CN106817094A - 一种射频低噪声放大器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频低噪声放大器及其实现方法，该射频低噪声放大器包括：输入级电路，采用互补衍生叠加电路结构对输入信号进行放大，利用该结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，得到经过线性放大的第一射频输出；滤波电路，连接于输入级电路与输出级电路之间，用于实现该输入级电路的第一射频输出和输出级电路的第二射频输入的匹配和噪声的滤除；输出级电路，采用单端衍生叠加电路，将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出进一步放大；反馈回路，把高线性的该输出级电路的第二射频输出和直流信号反馈回该输入级电路的输入端，本发明实现了一种低功耗低噪声高线性的射频低噪声放大器。

Description

一种射频低噪声放大器及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种射频低噪声放大器及其实现方法，特别是涉及一种低功耗低噪声高线性射频低噪声放大器及其实现方法。
背景技术
射频低噪声放大器主要用在射频接收机中，根据不同应用需求对低噪声放大器(LNA)的设计要求会有所不同。高性能的低噪声放大器通常的功耗会非常的高，但是由于对后级电路性能的影响比较重大，所以在低噪声放大器的设计过程中会放宽对功耗的限制。但是随着科技与经济的发展，射频无线通信芯片对功耗的限制也越来越高，希望可以在保证高性能的同时降低电路或芯片的功耗，例如设计低功耗低噪声高线性的射频低噪声放大器。
传统的高线性技术主要有衍生叠加，反馈，优化偏置，前馈等等。对于低功耗主要有电流复用，折叠共源共栅结构等等。但是他们都是只可以实现高线性或者低功耗，目前还没有可以同时可以实现低功耗，低噪声和高线性的结构。因此，研究低功耗低噪声高线性的低噪声放大器具有非常重要的现实意义。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种射频低噪声放大器及其实现方法，以实现低功耗低噪声高线性的射频低噪声放大器，满足低功耗高性能的射频无线通信的发展需求。
为达上述及其它目的，本发明提出一种射频低噪声放大器，包括：
输入级电路，采用互补衍生叠加的电路结构对输入信号Input1进行放大，充分利用互补衍生叠加电路结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，从而得到经过线性放大的第一射频输出Output1；
滤波电路，连接于该输入级电路与输出级电路之间，用于实现该输入级电路的第一射频输出Output1和输出级电路的第二射频输入Input2的匹配和噪声的滤除；
输出级电路，采用单端衍生叠加电路，将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出Output1进一步放大；
反馈回路，用于把高线性的该输出级电路的第二射频输出Output2和直流信号反馈回该输入级电路的输入端Input1。
进一步地，该输入级电路包括第一PMOS管、第三NMOS管、第一电感、第二电感、第一电容、第三的电容、第一电阻、第三电阻以及第五电阻，该输入信号Input1连接至该第一PMOS管和第三NMOS管的栅极、第一电容和第三电容的的一端以及第一电阻、第三电阻和第五电阻的一端，该第一电容的另一端接电源电压，该第三电容的另一端接地，该第一电阻的另一端接第一偏置电压，该第三电阻的另一端接第三偏置电压，该第五电阻的另一端与该第一PMOS管、第三NMOS管的漏极组成第一射频输出Output1节点，该第一PMOS管的源极通过第一电感连接电源电压，该第三PMOS管的源极通过第二电感接地。
进一步地，该输入级电路还包括第二PMOS管、第四NMOS管、第二电容、第四电容、第二电阻以及第四电阻，该第一PMOS管的源极接该第二电容的一端、该第二PMOS管的源极，该第二电容的另一端连接该第二PMOS管的栅极和第二电阻的一端，第二电阻的另一端接第二偏置电压，该第三NMOS管的源极接该第四电容的一端、该第四NMOS管的源极，该第四电容的另一端接该第四NMOS管的栅极和第四电阻的一端，该第四电阻的另一端接第四偏置电压，该第五电阻的另一端与该第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管的漏极相连组成第一射频输出Output1节点。
进一步地，该输出级电路包括第五NMOS管、第三电感、第四电感、第五电容、第七电容、第八电容、第七电阻、第八电阻，经滤波电路后的第二射频输入信号Input2连接至第五NMOS管的栅极、第七电容的一端以及第七电阻、第八电阻的一端，第七电容的另一端接地，第八电阻的另一端接第五偏置电压，第七电阻的另一端接第五NMOS管的漏极，第五电容和第八电容的一端以及第三电感的一端，第五电容和第三电感的另一端接电源电压，该第八电容的另一端为第二射频输出Output2节点，该第二射频输出Output2连接至该反馈回路的输入端，该第五NMOS管的源极通过第四电感接地。
进一步地，该输出级电路还包括第六NMOS管、第六电容以及第六电阻，该第五NMOS管的源极接该第六电容的一端、该第六NMOS管的源极，该第六电容的另一端接该第六NMOS管的栅极和该第六电阻的一端，该第六电阻的另一端接第六偏置电压。
进一步地，该滤波电路包括第五电感、第九电容、第十电容，该第五电感一端连接第一射频输出Output1，另一端连接第九电容和第十电容的一端，该第九电容的另一端接电源电压，该第十电容的另一端接第二射频输入信号Input2。
进一步地，该滤波电路通过调整电感值与电容值实现该输入级电路的第一射频输出Output1和输出级电路的第二射频输入Input2的匹配和噪声的滤除。
进一步地，该反馈回路包括通过一电阻或源极入漏极出的MOS管，其输入为该第二射频输出Output2，输出反馈至该第一射频输入Input1。
为达到上述目的，本发明还提供一种射频低噪声放大器的实现方法，包括如下步骤：
步骤一，利用采用互补衍生叠加电路结构的输入级电路对输入信号Input1进行放大，利用互补衍生叠加电路结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，得到经过线性放大的第一射频输出Output1；
步骤二，利用滤波电路对该输入级电路的第一射频输出Output1进行噪声滤除后作为第二射频输入Input2输至输出级电路，并对该输入级电路的第一射频输出Output1和该输出级电路的第二射频输入Input2的匹配；
步骤三，利用采用单端单端衍生叠加电路结构的输出级节点路将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出Output1进一步放大；
步骤四，利用反馈电路将该输出级电路的高线性的第二射频输出Output2和直流信号反馈回该输入级电路的输入端。
进一步地，于步骤一与步骤三中，通过改变输入级电路与输出级场效应管的栅极偏置电压进一步优化线性度。
与现有技术相比，本发明一种射频低噪声放大器及其实现方法通过采用互补衍生叠加与单端衍生叠加相结合作为输入级电路，充分利用PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，将输入级信号的线性度提升至传统的两倍，解决了单一技术对信号线性度提升不足的问题，同时于输出级电路采用单端衍生叠加电路取代传统无线性度提高的输出级电路来提高输出级线号的线性度，通过调整输出级电路的场效应管的栅极电压来优化线性度，可以实现信号线性度的进一步提升，解决了传统输出级信号线性度恶化的问题，本发明通过采用反馈电路存在于高线性的两级电路之间，仅把高线性信号和直流信号反馈回电路的输入端，实现高线性反馈的同时又实现了电流的复用，解决了传统电路的高功耗，线性度恶化的问题，本发明通过在高线性的输入与输出级之间加入滤波调谐电路，以解决电路的噪声以及输入级与输出级电路之间的匹配，达到了电路的线性度不恶化以及低噪声的目的。
附图说明
图1为本发明一种射频低噪声放大器的电路示意图；
图2为本发明具体实施例中输入级电路的电路结构图；
图3为本发明具体实施例中滤波电路的电路结构图；
图4为本发明具体实施例中输出级电路的电路结构图；
图5为本发明具体实施例中反馈电路的电路结构图；
图6为本发明一种射频低噪声放大器的实现方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种射频低噪声放大器的电路示意图，图2为本发明具体实施例中输入级电路的电路结构图，图3为本发明具体实施例中滤波电路的电路结构图，图4为本发明具体实施例中输出级电路的电路结构图，图5为本发明具体实施例中反馈电路的电路结构图。如图1-图5所示，本发明一种射频低噪声放大器，包括：输入级电路10、滤波电路20、输出级电路30和反馈回路40。
其中，输入级电路10由PMOS管M1-M2、NMOS管M3-M4、电感L1-L2、电阻R1-R5以及电容C1-C4组成，采用互补衍生叠加的电路结构对输入信号Input1进行放大，充分利用互补衍生叠加的电路结构的PMOS管与NMOS管的不同电流特性来提高输入级信号的线性度，同时通过改变场效应管的栅极偏置电压来优化线性度，从而得到经过线性放大的第一射频输出Output1；滤波电路20由电感L5、电容C9-C10组成，用于实现级间(输入级电路10的第一射频输出端Output1和输出级电路30的第二射频输入端Input2)的匹配和噪声的滤除作用，主要通过调整电感值与电容值来实现；输出级电路30由NMOS管M5-M6、电感L3-L4、电阻R6-R8以及电容C5-C8组成，采用单端衍生叠加电路取代传统无线性度提高的输出级电路来提高输出级线号的线性度，主要通过调整输出级电路的场效应管的栅极电压来优化线性度，将经过滤波电路20处理过的输入级电路10的第一输出射频信号Output1进一步放大；反馈回路40，用于把高线性的输出级电路30的第二射频输出信号Output2和直流信号反馈回电路的输入端Input1，实现了电流的有效复用并抑制了线性度的恶化，在本发明具体实施例中，反馈回路40可通过电阻或源极入漏极出的MOS管实现，本发明不以此为限。
输入信号Input1连接至PMOS管M1和NMOS管M3的栅极、电容C1和C3之一端以及电阻R1、R3和R5之一端，电容C1之另一端接电源VDD，电容C3之另一端接地Gnd，电阻R1之另一端接偏置电压Vb1，电阻R3之另一端接偏置电压Vb3，电阻R5之另一端与PMOS管M1-M2和NMOS管M3-M4的漏极相连组成第一射频输出Output1节点，PMOS管M1的源极接电容C2之一端、电感L1之一端、PMOS管M2之源极，电感L1之另一端接电源VDD，电容C2之另一端接PMOS管M2之栅极和电阻R2之一端，电阻R2之另一端接偏置电压Vb2，NMOS管M3的源极接电容C4之一端、电感L2之一端、NMOS管M4之源极，电感L2之另一端接地Gnd，电容C4之另一端接NMOS管M4之栅极和电阻R4之一端，电阻R4之另一端接偏置电压Vb4，在本发明中，电容C2,C4用于隔离直流，耦合交流信号以及MOS管之间的匹配，与寄生电感谐振等等的作用；第一射频输出Output1节点连接至电感电感L5之一端，电感L5之另一端连接至电容C9-C10之一端，电容C9之另一端连接至电源VDD，电容C10之另一端连接至第二射频输入端Input2；第二射频输入信号Input2连接至NMOS管M5的栅极、电容C7之一端以及电阻R7和R8之一端，电容C7之另一端接地Gnd，电阻R8之另一端接偏置电压Vb5，电阻R7之另一端接NMOS管M5-M6之漏极、电容C5和C8之一端以及电感L3之一端，电容C5和电感L3之另一端接电源VDD，电容C8之另一端为第二射频输出Output2节点，NMOS管M5的源极接电容C6之一端、电感L4之一端、NMOS管M6之源极，电感L4之另一端接地Gnd，电容C6之另一端接NMOS管M6之栅极和电阻R6之一端，电阻R6之另一端接偏置电压Vb6；第二射频输出Output2连接至反馈回路40之输入端，反馈回路40之输出端连接至输入信号Input1。
在本发明具体实施例中，PMOS管M2与NMOS管M4是用于对PMOS管M1与NMOS管M3起到进一步改善线性的作用。其主要通过调整MOS管的偏置电压来改变MOS管得工作区域：使PMOS管M2(NMOS管M4)在线性区，PMOS管M1(NMOS管M3)在饱和区，再于输出端把输出信号相加抵消相应的分量来改善线性，最好地，MOS管M2(M4)的宽长比为MOS管M1(M3)的两倍。MOS管M1管的宽长比为MOS管M3管的两到三倍，但本发明不以此为限。
图6为本发明一种射频低噪声放大器的实现方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种射频低噪声放大器的实现方法，包括如下步骤：
步骤601，利用采用互补衍生叠加电路结构的输入级电路对输入信号Input1进行放大，利用互补衍生叠加电路结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，得到经过线性放大的第一射频输出Output1；较佳地，本发明还通过改变输入级电路的场效应管的栅极偏置电压来优化线性度，从而得到经过线性放大的第一射频输出Output1；
步骤602，利用滤波电路对该输入级电路的第一射频输出Output1进行噪声滤除后作为第二射频输入Input2输至输出级电路，并对该输入级电路的第一射频输出Output1和该输出级电路的第二射频输入Input2的匹配；
步骤603，利用采用单端单端衍生叠加电路结构的输出级节点路将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出Output1进一步放大；在本发明具体实施例中，本发明还通过调整输出级电路的场效应管的栅极电压来优化线性度；
步骤604，利用反馈电路将该输出级电路的高线性的第二射频输出Output2和直流信号反馈回该输入级电路的输入端。
综上所述，本发明一种射频低噪声放大器及其实现方法通过采用互补衍生叠加与单端衍生叠加相结合作为输入级电路，充分利用PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，将输入级信号的线性度提升至传统的两倍，解决了单一技术对信号线性度提升不足的问题，同时于输出级电路采用单端衍生叠加电路取代传统无线性度提高的输出级电路来提高输出级线号的线性度，通过调整输出级电路的场效应管的栅极电压来优化线性度，可以实现信号线性度的进一步提升，解决了传统输出级信号线性度恶化的问题，本发明通过采用反馈电路存在于高线性的两级电路之间，仅把高线性信号和直流信号反馈回电路的输入端，实现高线性反馈的同时又实现了电流的复用，解决了传统电路的高功耗，线性度恶化的问题，本发明通过在高线性的输入与输出级之间加入滤波调谐电路，以解决电路的噪声以及输入级与输出级电路之间的匹配，达到了电路的线性度不恶化以及低噪声的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种射频低噪声放大器，包括：
输入级电路，采用互补衍生叠加的电路结构对输入信号Input1进行放大，充分利用互补衍生叠加电路结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，从而得到经过线性放大的第一射频输出Output1；
滤波电路，连接于该输入级电路与输出级电路之间，用于实现该输入级电路的第一射频输出Output1和输出级电路的第二射频输入Input2的匹配和噪声的滤除；
输出级电路，采用单端衍生叠加电路，将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出Output1进一步放大；
反馈回路，用于把高线性的该输出级电路的第二射频输出Output2和直流信号反馈回该输入级电路的输入端Input1。
2.如权利要求1所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该输入级电路包括第一PMOS管、第三NMOS管、第一电感、第二电感、第一电容、第三的电容、第一电阻、第三电阻以及第五电阻，该输入信号Input1连接至该第一PMOS管和第三NMOS管的栅极、第一电容和第三电容的的一端以及第一电阻、第三电阻和第五电阻的一端，该第一电容的另一端接电源电压，该第三电容的另一端接地，该第一电阻的另一端接第一偏置电压，该第三电阻的另一端接第三偏置电压，该第五电阻的另一端与该第一PMOS管、第三NMOS管的漏极组成第一射频输出Output1节点，该第一PMOS管的源极通过第一电感连接电源电压，该第三PMOS管的源极通过第二电感接地。
3.如权利要求2所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该输入级电路还包括第二PMOS管、第四NMOS管、第二电容、第四电容、第二电阻以及第四电阻，该第一PMOS管的源极接该第二电容的一端、该第二PMOS管的源极，该第二电容的另一端连接该第二PMOS管的栅极和第二电阻的一端，第二电阻的另一端接第二偏置电压，该第三NMOS管的源极接该第四电容的一端、该第四NMOS管的源极，该第四电容的另一端接该第四NMOS管的栅极和第四电阻的一端，该第四电阻的另一端接第四偏置电压，该第五电阻的另一端与该第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管的漏极相连组成第一射频输出Output1节点。
4.如权利要求1所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该输出级电路包括第五NMOS管、第三电感、第四电感、第五电容、第七电容、第八电容、第七电阻、第八电阻，经滤波电路后的第二射频输入信号Input2连接至第五NMOS管的栅极、第七电容的一端以及第七电阻、第八电阻的一端，第七电容的另一端接地，第八电阻的另一端接第五偏置电压，第七电阻的另一端接第五NMOS管的漏极，第五电容和第八电容的一端以及第三电感的一端，第五电容和第三电感的另一端接电源电压，该第八电容的另一端为第二射频输出Output2节点，该第二射频输出Output2连接至该反馈回路的输入端，该第五NMOS管的源极通过第四电感接地。
5.如权利要求4所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该输出级电路还包括第六NMOS管、第六电容以及第六电阻，该第五NMOS管的源极接该第六电容的一端、该第六NMOS管的源极，该第六电容的另一端接该第六NMOS管的栅极和该第六电阻的一端，该第六电阻的另一端接第六偏置电压。
6.如权利要求1所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该滤波电路包括第五电感、第九电容、第十电容，该第五电感一端连接第一射频输出Output1，另一端连接第九电容和第十电容的一端，该第九电容的另一端接电源电压，该第十电容的另一端接第二射频输入信号Input2。
7.如权利要求6所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该滤波电路通过调整电感值与电容值实现该输入级电路的第一射频输出Output1和输出级电路的第二射频输入Input2的匹配和噪声的滤除。
8.如权利要求1所述的一种射频低噪声放大器，其特征在于：该反馈回路包括通过一电阻或源极入漏极出的MOS管，其输入为该第二射频输出Output2，输出反馈至该第一射频输入Input1。
9.一种射频低噪声放大器的实现方法，包括如下步骤：
步骤一，利用采用互补衍生叠加电路结构的输入级电路对输入信号Input1进行放大，利用互补衍生叠加电路结构的PMOS管与NMOS管不同电流特性来提高输入级信号的线性度，得到经过线性放大的第一射频输出Output1；
步骤二，利用滤波电路对该输入级电路的第一射频输出Output1进行噪声滤除后作为第二射频输入Input2输至输出级电路，并对该输入级电路的第一射频输出Output1和该输出级电路的第二射频输入Input2的匹配；
步骤三，利用采用单端单端衍生叠加电路结构的输出级节点路将经过该滤波电路处理过的该输入级电路的第一射频输出Output1进一步放大；
步骤四，利用反馈电路将该输出级电路的高线性的第二射频输出Output2和直流信号反馈回该输入级电路的输入端。
10.如权利要求9所述的一种射频低噪声放大器的实现方法，其特征在于：于步骤一与步骤三中，通过改变输入级电路与输出级场效应管的栅极偏置电压进一步优化线性度。
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