CN109660215B - 一种宽频射频低噪声放大器的集成电路 - Google Patents

一种宽频射频低噪声放大器的集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽频射频低噪声放大器的集成电路，包括信号转换模块，用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；直流电流隔绝模块，连接信号转换模块，用于隔绝电流信号中的直流信号，传输电流信号中的交流信号；增益提升模块，连接直流电流隔绝模块，用于增大所述交流信号的增益和反向隔离度，并提供阻抗匹配的输出阻抗。本发明所提供的宽频射频低噪声放大器的集成电路包括信号转换模块、直流电流隔绝模块和增益提升模块，不仅使得低噪声放大器的输入阻抗与信号源的阻抗同时完成共轭匹配和噪声匹配，通过增益提升模块使得输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，并通过增益提升模块使得电流信号中的输出阻抗增大，从而提高了该低噪声放大器的增益。

Description

一种宽频射频低噪声放大器的集成电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种宽频射频低噪声放大器的集成电路。
背景技术
在射频无线通信接收系统中，低噪声放大器作为其中的第一级有源电路，需要具备很低的噪声并提供足够的增益，以放大微弱的射频信号并抑制后级电路的噪声。
在便携式通信工具中，为了节省功耗，低电源电压的射频电路越来越受到欢迎和重视。而在低电源电压环境下，折叠式共源共栅结构的低噪声放大器在噪声、增益和线性度的综合性能上具有优势，所以这种结构适用于低压射频电路。
但是由于电源电压的限制，具有折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的增益很难提高，使得这种结构的低噪声放大器的使用受到了限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种宽频射频低噪声放大器的集成电路。
本发明的一个实施例提供了一种宽频射频低噪声放大器的集成电路，包括：
信号转换模块，用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
直流电流隔绝模块，连接所述信号转换模块，用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
增益提升模块，连接所述直流电流隔绝模块，用于增大所述交流信号的增益和反向隔离度，并提供阻抗匹配的输出阻抗。
在本发明的一个实施例中，所述信号转换模块包括第一匹配网络、第一放大管、第一电感和第一阻塞器，其中，
所述第一匹配网络串接于输入端与所述第一放大管的栅极之间，所述第一电感串接于所述第一放大管的源极和接地端之间，所述第一放大管的漏极分别连接于所述第一阻塞器的一端和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第一阻塞器的另一端连接于电源端。
在本发明的一个实施例中，所述第一匹配网络包括第二电感和第一电容，其中，
所述第二电感的一端连接于输入端，所述第二电感的另一端分别连接于所述第一放大管的栅极和所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接于所述第一放大管的源极与所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接于接地端。
在本发明的一个实施例中，所述第一阻塞器包括第二电容和第三电感，其中，
所述第二电容和所述第三电感并接形成的一端连接于所述第一放大管的漏极和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第二电容和所述第三电感并接形成的另一端连接于电源端。
在本发明的一个实施例中，所述第一放大管为NMOS管。
在本发明的一个实施例中，所述增益提升模块包括第二匹配网络、第二放大管和第二阻塞器，其中，
所述第二匹配网络串接于所述第二放大管的漏极和输出端之间，所述第二放大管的源极连接于所述直流电流隔绝模块的另一端和所述第二阻塞器的一端，所述第二放大管的栅极连接于偏置源，所述第二阻塞器的另一端连接于接地端。
在本发明的一个实施例中，所述第二匹配网络包括第三电容和第四电感，其中，
所述第三电容的一端连接于输出端，所述第三电容的另一端连接于所述第四电感的一端和所述第二放大管的漏极，所述第四电感的另一端连接于电源端。
在本发明的一个实施例中，所述第二阻塞器包括第四电容和第五电感，其中，
所述第四电容和所述第五电感并接形成的一端连接于所述直流电流隔绝模块的另一端和所述第二放大管的源极，所述第四电容和所述第五电感并接形成的另一端连接于接地端。
在本发明的一个实施例中，所述第二放大管为NMOS管。
在本发明的一个实施例中，所述直流电流隔绝模块为耦合电容。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的宽频射频低噪声放大器的集成电路包括信号转换模块、直流电流隔绝模块和增益提升模块，不仅使得低噪声放大器的输入阻抗与信号源的阻抗同时完成了共轭匹配和噪声匹配，通过增益提升模块使得电路的输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，并通过增益提升模块使得交流通路中的输出阻抗增大，从而提高了该低噪声放大器的增益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种宽频射频低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种宽频射频低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种宽频射频低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种宽频射频低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图5为本现有技术提供的一种传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的电压增益的仿真结果示意图；
图6为本发明实施例提供的一种宽频射频低噪声放大器的电压增益的仿真结果示意图；
图7为本现有技术提供的一种传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的功率增益的仿真结果示意图；
图8为本发明实施例提供的一种宽频射频低噪声放大器的功率增益的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种宽频射频低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图。本发明实施例提供的一种宽频射频低噪声放大器的集成电路，该集成电路包括：
信号转换模块，用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
直流电流隔绝模块，连接所述信号转换模块，用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
增益提升模块，连接所述直流电流隔绝模块，用于增大所述交流信号的增益和反向隔离度，并提供阻抗匹配的输出阻抗。
本发明实施例所提供的宽频射频低噪声放大器的集成电路包括信号转换模块、直流电流隔绝模块和增益提升模块，不仅使得低噪声放大器的输入阻抗与信号源的阻抗同时完成共轭匹配和噪声匹配，通过增益提升模块使得输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，并通过增益提升模块使得电流信号中的输出阻抗增大，从而提高了该低噪声放大器的增益。
具体地，请参见图2，信号转换模块包括第一匹配网络、第一放大管M1、第一电感L1和第一阻塞器，其中，第一匹配网络串接于输入端Vin与第一放大管M1的栅极之间，第一电感L1串接于第一放大管M1的源极和接地端GND之间，第一放大管M1的漏极分别连接于第一阻塞器的一端和直流电流隔绝模块的一端，第一阻塞器的另一端连接于电源端VDD。
本实施例通过输入端Vin将电压信号传输至低噪声放大器中，并通过第一匹配网络和第一电感L1调节电路的输入阻抗，使得该输入阻抗与信号源的阻抗共轭，即实现该输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配，并通过第一放大管M1实现将输入阻抗匹配的电压信号转换为输入阻抗匹配的电流信号，并通过第一阻塞器阻塞第一放大管M1至电源端VDD的交流通路，从而使得转换的电流信号能够传输至第二放大管M2，同时第一阻塞器能够为第一放大管M1提供直流偏置电流。
优选地，第一放大管M1为NMOS管。
进一步地，请参见图3，第一匹配网络包括第二电感L2和第一电容C1，其中，第二电感L2的一端连接于输入端Vin，第二电感L2的另一端分别连接于第一放大管M1的栅极和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接于第一放大管M1的源极与第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接于接地端GND。
本实施例通过第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1来调节电路的输入阻抗，使得该输入阻抗与信号源的阻抗共轭，即实现该输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配，且同时可以满足使信号源的阻抗等于放大电路噪声最小的最佳阻抗，从而实现了阻抗的共轭匹配和噪声匹配。
本实施例的集成电路的信号源的阻抗和负载阻抗相同，例如，均为50Ω。
请参见图4，信号源由第一电阻RS和电压信号Vs组成，第一电阻RS串接于输入端Vin和接地端GND之间，信号源的阻抗是固定的，例如信号源的阻抗为50Ω。通过调整第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1，可以实现阻抗与噪声的同时匹配，即Zin＝RS*＝50Ω，其中，Zin为输入阻抗，RS代表信号源的阻抗，RS*代表信号源阻抗的共轭，同时地，放大电路对应的最佳信号源阻抗Zopt＝RS＝50Ω，其中，Zopt为信号源的最佳阻抗，从而实现了阻抗的共轭匹配和噪声匹配。
进一步地，请再次参见图3，第一阻塞器包括第二电容C2和第三电感L3，其中，第二电容C2和第三电感L3并接形成的一端连接于第一放大管M1的漏极和直流电流隔绝模块的一端，第二电容C2和第三电感L3并接形成的另一端连接于电源端VDD。
在本实施例中，通过第二电容C2和第三电感L3阻塞第一放大管M1至电源端VDD的交流通路，从而使得转换的电流信号能够传输至第二放大管M2，同时第一阻塞器能够为第一放大管M1提供直流偏置电流。
进一步地，请再次参见图2，直流电流隔绝模块为耦合电容Cc，利用耦合电容Cc可以隔绝电流信号中的直流信号，并允许电流信号中的交流信号通过，从而实现只有交流信号传输至第二放大管M2中。
进一步地，请再次参见图2，增益提升模块包括第二匹配网络、第二放大管M2和第二阻塞器，其中，第二匹配网络串接于第二放大管M2的漏极和输出端Vout之间，第二放大管M2的源极连接于直流电流隔绝模块的另一端和第二阻塞器的一端，第二放大管M2的栅极连接于偏置源Vb，第二阻塞器的另一端连接于接地端GND。
本实施例通过第二匹配网络调节交流信号的输出阻抗，使得该输出阻抗与负载的阻抗共轭，即实现该输出阻抗与信负载的阻抗共轭匹配，并通过第二放大管M2提高电路交流通路的输出阻抗，从而提高了反向隔离度，同时使得该低噪声放大器的增益增大，并通过第二阻塞器阻塞第二放大管M2至接地端GND的交流通路，从而使得经增益放大的交流信号能够传输至负载，同时第二阻塞器能够为第二放大管M2提供直流偏置电流。
优选地，第二放大管M2为NMOS管。通过将第二放大管M2设置为NMOS管，并配合第二匹配网络调节交流信号的输出阻抗和第二阻塞器阻塞第二放大管M2至接地端GND的交流通路的作用，进一步提高了反向隔离度，使得该低噪声放大器的增益增大的效果。
进一步地，请再次参见图3，第二匹配网络包括第三电容C3和第四电感L4，其中，第三电容C3的一端连接于输出端Vout，第三电容C3的另一端连接于第四电感L4的一端和第二放大管M2的漏极，第四电感L4的另一端连接于电源端VDD。
本实施例通过第三电容C3和第四电感L4调节交流信号的输出阻抗，使得该输出阻抗与负载的阻抗共轭，即实现该输出阻抗与信负载的阻抗共轭匹配。
请再次参见图4，负载为第二电阻RL，第二电阻RL连接于输出端Vout，通过调节第三电容C3和第四电感L4，可以实现交流输出阻抗与负载的阻抗共轭匹配，即Zout＝RL *＝50Ω，其中，Zout为输出阻抗，RL *为负载阻抗的共轭。
进一步地，请再次参见图3，第二阻塞器包括第四电容C4和第五电感L5，其中，第四电容C4和第五电感L5并接形成的一端连接于直流电流隔绝模块的另一端和第二放大管M2的源极，第四电容C4和第五电感L5并接形成的另一端连接于接地端GND。
本实施例通过第四电容C4和第五电感L5阻塞第二放大管M2至接地端GND的交流通路，从而使得经增益放大的交流信号能够传输至负载，同时第四电容C4和第五电感L5能够为第二放大管M2提供直流偏置电流。
请同时参见图5和图6，其中，图5和图6的横坐标为频率，纵坐标为电压增益，其中，两者的模拟条件为：电源电压为1.2v、直流电流为5.1mA，由此可以保持两者的功耗一致，通过对比可以发现，传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的电压增益为11.7，而本实施例的低噪声放大器的电压增益为13.5，本实施例的低噪声放大器的电压增益相较于传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器提升了15.4％。
请同时参见图7和图8，其中，图7和图8的横坐标为频率，纵坐标为功率增益，其中，两者的模拟条件为：电源电压为1.2v、直流电流为5.1mA，由此可以保持两者的功耗一致，通过对比可以发现，传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的功率增益为136.9，而本实施例的低噪声放大器的功率增益为182.5，本实施例的低噪声放大器的功率增益相较于传统折叠式共源共栅结构的低噪声放大器的功率增益提升了约33.5％。
本实施例的第一阻塞器和第二阻塞器属于高频信号阻塞器，均由LC谐振电路或者大电感来实现。本实施例的集成电路通过LC谐振电路阻塞交流高频信号，使流过第一放大管M1的交流电流全部通过第二放大管M2到达负载端，实现了折叠式共源共栅的结构功能。本实施例的集成电路利用两个NMOS管的载流子迁移率大的特性，实现同样功耗下提升增益的效果。
本实施例提供了一种宽频射频低噪声放大器的集成电路，该集成电路只使用NMOS管构成了折叠式共源共栅放大器结构；由于MOS管的跨导
Figure BDA0001849919240000091
(其中，gm为跨导，μ为载流子迁移率，COX为MOS管单位面积栅氧化层的电容，W/L为MOS管的沟道宽长比，ID为MOS管的直流电流)，而NMOS管的载流子迁移率大于POMS管，即μN>μP(其中，μN为NMOS管的载流子迁移率，μP为PMOS管的载流子迁移率)，所以在同样偏置电流下，NMOS管具有更大的跨导；在折叠式共源共栅放大器中，放大器的增益与管子的跨导正相关，所以本实施例的集成电路能在不增加功耗的前提下，提供更大的增益。
本实施例的集成电路利用两个LC并联谐振电路分别阻塞了第一放大管M1的漏极至电源端的交流通路和第二放大管M2的源极至接地端的交流通路，并且分别为第一放大管M1、第二放大管M2提供直流偏置电流，又利用一个耦合电容CC提供第一放大管M1至第二放大管M2的交流通路，从而使流过第一放大管M1的交流信号全部流过第二放大管M2，达到了与传统折叠式共源共栅放大器同样的功能，并且由于NMOS管载流子迁移率大的特性，该电路在同等功耗下能提供更高的增益。
该集成电路的适用频率很宽，理论上只要集成器件在高频下不失效，就可以在很高频率下使用，但是有碍于实际电感的自谐振效应、MOS管的截止频率以及集成电路寄生的影响，电路总会在使用频率上有限制，所以该集成电路尤其在10GHz以下的射频集成电路中使用效果更好。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种宽频射频低噪声放大器的集成电路，其特征在于，包括：
信号转换模块，用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
直流电流隔绝模块，连接所述信号转换模块，用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
增益提升模块，连接所述直流电流隔绝模块，用于增大所述交流信号的增益和反向隔离度，并提供阻抗匹配的输出阻抗；
所述信号转换模块包括第一匹配网络、第一放大管(M1)、第一电感(L1)和第一阻塞器，其中，
所述第一匹配网络串接于输入端(Vin)与所述第一放大管(M1)的栅极之间，所述第一电感(L1)串接于所述第一放大管(M1)的源极和接地端(GND)之间，所述第一放大管(M1)的漏极分别连接于所述第一阻塞器的一端和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第一阻塞器的另一端连接于电源端(VDD)；
所述第一匹配网络包括第二电感(L2)和第一电容(C1)，其中，
所述第二电感(L2)的一端连接于输入端(Vin)，所述第二电感(L2)的另一端分别连接于所述第一放大管(M1)的栅极和所述第一电容(C1)的一端，所述第一电容(C1)的另一端连接于所述第一放大管(M1)的源极与所述第一电感(L1)的一端，所述第一电感(L1)的另一端连接于接地端(GND)。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述第一阻塞器包括第二电容(C2)和第三电感(L3)，其中，
所述第二电容(C2)和所述第三电感(L3)并接形成的一端连接于所述第一放大管(M1)的漏极和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第二电容(C2)和所述第三电感(L3)并接形成的另一端连接于电源端(VDD)。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述第一放大管(M1)为NMOS管。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述增益提升模块包括第二匹配网络、第二放大管(M2)和第二阻塞器，其中，
所述第二匹配网络串接于所述第二放大管(M2)的漏极和输出端(Vout)之间，所述第二放大管(M2)的源极连接于所述直流电流隔绝模块的另一端和所述第二阻塞器的一端，所述第二放大管(M2)的栅极连接于偏置源(Vb)，所述第二阻塞器的另一端连接于接地端(GND)；
所述第二匹配网络包括第三电容(C3)和第四电感(L4)，其中，
所述第三电容(C3)的一端连接于输出端(Vout)，所述第三电容(C3)的另一端连接于所述第四电感(L4)的一端和所述第二放大管(M2)的漏极，所述第四电感(L4)的另一端连接于电源端(VDD)。
5.根据权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述第二阻塞器包括第四电容(C4)和第五电感(L5)，其中，
所述第四电容(C4)和所述第五电感(L5)并接形成的一端连接于所述直流电流隔绝模块的另一端和所述第二放大管(M2)的源极，所述第四电容(C4)和所述第五电感(L5)并接形成的另一端连接于接地端(GND)。
6.根据权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述第二放大管(M2)为NMOS管。
7.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述直流电流隔绝模块为耦合电容(Cc)。
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