CN104967411A - 宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带低噪声放大器，其采用共源共栅结构，包括共源结构MOS管M1、共栅结构MOS管M2、输入匹配电容C1、接地电容C2、输出匹配电容C3、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3。其中输入匹配电容、第一电感和共源级MOS晶体管的栅极与源极之间的寄生电阻一起构成放大器的输入匹配结构。本发明通过利用共源级MOS晶体管的漏极与源极之间的寄生电阻和在输入端口与地之间增加的输入匹配电容，能有效改善电路的输入匹配特性。本发明的宽带低噪声放大器结构简单，功耗低，集成度高，适用于低功耗宽频带应用。

Description

宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及放大器技术领域，具体涉及一种宽带低噪声放大器。

背景技术

在通信系统中，低噪声放大器是通信系统中接收机前端的第一级有源电路，实现将天线接收的微弱信号放大，送给后级电路进行处理。目前，无线通信多频段、多标准、多模式的发展趋势，要求低噪声放大器在设计不仅要考虑能够完成对各种频段无线信号的接收、放大等功能，并且要求其能覆盖多个通信频段，兼容不同的通信标准。这当中很重要的一点就是低噪声放大器在很宽的频带范围内满足50欧姆输入阻抗匹配。如果在处理信号中阻抗不匹配，输入低噪声放大器的大部分信号功率将会被反射，这会严重恶化其处理信号的性能。也就是说，输入端的阻抗匹配已成为设计高性能低噪声放大器的关键。

通常来说，在用于实现宽频带输入阻抗匹配的方法有：共栅输入方式、电阻负反馈结构和滤波器匹配结构。共栅输入方式能很好满足带宽匹配要求，但它具有增益低，噪声大的缺陷。电阻负反馈输入匹配结构虽能实现宽带匹配，但其增益和噪声性能不佳，并且面临输入匹配和噪声之间折中的问题。滤波器匹配结构由于要采用片上电感，并且结构复杂，这大大增加了芯片的面积和成本，这种匹配方式使用十分有限。

因此，如果能够采用一种简单的结构来实现很宽频带范围的阻抗匹配，这对整个低噪声放大器的设计将带来很大优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何在不影响增益和噪声的情况下改善宽带低噪声放大器的输入匹配特性，而提供一种宽带低噪声放大器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种宽带低噪声放大器，由共源结构MOS管M1、共栅结构MOS管M2、输入匹配电容C1、接地电容C2、输出匹配电容C3、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3组成。共源结构MOS管M1的漏极与共栅结构MOS管M2的漏极相连。共源结构MOS管M1的栅极与第一电阻R1和第一电感L1的一端连接。第一电感L1的另一端与射频信号输入端口Vin和输入匹配电容C1的一端连接。输入匹配电容C1的另一端连接到地。第一电阻R1的另一端连接第一偏置电压Vb1。共栅结构MOS管M2的栅极同时与第二电阻R2和接地电容C2的一端相连。接地电容C2的另一端接地。第二电阻R2的另一端连接第二偏置电压Vb2。共源结构MOS管M1的源极接地。共栅结构MOS管M2的漏极与输出匹配电容C3和第二电感L2的一端相连。第二电感L2的另一端与第三电阻R3一端相连。第三电阻R3的另一端与外部电源连接。输出匹配电容C3的另一端连接到信号输出端口Vout。

上述方案中，共源结构MOS管M1和共栅结构MOS管M2均为NMOS管。

上述方案中，输入匹配电容C1的电容值的取值范围为0.1-0.7pF。

上述方案中，输入匹配电容C1的电感值最好为0.36pF。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、采用采用电流复用技术，放大器的功耗低。

2、输入匹配结构只采用了两个元件，电路结构简单，芯片尺寸小，成本低，不仅能够有效的提供宽频带匹配，还有较低的噪声，满足了现在多模多段无线通信系统中宽频带应用需求。

附图说明

图1为一种宽带低噪声放大器的电路图。

图2为图1所示宽带低噪声放大器电路的输入匹配与工作频率的关系特性曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明具体实施例中的附图,对本发明的技术方案进行详细地描述。

一种宽带低噪声放大器，如图1所示，采用共源共栅结构，主要由共源结构MOS管M1，共栅结构MOS管M2，输入匹配电容C1，接地电容C2，输出匹配电容C3，第一电感L1，第二电感L2，第一电阻R1，第二电阻R2以及第三电阻R3组成。其中，共源结构MOS管M1和共栅结构MOS管M2均为NMOS管。

共源结构MOS管M1的栅极与第一电阻R1和第一电感L1的一端连接。第一电感L1的另一端与射频信号输入端口Vin和输入匹配电容C1的一端连接。输入匹配电容C1的另一端连接到地。第一电阻R1的另一端连接第一偏置电压Vb1。共栅结构MOS管M2的栅极同时与第二电阻R2和接地电容C2的一端相连。接地电容C2的另一端接地。第二电阻R2的另一端连接第二偏置电压Vb2。由于共源结构MOS管M1和共栅结构MOS管M2共用同一路静态偏置电流，这样不增加电流，而使电路增益叠加，实现了电流复用，此外还能降低电路的功耗。

共源结构MOS管M1的漏极与共栅结构MOS管M2的漏极相连。共源结构MOS管M1的源极接地。共栅结构MOS管M2的漏极与输出匹配电容C3和第二电感L2的一端相连。第二电感L2的另一端与第三电阻R3一端相连。第三电阻R3的另一端与外部电源连接。输出匹配电容C3的另一端连接到信号输出端口Vout。由于共栅结构MOS管M2的漏极连接的第二电感L2与第三电阻R3构成并联峰化结构，因而能有效提高电路的带宽。同时，第二电感L2、第三电阻R3和输出匹配电容C3构成宽带低噪声放大器的输出匹配网络结构，完成电路的输出阻抗匹配。

共源结构MOS管M1与共栅结构MOS管M2构成共源共栅结构，采用该电路结构能有效抑制输出与输入信号之间的馈通，提高电路的反向隔离度，同时改善电路增益和稳定性。

输入匹配电容C1、第一电感L1与共源结构MOS管M1的栅极和源极之间的寄生电阻r_O1构成所述宽带低噪声放大器的输入匹配网络结构，输入匹配阻抗经过外推计算得到，计算公式如(1)

$Z_{in}=\frac{r_{O1}+j\mathrm{\ω}(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_{gs}})}{1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_1(L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_{gs}})+{\mathrm{j\ωC}}_1{r}_{O1}}---\left(1\right)$

其中，r_O1是共源结构MOS管M1的栅极和源极之间的寄生电阻，C_gs是共源结构MOS管M1的栅极和源极之间的寄生电容。

根据上面公式(1),可以看到通过适当选择第一电感L1与输入匹配电容C1的值，即可实现宽频带范围的输入50Ω阻抗匹配。在本发明优选实施例中，输入匹配电容C1的电容值为0.1-0.7pF。输入匹配电容C1的电容值为0.36pF。

以上是本发明所述的宽带低噪声放大器的详细描述。本发明通过有效利用共源MOS晶体管的漏极与源极之间的寄生电阻和在输入端口与地之间增加一个输入匹配电容，并折中优化其电容值来改善输入匹配特性。本发明实施例的有益效果包括：它输入匹配网络结构简单，只采用了两个额外器件就有效提高了输入阻抗匹配特性，而输入匹配网络结构对电路的其它性能如噪声，增益等方面几乎没有影响，使得能够从整体上优化宽带低噪声放大器的性能。

图2所示为本宽带低噪声放大器的输入阻抗匹配与工作频率的关系特性曲线。纵坐标表示输入反射系数S11,单位是dB，横坐标表示工作频率，单位GHz.从图2可以看出，本发明宽带低噪声放大器在0-3GHz频率范围内的输入反射系数S11均小于-10dB,即该放大器可工作于0-3GHz的宽频率范围内。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于：由共源结构MOS管M1、共栅结构MOS管M2、输入匹配电容C1、接地电容C2、输出匹配电容C3、第一电感L1、第二电感L2、第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3组成；

共源结构MOS管M1的漏极与共栅结构MOS管M2的漏极相连；

共源结构MOS管M1的栅极与第一电阻R1和第一电感L1的一端连接；第一电感L1的另一端与射频信号输入端口Vin和输入匹配电容C1的一端连接；输入匹配电容C1的另一端连接到地；第一电阻R1的另一端连接第一偏置电压Vb1；

共栅结构MOS管M2的栅极同时与第二电阻R2和接地电容C2的一端相连；接地电容C2的另一端接地；第二电阻R2的另一端连接第二偏置电压Vb2；

共源结构MOS管M1的源极接地；

共栅结构MOS管M2的漏极与输出匹配电容C3和第二电感L2的一端相连；第二电感L2的另一端与第三电阻R3一端相连；第三电阻R3的另一端与外部电源连接；输出匹配电容C3的另一端连接到信号输出端口Vout。

2.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于：共源结构MOS管M1和共栅结构MOS管M2均为NMOS管。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于：输入匹配电容C1的电容值的取值范围为0.1pF～0.7pF。

4.根据权利要求3所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于：输入匹配电容C1的电容值为0.36pF。