CN107994872A - 北斗地面接收机高增益宽频带cmos低噪声放大器 - Google Patents

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谢生
杨晶
毛陆虹
查万斌
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Abstract

本发明涉及射频低噪声放大器领域，为提出一款新型的、用于北斗地面接收机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，北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，由第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路组成；其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配，第二级放大电路提高增益和反向隔离度，第三级放大电路提供输出阻抗匹配，并进一步改善增益和噪声性能；第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器：由自偏置反相器和与之并联的电阻组成。本发明主要应用于射频低噪声放大器的设计制造。

Description

北斗地面接收机高增益宽频带CMOS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、采用并联反馈结构、电流复用技术和噪声抵消技术的宽带低噪声放大器。
背景技术
北斗卫星导航系统是中国自主创新研发的全球卫星导航定位系统，它与欧洲的伽利略导航系统、俄罗斯的格罗纳斯系统以及美国的全球定位系统组成了全球性的四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时服务。近年来，随着在轨卫星的不断增加，北斗卫星导航系统的稳定性、可用性和定位精度持续提高，其在交通管理、环境监测和紧急救援领域得到广泛应用。
作为系统的核心部件，北斗接收机性能是整个北斗导航系统性能好坏的关键，其主要作用是首先将从天线接收到的微弱高频信号放大，然后下变频并量化为中频数字信号，所以提高接收机的灵敏度是实现射频接收机的首要任务之一。低噪声放大器位于射频系统接收机最前端，用于放大微弱信号，其噪声系数越小，射频系统接收机的灵敏度越高，因此改善低噪声放大器的性能和设计水平有着极其重要的意义。
为提升低噪声放大器的性能指标，研究人员对CMOS低噪声放大器的电路结构方面进行了大量探索，在噪声、增益和带宽方面进行了较好地折衷。例如，范小强等人基于TSMC0.18μm CMOS工艺设计了一款可工作在1.575GHz的低噪声放大器，增益为15.92dB，噪声系数为1.063dB；Pan Zhijian等人基于65nm CMOS工艺设计了一款可工作在0.1-4.3GHz的宽带低噪声放大器，最高增益达21.2dB，噪声系数在2.8-4dB之间。尽管上述电路采用差分拓扑结构获得了更低的噪声，但对工艺精度和设计技巧提出了严苛的要求，增加了设计复杂度，且获得与单端结构相同的增益需要两倍的功耗和芯片面积。
此外，也有一些采用共源共栅结构和共源结构分别作为第一、二级放大电路的单端低噪声放大器设计的报道。例如，李兵等人基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一款多模低噪声放大器，可工作在1.207GHz到1.575GHz之间的多个频点，在功耗低于7mW的情况下，噪声系数小于1.8dB；邹鹭等人设计了一种可在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。尽管采用上述结构可以获得一定的增益，且易于实现输出阻抗匹配，但采用传统共源共栅结构的第一级电路难以实现噪声阻抗匹配和高的增益。
申请人前期提出了一种用于L波段的宽带低噪声放大器，在增益、带宽和噪声等方面获得了良好的性能。本发明是在前期设计的基础上，使用更少的电感来降低电路功耗和成本，同时明显改善S参数性能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在基于硅基CMOS工艺提出一款新型的、用于北斗地面接收机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，北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，由第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路组成；其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配，第二级放大电路提高增益和反向隔离度，第三级放大电路提供输出阻抗匹配，并进一步改善增益和噪声性能；第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器：由自偏置反相器和与之并联的电阻组成。
第一级放大电路的结构具体是，MOS管M1b的栅极连接至MOS管M1a的栅极，MOS管M1b的漏极连接至MOS管M1a的漏极，MOS管M1b的源极直接连接VDD；第三级放大电路由一个源跟随器和一个共源管M4组成，共源管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，为MOS管M4提供偏置。
第二级放大电路的结构具体是，包括MOS管M2、MOS管M3、电阻R和电感LD，MOS管M2的栅极连接MOS管M1a的漏极与MOS管M1b的漏极连接处，MOS管M2的漏极连接MOS管M3的源极，MOS管M2的源极直接连接至地线；MOS管M3的栅极直接连接VDD，MOS管M3的漏极连接电阻R与电感LD的并联至VDD。
一个实例中，MOS管M1b的栅极连接至MOS管M1a的栅极，MOS管M1b的漏极连接至MOS管M1a的漏极，MOS管M1b的源极直接连接VDD；电源Vin连接电容C1、电感Lg至MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M1a的栅极通过电阻RF连接到MOS管M1a的漏极，MOS管M1a的源极直接连接到地线。MOS管M2的栅极连接MOS管M1a的漏极与MOS管M1b的漏极连接处，MOS管M2的漏极连接MOS管M3的源极，MOS管M2的源极直接连接至地线；MOS管M3的栅极直接连接VDD，MOS管M3的漏极连接电阻R与电感LD的并联至VDD。MOS管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M4的源极直接连接至地线；MOS管M5的栅极连接到M3的漏极，MOS管M5的漏极直接连接VDD，MOS管M4的漏极与MOS管M5的源极相连。MOS管M5的源极与MOS管M4的漏极连接处连接电容C2到Vout。
所述并联反馈放大器的有效跨导可表示为
Gm＝gmb+gma (1)
式中，gma为MOS管M1a的有效跨导，gmb为MOS管M1b的有效跨导。
输出阻抗可表示为
Rout＝RF||ro1||ro2 (2)
式中，ro1为MOS管M1a的内阻，ro2为MOS管M1b的内阻。
电压增益表示为
Av＝-(Gm-1/RF)Rout (3)
输入阻抗为
Zin＝RF/(1+|Av|) (4)。
本发明的特点及有益效果是：
1、第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器结构，为实现输入阻抗和噪声阻抗匹配提供了设计自由度。另外，通过网络的反馈特性也可改善带宽和增益平坦度。
2、第二级放大电路采用电感峰化的共源共栅结构，在提高整体电路增益的同时增加了反向隔离度，从而抑制输出信号对输入的干扰，有利于抑制后级混频器的噪声。
3、第三级放大电路采用一种噪声抵消结构，使电路的噪声系数(NF)进一步降低。
4、共源管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，为MOS管M4提供偏置，避免使用额外偏置电路而增加电路功耗。
综上所述，本发明所设计低噪声放大器具有高增益、宽频带、低噪声及反向隔离度高等诸多有益效果。
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S参数的仿真结果；
图3给出了噪声系数NF的仿真结果；
图4给出了稳定性系数Kf的仿真结果图。
具体实施方式
申请人前期提出了一种用于L波段的宽带低噪声放大器，在增益、带宽和噪声等方面获得了良好的性能。本发明是在前期设计的基础上，使用更少的电感来降低电路功耗和成本，同时明显改善S参数性能。
本发明所述低噪声放大器由第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路组成。其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配，第二级放大电路提高增益和反向隔离度，第三级放大电路提供输出阻抗匹配，并进一步改善增益和噪声性能。
1、第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器。所述结构由自偏置反相器和并联电阻组成，采用互补电阻并联反馈结构的放大器可实现宽带输入匹配，获得极低的噪声系数，从而提高系统灵敏度。同时电流复用技术能降低功耗，提高电路增益。
2、第二级放大电路采用电感峰化的共源共栅结构。所述结构包括MOS管M2、MOS管M3、电阻R和电感LD。其中，共栅管M3用以减小共源管M2的栅-漏电容引起的Miller效应，进而改善整体电路的反向隔离度。在共栅管M3的漏端，总节点电容与电感LD形成的谐振既可增加了中心频率处的增益，同时又提高了带通滤波能力。电阻R用来增加带宽。
3、第三级电路采用噪声抵消结构。所述结构由一个源跟随器和一个共源电路组成，在一定程度上实现了输出匹配，并改善整体电路的噪声及增益性能。共源管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，为MOS管M4提供偏置，从而减少额外偏置电路而引入的功耗。
下一步结合附图和具体实时方式进一步详细说明本发明。
图1是本发明提出的应用于北斗地面接收机的、基于CMOS工艺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、第二级放大电路和第三级放大电路组成。其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配，第二级放大电路提高增益和反向隔离度，第三级放大电路提供输出阻抗匹配，并进一步改善增益和噪声性能。采用本发明所述低噪声放大器，可在L波段较宽频带内(1.0-2.0GHz)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M1b的栅极连接至MOS管M1a的栅极，MOS管M1b的漏极连接至MOS管M1a的漏极，MOS管M1b的源极直接连接VDD；电源Vin连接电容C1、电感Lg至MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M1a的栅极通过电阻RF连接到MOS管M1a的漏极，MOS管M1a的源极直接连接到地线。MOS管M2的栅极连接MOS管M1a的漏极与MOS管M1b的漏极连接处，MOS管M2的漏极连接MOS管M3的源极，MOS管M2的源极直接连接至地线；MOS管M3的栅极直接连接VDD，MOS管M3的漏极连接电阻R与电感LD的并联至VDD。MOS管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M4的源极直接连接至地线；MOS管M5的栅极连接到M3的漏极，MOS管M5的漏极直接连接VDD，MOS管M4的漏极与MOS管M5的源极相连。MOS管M5的源极与MOS管M4的漏极连接处连接电容C2到Vout。
第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器。所述结构由自偏置反相器(M1a-M1b)和并联电阻RF组成，采用互补电阻并联反馈结构的放大器能够实现宽带输入匹配，获得极低的噪声系数，并提高系统的灵敏度。同时电流复用技术可降低功耗，提高电路增益。由电路图分析可得，所述并联反馈放大器的有效跨导可表示为
Gm＝gmb+gma (1)
式中，gma为MOS管M1a的有效跨导，gmb为MOS管M1b的有效跨导。
输出阻抗可表示为
Rout＝RF||ro1||ro2 (2)
式中，ro1为MOS管M1a的内阻，ro2为MOS管M1b的内阻。
电压增益表示为
Av＝-(Gm-1/RF)Rout (3)
输入阻抗为
Zin＝RF/(1+|Av|) (4)
从上述分析可知，本发明提出的电路结构功耗较低，且具有较高的输出阻抗，因而可以使得电路在获得高电压增益的同时实现较低的噪声系数。
为了消除Miller效应对电路频率响应的影响，第二级放大电路采用电感峰化的共源共栅结构，并优先考虑电路的噪声匹配和宽带性能。共栅管M3用以减小共源管M2的栅-漏电容引起的Miller效应，进而提高整体电路的反向隔离度；在M3的漏端，总节点电容与电感LD形成的谐振既可增加中心频率处的增益，同时又提高了带通滤波能力；电阻R用来增加带宽。
第三级放大电路采用噪声抵消结构。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。共源管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极，降低因使用额外偏置电路而引入的功耗。
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2所示为S参数的仿真结果。由图可见，所设计低噪声放大器的-3dB工作带宽为1.0GHz-2.0GHz，增益大于17dB，且具有良好的增益平坦度。由S11和S22的结果可知，本发明所设计电路在输入端和输出端实现了良好的阻抗匹配。由S12的结果可知，本发明所设计电路达到良好的反向隔离度。
图3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<2.027dB，且在整个工作带宽内的变化量仅为0.198dB，说明本发明所设计的放大器能够获得极低的噪声。
图4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Kf>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工艺设计了一款结合电流复用技术和噪声抵消技术，采用并联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、宽频带以及良好的增益平坦度等优点，满足北斗导航系统中射频接收机的实际需求。

Claims (5)

1.一种北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，其特征是，由第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路组成；其中，第一级放大电路提供输入阻抗和噪声阻抗匹配，第二级放大电路提高增益和反向隔离度，第三级放大电路提供输出阻抗匹配，并进一步改善增益和噪声性能；第一级放大电路采用带电流复用技术的并联反馈放大器：由自偏置反相器和与之并联的电阻组成。
2.如权利要求1所述的北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，其特征是，第一级放大电路的结构具体是，MOS管M1b的栅极连接至MOS管M1a的栅极，MOS管M1b的漏极连接至MOS管M1a的漏极，MOS管M1b的源极直接连接VDD；第三级放大电路由一个源跟随器和一个共源管M4组成，共源管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，为MOS管M4提供偏置。
3.如权利要求2所述的北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，其特征是，第二级放大电路的结构具体是，包括MOS管M2、MOS管M3、电阻R和电感LD，MOS管M2的栅极连接MOS管M1a的漏极与MOS管M1b的漏极连接处，MOS管M2的漏极连接MOS管M3的源极，MOS管M2的源极直接连接至地线；MOS管M3的栅极直接连接VDD，MOS管M3的漏极连接电阻R与电感LD的并联至VDD。
4.如权利要求1所述的北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，其特征是，一个实例中，MOS管M1b的栅极连接至MOS管M1a的栅极，MOS管M1b的漏极连接至MOS管M1a的漏极，MOS管M1b的源极直接连接VDD；电源Vin连接电容C1、电感Lg至MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M1a的栅极通过电阻RF连接到MOS管M1a的漏极，MOS管M1a的源极直接连接到地线。MOS管M2的栅极连接MOS管M1a的漏极与MOS管M1b的漏极连接处，MOS管M2的漏极连接MOS管M3的源极，MOS管M2的源极直接连接至地线；MOS管M3的栅极直接连接VDD，MOS管M3的漏极连接电阻R与电感LD的并联至VDD。MOS管M4的栅极连接到MOS管M1a的栅极与MOS管M1b的栅极连接处，MOS管M4的源极直接连接至地线；MOS管M5的栅极连接到M3的漏极，MOS管M5的漏极直接连接VDD，MOS管M4的漏极与MOS管M5的源极相连。MOS管M5的源极与MOS管M4的漏极连接处连接电容C2到Vout。
5.如权利要求4所述的北斗地面接收机高增益宽频带CMOS低噪声放大器，其特征是，所述并联反馈放大器的有效跨导表示为：
Gm＝gmb+gma (1)
式中，gma为MOS管M1a的有效跨导，gmb为MOS管M1b的有效跨导。
输出阻抗可表示为
Rout＝RF||ro1||ro2 (2)
式中，ro1为MOS管M1a的内阻，ro2为MOS管M1b的内阻。
电压增益表示为
Av＝-(Gm-1/RF)Rout (3)
输入阻抗为
Zin＝RF/(1+|Av|) (4)。
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