CN107508563A - 一种自适应线性度增强低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自适应线性度增强低噪声放大器，包括：输入放大电路,用于将输入信号RFin进行初步放大；输出放大电路，用于将所述输入放大电路的输出进一步放大并输出RFout信号至后续电路；可控有源反馈电路，用于产生一可变等效电阻反馈使线性度自适应可控并经可变等效电阻给所述输入放大电路的NMOS管提供自偏置电压；三阶跨导补偿电路，用于产生三阶跨导补偿以增强线性度；偏置控制电路，用于在控制电压的控制下产生优化所述可控有源反馈电路和所述三阶跨导补偿电路工作所需要的偏置电压，本发明能够有效增强并根据系统应用需求控制低噪声放大器的线性度。

Description

一种自适应线性度增强低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器，特别是涉及一种自适应线性度增强低噪声放大器。
背景技术
LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器)作为射频接收机第一个模块，其线性度及NF(低的噪声系数)对接收系统性能至关重要，因此需要进一步优化设计。
图1及图2为两种常见的传统低噪声放大器的结构图。如图1及图2所示，传统低噪声放大器(LNA)包括输入放大电路10、输出放大电路20、偏置电路30。其中，输入放大电路10由NMOS管MMT、输入耦合电容Cg、补偿电容Cex以及反馈电感Ls组成，用于将输入信号RFin进行初步放大；输出放大电路20由NMOS管MO、输出耦合电容Co、偏置电阻Rb1以及负载电感Ld、负载电容Cd组成，用于将输入放大电路10的输出进一步放大并输出RFout信号至后续电路；偏置电路30由偏置电感Lg或偏置电阻Rf组成，用于给NMOS管MMT提供偏置电压和阻抗匹配。
输入信号RFin连接至输入耦合电容Cg的一端，输入耦合电容Cg的另一端连接至偏置电感Lg或偏置电阻Rf(电阻负反馈)的一端、补偿电容Cex的一端、NMOS管MMT的栅极，偏置电感Lg的另一端连接至偏置电压Vb或偏置电阻Rf的另一端连接至NMOS管MMT的漏极(电阻负反馈)，NMOS管MMT的源极连接反馈电感Ls的一端和补偿电容Cex的另一端，反馈电感Ls的另一端连接至地，NMOS管MMT的漏极连接至NMOS管Mo的源极和衬底，NMOS管Mo的栅极通过偏置电阻Rb1连接至电源Vdd，NMOS管Mo的漏极通过负载电感Ld、负载电容Cd连接至电源Vdd，NMOS管Mo的漏极通过输出耦合电容Co连接至输出端RFout。
然而，上述传统低噪声放大器具有如下两个缺点：1、线性度有限；2、反馈不可控，线性度不可控。
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自适应线性度增强低噪声放大器，其能够有效增强并根据系统应用需求控制低噪声放大器的线性度。
为达上述及其它目的，本发明提出一种自适应线性度增强低噪声放大器，包括：
输入放大电路,用于将输入信号RFin进行初步放大；
输出放大电路，用于将所述输入放大电路的输出进一步放大并输出RFout信号至后续电路；
可控有源反馈电路，用于产生一可变等效电阻反馈使线性度自适应可控并经可变等效电阻给所述输入放大电路的NMOS管MMT提供自偏置电压；
三阶跨导补偿电路，用于产生三阶跨导补偿以增强线性度；
偏置控制电路，用于在控制电压Vc的控制下产生所述可控有源反馈电路和所述三阶跨导补偿电路工作所需要的偏置电压。
进一步地，所述输入放大电路包括输入NMOS管、输入耦合电容、输入匹配电感、补偿电容以及反馈电感。
进一步地，输入信号RFin连接至所述输入耦合电容的一端，所述输入耦合电容的另一端连接至所述输入匹配电感的一端，所述输入匹配电感的另一端连接至所述补偿电容的一端以及所述可控有源反馈电路、所述输入NMOS管的栅极，所述输入NMOS管的源极连接所述反馈电感的一端和所述补偿电容的另一端，所述反馈电感的另一端连接至地，所述输入NMOS管的漏极连接所述输出放大电路、可控有源反馈电路、三阶跨导补偿电路。
进一步地，所述输出放大电路包括输出NMOS管、输出耦合电容、第一偏置电阻以及负载电感、负载电容。
进一步地，所述输出NMOS管的栅极通过所述第一偏置电阻连接至电源，漏极通过所述负载电感、所述负载电容连接至电源，所述输出NMOS管的漏极还通过所述输出耦合电容连接至输出端RFout，所述输出NMOS管的源极与衬底连接所述输入NMOS管漏极、所述可控有源反馈电路与三阶跨导补偿电路。
进一步地，所述可控有源反馈电路包括反馈NMOS管以及第三偏置电阻。
进一步地，所述反馈NMOS管栅极通过所述第三偏置电阻连接至所述偏置控制电路，其漏极连接所述输入NMOS管漏极、所述输出NMOS管源极和衬底以及所述三阶跨导补偿电路，其源极连接所述输入匹配电感、所述输入NMOS管栅极以及所述补偿电容。
进一步地，所述三阶跨导补偿电路包括补偿NMOS管、第二偏置电阻以及补偿耦合电容。
进一步地，所述补偿NMOS管栅极通过所述第二偏置电阻连接至所述偏置控制电路并通过补偿耦合电容连接至输入信号RFin，其源极连接至所述反馈电感的中间抽头，其漏极与所述输入NMOS管的漏极、所述补偿NMOS管的漏极、所述输出NMOS管的源极和衬底连接。
进一步地，所述偏置控制电路的输入端连接控制电压，其输出端分别通过所述第二偏置电阻、第三偏置电阻连接所述所述三阶跨导补偿电路以及可控有源反馈电路。
与现有技术相比，本发明一种自适应线性度增强低噪声放大器通过采用三阶跨导补偿线性度增强技术及可控有源负反馈控制线性度实现了一种自适应线性度增强低噪声放大器，能够有效增强并根据系统应用需求控制线性度。
附图说明
图1及图2为两种常见的传统低噪声放大器的结构图；
图3为本发明一种自适应线性度增强低噪声放大器的电路结构图；
图4为本发明具体实施例的原理示意图；
图5为本发明具体实施例中增益与NF仿真比较示意图；
图6为自适应线性度控制效果图。
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3为本发明一种自适应线性度增强低噪声放大器的电路结构图。如图3所示，本发明一种自适应线性度增强低噪声放大器，包括：输入放大电路10、输出放大电路20、可控有源反馈电路30、三阶跨导补偿电路40以及偏置控制电路(Bias Control)50。
其中，输入放大电路10由输入NMOS管MMT、输入耦合电容Cg、输入匹配电感Lg、补偿电容Cex以及反馈电感Ls组成，用于将输入信号RFin进行初步放大；输出放大电路20由输出NMOS管MO、输出耦合电容Co、偏置电阻Rb1以及负载电感Ld、负载电容Cd组成，用于将输入放大电路10的输出进一步放大并输出RFout信号至后续电路；可控有源反馈电路30由反馈NMOS管Mr、偏置电阻Rb3组成，用于产生一可变等效电阻反馈使线性度自适应可控并经改可变等效电阻给输入NMOS管MMT提供自偏置电压；三阶跨导补偿电路40由补偿NMOS管MAT、偏置电阻Rb2、补偿耦合电容Cc组成，用于产生三阶跨导补偿以增强线性度；偏置控制电路(BiasControl)50，用于在控制电压Vc的控制下产生优化可控有源反馈电路30和三阶跨导补偿电路40工作所需要的偏置电压。
输入信号RFin连接至输入耦合电容Cg的一端、补偿耦合电容Cc的一端，输入耦合电容Cg的另一端连接至输入匹配电感Lg的一端，补偿耦合电容Cc的另一端连接至补偿NMOS管MAT的的栅极，输入匹配电感Lg的另一端连接至补偿电容Cex的一端以及反馈NMOS管Mr的源极、输入NMOS管MMT的栅极，输入NMOS管MMT的源极连接反馈电感Ls的一端和补偿电容Cex的另一端，反馈电感Ls的另一端连接至地，输入NMOS管MMT的漏极连接至反馈NMOS管Mr的漏极、补偿NMOS管MAT的漏极和输出NMOS管Mo的源极和衬底，反馈NMOS管Mr的栅极通过偏置电阻Rb3连接至偏置控制电路(Bias Control)50一输出端，补偿NMOS管MAT的栅极通过偏置电阻Rb2连接至偏置控制电路(Bias Control)50另一输出端，补偿NMOS管MAT的源极连接至反馈电感Ls(三端电感)的中间抽头，输出NMOS管Mo的栅极通过偏置电阻Rb1连接至电源Vdd，输出NMOS管Mo的漏极通过负载电感Ld、负载电容Cd连接至电源Vdd，输出NMOS管Mo的漏极通过输出耦合电容Co连接至输出端RFout，控制电压Vc连接至偏置控制电路(Bias Control)50的输入端。
以下将通过图3和图4说明本发明的三阶跨导补偿线性度增强原理：
三阶跨导补偿是在主放大的输入NMOS管MMT上并联一个附加的补偿NMOS管MAT，通过补偿NMOS管MAT的栅极偏置电压控制其工作状态，使得主放大的输入NMOS管MMT的三阶跨导非线性g3mt负的峰值与附加的补偿NMOS管MAT的三阶跨导非线性g3at的正的峰值经过偏置控制平移后叠加补偿使得综合三阶跨导非线性g3近似为0,如图4所示，以改善电路的线性度IIP3；同时主放大的输入NMOS管MMT与附加的补偿NMOS管MAT源极并不是直接短接，而是通过一个三端电感Ls实现差异化电感源极负反馈改善调节跨导二阶非线性进一步配合可控有源反馈改善控制电路的线性度。
图5为本发明具体实施例中增益与噪声系数NF仿真比较示意图。可见，2.4GHz中心频率，增益Gain＝14.1dB(菱形连线，S21)，噪声系数NF＝1.21dB(方块连线，NF)，相比传统的增益Gain＝14.8dB(叉形连线，S21传统)，噪声系数NF＝1.01dB(三角形连线，NF传统)，增益及噪声系数NF仅退化0.7dB及0.2dB，但是线性度确可控且显著提高，反映线性度的三阶交调指标大幅提高，随着控制电压Vc的提高，本发明的三阶交调(图6方块连线，IIP3(dBm)，大于5.5dBm)明显高于现有技术的三阶交调(图6叉形连线，传统IIP3(dBm)，固定为2.1dBm)且在Vc<1.7V时呈现递增特性(5.5dBm～20.4dBm)，图6三角形连线Rf(Ω)为可控有源反馈电路30的等效反馈电阻，图6菱形连线Id(mA)为发明的电流消耗。
综上所述，本发明一种自适应线性度增强低噪声放大器通过采用三阶跨导补偿线性度增强的有源负反馈的线性度实现自适应的低噪声放大器，能够有效增强并根据系统应用需求控制线性度。
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)

1.一种自适应线性度增强低噪声放大器，包括：
输入放大电路,用于将输入信号RFin进行初步放大；
输出放大电路，用于将所述输入放大电路的输出进一步放大并输出RFout信号至后续电路；
可控有源反馈电路，用于产生一可变等效电阻反馈使线性度自适应可控并经可变等效电阻给所述输入放大电路的NMOS管MMT提供自偏置电压；
三阶跨导补偿电路，用于产生三阶跨导补偿增强线性度；
偏置控制电路，用于在控制电压Vc的控制下产生所述可控有源反馈电路和所述三阶跨导补偿电路工作所需要的偏置电压。
2.如权利要求1所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述输入放大电路包括输入NMOS管、输入耦合电容、输入匹配电感、补偿电容以及反馈电感。
3.如权利要求2所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：输入信号RFin连接至所述输入耦合电容的一端，所述输入耦合电容的另一端连接至所述输入匹配电感的一端，所述输入匹配电感的另一端连接至所述补偿电容的一端以及所述可控有源反馈电路、所述输入NMOS管的栅极，所述输入NMOS管的源极连接所述反馈电感的一端和所述补偿电容的另一端，所述反馈电感的另一端连接至地，所述输入NMOS管的漏极连接所述输出放大电路、可控有源反馈电路、三阶跨导补偿电路。
4.如权利要求3所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述输出放大电路包括输出NMOS管、输出耦合电容、第一偏置电阻以及负载电感、负载电容。
5.如权利要求4所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述输出NMOS管的栅极通过所述第一偏置电阻连接至电源，漏极通过所述负载电感、所述负载电容连接至电源，所述输出NMOS管的漏极还通过所述输出耦合电容连接至输出端RFout，所述输出NMOS管的源极与衬底连接所述输入NMOS管漏极、所述可控有源反馈电路与三阶跨导补偿电路。
6.如权利要求5所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述可控有源反馈电路包括反馈NMOS管以及第三偏置电阻。
7.如权利要求6所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述反馈NMOS管栅极通过所述第三偏置电阻连接至所述偏置控制电路，其漏极连接所述输入NMOS管漏极、所述输出NMOS管源极和衬底以及所述三阶跨导补偿电路，其源极连接所述输入匹配电感、所述输入NMOS管栅极以及所述补偿电容。
8.如权利要求7所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述三阶跨导补偿电路包括补偿NMOS管、第二偏置电阻以及补偿耦合电容。
9.如权利要求8所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述补偿NMOS管栅极通过所述第二偏置电阻连接至所述偏置控制电路并通过补偿耦合电容连接至输入信号RFin，其源极连接至所述反馈电感的中间抽头，其漏极与所述输入NMOS管的漏极、所述补偿NMOS管的漏极、所述输出NMOS管的源极和衬底连接。
10.如权利要求9所述的一种自适应线性度增强低噪声放大器，其特征在于：所述偏置控制电路的输入端连接控制电压，其输出端分别通过所述第二偏置电阻、第三偏置电阻连接所述所述三阶跨导补偿电路以及可控有源反馈电路。
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