CN105680802B

CN105680802B - 一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器

Info

Publication number: CN105680802B
Application number: CN201510856217.7A
Authority: CN
Inventors: 卢新民; 张君直
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105680802A

Abstract

本发明公开了一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器，包括输入匹配单元，信号放大单元和输出驱动单元，单端射频输入信号RFin输入至输入匹配单元，在输入匹配单元中单端射频输入信号RFin完成50欧输入匹配并将输入的射频电压信号转换成射频电流信号，输入匹配单元将射频电流信号耦合到信号放大单元，信号放大单元将输入的射频电流信号进行放大并转换成射频电压信号，信号放大单元将放大后的射频电压信号耦合到输出驱动单元，输出驱动单元对输入的射频电压信号进一步放大并输出射频信号RFout。本发明能够大幅降低功耗，提高功率增益，降低噪声系数，线性度高，隔离度好，所有元件均可在片内实现，减少了外围电路元件，降低了成本，可以应用于宽带射频收发机中。

Description

一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于放大器技术领域，特别涉及一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器。

背景技术

共栅结构放大器被广泛应用于宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其输入匹配具有宽带特性，传统的共栅结构放大器电路如图1所示。信号由晶体管M1、M2源极输入，通过调整M1和M2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1和M2的电流大小，进而改变M1和M2的跨导g_m，使其输入阻抗与50欧姆天线或者传输线匹配。通过调整负载电阻R1和R2的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构宽带放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(g_m+g_mb)，其中g_m为输入晶体管跨导，g_mb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使1/(g_m+g_mb)近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。

第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以适用于对隔离度指标要求较高的应用场合。

最后是噪声大，采用传统共栅结构的宽带放大器的噪声系数较大，往往超过4dB。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益和隔离度的低功耗单片集成宽带低噪声放大器。

技术方案：为了达到上述发明目的，本发明提供一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器，包括输入匹配单元，信号放大单元和输出驱动单元，单端射频输入信号RFin输入至输入匹配单元，在输入匹配单元中单端射频输入信号RFin完成50欧输入匹配并将输入的射频电压信号转换成射频电流信号，输入匹配单元将射频电流信号耦合到信号放大单元，信号放大单元将输入的射频电流信号进行放大并转换成射频电压信号，信号放大单元将放大后的射频电压信号耦合到输出驱动单元，输出驱动单元对输入的射频电压信号进一步放大并输出射频信号RFout。

进一步，所述输入匹配单元包括第三NMOS管M3，第一电容C1、第二电容C2，第一二极管D1、第二二极管D2，射频扼流圈RFC；第三NMOS管M3的栅极和第二电容C2的一端第一偏置电压Bias1连接，第二电容C2的另一端连接地，第三NMOS管M3的源极和第一电容C1的一端、第二二极管D2的正极、第一二极管D1的负极、射频扼流圈RFC的一端连接，第一电容C1的另一端与输入信号RFin连接，射频扼流圈RFC的另一端连接地，第一二极管D1的正极连接地，第二二极管D2的负极与电源VDD连接。

进一步，信号放大单元包括第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第三电阻R3；第四NMOS管M4的栅极和第四电容C4的一端均与第二偏置电压Bias2连接，第四NMOS管M4的源极和第一电感L1的一端、第三电容C3的一端连接，第一电感L1的另一端和第二电感L2的一端连接，第三电容C3的另一端连接地，第二电感L2的另一端和第四电容C4的另一端连接，第四NMOS管M4的漏极和第五NMOS管M5的源极连接，第五NMOS管M5的栅极和第五电容C5的一端均与第三偏置电压Bias3连接，第五电容C5的另一端连接地，第五NMOS管M5的漏极和第三电感L3的一端、第三电阻R3的一端、第六电容C6的一端连接，第三电感L3的另一端和第三电阻R3的另一端均与电源VDD连接。

进一步，所述输出驱动单元包括第六NMOS管M6、第七NMOS管M7、第八NMOS管M8、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第四电感L4和第四电阻R4；第七NMOS管M7的栅极、第七电容C7的一端和第八电容C8的一端均与第四偏置电压Bias4连接，第七NMOS管M7的漏极和第八NMOS管M8的源极、第六NMOS管M6的漏极连接，第七NMOS管M7的源极接地，第六NMOS管M6的源极接地，第六NMOS管M6的栅极和第八电容C8的另一端均与第五电压Bias5连接，第八NMOS管M8的栅极与电源VDD连接，第八NMOS管M8的漏极和第四电阻R4的一端、第四电感L4的一端、第九电容C9的一端相连接，第四电阻R4的另一端和第七电容C7的另一端连接，第四电感L4的另一端与电源VDD连接，第九电容C9的另一端输出射频信号RFout。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：

(1)功耗低。在实现50欧姆输入阻抗匹配和较高增益的要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗。

(2)增益高。本发明通过输入匹配单元、信号放大单元和输出匹配单元三级电路级联，可以在输入输出均匹配的前提下提供较高的功率增益。在相同功耗条件下本发明相对于传统单级共栅结构放大器其电压增益大幅提高。

(3)噪声低。本发明采用了电流复用技术，在相同功耗条件下本发明相对于传统单级共栅放大器可以提供更高的增益，从而可以获得更低的噪声系数。

(4)线性度高。本发明采用了双栅并联技术，在相同功耗条件下本发明相对于没有采用双栅并联技术的低噪声放大器，输出1dB压缩点可以从-3dBm提高到2dBm。

(5)隔离度好。本发明采用三级级联结构，相比只有单级的传统共栅放大器，电路隔离度可从原先的30dB提高至75dB。

(6)本发明提出的单片集成宽带低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高功率增益，降低噪声系数，所有元件均可在片内实现，减少了外围电路元件，降低了成本，可以应用于宽带射频收发机中。

附图说明

图1是传统的共栅结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明低噪声放大器的电路方框图；

图3是本发明低噪声放大器的电路图；

图4是相同功耗下本发明与传统的共栅结构低噪声放大器电路增益仿真曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统的共栅结构低噪声放大器噪声系数仿真曲线比较。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图2所示，一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器包括输入匹配单元1、信号放大单元2、输出驱动单元3；输入匹配单元1、信号放大单元2输出驱动单元3依次连接。单端射频输入信号RFin从输入匹配单元1的输入端进入输入匹配单元1，在输入匹配单元1中完成50欧输入匹配的基础上，将输入的射频电压信号转换成射频电流信号；输入匹配单元1将射频电流信号从其输出端耦合到信号放大单元2，信号放大单元2将输入的射频电流信号进行放大并转换成射频电压信号，信号放大单元2将放大后的射频电压信号从其输出端耦合到输出驱动单元3，输出驱动单元3对输入的射频电压信号进一步放大并输出射频信号RFout。

如图3所示，输入匹配单元1采用共栅结构，该结构具有宽带输入匹配特性，且对芯片封装寄生参数不敏感。输入匹配单元1的输入端增加了两个二极管构成的射频ESD保护电路，以保护芯片不被静电损毁。信号放大单元2堆叠在输入匹配单元1上面，与输入匹配单元1复用偏置电流以降低低噪声放大器的整体功耗。输入匹配单元1和信号放大单元2之间采用了栅极串联峰化技术来拓展带宽，栅极串联峰化技术即为将峰化电感放于输入晶体管的栅极处。信号放大单元2采用共源共栅结构以提供较高的增益和较好的反向隔离度。经信号放大单元2放大后的射频信号通过电容耦合到输出驱动单元3的输入端，输出驱动单元3同样采用了共源共栅结构来提升反向隔离度，与信号放大单元2不同的是输出驱动单元3采用了双栅并联技术和负反馈技术来提高输出级的线性度。

单端射频输入信号RFin通过第一电容C1将单端射频输入信号中的交流信号到输入匹配单元1的第三NMOS管M3的源极，第一二极管D1第二二极管D2构成了射频ESD保护电路。第三NMOS管M3的偏置电压通过射频扼流圈RFC流入接地端，射频扼流圈RFC可以阻止射频输入信号被旁路到地。第三NMOS管M3的栅极与第一偏置电压Bias1连接，第二电容C2连接在第三NMOS管M3的栅极和接地端之间，在第三NMOS管M3的栅极的栅极形成了一个交流地，可以有效降低共栅输入级的噪声系数。第三NMOS管M3的栅极的漏极连接到信号放大单元2的输入端，将射频电流信号输出至信号放大单元2。

信号放大单元2中的第一电感L1将输入匹配单元1耦合过来的射频电流信号转换成射频电压信号，射频电压信号通过第二电感L2和第四电容C4耦合到第四NMOS管M4的栅极，第二电感L2和第四电容C4构成了栅极串联峰化结构，可以有效拓展级联后的放大器带宽。第二偏置电压Bias2连接到第四NMOS管M4的栅极，为其提供偏置。第三电容C3连接在第四NMOS管M4的源极和接地端之间，在NMOS管的源极形成了一个交流地，将交流信号短路到地，降低了输入匹配单元1和信号放大单元2之间的相互耦合。第四NMOS管M4的漏极与第五NMOS管M5的源极连接，NMOS管M2第四NMOS管M4和第五NMOS管M5构成了共源共栅结构，可以有效提升电路增益和反向隔离度。第五NMOS管M5的栅极与第三偏置电压Bias3连接，第五电容C5连接在第五NMOS管M5的栅极和接地端之间，在第五NMOS管M5的栅极形成了一个交流地，以降低第五NMOS管M5的噪声。第五NMOS管M5的漏极连接到第三电感L3和第三电阻R3的一端，第三电感L3和第三电阻R3的另一端连接到电源VDD，第三电感L3、第三电阻R3和输出驱动单元3的输入电容一起构成了信号放大单元2的负载，其中，输出驱动单元3的输入电容为单元电路2输出端相对于地来说的等效电容，也可以理解为输出驱动单元3整体相对于地的等效电容。第三电感L3和输出驱动单元3的输出电容构成LC并联谐振电路，确定了放大器工作的中心频点，其中，输出驱动单元3的输出电容表示输出驱动单元3的输出端相对地的等效电容。第三电阻R3可以有限降低并联谐振电路的品质因素Q，从而获得较大的带宽。第六电容C6连接在第五NMOS管M5的漏极和输出匹配单元3的输入端之间，将经过放大的射频信号输出至输出驱动单元3。

输出驱动单元3的输入端连接到第七NMOS管M7的栅极，同时输出驱动单元3的输入端通过第八电容C8连接到第六NMOS管M6的栅极，第四偏置电压Bias4和第五偏置电压Bias5分别给第七NMOS管M7和第六NMOS管M6提供偏置电压，第七NMOS管M7和第六NMOS管M6构成了双栅结构。第六NMOS管M6的宽长比较大，被偏置在饱和区，其跨导为g_m6，第七NMOS管M7的宽长比较小，被偏置在线性区，其跨导为g_m7，输出驱动单元3的电路总跨导g_m＝g_m6+g_m7，通过调整第六NMOS管M6和第七NMOS管M7的宽长比，可以使g_m6和g_m7的三次非线性项相互抵消，从而提升输出单元电路总跨导g_m的线性度。第六NMOS管M6和第七NMOS管M7的漏极均与第八NMOS管M8的源极连接，第八NMOS管M8的栅极连接到电源VDD，第八NMOS管M8的漏极串联第四电感L4后连接到电源VDD，第四电阻R42和第七电容C7构成了信号反馈支路，将第八NMOS管M8输出的信号反馈到输出驱动单元3的输入端，进一步提高输出驱动单元3的线性度。射频输出信号RFout从第八NMOS管M8的漏极通过串联的第九电容C9后输出。

单端射频输入信号RFin通过输入匹配单元1输入，信号放大单元2堆叠在输入匹配单元1的上面，信号放大单元2中的第四NMOS管M4和第五NMOS管M5与输入匹配单元1中的第三NMOS管M3复用偏置电流，从而大幅降低了低噪声放大器的整体功耗。同时，本发明采用输入匹配单元1、信号放大单元2和输出驱动单元3三级放大器级联的结构，大幅提高了低噪声放大器的整体增益，降低了噪声系数。

另一方面，低噪声放大器的线性度主要由其末级电路输出驱动单元3决定。输出驱动单元3中的第六NMOS管M6和第七NMOS管M7构成了双栅跨导结构，第六NMOS管M6和第七NMOS管M7被分别偏置在饱和区和线性区。由于工作在饱和区和线性区的NMOS管的跨导值g_m的三次非线性项的符号恰好相反，通过调整第六NMOS管M6和第七NMOS管M7的宽长比，可以使第六NMOS管M6和第七NMOS管M7的g_m值的三次非线性项绝对值相等。输出驱动单元3的电路总跨导g_m＝g_m6+g_m7，g_m6和g_m7的三次非线性项符号相反，绝对值相等，从而使g_m的三次非线性项等于0，大幅提高了输出驱动单元3的线性度，从而提高了低噪声放大器整体的线性度。

同时采用本发明提供的放大器和传统的放大器在3.0V电源电压，7mA工作电流下工作，本发明通过输入匹配单元和信号放大单元之间的电流复用技术可以将功耗降低至21mW。本发明输出1dB压缩点可以从-3dBm提高到2dBm。本发明电路隔离度可从原先的30dB提高至75dB。如图4所示，在相同功耗下本发明提供的低噪声放大器电路增益高于传统的共栅结构低噪声放大器电路增益。如图5所示，相同功耗下本发明提供的低噪声放大器电路的噪声系数低于传统的共栅结构低噪声放大器噪声系数。

Claims

1.一种低功耗单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于：包括输入匹配单元，信号放大单元和输出驱动单元，单端射频输入信号RFin输入至输入匹配单元，在输入匹配单元中单端射频输入信号RFin完成50欧输入匹配并将输入的射频电压信号转换成射频电流信号，输入匹配单元将射频电流信号耦合到信号放大单元，信号放大单元将输入的射频电流信号进行放大并转换成射频电压信号，信号放大单元将放大后的射频电压信号耦合到输出驱动单元，输出驱动单元对输入的射频电压信号进一步放大并输出射频信号RFout；其中，信号放大单元包括第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第三电阻R3；第四NMOS管M4的栅极和第四电容C4的一端均与第二偏置电压Bias2连接，第四NMOS管M4的源极和第一电感L1的一端、第三电容C3的一端连接，第一电感L1的另一端和第二电感L2的一端连接，第三电容C3的另一端连接地，第二电感L2的另一端和第四电容C4的另一端连接，第四NMOS管M4的漏极和第五NMOS管M5的源极连接，第五NMOS管M5的栅极和第五电容C5的一端均与第三偏置电压Bias3连接，第五电容C5的另一端连接地，第五NMOS管M5的漏极和第三电感L3的一端、第三电阻R3的一端、第六电容C6的一端连接，第三电感L3的另一端和第三电阻R3的另一端均与电源VDD连接。

2.根据权利要求1所述的低功耗单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配单元包括第三NMOS管M3，第一电容C1、第二电容C2，第一二极管D1、第二二极管D2，射频扼流圈RFC；第三NMOS管M3的栅极和第二电容C2的一端与第一偏置电压Bias1连接，第二电容C2的另一端连接地，第三NMOS管M3的源极和第一电容C1的一端、第二二极管D2的正极、第一二极管D1的负极、射频扼流圈RFC的一端连接，第一电容C1的另一端与输入信号RFin连接，射频扼流圈RFC的另一端连接地，第一二极管D1的正极连接地，第二二极管D2的负极与电源VDD连接。

3.根据权利要求1所述的低功耗单片集成宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出驱动单元包括第六NMOS管M6、第七NMOS管M7、第八NMOS管M8、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第四电感L4和第四电阻R4；第七NMOS管M7的栅极、第七电容C7的一端和第八电容C8的一端均与第四偏置电压Bias4连接，第七NMOS管M7的漏极和第八NMOS管M8的源极、第六NMOS管M6的漏极连接，第七NMOS管M7的源极接地，第六NMOS管M6的源极接地，第六NMOS管M6的栅极和第八电容C8的另一端均与第五电压Bias5连接，第八NMOS管M8的栅极与电源VDD连接，第八NMOS管M8的漏极和第四电阻R4的一端、第四电感L4的一端、第九电容C9的一端相连接，第四电阻R4的另一端和第七电容C7的另一端连接，第四电感L4的另一端与电源VDD连接，第九电容C9的另一端输出射频信号RFout。