CN106656071A - 用于5GHzWiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，包含：输入匹配网络，用于实现接收不同强度信号情况下输入阻抗匹配；低噪声放大器，其输入端连接输入匹配网络输出端，用于对接收的第一强度信号低噪声放大处理；输出匹配网络，其输入端连接低噪声放大器输出端，用于实现接收不同强度信号情况下输出阻抗匹配；bypass通道，其输入端连接输入匹配网络的输入端，输出端连接输出匹配网络的输出端，用于对接收第二强度信号处理。本发明不论射频接收系统处于信号强弱何种情况下，低噪声放大器与bypass开关两种通道都能实现良好地阻抗匹配高效率传送信号。

Description

用于5GHzWiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统

技术领域

本发明涉及射频接收前端阻抗匹配技术领域，特别涉及一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统。

背景技术

随着通信技术不断发展以及信息交流日益频繁，以无线方式接入有线网络的无线局域网成为目前高数据率、短距离和低成本通信方式主流。根据国内外无线局域网要求和规定，无线局域网主要基于2.4GHz频段Wireless Fidelity(WiFi) 标准协议--802.11b/g协议。近几年，无线智能终端和其他一些电子设备大多数基于2.4GHz频段通信，然而设备增多以及低频段传输数据低等的特点导致信道拥堵影响通信质量。为了满足日益增加通信需求，最新WiFi标准协议为采用5GHz频段802.11ac，不但提高数据带宽又避免大多数电子设备干扰。当然，5GHz频段也有一些缺陷，比如衰减较大、系统复杂和功耗较高等。但是，高效率集成电路技术发展和通信需求使支持5GHz通信频段WiFi协议研究越来越成为热点。

随着无线智能终端爆炸性增长，高数据、大容量和多设备通信要求的无线局域网部署也越来越多。如果无线智能终端距离无线局域网5GHz频段WiFi发射设备较近，无线智能终端接收到信号幅度相对较强，仍按照之前模式进行放大和处理信号可能导致信号幅度过大造成信号失真影响通信质量。同时，无线局域网5GHz频段WiFi发射设备部署位置比较灵活，并且设备节点也相对密集。为了保证无线智能终端正常通信，无线终端设备需要根据接收信号强弱灵活地控制接收系统信号处理模式。近几年，根据接收信号强弱进行智能处理的方法和电路有很多，比如利用智能天线灵活地选择接收信号方位或者利用不同类型接收系统。虽然这些方法在一定程度上保证通信质量，但增加了系统体积和复杂度。研究表明，射频接收前端系统用于无线智能终端接收信号变频和解调处理，在无线接收设备中起到至关重要的作用。其中，低噪声放大器位于整个射频接收系统前端，其噪声系数、增益和功耗等性能直接影响整个射频接收系统性能。因此，无线终端设备能否根据接收信号强弱灵活地信号处理主要取决于低噪声放大器。针对低噪声放大器智能处理方法和电路也有很多，一种比较常见方法是利用开关根据接收信号强弱选择不同增益低噪声放大器或者通过开关灵活地控制增益。比如专利为200710201298.2一种多频带可变增益的低噪声放大器的发明专利中主要针对接收信号强弱选择偏置控制电路来实现频带选择以及开关控制反馈和负载实现增益的可调。虽然这种方法比较简单，但额外低噪声放大器增加了系统面积和功耗。另外一种利用开关形成不同增益模式下两种信号通道低噪声放大器方法越来越得到广泛地应用。考虑到天线泄露和高效率传送信号，一般无线智能设备都必须与天线进行阻抗匹配。目前无线智能设备使用天线输出阻抗几乎都是50欧姆，射频接收系统前端尤其低噪声放大器必须进行50欧姆阻抗匹配才能高效率接收信号。然而，不同增益模式下两种信号通道低噪声放大器阻抗匹配成为研究难点。例如，论文为Fully Integrated Switch-LNAFront-End IC Design in CMOS: A Systematic Approach for WLAN中主要针对2.5 GHzWLAN系统采用bypass开关通道进行控制低噪声放大器高低增益模式如图1所示。虽然bypass开关通道和其他开关能够灵活地选择通道进行信号处理实现信号增益可调，但是低噪声放大器与bypass开关两种通道匹配网络简单地进行复用而没有特别处理，最终导致两种通道信号处理性能都受到影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，不论射频接收系统处于信号强弱何种情况下，低噪声放大器与bypass开关两种通道都能实现良好地阻抗匹配高效率传送信号。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特点是，包含：

输入匹配网络，用于实现接收不同强度信号情况下输入阻抗匹配；

低噪声放大器，其输入端连接输入匹配网络输出端，用于对接收的第一强度信号低噪声放大处理；

输出匹配网络，其输入端连接低噪声放大器输出端，用于实现接收不同强度信号情况下输出阻抗匹配；

bypass通道，其输入端连接输入匹配网络的输入端，输出端连接输出匹配网络的输出端，用于对接收第二强度信号处理；

所述的输出匹配网络包含：第二电感、第二电容、第三电容和第二开关管，所述的第二电感与第二电容并联后串联连接于第三电容，所述的第二开关管漏极和源极连接于第三电容两端，其栅极连接于控制端。

当输入一第一强度信号，所述的第二开关管接收控制信号使其处于关断状态，所述的低噪声放大器处理第一强度信号。

当输入一第二强度信号，所述的第二开关管接收控制信号使其处于开启状态，并使得所述的低噪声放大器输出端处于高阻状态，且所述的第二强度信号经由bypass通道处理。

所述的输入匹配网络包含：

第一电容，其一端通过第一隔直电容连接于输入端；

第一电感、第一开关管，所述的第一电容另一端连接于第一电感一端和第一开关管的漏极，所述的第一电感另一端连接于第一开关管的源极。

所述的低噪声放大器包含共源管和共栅管，所述的共源管栅极连接于第一电感另一端，所述的共栅管的源极连接于共源管漏极，所述的共栅管漏极分别连接于第二电感、第二电容、第三电容的一端以及第二开关管的漏极。

所述的bypass通道包含：bypass电阻、bypass偏置电阻和bypass管，所述的第一电容一端连接于bypass管一漏极、bypass电阻和bypass偏置电阻的一端，所述的bypass电阻另一端和bypass管源极连接于第三电容另一端和第二开关管的源极。

该系统还包含偏置管和使能管，所述偏置管的漏极和源极分别相连接于电流源和接地，所述的使能管漏极连接于偏置管的栅极和第一开关管的源极，所述使能管栅极和源极分别连接于使能信号EN和接地。

所述的第一开关管和bypass管的栅极与控制端相连。

所述的第一强度大于第二强度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明能够根据接收信号强弱选择合适的信号处理通道，并且灵活地利用控制开关调整阻抗匹配而不是简单匹配网络复用，从而保证两种通道信号通信质量。

附图说明

图1为现有技术中两种模式低噪声放大器电路图；

图2为本发明一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统的电路图；

图3A为本发明提出的输入匹配网络统一匹配电路图；

图3B为本发明提出的输入匹配网络一种通道的电路等效图；

图3C为本发明提出的输入匹配网络另一种通道的电路等效图；

图4A、4B分别为本发明在弱信号情况下S参数和噪声系数NF仿真图；

图5A、5B为本发明在强信号情况下S参数和噪声系数NF仿真图。

具体实施方式

下面结合本发明附图以及具体实施例，进一步阐述和说明本发明。应当注意，这些实施例仅用于说明本发明一般使用而不用于限制本发明的范围。此外应当注意，在阅读了本发明描述的内容之后，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明作各种改动或修改以及其他实施用途，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定范围。

更加具体实施例，带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统如图2所示，包含：输入匹配网络，用于实现接收不同强度信号情况下输入阻抗匹配；低噪声放大器，其输入端连接输入匹配网络输出端，用于对接收的第一强度信号低噪声放大处理；输出匹配网络，其输入端连接低噪声放大器输出端，用于实现接收不同强度信号情况下输出阻抗匹配；bypass通道，其输入端连接输入匹配网络的输入端，输出端连接输出匹配网络的输出端，用于对接收第二强度信号处理。所述的输入匹配网络包含：第一电容、第一电感和第一开关管；所述的低噪声放大器包含：共源管和共栅管；所述的输出匹配网络包含：第二电感、第二电容、第三电容和第二开关管。

其中，上述统一匹配系统具体包括第一隔直电容101、第一电容102、第一电感103、第一电阻104、第二电阻105、第二电感106、第二电容107、源极电感108、第三电容109、第二隔直电容110、第一开关管111、第二开关管112、共源管113、共栅管114、偏置管115、bypass管116、bypass电阻117、bypass偏置电阻118和使能管119。所述第一隔直电容101一端连接于输入端RFIN，另一端连接于所述第一电容102、bypass管116的漏极、bypass电阻117和bypass偏置电阻118的一端；所述第一电容102另一端连接于所述第一电感103一端以及第一开关管111的漏极；所述第一电感103另一端连接于所述第一电阻104一端、第一开关管111的源极以及共源管113的栅极；所述第一电阻104另一端连接于所述偏置管115的栅极以及使能管119的漏极；所述共源管113的漏极与所述共栅管114的源极相连接；所述共栅管114的漏极连接于所述第二电感106、第二电容107、第三电容109一端相连接以及第二开关管112的漏极；所述共栅管114的栅极连接于所述第二电阻105一端；所述第二电阻105、第二电感106一端和第二电容107另一端直接与电压VDD相连接；所述第二隔直电容110一端连接于输出端RFOUT；所述第二隔直电容110的另一端连接于所述bypass电阻117的另一端、所述第一开关管112的源极以及bypass管116的源极；所述偏置管115的漏极和源极分别相连接于电流源Ib和接地；所述bypass偏置电阻118另一端连接于电压偏置Vb；所述第一开关管111、第二开关管112和bypass管116的栅极与控制端SW相连接，以及所述使能管119栅极和源极分别连接于使能信号EN和接地；根据接收信号的强弱灵活地通过调整控制信号SW和使能信号EN确定信号通路，保证通信质量。

由于低噪声放大器输出网络阻抗处于50欧姆左右，bypass通道输出端阻抗也50欧姆。如果只是简单输出网络复用而没有特别处理，整个bypass通道实际输出网络阻抗大约25欧姆左右，因此bypass通道信号通信将会受到影响。为了更加详细地说明5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配电路阻抗匹配，下面重点介绍输出网络统一匹配系统如图3A所示，主要包括LC并联和一个电容组成谐振网络，以及控制开关。当接收信号较弱时，接收设备必须利用低噪声放大器将微弱信号进行放大处理，便于后续信号变频和解调。低噪声放大器通过控制信号SW使开关处于关断状态，开关管等效为一个非常大电容Coff如图3B所示，其中LC并联和等效电容Coff与电容C2并联输出网络仍然在50欧姆左右。当接收信号较强时，接收设备仍然利用低噪声放大器将微弱信号进行放大处理可能造成信号失真。为了保证正常通信要求，低噪声放大器处于关断状态以及开关管处于开启状态，等效为一个较小电阻Ron如图3C所示。其中，等效电阻Ron与电容C2并联相当于短路，低噪声放大器输出端处于高阻状态，整个bypass通道实际输出网络阻抗大约50欧姆左右。因此，用于5GHzWiFi通信射频前端低噪声放大器不论接收信号强弱都可以实现高效率传送和处理信号。

为了进一步说明本发明工作原理，设计基于IBM 180nm SOI CMOS工艺，采用Cadence进行仿真验证和分析。下面5GHz WiFi通信信号为例具体说明，当射频输入信号非常弱（大约-80dBm），无线接收设备对信号进行放大处理，通过调整控制信号SW为低电平（一般为0）以及使能信号EN为低电平（一般为0），这样bypass通道以及控制开关处于关闭状态而低噪声放大器处于开启状态。低噪声放大器通过合理地偏置信号以及电源电压VDD信号使得共源管113和共栅管114处于饱和放大状态，通过所述第一电容102、所述第一电感103、源极电感108以及共源管113形成输入匹配，以及所述第二电感106、第二电容107和第三电容109构成输出匹配网络。当电源电压为1.8V，偏置电流源为80uA，所述共源管113栅极电压大约为615mV，处于饱和状态。低噪声放大器输入网络和输出网路阻抗在5GHz处于谐振状态，本发明提出统一匹配电路在弱信号下S参数和噪声系数NF仿真图如图4A、4B所示。从图中可以看出，仿真验证表明本发明电路在5GHz，S11和S22均小于-10dB，S21大约为14dB，S12远小于-20dB。同时，电流消耗大约7.5mA，以及噪声系数大约为1.4dB，基本上等于最小噪声系数，满足5GHz WiFi通信射频前端低噪声放大器指标要求。当射频输入信号较强（大约-40~-10dBm），无线接收设备不需要低噪声放大器对信号放大直接利用后级进行信号处理，通过调整控制信号SW为高电平（一般为VDD）以及使能信号EN为高电平（一般为VDD），这样bypass通道以及控制开关处于开启状态而低噪声放大器处于关闭状态，这样保证整个bypass通道实际输入网络和输出网络阻抗分别都在50欧姆左右，所述的bypass通道包含：bypass电阻117、bypass偏置电阻118和bypass管116。并且，bypass通道调整合理地偏置信号Vb使得所述bypass管116处于工作状态，形成一个低损耗信号通道。当电源电压为1.8V，bypass通道偏置电压Vb大约为600mV，这样保证整个bypass管正常工作，实际输入网络和输出网络阻抗分别都在50欧姆左右，本发明提出统一匹配电路在强信号下S参数和噪声系数NF仿真图如图5A、5B所示。从图中可以看出，仿真验证表明本发明电路在5GHz，S11和S22均小于-15dB，S21大约为-2dB。同时，噪声系数大约为2.4dB，基与最小噪声系数相差大约0.2dB，能够满足5GHz WiFi通信射频前端低噪声放大器指标要求。因此，本发明提供5GHzWiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统不论信号强弱工作在何种模式下都能实现良好地阻抗匹配，保证信号通信质量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，包含：

输入匹配网络，用于实现接收不同强度信号情况下输入阻抗匹配；

低噪声放大器，其输入端连接输入匹配网络输出端，用于对接收的第一强度信号低噪声放大处理；

输出匹配网络，其输入端连接低噪声放大器输出端，用于实现接收不同强度信号情况下输出阻抗匹配；

bypass通道，其输入端连接输入匹配网络的输入端，输出端连接输出匹配网络的输出端，用于对接收第二强度信号处理；

所述的输出匹配网络包含：第二电感、第二电容、第三电容和第二开关管，所述的第二电感与第二电容并联后串联连接于第三电容，所述的第二开关管漏极和源极连接于第三电容两端，其栅极连接于控制端。

2.如权利要求1所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，当输入一第一强度信号，所述的第二开关管接收控制信号使其处于关断状态，所述的低噪声放大器处理第一强度信号。

3.如权利要求1所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，当输入一第二强度信号，所述的第二开关管接收控制信号使其处于开启状态，并使得所述的低噪声放大器输出端处于高阻状态，且所述的第二强度信号经由bypass通道处理。

4.如权利要求1所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，所述的输入匹配网络包含：

第一电容，其一端通过第一隔直电容连接于输入端；

第一电感、第一开关管，所述的第一电容另一端连接于第一电感一端和第一开关管的漏极，所述的第一电感另一端连接于第一开关管的源极。

5.如权利要求4所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，所述的低噪声放大器包含共源管和共栅管，所述的共源管栅极连接于第一电感另一端，所述的共栅管的源极连接于共源管漏极，所述的共栅管漏极分别连接于第二电感、第二电容、第三电容的一端以及第二开关管的漏极。

6.如权利要求5所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，所述的bypass通道包含：bypass电阻、bypass偏置电阻和bypass管，所述的第一电容一端连接于bypass管一漏极、bypass电阻和bypass偏置电阻的一端，所述的bypass电阻另一端和bypass管源极连接于第三电容另一端和第二开关管的源极。

7.如权利要求6所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，还包含偏置管和使能管，所述偏置管的漏极和源极分别相连接于电流源和接地，所述的使能管漏极连接于偏置管的栅极和第一开关管的源极，所述使能管栅极和源极分别连接于使能信号EN和接地。

8.如权利要求6所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，所述的第一开关管和bypass管的栅极与控制端相连。

9.如权利要求1所述的用于5GHz WiFi通信带bypass通道低噪声放大器统一匹配系统，其特征在于，所述的第一强度大于第二强度。