CN107508562A - 用于全球定位导航系统的l波段宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频低噪声放大器领域，为提出一款新型基于硅基CMOS工艺的、能够兼容全球定位导航系统多个频段的宽带低噪声放大器，并实现良好的噪声性能和增益平坦度。为此，本发明采用的技术方案是，用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成，其中，第一级放大电路采用并联电容的源电感反馈型共源共栅结构，提供输入阻抗和噪声阻抗匹配的设计自由度；第二级放大电路采用噪声消除技术；级间匹配单元实现两级放大电路的匹配，而偏置电路为整体电路提供偏置。本发明主要应用于射频低噪声放大器设计制造场合。

Description

用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频低噪声放大器领域，尤其涉及一种基于CMOS工艺的、采用噪声消除技术的L波段宽带低噪声放大器。具体讲,涉及用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器。

背景技术

现有的全球定位导航卫星系统(GNSS)包括美国的GPS、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS和我国的北斗卫星导航系统，用来实现定位、导航、检测、管理等功能。根据卫星导航系统的定位原理及卫星信号特征，为实现GNSS接收机快速、连续、精确定位，多个卫星导航系统组合使用是未来发展的趋势。因此，如何实现可兼容多种频段的全球卫星导航系统成为了目前的研究热点。

当前，大部分GNSS射频接收机前端的接收频率在L波段(1GHz-2GHz)。例如，GPS的工作频段：L1C/A(中心频率1575.42MHz)，L2C(中心频率1227.6MHz)，L5(中心频率1176.45MHz)；Galileo的工作频段：E1(中心频率1575.42MHz)，E5a(中心频率1176.45MHz)，E6(中心频率1278.75MHz)；GLONASS工作频率：G1(1593MHz-1610MHz)，G2(1237MHz-1261MHz)；北斗的工作频率：B1(1559.052MHz-1591.788MHz)，B2(1166.22MHz-1217.370MHz)，B3(1250.618MHz-1268.423MHz)。在射频接收系统的设计中，提高接收端的灵敏度是实现L波段接收机的首要任务。在提高灵敏度的方法中，如何改善接收机放大电路自身的噪声系数是研究的重中之重。

由接收机级联噪声系数的原理可知，位于接收机最前端的低噪声放大器及其外围电路的影响最为关键，因此改善低噪声放大器的性能和设计水平，有着极为重要的意义。为了避免信道干扰，还要求低噪声放大器具有较高的线性度。

随着Si基CMOS工艺特征尺寸的不断缩小，亚微米CMOS工艺的晶体管可以获得几十GHz的截止频率，这为设计L波段低噪声放大器提供了可能。近年来，研究人员基于亚微米CMOS工艺，对L波段低噪声放大器的结构设计和性能优化开展了大量工作。例如，上海交通大学基于CMOS工艺设计出一款可在1.2GHz和1.5GHz两个频点工作的GNSS射频前端低噪声放大器；广东工业大学基于CMOS工艺设计了一款可在1.57GHz频点工作的低噪声放大器；而南京航空航天大学设计了一种可在1.13-1.95GHz工作的宽带低噪声放大器，功率增益大于10dB，噪声系数小于2.2dB。目前，研究所报道的单端低噪声放大器多采用功率限制下的噪声阻抗和输入阻抗同时匹配(PCSNIM)的方法，在输入级采用源简并电感实现噪声阻抗和输入阻抗的匹配，并利用并联的栅源电容来提高设计自由度。

但这种设计方法也存在一些不足之处：(1)该技术一般用于窄带低噪声放大器设计，对宽带低噪声放大器的设计而言，其所获得的输入反射系数和噪声系数难以同时满足整个工作带宽的指标要求；(2)在L波段情况下，并联的栅源电容在一定程度上牺牲了电压增益，从而降低了抑制后继电路噪声的能力；(3)源简并电感也会牺牲电路的电压增益。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一款新型基于硅基CMOS工艺的、能够兼容全球定位导航系统多个频段的宽带低噪声放大器，并实现良好的噪声性能和增益平坦度。为此，本发明采用的技术方案是，用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成，其中，第一级放大电路采用并联电容的源电感反馈型共源共栅结构，提供输入阻抗和噪声阻抗匹配的设计自由度；第二级放大电路采用噪声消除技术；级间匹配单元实现两级放大电路的匹配，而偏置电路为整体电路提供偏置。

第一级放大电路中反馈电阻R_f和反馈电容C_f构成并联负反馈的等效阻抗，MOS管M₁的栅源电容C_gs形成开环输入阻抗；通过开环输入阻抗和阻性负反馈等效阻抗的并联，实现输入阻抗匹配。

采用噪声消除技术具体是，采用低噪声放大器。

第二级放大电路由一个源跟随器和一个共源电路组成。

在一个实例中，电路具体结构是，MOS管M₁的栅极偏置电路由二极管连接的MOS管M₃组成，M₃的漏极通过电阻R_ref连接至电源VDD，M₃的栅漏极连接电阻R_bias到MOS管M₁的栅极；电源V_in连接电容C₁、电感L_g至MOS管M₁的栅极，MOS管M₁的栅源极通过电容C_gs相连接，MOS管M₁的源极串联电感L_S到地线，漏极连接MOS管M₂的源极，MOS管M₂的栅极直接连接VDD，漏极串联电感L_D1到VDD；MOS管M₂的漏极串接电阻R_f、电容C_f到输入管M₁的栅极；MOS管M₂的漏级通过电容C₂、电阻R₁组成的高通滤波器连接到MOS管M₄的栅极；MOS管M₄的漏级直接连接VDD，MOS管M₄的源级连接到MOS管M₅的漏级；MOS管M₅的栅极连接到M₁的栅极进行偏置，MOS管M₅的源级直接连接至地线；MOS管M₄的源级与MOS管M₅的漏级连接处连接电容C₃到V_out。

电感L_g与MOS管M₁的栅源电容C_gs1在中心频点谐振，进行噪声匹配。

二极管连接的MOS管M₃与电阻R_ref以串联分压的方式提供偏置电压；在偏置电路和MOS管M₁的栅极之间串联阻值为2KΩ的电阻R_bias，以避免输入的射频信号进入偏置电路；合理选择MOS管M₁和M₂的栅宽比，使电路工作在理想静态工作点，在保证增益的前提下，尽量选择较小的栅宽，以降低功耗和寄生参数对电路性能的影响。

所述低噪声放大器的输入阻抗表示为

Z_in＝s(L_S+L_g)+1/(sC_gs+sC_gs1)+g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (3)

Z_S＝R_S (4)

式中，R_S为源阻抗，s为复频域，g_m1为MOS管M₁的跨导，C_gs1为MOS管M₁的栅源电容；

通过调节输入电感和电容的大小，使其在1.5GHz附近发生谐振，此时，式(3)的前两项之和为零，且

Z_S＝g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (5)。

本发明的特点及有益效果是：

1、第一级放大电路采用并联负反馈网络的共源共栅结构，为输入阻抗和噪声阻抗实现匹配提供了设计自由度。另外，通过网络的反馈特性也可提高带宽和增益平坦度。

2、第二级放大电路采用一种噪声消除结构，使电路的噪声系数(NF)进一步降低。

3、采用高通滤波器作为两级放大电路间的级间匹配单元，可降低匹配难度，同时提升整体电路的增益平坦度。

4、采用偏置电路复用技术，有效降低电路的额外功耗，优化电路功耗性能。

附图说明：

图1给出了本发明所设计的低噪声放大器的电路原理图；

图2给出了第一级放大电路的小信号等效电路图；

图3给出了S参数的仿真结果；

图4给出了噪声系数NF的仿真结果；

图5给出了稳定性系数K_f的仿真结果图。

具体实施方式

本发明所述低噪声放大器由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成。其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配的设计自由度，第二级放大电路采用噪声消除技术，级间匹配单元实现两级放大电路的匹配，而偏置电路为整体电路提供偏置。

1、第一级放大电路采用并联电容的源电感反馈型共源共栅结构。与传统源电感反馈型共源共栅结构相比，本发明所述结构为输入阻抗和噪声阻抗的匹配提供了设计自由度，可获得极低的噪声系数，并提高系统的灵敏度。

反馈电阻R_f和反馈电容C_f构成并联负反馈的等效阻抗，MOS管M₁的栅源电容C_gs形成开环输入阻抗；通过开环输入阻抗和阻性负反馈等效阻抗的并联，实现输入阻抗匹配。

2、第二级放大电路采用噪声消除结构。所述结构由一个源跟随器M₄和一个共源电路M₅组成，在一定程度上实现了输出匹配，并提高整体电路的噪声及增益性能。

3、采用高通滤波器作为第一级和第二级放大电路间的匹配单元，所述匹配单元由电阻R₁和电容C₂组成，可降低匹配难度，达到良好的匹配效果，同时提升整体电路的增益平坦度。

4、偏置电路采用有源自偏置方法，优化电路功耗性能。所述偏置电路包括MOS管M₃、电阻R_ref和R_bias；MOS管M₃和电阻R_ref、R_bias构成简单镜像偏置，电阻R_bias用来避免输入的射频信号进入偏置电路，影响其偏置稳定性，同时也降低偏置电路对整体电路噪声系数的贡献，电容C₁用来隔断DC，防止影响M₁的栅源偏置，MOS管M₁的栅极与MOS管M₅的栅极共用一个偏置电路，减少多余偏置电路的功耗。

图1是本发明提出的应用于全球卫星导航系统的宽带低噪声放大器。所述低噪声放大器由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成。其中，第一级放大电路采用阻性负反馈网络的共源共栅结构，第二级放大电路采用噪声消除技术。采用本发明所述低噪声放大器，在L波段较宽频带内(1.0-2.0GHz)可获得低的噪声系数、高的增益以及良好的输入/输出匹配。整体电路具体连接方法如下：

MOS管M₁的栅极偏置电路由二极管连接的MOS管M₃组成，M₃的漏极通过电阻R_ref连接至VDD，M₃的栅漏极连接电阻R_bias到MOS管M₁的栅极。电源V_in连接电容C₁、电感L_g至MOS管M₁的栅极，MOS管M₁的栅源极通过电容C_gs相连接，MOS管M₁的源极串联电感L_S到地线，漏极连接MOS管M₂的源极，MOS管M₂的栅极直接连接VDD，漏极串联电感L_D1到VDD。MOS管M₂的漏极串接电阻R_f、电容C_f到输入管M₁的栅极。MOS管M₂的漏级通过电容C₂、电阻R₁组成的高通滤波器连接到MOS管M₄的栅极；MOS管M₄的漏级直接连接VDD，MOS管M₄的源级连接到MOS管M₅的漏级。MOS管M₅的栅极连接到M₁的栅极进行偏置，MOS管M₅的源级直接连接至地线。MOS管M₄的源级与MOS管M₅的漏级连接处连接电容C₃到V_out。

为了消除密勒效应对电路频率响应的影响，第一级放大电路采用带有阻性负反馈网络的共源共栅结构，并优先考虑电路的噪声匹配和宽带性能。其中，电感L_g与MOS管M₁的栅源电容C_gs1在中心频点谐振，进行噪声匹配。

所述阻性负反馈网络为输入匹配单元提供了设计自由度，从而降低匹配难度，并在一定程度上提高了低噪声放大器的线性度。当阻性反馈网络引入的等效阻抗与开环输入阻抗(即共源共栅电路的输入阻抗)并联时，阻性负反馈网络的等效阻抗在高频部分起主要作用，而开环输入阻抗在低频部分起主要作用。在两者共同作用下，第一级放大电路的整体带宽得到有效拓展。

根据图2所示的第一级放大电路的小信号等效电路模型(不包含并联反馈)，在忽略MOS管M₁的栅寄生电阻和电感L_g寄生电阻的情况下，本发明所述低噪声放大器的输入阻抗可表示为

Z_in＝s(L_S+L_g)+1/(sC_gs+sC_gs1)+g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (3)

Z_S＝R_S (4)

式中，R_S为源阻抗，s为复频域，g_m1为MOS管M₁的跨导，C_gs1为MOS管M₁的栅源电容。

通过调节输入电感和电容的大小，使其在1.5GHz附近发生谐振。此时，式(3)的前两项之和为零，且

Z_S＝g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (5)

这样即可实现中心频率输入阻抗的匹配。由于输入阻抗Z_in的虚部在中心频率附近的变化对输入阻抗匹配不会产生较大的影响，故可保证一定带宽内的输入阻抗匹配。

第二级放大电路采用噪声消除结构。所述结构由一个源跟随器和一个共源电路组成，主要用来改善低噪声放大器整体的噪声及增益性能。MOS管M₁的栅极与MOS管M₅的栅极共用一个偏置电路，减少多余偏置电路的功耗。

本发明采用了高通滤波器作为第一级和第二级放大电路间的匹配网络。仿真结果表明，级间匹配单元可有效降低阻抗匹配的难度，同时达到良好的匹配效果。其中，二极管连接的MOS管M₃与电阻R_ref以串联分压的方式提供偏置电压。在偏置电路和MOS管M₁的栅极之间串联阻值为2KΩ的电阻R_bias，以避免输入的射频信号进入偏置电路，影响其偏置稳定性，同时也降低偏置电路对整体电路噪声系数的贡献。合理选择MOS管M₁和M₂的栅宽比，使电路工作在理想静态工作点。在保证增益的前提下，尽量选择较小的栅宽，以降低功耗和寄生参数对电路性能的影响。

基于UMC 0.18μm CMOS工艺，本发明对上述电路结构进行了仿真优化。图3所示为S参数的仿真结果。由图可见，所设计放大器的-3dB工作带宽为1.0GHz-1.89GHz，增益在1.42GHz处达最大值18.29dB。由S₁₁和S₂₂的结果可知，本发明所设计电路的输入端和输出端实现了良好的阻抗匹配。

图4给出了噪声系数NF仿真结果。在1.0GHz-2.0GHz频段内，噪声系数NF<2.7dB，且在整个工作带宽内的变化量仅为0.7dB，说明本发明所设计的放大器能够获得极低的噪声。

图5给出了低噪声放大器的稳定性分析曲线。由图可见，在整个工作频段内，稳定性系数K_f>1，即所设计低噪声放大器处于绝对稳定状态。

综上所述，本发明基于UMC 0.18μm CMOS工艺设计了一款带有阻性负反馈网络的宽带低噪声放大器，并实现了良好的噪声匹配和输入/输出阻抗匹配。所设计的低噪声放大器在L波段内具有低噪声、高增益和宽频带的特点，满足全球定位导航系统中射频接收机的实际需求。

Claims (8)

1.一种用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，由第一级放大电路、第二级放大电路、级间匹配单元及偏置电路组成，其中，第一级放大电路采用并联电容的源电感反馈型共源共栅结构，提供输入阻抗和噪声阻抗匹配的设计自由度；第二级放大电路采用噪声消除技术；级间匹配单元实现两级放大电路的匹配，而偏置电路为整体电路提供偏置。

2.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，第一级放大电路中反馈电阻R_f和反馈电容C_f构成并联负反馈的等效阻抗，MOS管M₁的栅源电容C_gs形成开环输入阻抗；通过开环输入阻抗和阻性负反馈等效阻抗的并联，实现输入阻抗匹配。

3.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，采用噪声消除技术具体是，采用低噪声放大器。

4.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，第二级放大电路由一个源跟随器和一个共源电路组成。

5.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，在一个实例中，电路具体结构是，MOS管M₁的栅极偏置电路由二极管连接的MOS管M₃组成，M₃的漏极通过电阻R_ref连接至电源VDD，M₃的栅漏极连接电阻R_bias到MOS管M₁的栅极；电源V_in连接电容C₁、电感L_g至MOS管M₁的栅极，MOS管M₁的栅源极通过电容C_gs相连接，MOS管M₁的源极串联电感L_S到地线，漏极连接MOS管M₂的源极，MOS管M₂的栅极直接连接VDD，漏极串联电感L_D1到VDD；MOS管M₂的漏极串接电阻R_f、电容C_f到输入管M₁的栅极；MOS管M₂的漏级通过电容C₂、电阻R₁组成的高通滤波器连接到MOS管M₄的栅极；MOS管M₄的漏级直接连接VDD，MOS管M₄的源级连接到MOS管M₅的漏级；MOS管M₅的栅极连接到M₁的栅极进行偏置，MOS管M₅的源级直接连接至地线；MOS管M₄的源级与MOS管M₅的漏级连接处连接电容C₃到V_out。

6.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，电感L_g与MOS管M₁的栅源电容C_gs1在中心频点谐振，进行噪声匹配。

7.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，二极管连接的MOS管M₃与电阻R_ref以串联分压的方式提供偏置电压；在偏置电路和MOS管M₁的栅极之间串联阻值为2KΩ的电阻R_bias，以避免输入的射频信号进入偏置电路；合理选择MOS管M₁和M₂的栅宽比，使电路工作在理想静态工作点，在保证增益的前提下，尽量选择较小的栅宽，以降低功耗和寄生参数对电路性能的影响。

8.如权利要求1所述的用于全球定位导航系统的L波段宽带低噪声放大器，其特征是，所述低噪声放大器的输入阻抗表示为：

Z_in＝s(L_S+L_g)+1/(sC_gs+sC_gs1)+g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (3)

Z_S＝R_S (4)

式中，R_S为源阻抗，s为复频域，g_m1为MOS管M₁的跨导，C_gs1为MOS管M₁的栅源电容；

通过调节输入电感和电容的大小，使其在1.5GHz附近发生谐振，此时，式(3)的前两项之和为零，且

Z_S＝g_m1L_S/(C_gs+C_gs1) (5)。