CN104158504B - 一种宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单路转双路的宽带低噪声放大器，包括放大级、差分级、负载级和反馈级。放大级用于将输入信号放大；差分级用于将该放大级输出的信号从单路信号转为相位差为180°的一对差分信号并输出；负载级连接于差分级的输出端与电源之间；反馈级连接于差分级的输出端与放大级之间，用于将差分信号转换为单路反馈信号，并将该单路反馈信号反馈至放大级的输入端。本发明能够实现宽带信号接受特性，将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器，以及提高整个回路的稳定性和增益。

Description

一种宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频无线收发机领域，具体为一种单路转双路的宽带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器是射频收发机中的重要模块之一，主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大，以便于后级的接收机电路处理。

由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪声放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位以减小信号损耗。正是由于低噪声放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量。为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确的恢复，一个好的低噪声放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。

随着现代移动通讯的发展，低噪声放大器要求能够适用于各种频率和协议的应用，因此对LNA的电感提出了更高的要求，尤其是要求LNA的电感可变，满足各种频率和协议应用的需要，从而使整个接收机成为一个宽带的接收机。输入端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键，对输入端的阻抗匹配和噪声匹配影响最关键的是LNA的电感。

低噪声放大器的输出为混频器，通常来说，差分混频器比单端混频器具有更加好的噪声系数以及增益能力，因此在射频接收机中，广泛采用差分混频器。但是由于通常低噪声放大器为单端输出，差分混频器为双端输入，因此通常需要一个单端转双端的额外电路来实现单路转双路的功能，这一单端转双端的额外电路增加了电路的开销。

因此，有必要提出一种自带单端转双端功能的低噪声放大器，能够实现宽带信号接受特性，同时也可直接将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于克服现有射频接收机中单端转双端的额外电路开销问题，提供一种结构简单的单路转双路的宽带低噪声放大器。

本发明采用如下技术方案：一种宽带低噪声放大器，包括放大级、差分级、负载级和反馈级。其中，放大级用于将输入信号放大；差分级与所述放大级的输出端相连，用于将该放大级输出的信号从单路信号转为相位差为180°的一对差分信号，该差分级的两个输出端为所述低噪声放大器的输出端；负载级连接于所述差分级的输出端与所述放大级之间，用于将所述差分信号转换为单路反馈信号，并将该单路反馈信号反馈至所述放大级的输入端。其中，该反馈级包括第一共源晶体管和第二共源晶体管，其栅极分别耦接至所述差分级的两个输出端，源极分别耦接至电源和地，漏极相连并共同耦接至所述放大级的输入端。

优选地，所述差分级包括第一差分晶体管，第二差分晶体管，第一电容和第二电容；所述第二差分晶体管的源极经所述第一电容耦接至所述第一差分晶体管的栅极，所述第一差分晶体管的源极经所述第二电容耦接至所述第二差分晶体管的栅极，所述第一差分晶体管和第二差分晶体管的漏极为所述差分级的输出端。

优选地，所述差分级包括第一差分晶体管，第二差分晶体管，第一电容和第二电容；所述放大级的输出端经所述第一电容耦接至所述第一差分晶体管的栅极，同时经所述第二电容耦接至所述第二差分晶体管的栅极；所述第一差分晶体管和第二差分晶体管的源极均与所述放大级的输出端耦接。

优选地，所述放大级包括第三共源晶体管和第四共源晶体管，所述第三共源晶体管的栅极为所述放大级的输入端，源极接地，漏极与所述第一差分晶体管的源极相连；所述第四共源晶体管的栅极经第三电容耦接至所述第三共源晶体管的漏极，源极接地，漏极与所述第二差分晶体管的源极相连。

优选地，所述负载级包括连接于电源与所述第一差分晶体管的漏极之间的第一负载和连接于电源与所述第二差分晶体管的漏极之间的第二负载。

优选地，所述第三共源晶体管、第一差分晶体管和第一负载组成第一差分放大支路；所述第三共源晶体管、第四共源晶体管、第二差分晶体管和第二负载组成第二差分放大支路；所述第一差分放大支路和第二差分放大支路的增益相等。

优选地，所述差分级的两个输出端分别经第四电容和第五电容连接所述第一共源晶体管和第二共源晶体管的栅极；所述第一共源晶体管和第二共源晶体管的漏极相连并经第六电容耦接至所述放大级的输入端。

优选地，所述第一负载和第二负载均为无源电阻。

与现有技术相比，本发明提出的自带单端转双端功能的宽带低噪声放大器，不仅能够实现宽带信号接受特性，而且还能够直接将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器，有效地避免了射频接收机中单端转双端的额外电路开销。此外，本发明通过对低噪声放大器反馈级的设计，实现了差分信号的双路转单路的反馈功能，从而提高了低噪声放大器回路的稳定性和增益。

附图说明

图1是本发明的宽带低噪声放大器的方块图；

图2是本发明一实施例的低噪声放大器的电路示意图；

图3是本发明一实施例的低噪声放大器的输入匹配S11与频率的关系曲线图；

图4是本发明一实施例的低噪声放大器的增益与频率的关系曲线图；

图5是本发明一实施例的低噪声放大器的噪声系数与频率的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本说明书中及在权利要求书中，应理解当一元件被称为“耦接”或“连接”到另一元件或与另一元件“相连”时，其可直接连接到另一元件，或可存在介入元件。

请参照图1，本发明的单路转双路的宽带低噪声放大器包括放大级1，差分级2，负载级3和反馈级4。其中，放大级1接收来自低噪声放大器输入端RF_in的射频输入信号并对该输入信号进行放大。差分级2与放大级1的输出端相连，用于将该放大级1输出的经放大的射频输入信号从单路信号转为相位差为180°的一对差分信号。差分级2的输出端RF_out作为低噪声放大器的输出端，其输出的该对差分信号可传递至低噪声放大器后级的混频器。负载级3连接在差分级的输出端RF_out和电源VDD之间。反馈级4连接于差分级2的输出端RF_out与放大级1之间，用于将差分信号RF_out转换为单路反馈信号，并将该单路反馈信号反馈至放大级1，以提高整个电路回路的稳定性和增益。

接下来，将结合图2详细说明本发明一实施例的宽带低噪声放大器的电路结构。

如图2所示，放大级1包括第三共源晶体管M1和第四共源晶体管M2。共源晶体管M1和M2均为NMOS管。晶体管M1的栅极作为放大级的输入端与低噪声放大器的输入端RF_in相连，源极接地，漏极与差分级2的第一输入端相连，其将输入端RF_in的输入信号放大后输出至差分级2的该第一输入端。晶体管M2的源极接地，栅极经第三电容C3耦接共源晶体管M1的漏极，漏极与差分级2的第二输入端相连，由此共源晶体管M1和M2构成两级的共源放大器，将输入信号RF_in放大后输出至差分级的第二输入端。本发明中，放大级的电路结构也可以作其他变形设计，例如利用共栅放大器和共源放大器分别耦接至差分级的两个输入端等。

差分级2包括一对差分晶体管，本实施例中，该对差分晶体管以电容交叉耦合的方式相连，输出相位差为180°的一对差分信号。具体来说，差分级2由第一差分晶体管M3、第二差分晶体管M4、第一电容C1和第二电容C2构成。差分晶体管M3和M4均为NMOS管，差分晶体管M3的源极经第一电容C1耦接至差分晶体管M4的栅极，而差分晶体管M4的源极则经第二电容C2耦接至差分晶体管M3的栅极，差分晶体管M3的源极同时还连接第三共源晶体管M1的漏极，而差分晶体管M4的源极同时还连接第四共源晶体管M2的漏极。

差分级2的输出端与负载级3相连。负载级3包括第一负载和第二负载，第一负载连接在电源VDD和第一差分晶体管M3的漏极之间，第二负载连接在电源VDD和第二差分晶体管M4的漏极之间。第一负载和第二负载可以是任何无源器件如电感、电阻或有源器件如晶体管。本实施例中，第一负载和第二负载均为无源电阻R1，R2。

由此，第三共源晶体管M1、第一差分晶体管M3和第一负载电阻R1构成第一差分放大支路，输入端RF_in的输入信号经过共源晶体管M1放大后，传输给差分晶体管M3的源极，并从差分晶体管M3漏极，也即是差分级2的一个输出端RF_out_n输出；同时共源晶体管M1和M2、第二差分晶体管M4和第二负载电阻R2构成了第二差分放大支路，输入信号经过两级共源晶体管M1和M2放大后，传输给差分晶体管M4的源极，再从差分晶体管M4的漏极，也即是差分级2的另一个输出端RF_out_p输出。差分级的输出端RF_out_n和RF_out_p输出的信号相位差为180°。为了使两个差分放大支路的增益保持平衡，因对负载电阻R1、R2以及共源晶体管M1、M2进行选择，以满足：gm1*R1＝gm1*gm2*R2。其中，gm1和gm2分别为共源晶体管M1和M2的跨导，R1和R2分别为负载电阻的阻值。

请继续参考图2，反馈级4与差分级2相连，用于将差分级2输出的该对差分信号转为单路信号并反馈至放大级1的输入端。反馈级4由第一共源晶体管M5、第二共源晶体管M6、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6构成。其中，共源晶体管M5为PMOS管，共源晶体管M6为NMOS管。共源晶体管M5的源极接电源VDD，栅极经电容C4耦接至差分级的输出端RF_out_n；晶体管M6的源极接地，栅极经电容C5耦接至差分级的输出端RF_out_p。晶体管M5和M6的漏极互相连接于节点P，同时也通过电容C6连接至共源晶体管M1的栅极。共源晶体管M5和M6作为放大器分别对差分级2输出的一对差分信号进行信号放大，并在其漏极叠加，该叠加的信号通过电容C6反馈至共源晶体管M1的栅极，由此实现了双路信号转单路的反馈功能。

综上所述，本发明的低噪声放大器可实现输入端RF_in输入的射频信号的单路转双路输出，其中一路经晶体管M1和M3放大输出，另外一路经晶体管M1、M2、M4放大输出；同时，晶体管M3、M4和电容C1、C2构成差分电路，因此输出的差分信号相位差为180°，能够直接传递给后级混频器，无需额外的单转双电路设计。另一方面，差分信号分别经过晶体管M5和晶体管M6放大后在其漏极叠加，转换为单路信号反馈到放大级的输入端，构成双路信号转单路信号的反馈，有利于提高整个回路的稳定性和增益，从而可以在频谱上表现出宽带低噪声放大特性。

图3至图5为利用本发明的宽带低噪声放大器进行仿真得到的各放大器特性与工作频率的关系曲线图。图3为宽带低噪声放大器的输入匹配S11与工作频率Frequency的关系曲线图。从图中可以看到，该宽带低噪声放大器在频率0～6.0GHz处的输入匹配S11都能够小于-10dB，也即意味着该宽带低噪声放大器可以在0～6.0GHz的宽频率范围内工作。

图4所示为宽带低噪声放大器的增益Gain与工作频率Frequency的关系曲线。从图中可以看到，该宽带低噪声放大器在0～6.0GHz的宽频率范围内，增益均高于12dB，在最高峰可以达到18dB。

图5所示为宽带低噪声放大器的噪声系数Noise Figure与工作频率Frequency的关系曲线。从图中可以看到，该宽带低噪声放大器在0～6.0GHz的宽频率范围内，增益均小于7dB，尤其是在0～4GHz范围内，该宽带低噪声放大器的噪声系数可以控制在4dB范围内，满足大部分协议对于宽带低噪声放大器的噪声要求。

因此，本发明提出的自带单路转双路的宽带低噪声放大器可以适用于频率范围在0～4GHz内的宽频段应用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于，包括：

放大级，用于将输入信号放大；所述放大级包括相连的第三共源晶体管和第四共源晶体管，所述第三共源晶体管的栅极为所述放大级的输入端；

差分级，与所述放大级的输出端相连，用于将该放大级输出的信号从单路信号转为相位差为180°的一对差分信号，该差分级的两个输出端为所述低噪声放大器的输出端；

负载级，连接于所述差分级的输出端与电源之间；以及

反馈级，连接于所述差分级的输出端与所述放大级之间，用于将所述差分信号转换为单路反馈信号，并将该单路反馈信号反馈至所述放大级的输入端；

其中，该反馈级包括第一共源晶体管和第二共源晶体管，其栅极分别耦接至所述差分级的两个输出端，源极分别耦接至电源和地，漏极相连并共同耦接至所述第三共源晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述差分级包括第一差分晶体管，第二差分晶体管，第一电容和第二电容；所述第二差分晶体管的源极经所述第一电容耦接至所述第一差分晶体管的栅极，所述第一差分晶体管的源极经所述第二电容耦接至所述第二差分晶体管的栅极，所述第一差分晶体管和第二差分晶体管的漏极为所述差分级的输出端。

3.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三共源晶体管的源极接地，漏极与所述第一差分晶体管的源极相连；所述第四共源晶体管的栅极经第三电容耦接至所述第三共源晶体管的漏极，源极接地，漏极与所述第二差分晶体管的源极相连。

4.根据权利要求2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述负载级包括连接于电源与所述第一差分晶体管的漏极之间的第一负载和连接于电源与所述第二差分晶体管的漏极之间的第二负载。

5.根据权利要求4所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三共源晶体管、第一差分晶体管和第一负载组成第一差分放大支路；所述第三共源晶体管、第四共源晶体管、第二差分晶体管和第二负载组成第二差分放大支路；所述第一差分放大支路和第二差分放大支路的增益相等。

6.根据权利要求3所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述差分级的两个输出端分别经第四电容和第五电容连接所述第一共源晶体管和第二共源晶体管的栅极；所述第一共源晶体管和第二共源晶体管的漏极相连并经第六电容耦接至所述放大级的输入端。

7.根据权利要求4所述的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一负载和第二负载均为无源电阻。