CN104660185B - 一种低功耗超宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种低功耗超宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

一种低功耗超宽带低噪声放大器涉及一种射频集成电路技术领域。本发明通过采用由第一MOS管(M1)构成的共源输入放大级，可以使得第二MOS管(M2)的跨导增强，在实现输入匹配和噪声匹配的同时，实现高增益；第二MOS管(M2)的负载采用并联峰化电感L3和电阻R6，为电路系统提供一个零点，增加了电路系统的稳定性，并拓展其带宽；第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)构成多级电流复用结构，实现了低功耗。本发明提供了一种在2～5GHz频率范围内工作的低功耗超宽带低噪声放大器。

Description

一种低功耗超宽带低噪声放大器
技术领域：
本发明涉及一种射频集成电路技术领域，尤其涉及一种低功耗超带宽低噪声放大器领域。
背景技术：
随着短距离无线通信的发展，人们对高速无线通信系统性能的要求越来越高，更大容量、更快的速度以及更安全的通信是短距离无线通信的必然发展趋势。而无线通信系统离不开接收机，接收机中最前端的射频模块是低噪声放大器(LNA)，它对整个接收机和整个通信系统有着重要的影响。
为了满足高速传输的需求，要求LNA能在宽的频带范围内工作，而现在低噪声放大器存在频带窄的问题，不适应这一要求。
除此之外，LNA的续航能力也是人们所重点关注的，LNA是整个接收机中功耗较大的模块，需要有低的功耗。
因此，针对现有低噪声放大器存在频带窄，功耗高的问题，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新性的设计一种低功耗，超宽带的低噪声放大器。
发明内容：
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种低功耗超带宽低噪声放大器，该放大器可以实现在2～5GHz频段范围的覆盖，用以解决传统低噪声放大器带宽窄、功耗高的问题。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种低功耗超宽带低噪声放大器，该低功耗超宽带低噪声放大器包括：第一MOS管(M1),第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)；第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)；第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)；第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)；第一电压源(V1)，第二电压源(V2)，第三电压源(V3)，第四电压源(V4)，第五电压源(Vdc)；其中第一MOS管(M1)的栅极同时连接第一电容(C1)的第一端以及第一电阻(R1)的第二端，第一MOS管(M1)的源极连接第一电感(L1)的第二端，第一MOS管(M1)的漏极同时连接第二电感(L2)的第一端和第三电容(C3)的第一端，第二电感(L2)的第二端连接第五电阻(R5)的第一端，第五电阻(R5)的第二端同时连接第六电阻(R6)的第一端以及第四电容(C4)的第一端；第二MOS管(M2)的栅极同时连接第二电阻(R2)的第二端以及第三电容(C3)的第二端，第二MOS管(M2)的漏极同时连接第二电容(C2)的第二端以及第三电感(L3)的第二端，第三电感(L3)的第一端连接第六电阻(R6)的第二端，第二MOS管(M2)的源极同时连接第一电容(C1)的第二端以及第四电感(L4)的第一端；第三MOS管(M3)的栅极同时连接第三电阻(R3)的第二端以及第二电容(C2)的第一端，第三MOS管(M3)的的漏极同时连接第四电感(L4)的第二端以及第五电容(C5)的第一端，第三MOS管(M3)的源极连接第四MOS管(M4)的漏极；第四MOS管(M4)的栅极连接第四电阻(R4)的第二端；第一电阻(R1)的第一端连接第一电压源(V1)；第二电阻(R2)的第一端连接第二电压源(V2)，第三电阻(R3)的第一端连接第三电压源(V3)；第四电阻(R4)的第一端连接第四电压源(V4)；第一电感(L1)的第一端连接第五电压源(Vdc)；第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端以及第四MOS管(M4)的源极都连接接地端；其中，第二MOS管(M2)的源极和第一电容(C1)的第二端皆连接信号输入端，第三MOS管(M3)的源极和第四MOS管(M4)的漏极皆连接信号输出端。电压源(V1)、(V2)、(V3)、(V4)分别为MOS管(M1)、(M2)、(M3)和(M4)提供偏置电压，使其工作在饱和状态。
所述的第五电压源(Vdc)为3.5V的直流电压源。
所述的MOS管均为金属氧化物半导体场效应管
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明电路结构简单，通过采用由第一MOS管(M1)构成共源输入放大级，可以使得第二MOS管(M2)的跨导增强，在实现输入匹配和噪声匹配的同时，实现高增益；第二MOS管(M2)的负载采用并联峰化电感L3和电阻R6为电路系统提供一个零点，增强了电路系统的稳定性，并拓展其带宽；其中MOS管(M1)、(M2)、(M3)和(M4)构成多级电流复用结构，可以降低低噪声放大器的功耗。
附图说明：
图1为本发明所述的一种低功耗超带宽低噪声放大器的电路结构框图；
图2为本发明所述的一种低功耗超带宽低噪声放大器的电路图；
图3为本发明所述的一种低功耗超带宽低噪声放大器的输入匹配、输出匹配的仿真结果；
图4为本发明所述的一种低功耗超带宽低噪声放大器的输入、输出电压驻波比的仿真结果；
图5为本发明所述的一种低功耗超带宽低噪声放大器的噪声系数和增益的仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的放大器由共源输入放大级、跨导增强级和输出缓冲级三级构成。由此共源输入放大级、跨导增强级和输出缓冲级构成多级电流复用结构，可以降低本低噪声放大器的功耗。跨导增强级负载采用并联峰化电感L3和电阻R6，为电路系统提供一个零点，增强了电路系统的稳定性，并拓展其带宽。
如图2所示，一种低功耗超宽带低噪声放大器，该低功耗超宽带低噪声放大器包括：第一MOS管(M1),第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)；第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)；第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)；第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)；第一电压源(V1)，第二电压源(V2)，第三电压源(V3)，第四电压源(V4)，第五电压源(Vdc)；其中第一MOS管(M1)的栅极同时连接第一电容(C1)的第一端以及第一电阻(R1)的第二端，第一MOS管(M1)的源极连接第一电感(L1)的第二端，第一MOS管(M1)的漏极同时连接第二电感(L2)的第一端和第三电容(C3)的第一端，第二电感(L2)的第二端连接第五电阻(R5)的第一端，第五电阻(R5)的第二端同时连接第六电阻(R6)的第一端以及第四电容(C4)的第一端；第二MOS管(M2)的栅极同时连接第二电阻(R2)的第二端以及第三电容(C3)的第二端，第二MOS管(M2)的漏极同时连接第二电容(C2)的第二端以及第三电感(L3)的第二端，第三电感(L3)的第一端连接第六电阻(R6)的第二端，第二MOS管(M2)的源极同时连接第一电容(C1)的第二端以及第四电感(L4)的第一端；第三MOS管(M3)的栅极同时连接第三电阻(R3)的第二端以及第二电容(C2)的第一端，第三MOS管(M3)的漏极同时连接第四电感(L4)的第二端以及第五电容(C5)的第一端，第三MOS管(M3)的源极连接第四MOS管(M4)的漏极；第四MOS管(M4)的栅极连接第四电阻(R4)的第二端；第一电阻(R1)的第一端连接第一电压源(V1)；第二电阻(R2)的第一端连接第二电压源(V2)，第三电阻(R3)的第一端连接第三电压源(V3)；第四电阻(R4)的第一端连接第四电压源(V4)；第一电感(L1)的第一端连接第五电压源(Vdc)；第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端以及第四MOS管(M4)的源极都连接接地端；其中，第二MOS管(M2)的源极和第一电容(C1)的第二端皆连接信号输入端，第三MOS管(M3)的源极和第四MOS管(M4)的漏极皆连接信号输出端。电压源(V1)、(V2)、(V3)、(V4)分别为MOS管(M1)、(M2)、(M3)和(M4)提供偏置电压，使其工作在饱和状态。
如图2所示，射频输入信号RFin经过耦合电容(C1)到达共源第一MOS管(M1)对输入信号进行放大，使经过第一MOS管(M1)放大后的交流信号从(M1)管的漏极输出，然后经过耦合电容(C3)送到第二MOS管(M2)的栅极，由于(M2)源极信号就是未放大的输入信号，从而使第二MOS管(M2)上的栅源电压差变大，结果使第二MOS管(M2)的跨导Gm2增大，则经跨导增强共栅输入级的等效跨导变为Gm,eff＝Gm2(1+A1)，比基本的共栅结构的跨导Gm2增强了(1+A1)倍，其中A1为第一MOS管(M1)的电压增益，于是便实现放大器的高增益。同时第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)组成的共源共栅结构，实现了输入匹配和噪声匹配，其中V1＝1V，R1＝50kΩ，C1＝2pF，C3＝6.34pF，V2＝2.62V，R2＝50kΩ，L1＝5.23nH，L2＝3.27nH，R5＝10Ω，R6＝356.5Ω，L3＝10nH，L4＝9.45nH。第一电感(L1)作为第一MOS管(M1)的负反馈电感，提高了整个电路的增益平坦度。第五电阻(R5)和第二电感(L2)是辅助放大器(M1)的负载。为了拓展带宽，第二MOS管(M2)的负载采用并联峰化电感(L3)和电阻(R6)为系统提供了一个零点，提高了电路系统稳定性，并拓展了带宽。同时第二电感(L2)和第三电感(L3)还能起到阻隔交流信号的作用，第四电容(C4)提供交流地。第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)构成多级电流复用结构，与多支路结构相比，电流减小近一半。从而使整个电路在增加增益的同时没有消耗额外的功耗。其中第三MOS管(M3)同时起到电压缓冲的作用，第四MOS管(M4)工作在饱和区，偏置电压由(V4)提供，为系统提供一个偏置直流。同时由第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)构成的输出缓冲级实现了输出匹配。其中C2＝4.9pF，V3＝1V，R3＝50kΩ，V4＝0.73V，R4＝50kΩ，电容(C5)提供交流地。
本方案采用TSMC 0.18μmCMOS工艺库，利用安捷伦射频设计工具ADS(高级设计系统)对电路进行仿真验证。
图3是本发明所述的输入匹配、输出匹配的仿真结果。由此可以看出，在2-5GHz频带范围内，S11(输入反射系数)和S22(输出反射系数)都在-10dB以下，匹配良好。
图4是本发明所述的低功耗超宽带低噪声放大器的输入、输出电压驻波比的仿真结果。由此可以看出，在2-5GHz频带范围内，输入电压驻波比(VSW1)在1.86以下，输出电压驻波比(VSW2)在1.83以下，满足低噪声放大器的要求。
图5是从本发明所述的噪声系数和增益的仿真结果。由此可以看出，在2～5GHz频带范围内，噪声系数(NF)仅在2.18-2.89dB之间。在整个频带范围内的平均增益(S21)为13.05dB，最小增益为12.57dB，最大增益为13.53dB，增益平坦度良好。
本发明中的第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)构成多级电流复用结构，从而使功耗降低。
以上实施例仅用以说明本发明的电路结构，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的电路结构进行修改，或者对其中部分电路结构进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应电路结构的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于：该低功耗超宽带低噪声放大器包括：第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)，第四MOS管(M4)；第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)；第一电感(L1)，第二电感(L2)，第三电感(L3)，第四电感(L4)；第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)；第一电压源(V1)，第二电压源(V2)，第三电压源(V3)，第四电压源(V4)，第五电压源(Vdc)；其中第一MOS管(M1)的栅极同时连接第一电容(C1)的第一端以及第一电阻(R1)的第二端，第一MOS管(M1)的源极连接第一电感(L1)的第二端，第一MOS管(M1)的漏极同时连接第二电感(L2)的第一端和第三电容(C3)的第一端，第二电感(L2)的第二端连接第五电阻(R5)的第一端，第五电阻(R5)的第二端同时连接第六电阻(R6)的第一端以及第四电容(C4)的第一端；第二MOS管(M2)的栅极同时连接第二电阻(R2)的第二端以及第三电容(C3)的第二端，第二MOS管(M2)的漏极同时连接第二电容(C2)的第二端以及第三电感(L3)的第二端，第三电感(L3)的第一端连接第六电阻(R6)的第二端，第二MOS管(M2)的源极同时连接第一电容(C1)的第二端以及第四电感(L4)的第一端；第三MOS管(M3)的栅极同时连接第三电阻(R3)的第二端以及第二电容(C2)的第一端，第三MOS管(M3)的漏极同时连接第四电感(L4)的第二端以及第五电容(C5)的第一端，第三MOS管(M3)的源极连接第四MOS管(M4)的漏极；第四MOS管(M4)的栅极连接第四电阻(R4)的第二端；第一电阻(R1)的第一端连接第一电压源(V1)；第二电阻(R2)的第一端连接第二电压源(V2)，第三电阻(R3)的第一端连接第三电压源(V3)；第四电阻(R4)的第一端连接第四电压源(V4)；第一电感(L1)的第一端连接第五电压源(Vdc)；第四电容(C4)的第二端、第五电容(C5)的第二端以及第四MOS管(M4)的源极都连接接地端；其中，第二MOS管(M2)的源极和第一电容(C1)的第二端皆连接信号输入端，第三MOS管(M3)的源极和第四MOS管(M4)的漏极皆连接信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的第五电压源(Vdc)为3.5V的直流电压源。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的MOS管均为金属氧化物半导体场效应管。
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