CN104660180A - 一种同时匹配的低噪声放大器 - Google Patents

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陈坤
查文
王威
林乃奇
孙雨诚
胡鹏飞
翟香玉
罗诗旭
蔡亚林
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Abstract

一种同时匹配的低噪声放大器(Low Noise Amplifier-LNA)，特别涉及一种应用在集成电路(Integrated Circuit)设计中的同时匹配的低噪声放大器。本发明首先通过一个源简并电感(Source Degeneration Inductance)串联在MOS晶体管的源极以提供串联负反馈效应，使得MOS管栅极的输入阻抗Zin和噪声最优源阻抗Zopt满足然后利用一个L型输入匹配网络，将MOS管的栅极匹配到信号源，从而使得本低噪声放大器的输入级同时实现了噪声匹配和功率增益匹配，不仅能够达到低噪声放大器的最小噪声系数NFmin，而且实现了功率的最大传输；最后利用一个L型输出匹配网络，实现MOS管的漏极与负载之间的匹配。

Description

一种同时匹配的低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种同时匹配的低噪声放大器(Low Noise Amplifier-LNA)，特别涉及一种应用在集成电路(Integrated Circuit)设计中的同时匹配的低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器是接收机系统中的第一个放大器，它的主要功能就是放大接收到的信号并传输到下一级，并且自身增加的噪声应尽量小。因此要求低噪声放大器具有足够的增益，并且噪声系数要非常低。然而在进行低噪声放大器设计时，实现最小噪声系数和实现最大功率传输之间存在矛盾。请参考图1，低噪声放大器包括有源器件，以及分别用于控制输入阻抗和输出阻抗的输入匹配网络和输出匹配网络，另外包括直流偏置网络。在进行输入匹配设计时，将信号源与晶体管的输入阻抗之间进行共轭匹配，便可以获得最大功率传输，即获得最大增益；相应地，为了获得最小的噪声系数 ，必须将信号源匹配到晶体管的噪声最优源阻抗，便可以使放大器得到最佳的噪声性能。然而这两者通常是不相等的，设计者只能在两者之间进行权衡取舍，很难同时实现噪声匹配和功率增益匹配。
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
本发明的目的是要提供一种应用在集成电路设计中的低噪声放大器，并且可以在输入级实现最小噪声系数和最大增益传输的同时匹配；而且本发明能够在功耗约束条件下实现输入级的同时匹配。
本发明提出的一种同时匹配的低噪声放大器，其电路结构包括：MOS晶体管M1作为放大器件按照共源结构连接；源简并电感(Source Degeneration Inductance)连接在MOS管的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使MOS管栅极的输入阻抗等于或近似等于噪声最优源阻抗的共轭；电容和电感组成一个L型输入匹配网络，其中一端与MOS管栅极相连，另一端通过隔直电容与信号源连接；电容和电感组成一个L型输出匹配网络，其中一端与MOS管漏极相连，另一端与负载连接；限流电阻一端于电源相连，另一端与相连；一个电流镜电路由晶体管M2、电阻器和组成，M2的栅极和漏极相连，源极接地电位，的一端与电源相连，另一端与M2的漏极相连，的一端与M2的栅极相连，另一端连接在和的公共连接点上。
本发明提出的一种同时匹配的低噪声放大器，其中通过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，从而在功耗约束条件下实现低噪声放大器输入级的同时匹配。
本发明提出的一种同时匹配的低噪声放大器，其优点在于：
⑴本发明提出的低噪声放大器在输入级同时实现了噪声匹配和功率增益匹配，不仅能够达到低噪声放大器的最小噪声系数，而且实现了功率的最大传输。
⑵本发明通过合理地选择晶体管的形状和尺寸，可以在功耗约束条件下实现低噪声放大器输入级的同时匹配。
⑶本发明提出的设计方法简单，能够被设计者很容易的掌握并应用在集成电路设计中。
附图说明
图1为本发明提出的一种同时匹配的低噪声放大器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种同时匹配的低噪声放大器的结构示意图。
图2图解说明本发明提出的一个实施例。它包括一个MOS晶体管M1，并按照其共源组态相连接。由功耗约束噪声优化技术可知，当在功耗约束条件下进行设计时，晶体管的尺寸由下面公式所决定：
                       （1）
其中是本发明提出的低噪声放大器的工作频率，代表栅极单位电容，是信号源电阻值。
源简并电感连接在MOS管的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使MOS管栅极的输入阻抗等于或近似等于噪声最优源阻抗的共轭。
                            (2)
本实施还包括一个由电感器和电容器构成的L型输入匹配网络，用于将MOS晶体管栅极的输入阻抗匹配到信号源阻抗，便可以实现本发明提出的低噪声放大器在输入级同时实现了噪声匹配和功率增益匹配。另外还包括由电感器和电容器构成的L型输出匹配网络，用于实现输出匹配。本发明的实施例为了简单起见，以L型输入输出匹配网络为例，但是不难理解，所述原理可以用T型、π型或者多级匹配网络来实现，同时具体级数和拓扑结构也会随工作频率和设计要求的不同而不同。
本实施另外包括一个电流镜电路，由晶体管M2、电阻器和、隔直电容器组成。晶体管M2与M1形成一个电流镜，且通过M2的电流是由电源电压和以及M2的栅源电压所决定。应选择的足够大，使得它的等效电流噪声小到足以被忽略。为了完成偏置，还必须有一个隔直电容器来防止影响M1的栅-源偏置。为了保护有源器件，限流电阻连接在电源和之间。
虽然以上描述的示例性LNA只包括一级放大器，但是将会注意到本发明的设计方法能够应用到含有任意数目的放大器级的LNA，本领域的技术人员同样也应该理解本实例的放大器件部分也可以为串迭（cascode）结构的放大电路模块。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种同时匹配的低噪声放大器，其特征在于，用集成电路(Integrated Circuit)工艺实现，即将有源和无源元器件制作在同一块半导体基片上来实现低噪声放大器的设计，并且在输入级能够同时实现噪声匹配和功率匹配设计。
2.如权利要求1所述的一种同时匹配的低噪声放大器，其特征在于，包括：MOS晶体管M1作为放大器件按照共源结构连接；源简并电感                                               (Source Degeneration Inductance)连接在MOS管的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使MOS管栅极的输入阻抗等于或近似等于噪声最优源阻抗的共轭；电容和电感组成一个L型输入匹配网络，其中一端与MOS管栅极相连，另一端通过隔直电容与信号源连接；电容和电感组成一个L型输出匹配网络，其中一端与MOS管漏极相连，另一端与负载连接；限流电阻一端于电源相连，另一端与相连；一个电流镜电路由晶体管M2、电阻器和组成，M2的栅极和漏极相连，源极接地电位，的一端与电源Vdd相连，另一端与M2的漏极相连，的一端与M2的栅极相连，另一端连接在和的公共连接点上。
3.如权利要求2所述的一种同时匹配的低噪声放大器，其中，通过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，从而在功耗约束条件下实现低噪声放大器输入端的同时匹配。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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