CN107769736A - 自偏置宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自偏置低噪声放大器，主要解决现有自偏置放大器的噪声和增益带宽难以同时满足的问题。其包括两级放大电路，第一级放大电路由电感L2、NMOS管M1、PMOS管M2、负反馈电阻R1和一个负载电路Zl连接组成；第一级放大电路的输出端连接有第二级放大电路，该第二级放大电路由一个共源极NMOS管M3和一个匹配电阻R2组成。该M1管、M2管和M3管均用于提供电压增益，负反馈电阻R1与电感L2用于进行输入阻抗匹配，负载电路Z1拓展增益带宽，匹配电阻R2进行输出阻抗匹配。本发明能在0.3～2GHz的工作频率范围内同时满足增益带宽和低噪声的要求，可用于手机、GPS、无线网的射频无线接收机中。

Description

自偏置宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，特别涉及一种自偏置宽带低噪声放大器，可用于手机、GPS、无线网的射频无线接收机中。
背景技术
低噪声放大器作为射频无线接收机的前端模块，用于对接收到的微弱信号进行放大，要求其具有较高的增益并引入较低的噪声，可应用于手机、GPS、无线网等领域，从现阶段低噪声放大器的发展水平来看，低功耗、高线性度等指标也是需要考量的要素，由于应用于不同设备的指标侧重点不同，需要设计者进行合理的折中。同时由于可利用的频段资源日趋丰富，对于超宽带低噪声放大器的研究显得更加重要，能够在宽频带内保持平坦的增益和噪声特性是设计的重点和难点。
现有的自偏置低噪声放大器是一种基于CMOS工艺的放大器结构，优势在于省略了偏置电路，并且可以在实现高增益的同时进行电阻负反馈式的输入匹配，相比于常规以电阻作为负载的负反馈式共源放大器，可以避免负载电阻消耗过多的电压致使MOS管进入线性区。但现有的自偏置低噪声放大器结构存在局限性，即其噪声系数和增益带宽之间存在较为固定的关系，一个指标的优化必定导致另一指标的恶化，难以同时满足低噪声和超宽带的要求。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种有别于现有结构的自偏置低噪声放大器，以使增益带宽和噪声之间脱离固定的关系，同时实现低噪声和超宽带的技术指标要求。
为实现上述目的，本发明的自偏置低噪声放大器包括：包括第一NMOS管M1和第一PMOS管M2，这两个管子的源极分别连接至地和电源，且漏极与栅极分别连接，形成第一节点T1和第二节点T2，该第一节点T1与第二节点T2之间接有负反馈电阻R1，这些元件通过CMOS工艺实现集成，其特征在于：
第二节点T2与地之间连接有负载电路Z1，用于拓展增益带宽；
第二节点T2还连接有第二级匹配放大电路，用于提供电压增益并进行输出阻抗匹配。
作为优选，所述第二级匹配放大电路，包括第二NMOS管M3和匹配电阻R2，该第二NMOS管M3的栅极连接到第二节点T2，源级连接到地，漏极通过匹配电阻R2与电源相连。
作为优选，所述第一负载电路Z1包括隔直电容C1、负载电阻R3和第一电感L1，该隔直电容C1的一端与第二节点T2相连，另一端通过负载电阻R3与第一电感L1相连，第一电感L1的另一端与地相连。
作为优选，所述匹配电阻R2的阻值在40～60欧姆范围调节确定。
作为优选，所述第一节点T1与输入端之间连接有第二电感L2，用以进行输入阻抗匹配。
作为优选，上述集成电路的各元件采用0.18um特征尺寸的CMOS工艺实现，电源VDD采用1.8V的电压实现。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)本发明通过改变第一级电路的负载结构来提高各指标间设计的自由度，能在满足宽带放大的前提下降低噪声系数。
2)本发明的两级偏置均由本电路产生，省掉了额外的偏置电路和带隙基准电路，降低了功耗并减小了芯片面积和成本。
3)本发明由于在第二级放大电路的输出端直接进行输出阻抗匹配，避免了采用源级跟随器结构，因此可以在匹配的同时提高增益。
4)本发明采用0.18um CMOS工艺和1.8V的电压供电，电路具有较低的功耗。
附图说明
图1为本发明低噪声放大器的电路拓扑结构图。
图2为本发明低噪声放大器的输入、输出匹配仿真结果图。
图3为本发明低噪声放大器的功率增益仿真结果图。
图4为本发明低噪声放大器的噪声系数仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
参照图1，本发明的低噪声放大器，包括第一级自偏置放大器和第二级匹配放大器。
所述第一级自偏置放大器包括负反馈电阻R1、NMOS管M1、PMOS管M2、第二电感L2和负载电路Z1，输入端通过第二电感L2与第一NMOS管M1和第一PMOS管M2的栅极相连，其中电感L2用于抵消输入阻抗的虚部成分，该第一NMOS管M1与第一PMOS管M2的栅极连接，形成第一节点T1，且第一NMOS管M1的源级连接至地，第一PMOS管M2的源极连接至电源VDD，该第一NMOS管M1与第一PMOS管M2的漏极连接，形成第二节点T2；负反馈电阻R1连接在第一节点T1与第二节点T2之间，用于提供输入阻抗的实部成分，完成输入匹配；所述负载电路Z1，用于拓展增益带宽，其包括负载电阻R3、隔直电容C1和第一电感L1，其中电容的作用是隔离负载电路Z1与第二节点T2的直流工作点，该隔直电容C1的一端连接至第二节点T2，另一端通过负载电阻R3与第一电感L1相连，第一电感L1另一端与地相连。
所述第二级匹配放大器，包括第二NMOS管M3和匹配电阻R2，该第二NMOS管M3用于提供电压增益，该匹配电阻R2在40～60欧姆范围调节确定，用于提供输出阻抗的实部成分。其中第二NMOS管M3的栅极作为第二级电路的信号输入端，其与第一级自偏置放大器中的第二节点T2相连，该第二NMOS管M3的源级连接到地，其漏极通过匹配电阻R2与电源VDD相连，该电源VDD采用1.8V的电压对电路供电。
上述电路中的各元件均由0.18um特征尺寸的CMOS工艺实现，形成射频无线接收机中的低噪声放大器模块。
本发明的工作原理如下：
第一级自偏置放大器的两个管子M1和M2功能上为并联连接，其等效跨导为gm，等效本征漏源电阻为rO，第一级输出端对地的寄生电容为CL1，则负载阻抗为rO(1/sCL1)，在未接入负载电路Z1时，从第一节点T1到第二节点T2的电压增益为：
其中，s＝jω，j为虚数单位，ω为角频率，在第一级输出端接入负载电路Z1，即电容C1、电阻R3和电感L1串联，此时电压增益变为：
根据式<1>和式<2>，电路中均产生一个增益极点，假设未接入负载电路Z1时产生的增益极点为p1，接入负载电路Z1时产生的增益极点为p2，则可根据式<1>得到p1≈-1/(R1CL1)，由于电路必须具有足够高的电压增益，并且使输入端产生的寄生电容CL不至于太大，因此等效跨导gm被调节为90mS左右，此时寄生电容CL1和等效源漏电阻rO的值也基本确定，因此仅能通过减小负反馈电阻R1的阻值来提高增益极点的频率；根据式<2>得到p2≈-(R3+R1)/(R3R1CL1)，该式表明，通过减小第三电阻R3或负反馈电阻R1的阻值均可使极点向高频方向移动，从而拓展增益带宽，并且负载电路中的第一电感L1能提供一个增益零点，该零点可以提高低噪声放大器在高频段的电压增益。
由于多级电路的噪声系数主要取决于前级电路，因此着重考虑第一级自偏置放大器，计算其噪声系数NF如下：
其中，k为玻尔兹曼常数，γ为沟道热噪声系数，T为热力学温度，RS为信号源的内阻，其阻值为50欧姆，rl为第二电感L2的寄生电阻，rg为M1和M2的栅极寄生电阻，将式<3>部分参数的经验值带入后分析可得，负反馈电阻R1对噪声的影响大于负载电阻R3对噪声的影响，而从电压增益的角度来看，两个电阻的作用效果完全相同，因此，增大负反馈电阻R1的阻值同时减小负载电阻R3的阻值可以在保持增益基本不变的情况下降低噪声系数。
连接在低噪声放大器输入端的第二电感L2，其作为L型阻抗匹配网络中的一部分，可抵消输入阻抗的虚部成分并降低实部阻值。第二级电路的输入端直接连接至第二节点T2，可省去偏置电路和隔直电容，尤其在几百MHz的频段内，片上隔直电容较大的的面积会使工艺成本大幅提升，因此直接耦合的方式不仅降低了功耗、减小了电路的复杂性，并且节省了制造成本。输出阻抗匹配由匹配放大器的匹配电阻实现，这种输出匹配方式可使输出级提供电压增益，避免源级跟随器结构造成的增益衰减。
本发明效果可通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件
设工作频段为0.3-2GHz，对本发明图1所示电路采用了0.18um CMOS工艺模型，在电源VDD为1.8V的条件下，利用Cadence SpectreRF仿真工具对进行仿真，
2.仿真内容
仿真1，在上述条件下对本发明电路的输入、输出匹配进行仿真，结果如图2，图2中的S11和S22分别为输入端和输出端的反射系数，从图2可见，在0.3-2GHz的频率范围内均小于-10dB，本发明电路的匹配效果良好。
仿真2，在上述条件下对本发明电路的增益进行仿真，结果如图3，该电路的增益在0.3-2GHz的频率范围内为15.4-16.4dB，本发明电路可在宽带范围内达到高增益的要求。
仿真3，在上述条件下对本发明电路的噪声系数仿真结果，在0.3-2GHz的频率范围内噪声系数NF为2.87-3.04dB，本发明电路可在宽带范围内达到低噪声的要求。
这些结果说明本发明在输入与输出匹配、噪声、增益和带宽方面具有一定优势。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自偏置低噪声放大器，包括第一NMOS管M1和第一PMOS管M2，这两个管子的源极分别连接至地和电源，且漏极与栅极分别连接，形成第一节点T1和第二节点T2，该第一节点T1与第二节点T2之间接有负反馈电阻R1，这些元件通过CMOS工艺实现集成，其特征在于：
第二节点T2与地之间连接有负载电路Z1，用于拓展增益带宽；
第二节点T2还连接有第二级匹配放大电路，用于提供电压增益并进行输出阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述第二级匹配放大电路包括第二NMOS管M3和匹配电阻R2，该第二NMOS管M3的栅极连接到第二节点T2，源级连接到地，漏极通过匹配电阻R2与电源相连。
3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述第一负载电路Z1包括隔直电容C1、第三电阻R3和第一电感L1，该隔直电容C1的一端与第二节点T2相连，另一端通过负载电阻R3与第一电感L1相连，第一电感L1的另一端与地相连。
4.根据权利要求2所述的放大器，其特征在于：所述匹配电阻R2的阻值在40～60欧姆范围调节确定。
5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述第一节点T1与输入端之间连接有第二电感L2，用以进行输入阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于：所述各元件采用0.18um特征尺寸的CMOS工艺实现，电源VDD采用1.8V的电压实现。
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