS管M2n的源级接地，PMOS管M2n的源级接电源VDD。
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