CN110417369B - 一种宽带、高线性度射频低噪声放大器 - Google Patents

一种宽带、高线性度射频低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽带、高线性度射频低噪声放大器，其解决了现有射频集成电路在低压、宽带工作时，线性度差的技术问题，其包括：宽带输入匹配模块、双谐振负载模块、线性化模块和输出缓冲级模块；宽带输入匹配模块用于宽带匹配，实现最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流；双谐振负载模块用于实现宽带平坦增益，在带宽内具有放大作用；线性化模块用于抵消失真电流，提高电路的线性度和抗强干扰信号的能力；输出缓冲级模块用于实现阻抗变换。本发明可广泛应于抗干扰能力强的低功耗射频前端电路设计领域。

Description

一种宽带、高线性度射频低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种射频放大电路领域，特别是涉及一种宽带、高线性度射频低噪声放大器。
背景技术
随着射频集成电路工艺及技术的发展，无线技术朝着大数据容量、高速率方向发展，超宽带(UWB)技术是目前解决短距离高速通信应用问题的最具前景的无线通信技术。它具备保密性好、功耗低、数据率高、抗多径能力强等优势。在FCC标准下，3.1-10.6GHz的UWB频带要满足发射功率谱密度在-41.3dBm/MHz以下，由于接收信号非常微弱，所以需要接收机有较高的灵敏度，但对于宽带接收机来说，带内干扰问题严重，将会在很大程度上影响接收机的灵敏度等性能，所以要想获得良好的接收性能，就需要设计线性度充分高的射频前端电路。
低噪声放大器作为射频接收机的第一级，在强干扰信号存在时，需要有足够高的线性度来使得接收机的灵敏度不被退化。
随着工艺尺寸的缩小，安全的供电电压也在不断减小，有限的电压裕度使得传统设计的宽带低噪声放大器无法实现良好的线性度性能，在强干扰存在的环境下，接收机的灵敏度性能恶化。
发明内容
本发明为了解决现有射频集成电路在低压、宽带工作时，线性度差的技术问题，提供一种宽带、高线性度射频低噪声放大器。
本发明提供一种宽带、高线性度射频低噪声放大器，其包括：宽带输入匹配模块、宽带输入匹配模块用于宽带匹配，实现最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流；双谐振负载模块、双谐振负载模块用于实现宽带平坦增益，在带宽内具有放大作用；线性化模块线性化模块用于抵消失真电流，提高电路的线性度和抗强干扰信号的能力；输出缓冲级模块；输出缓冲级模块用于实现阻抗变换；宽带输入匹配模块、双谐振负载模块和线性化模块互相连接并与输出缓冲级模块连接，宽带输入匹配模块与RFin连接，输出缓冲级模块与RFout连接；
优选地，宽带输入匹配模块包括第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第三电感、第一电阻、第一MOS管。
优选地，双谐振负载模块包括第四电感、第五电感、第二MOS管、第二电阻。
优选地，线性化模块包括第三电容、第三电阻、第三MOS管。
优选地，输出缓冲级模块包括第四MOS管、第五MOS管。
优选地，第一电容的第一端作为低噪声放大器的输入端，第一电容的第二端连接第一电感的第一端、第二电感的第一端；
第一电感的另一端与第一偏置电压相连，第二电感的另一端与第一MOS管的栅极相连，同时与第二电容的第一端相连；
第一MOS管的源极与第三电感的第一端相连，第三电感的另一端直接连接到地；
第二电容另一端与第一电阻的第一端相连，第一电阻的另一端与第一MOS管漏极相连，同时与第二MOS管的源级相连；
第二MOS管的栅极直接连接到电源电压，第二MOS管的漏极与第二电阻的第一端、与第五电感的第一端、与第三MOS管漏极、与第三电容的第一端相连；
第二电阻的另一端与第四电感的第一端相连，第四电感的另一端连接到电源电压；
第三MOS管的源极连接到电源电压，第三MOS管的栅极连接到第三电容的另一端，同时连接到第三电阻的第一端；
第三电阻的另一端连接到第二偏置电压，第五电感的另一端连接到第四MOS管的栅极；
第四MOS管的漏极连接到电源电压，第四MOS管的源极连接到第五MOS管的漏极作为输出端口；
第五MOS管的栅极连接到第三偏置电压，第五MOS管的源极直接连接到地。
优选地，第三MOS管为PMOS管。
本发明还提供一种射频前端集成电路，其包括上述任一宽带、高线性度射频低噪声放大器。
本发明的有益效果是：
1、本发明设有宽带输入匹配模块，通过在第一MOS管的栅极与第一MOS管的漏极插入并联的第二电容和第一电阻，利用反馈技术，很大程度上扩展了输入匹配带宽，使得低噪声放大器能够在很宽的频带内工作。
2、本发明设有双谐振负载模块，采用第四电感、第五电感、第二电阻作为第二MOS管的漏极负载，利用并串双谐振技术，将增益谐振峰推向高频和低频，实现了宽带的增益，同时通过的第二电阻来调节带内增益的平坦度，使得在带宽范围内，均能够保持较为一致的性能；由第四电感和第五电感共同决定低噪声放大器的带宽，由第二电阻决定低噪声放大器增益平坦度。
3、本发明通过线性化模块，利用第三MOS管产生与第一MOS管相反的失真电流，存在于第二MOS管的漏极失真电流进行相减，使得流过双谐振负载模块的电流不存在失真电流，从而提高了电路的线性度性能；第三MOS管使用PMOS，用以提供反向的失真电流，改变第二偏置电压调节失真抑制效果。
附图说明
图1是本发明的模块连接示意图；
图2是本发明的集成电路原理图；
图3是本发明的提高线性度的概念分析图；
图4是本发明电压增益的仿真结果示意图；
图5是本发明输入三阶交调的仿真结果示意图。
附图符号说明：
1.宽带输入匹配模块；2.双谐振负载模块；3.线性化模块；4.输出缓冲级负载模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对可本发明做进一步说明，以使本发明所属技术领域的技术人员能够容易实施本发明。
如图1所示，本发明集成电路模块连接示意图，该低噪声放大器集成电路包括：宽带输入匹配模块1、双谐振负载模块2、线性化模块3、输出缓冲级模块4；宽带输入匹配模块1、双谐振负载模块2和线性化模块3互相连接并与输出缓冲级模块4连接，宽带输入匹配模块1与RFin连接，输出缓冲级模块4与RFout连接。
宽带输入匹配模块1用于实现从天线端到低噪声放大器的宽带50Ω匹配，实现最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流。
双谐振负载模块2用于实现宽带平坦增益，使得实施例所示的低噪声放大器能够在很宽的带宽内具有放大作用。
线性化模块3用于产生与所述第一MOS管相反的失真电流，在第二MOS管的漏极相加求和，从而实现将失真电流抵消的功能，提高电路的线性度和抗强干扰信号的能力。
输出缓冲级模块4用于实现阻抗变换，仅仅用于输出测量考虑。
实施例：
如图2所示，是本发明的集成电路原理图，所述宽带输入匹配模块1包括第一电容Cb、第二电容Cf、第一电感Lb、第二电感Lg、第三电感Ls、第一电阻Rf、第一MOS管M1。
所述双谐振负载模块2包括、第四电感Ld1、第五电感Ld2、第二MOS管M2、第二电阻Rd。
所述线性化模块3包括第三电容Caux、第三电阻Raux、第三MOS管Maux。
所述输出缓冲级模块4包括第四MOS管M3、第五MOS管M4。
其中：
第一电容Cb的第一端作为实施例中低噪声放大器的输入端Vin，所述第一电容Cb的第二端连接所述第一电感Lb的第一端、所述第二电感Lg的第一端。
第一电感Lb的另一端与第一偏置电压Vbm相连，第二电感Lg的另一端与第一MOS管M1的栅极相连，同时与第二电容M2的第一端相连。
第一MOS管M1的源极与第三电感Ls的第一端相连，所述第三电感Ls的另一端直接连接到地。
第二电容Cf另一端与第一电阻Rf的第一端相连，第一电阻Rf的另一端与第一MOS管M1漏极相连，同时与第二MOS管M2的源级相连。
第二MOS管M2的栅极直接连接到电源电压Vdd，第二MOS管M2的漏极与第二电阻Rd的第一端、与第五电感Ld2的第一端、与第三MOS管Maux漏极、与第三电容Caux的第一端相连。
第二电阻Rd的另一端与第四电感Ld1的第一端相连，第四电感Ld1的另一端连接到电源电压Vdd。
第三MOS管Maux的源极连接到电源电压Vdd，所述第三MOS管Maux的栅极连接到第三电容Caux的另一端，同时连接到第三电阻Raux的第一端。
第三电阻Raux的另一端连接到第二偏置电压Vaux，第五电感Ld2的另一端连接到第四MOS管M3的栅极。
第四MOS管M3的漏极连接到电源电压Vdd，第四MOS管M3的源极连接到第五MOS管M4的漏极作为输出端口Vout。
第五MOS管M4的栅极连接到第三偏置电压Vbf，第五MOS管M4的源极直接连接到地。
本发明提供的宽带、高线性度射频低噪声放大器集成电路原理图的具体工作原理如下：
本实施例为工作在3.1-10.6GHz下的具有高线性度的低噪声放大器，宽带输入匹配模块1实现与宽带天线在3.1-10.6GHz下的宽带匹配，以实现最大功率传输和较好的噪声性能。
第二电感Ls作为源退化电感，第一电阻Rf作为反馈电阻，提供输入匹配模块的实部阻抗。
使用第一电感Lb、第二电感Lg与第一MOS管M1栅极电容谐振，从而实现宽带输入匹配。
在双谐振负载模块2中，第二MOS管M2的漏极电容与第四电感Ld1和第二电阻Rd形成并联谐振，谐振中心频率为w_0，位于3.1-10.6GHz的中心频率，第五电感Ld2与第四MOS管M3的栅极电容形成串联谐振，谐振频率也为w_0，位于3.1-10.6GHz的中心频率，此两谐振网络形成并串双谐振负载网络，形成高频和低频两个谐振峰，从而实现了在宽带内的高增益，同时利用第二电阻Rd降低谐振Q值，提高增益带宽，平坦增益。
如图3所示，线性化模块3提高线性度的概念分析图，第一MOS管M1产生的电流iA包括线性电流g1v1和失真电流inl(v1)，其中g1为第一MOS管M1的线性跨导，v1为第一MOS管M1栅源电压，线性电流和失真电流均为电压v1和MOS管特性的函数。通过调整第二偏置电压Vaux，使得图2中的线性化模块3第三MOS管Maux产生的反向失真电流iB近似等于-inl(v1)，两电流在第二MOS管M2的漏极相加iout＝iA+iB＝g1v1+inl(v1)-inl(v1)＝iA，得到输出电流iout只包含线性电流iA，理想情况下，失真电流完全被抵消，线性度得到了提高。
输出缓冲级模块4提供宽带50Ω输出，实现测量匹配。
如图4所示，宽带、高线性度射频低噪声放大器集成电路的功率增益S21的仿真结果示意图，图4的横坐标为频率(GHz)，纵坐标为功率增益(dB),在图2电路设置电源电压为1.2V，直流功耗为9.42mW,由于宽带输入匹配模块1和双谐振负载模块2对带宽的扩展作用，图2实施例的仿真结果实现3.1-10.6GHz的带宽10.1-12.3dB的功率增益，证明了宽带输入匹配模块1和双谐振负载模块2在低功耗下能够实现宽带的增益效果。
如图5所示，输入三阶交调的仿真结果示意图，其中图5的横坐标为频率(GHz)，纵坐标为输入三阶交调(dBm)，同样在图2提供的宽带、高线性度射频低噪声放大器下，实现了全频带内-0.43-2.52dBm的输入三阶交调功率，能够很好地抗带内干扰。
在具体实际应用中，各个MOS管可以使用三级管代替，使其具体应用环境而定，均在本申请发明的保护范围内。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征是，包括：
宽带输入匹配模块，所述宽带输入匹配模块用于宽带匹配，实现最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流；
双谐振负载模块，所述双谐振负载模块用于实现宽带平坦增益，在带宽内具有放大作用；
线性化模块所述线性化模块用于抵消失真电流，提高电路的线性度和抗强干扰信号的能力；
输出缓冲级模块，所述输出缓冲级模块用于实现阻抗变换；
所述宽带输入匹配模块、所述双谐振负载模块和所述线性化模块互相连接并与所述输出缓冲级模块连接，所述宽带输入匹配模块与RFin连接，所述输出缓冲级模块与RFout连接。
2.根据权利要求1所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述宽带输入匹配模块包括第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第三电感、第一电阻、第一MOS管。
3.根据权利要求2所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述双谐振负载模块包括第四电感、第五电感、第二MOS管、第二电阻。
4.根据权利要求3所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述线性化模块包括第三电容、第三电阻、第三MOS管。
5.根据权利要求4所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述输出缓冲级模块包括第四MOS管、第五MOS管。
6.根据权利要求5所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一电容的第一端作为所述低噪声放大器的输入端，所述第一电容的第二端连接所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端；
所述第一电感的另一端与第一偏置电压相连，所述第二电感的另一端与第一MOS管的栅极相连，同时与所述第二电容的第一端相连；
所述第一MOS管的源极与第三电感的第一端相连，所述第三电感的另一端直接连接到地；
所述第二电容另一端与所述第一电阻的第一端相连，所述第一电阻的另一端与所述第一MOS管漏极相连，同时与所述第二MOS管的源级相连；
所述第二MOS管的栅极直接连接到电源电压，所述第二MOS管的漏极与所述第二电阻的第一端、与所述第五电感的第一端、与所述第三MOS管漏极、与所述第三电容的第一端相连；
所述第二电阻的另一端与所述第四电感的第一端相连，所述第四电感的另一端连接到电源电压；
所述第三MOS管的源极连接到电源电压，所述第三MOS管的栅极连接到所述第三电容的另一端，同时连接到所述第三电阻的第一端；
所述第三电阻的另一端连接到第二偏置电压，所述第五电感的另一端连接到所述第四MOS管的栅极；
所述第四MOS管的漏极连接到电源电压，所述第四MOS管的源极连接到所述第五MOS管的漏极作为输出端口；
所述第五MOS管的栅极连接到第三偏置电压，所述第五MOS管的源极直接连接到地。
7.根据权利要求6所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器，其特征在于，所述第三MOS管为PMOS管。
8.一种射频前端集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的宽带、高线性度射频低噪声放大器。
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