CN110868165A - 多适应性可切换片上低噪声放大器及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多适应性可切换片上低噪声放大器及工作方法，该多适应性可切换片上低噪声放大器包括源简并电感型共源放大电路、模拟开关、输出阻抗匹配网络、第一LC谐振网络和差分输出电路；模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关；源简并电感型共源放大电路通过第一模拟开关与输出阻抗匹配网络相连接；源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关与第一LC谐振网络相连接；源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关、第三模拟开关与差分输出电路相连接，用于输出差分信号。该多适应性可切换片上低噪声放大器，可以应对阻性负载，容性负载，差分输出的不同输出条件，工作在不同模式，一款放大器完成多种功能。

Description

多适应性可切换片上低噪声放大器及工作方法
技术领域
本发明涉及多适应性可切换片上低噪声放大器及工作方法，属于集成电路技术领域。
背景技术
射频接收机接收的信号是一个动态范围很大的信号。故接收机本身必须引入很小的噪声，同时接收机必须具有足够高的线性度，为了达到这样的要求，接收机的第一级通常为低噪声放大器，它的功能是在产生尽可能低噪声的前提下对射频信号进行放大以降低后面各级模块产生的噪声对信号的影响。低噪声放大器除了应该引入很少的噪声和提供足够高的增益外，还应该具有较高的线性度以避免非线性对信号质量的影响。另外，为了更大的传输信号功率，低噪声放大器需要对前后级电路进行阻抗匹配。
目前的低噪声放大器存在以下问题：在接收信号非常微弱时，需要级联多级低噪声放大器，后级接低噪声放大器就需要做到阻抗匹配以完成最大功率传输，而级联后输出到混频器的信号需要是电压信号。这样就不能用同一种电路完成上述电路设计需求。当混频器的输入为差分信号时，就需要低噪声放大器做到单端转差分。或者对信号有更高的增益和噪声性能有要求时，会采用差分结构。目前还没有出现可以同时完成上述要求的低噪声放大器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出多适应性可切换片上低噪声放大器，该放大器可以适应多种情况，应对不同情况进行切换以满足不同设计需求的低噪声放大器。
本发明还提供了上述低噪声放大器的工作方法。
本发明的技术方案为：
多适应性可切换片上低噪声放大器，包括源简并电感型共源放大电路、模拟开关、输出阻抗匹配网络、第一LC谐振网络和差分输出电路；所述模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关；所述源简并电感型共源放大电路通过第一模拟开关与输出阻抗匹配网络相连接，用于输出功率信号来驱动下一级阻性负载；所述源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关与第一LC谐振网络相连接，用于输出电压信号来驱动下一级容性负载；所述源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关、第三模拟开关与差分输出电路相连接，用于输出差分信号。
该低噪声放大器的通过第一LC谐振网络输出一个电压信号用于驱动下一级容性负载；通过输出阻抗匹配网络输出一个功率信号用于驱动阻性负载；通过差分输出电路驱动电路由单端转换为差分信号。该低噪声放大器可以适用多种情况，根据不同情况进行切换，节约设计成本和生长成本。
根据本发明优选的，所述源简并电感型共源放大电路包括MOS管、栅极电感、源极电感和第一Cascode晶体管，所述栅极电感的一端与信号输入端相连接，所述栅极电感的另一端与MOS管的栅极相连接，MOS管的源极与所述源极电感的一端相连接，所述源极电感的另一端接地；MOS管的漏极与第一Cascode晶体管的源极相连接，第一Cascode晶体管的栅极与正电源相连接，第一Cascode晶体管的漏极通过第一模拟开关与输出阻抗匹配网络相连接，第一Cascode晶体管的漏极通过第二模拟开关与第一LC谐振网络相连接；第三模拟开关与所述第一Cascode晶体管的源极、所述MOS管的漏极相连接。
源简并电感型共源放大电路一种窄带放大电路，利用源简并电感来得到具有正实部的输入阻抗，并可在功耗受限的情况下得到较优的噪声性能。第一Cascode晶体管的作用是增大输出阻抗以增大增益；提高反向隔离性能，可以减弱混频振荡信号的泄漏。
根据本发明优选的，所述源简并电感型共源放大电路的源极电感是用于连接芯片引脚与器件的焊线(Bonding Wire)。有利于节省芯片面积。
根据本发明优选的，所述模拟开关的控制电路包括NMOS、PMOS和反相器，控制信号输入端与NMOS的栅极、反相器的输入端相连接，所述反相器的输出端与PMOS的栅极相连接；PMOS的源极与NMOS的源极相接，PMOS的漏极与NMOS的漏极相接；NMOS的衬底与负电源相连接，PMOS的衬底与正电源相连接。
当控制信号输入端输入的控制信号为高时，PMOS和NMOS同时导通，模拟开关的控制电路接通。当控制信号输入端输入的控制信号为低时，PMOS和NMOS同时截至，模拟开关的控制电路关断，信号不能传输。通过模拟开关来驱动低噪声放大器的输出网络，得到需要的信号。
根据本发明优选的，所述输出阻抗匹配电路包括第一电感和第一电容；第一电感的一端与电源正极相连接，第一电感的另一端与第一模拟开关相连接；所述第一电容的一端与第一模拟开关相连接，第一电容的另一端与功率信号输出端相连接；并且所述第一电容的一端与第一电感的一端相连接。
当低噪声放大器用来驱动阻性负载时，通过输出阻抗匹配电路，使得输出阻抗与片外要驱动元件的输入阻抗匹配，达到最大功率传输，功率信号输出端输出一个功率信号用于驱动阻性负载。
根据本发明优选的，所述第一LC谐振网络包括第三电感、第二电容和第一电阻，所述第三电感和第二电容、第一电阻并联，所述第二电容的一端接电源的正极，第二电容的另一端与第二模拟开关相连接；所述第一LC谐振网络和第二模拟开关之间设置有电压信号输出端。
经过源简并电感型共源放大电路放大后的电流信号连接到第一LC网络转化为电压信号，用来驱动容性负载，第一LC谐振网络中第一电阻R1调整LC谐振网络的信号输出。
根据本发明优选的，所述差分输出电路包括输入电容、放大管、第二Cascode晶体管、第一LC谐振网络和第二LC谐振网络；
所述第一LC谐振网络包括第三电感、第二电容和第一电阻，所述第三电感和第二电容、第一电阻R1并联，所述第二电容的一端接电源的正极，第二电容的另一端与第二模拟开关相连接；所述第一LC谐振网络和第二模拟开关之间设置有差分输出负向端；
所述输入电容的一端与第三模拟开关相连接，所述输入电容的另一端与所述放大管的栅极相连接，放大管的源极接地，放大管的漏极与第二Cascode晶体管的源极相连接，第二Cascode晶体管的漏极与所述第二LC谐振网络相连接；
第二LC谐振网络包括第五电感、第四电容和第二电阻，所述第五电感和第四电容、第二电阻并联，所述第四电容的一端接电源的正极，第四电容的另一端与第二Cascode晶体管的漏极相连接，所述第四电容与第二Cascode晶体管的漏极之间设置有差分输出正向端。
源简并电感型共源放大电路驱动差分输出电路，对共模噪声的抑制效果，这种放大器可以很好的抑制衬底噪声耦合干扰，差分输出端用来驱动差分的混频器。
上述多适应性可切换片上低噪声放大器的工作方法：
当第一模拟开关闭合，第二模拟开关和第三模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与输出阻抗匹配电路相连接，低噪声放大器用来驱动阻性负载时，通过连接输出阻抗匹配电路，使得输出阻抗与片外要驱动元件的输入阻抗匹配，达到最大功率传输，功率信号输出端输出一个功率信号，用于驱动阻性负载；
当第二模拟开关闭合，第一模拟开关和第三模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与第一LC网络相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的电流信号连接到第一LC网络转化为电压信号，用来驱动容性负载；
当第二模拟开关闭合和第三模拟开关闭合，第一模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与差分输出电路相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的单端信号连接到差分输出电路中，输出差分信号。
本发明的有益效果为：
1.多适应性可切换片上低噪声放大器，应对不同输出条件(阻性负载，容性负载，差分输出)，工作在不同模式，一款放大器完成多种功能。
2.在输入信号非常微弱需要多级低噪声放大器放大，或者在级联的放大器中插入滤波器，输出驱动差分的混频器，只需本发明一种低噪声放大器，不需要设计几种不同功能的低噪声放大器。
附图说明
图1为本发明所设计的低噪声放大器的电路原理图。
图2为模拟开关的控制电路。
图3为实施例1中连接LC谐振网络的低噪声放大器的电路原理图。
图4为实施例2中连接输出阻抗匹配网络的低噪声放大器的电路原理图。
图5为实施例3中单端转为差分输出的低噪放放大器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
多适应性可切换片上低噪声放大器，如图1所示，包括源简并电感型共源放大电路、模拟开关、输出阻抗匹配网络、第一LC谐振网络和差分输出电路；模拟开关包括第一模拟开关S1、第二模拟开关S2和第三模拟开关S3；源简并电感型共源放大电路通过第一模拟开关S1与输出阻抗匹配网络相连接，用于输出功率信号来驱动下一级阻性负载；源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关S2与第一LC谐振网络相连接，用于输出电压信号来驱动下一级容性负载；源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关S2、第三模拟开关S3与差分输出电路相连接，用于输出差分信号。
该低噪声放大器的通过第一LC谐振网络输出一个电压信号用于驱动下一级容性负载；通过输出阻抗匹配网络输出一个功率信号用于驱动阻性负载；通过差分输出电路驱动电路由单端转换为差分信号。该低噪声放大器可以适用多种情况，根据不同情况进行切换，节约设计成本和生长成本。
本发明中MOS管N1和第一Cascode晶体管N2为NMOS。
其中，源简并电感型共源放大电路包括MOS管N1、栅极电感L2、源极电感L4和第一Cascode晶体管N2，栅极电感L2的一端与信号输入端RFin相连接，栅极电感L2的另一端与MOS管N1的栅极相连接，MOS管N1的源极与源极电感L4的一端相连接，源极电感L4的另一端接地；MOS管N1的漏极与第一Cascode晶体管N2的源极相连接，第一Cascode晶体管N2的栅极与正电源相连接，第一Cascode晶体管N2的漏极通过第一模拟开关S1与输出阻抗匹配网络相连接，第一Cascode晶体管N2的漏极通过第二模拟开关S2与第一LC谐振网络相连接；第三模拟开关S3与第一Cascode晶体管N2的源极、MOS管N1的漏极相连接。
源简并电感型共源放大电路一种窄带放大电路，利用源简并电感来得到具有正实部的输入阻抗，并可在功耗受限的情况下得到较优的噪声性能。第一Cascode晶体管N2的作用是增大输出阻抗以增大增益；提高反向隔离性能，可以减弱混频振荡信号的泄漏。
源简并电感型共源放大电路的源极电感L4是用于连接芯片引脚与器件的焊线(BondingWire)。有利于节省芯片面积。
如图2所示，模拟开关的控制电路包括NMOSN5、PMOSP1和反相器，控制信号输入端S与NMOSN5的栅极、反相器的输入端相连接，反相器的输出端与PMOSP1的栅极相连接；PMOSP1的源极与NMOSN5的源极相接，PMOSP1的漏极与NMOSN5的漏极相接；NMOSN5的衬底与负电源相连接，PMOSP1的衬底与正电源相连接。
当控制信号输入端S输入的控制信号为高时，PMOSP1和NMOSN5同时导通，模拟开关的控制电路接通。当控制信号输入端S输入的控制信号为低时，PMOSP1和NMOSN5同时截至，模拟开关的控制电路关断，信号不能传输。通过模拟开关来驱动低噪声放大器的输出网络，得到需要的信号。
当第二模拟开关S2闭合，第一模拟开关S1和第三模拟开关S3断开时，如图3所示，源简并电感型共源放大电路与第一LC网络相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的电流信号连接到第一LC网络转化为电压信号，用来驱动容性负载；
第一LC谐振网络包括第三电感L3、第二电容C2和第一电阻R1，第三电感L3和第二电容C2、第一电阻R1并联，第二电容C2的一端接电源的正极，第二电容C2的另一端与第二模拟开关S2相连接；第一LC谐振网络和第二模拟开关S2之间设置有电压信号输出端RFout。
经过源简并电感型共源放大电路放大后的电流信号连接到第一LC网络转化为电压信号，用来驱动容性负载，第一LC谐振网络中第一电阻R1调整LC谐振网络的信号输出。
实施例2
根据实施例1提供的多适应性可切换片上低噪声放大器，区别之处在于：
当第一模拟开关S1闭合，第二模拟开关S2和第三模拟开关S3断开时，如图4所示，源简并电感型共源放大电路与输出阻抗匹配电路，低噪声放大器用来驱动阻性负载时，通过输出阻抗匹配电路，使得输出阻抗与片外要驱动元件的输入阻抗匹配，达到最大功率传输，功率信号输出端Pout输出一个功率信号用于驱动阻性负载；
输出阻抗匹配电路包括第一电感L1和第一电容C1；第一电感L1的一端与电源正极相连接，第一电感L1的另一端与第一模拟开关S1相连接；第一电容C1的一端与第一模拟开关S1相连接，第一电容C1的另一端与功率信号输出端Pout相连接；并且第一电容C1的一端与第一电感L1的一端相连接。
当低噪声放大器用来驱动阻性负载时，通过输出阻抗匹配电路，使得输出阻抗与片外要驱动元件的输入阻抗匹配，达到最大功率传输，功率信号输出端Pout输出一个功率信号用于驱动阻性负载。
实施例3
根据实施例1提供的多适应性可切换片上低噪声放大器，区别之处在于：
当第二模拟开关S2闭合和第三模拟开关S3闭合，第一模拟开关S1断开时，如图5所示，源简并电感型共源放大电路与差分输出电路相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的单端信号连接到差分输出电路中，输出差分信号。
差分输出电路包括输入电容C3、放大管N3、第二Cascode晶体管N4、第一LC谐振网络和第二LC谐振网络；第二Cascode晶体管N4为NMOS。
第一LC谐振网络包括第三电感L3、第二电容C2和第一电阻R1，第三电感L3和第二电容C2、第一电阻R1并联，第二电容C2的一端接电源的正极，第二电容C2的另一端与第二模拟开关S2相连接；第一LC谐振网络和第二模拟开关S2之间设置有差分输出负向端RFout-；
输入电容C3的一端与第三模拟开关S3相连接，输入电容C3的另一端与放大管N3的栅极相连接，放大管N3的源极接地，放大管N3的漏极与第二Cascode晶体管N4的源极相连接，第二Cascode晶体管N4的漏极与第二LC谐振网络相连接；
第二LC谐振网络包括第五电感L5、第四电容C4和第二电阻R2，第五电感L5和第四电容C4、第二电阻R2并联，第四电容C4的一端接电源的正极，第四电容C4的另一端与第二Cascode晶体管N4的漏极相连接，第四电容C4与第二Cascode晶体管N4的漏极之间设置有差分输出正向端RFout+。
源简并电感型共源放大电路驱动差分输出电路，对共模噪声的抑制效果，这种放大器可以很好的抑制衬底噪声耦合干扰，差分输出端用来驱动差分的混频器。
表1是不同模拟开关闭合情况下低噪声放大器的负载类型。
表1
实例 S1S2S3 连接网络 负载类型
1 010 第一LC谐振网络 容性负载
2 100 输出阻抗匹配网络 阻性负载
2 011 差分输出电路 差分负载
由表1可知，本发明提供的低噪声放大器可以适应多种情况，当模拟开关的控制电路控制第二模拟开关S2闭合，其他模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与第一LC谐振网络接通，低噪声放大器用来驱动容性负载如混频器。
当模拟开关的控制电路控制第一模拟开关S1闭合，其他模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与输出阻抗匹配网络接通，低噪声放大器用来驱动电阻性性负载如镜像抑制滤波器。
当模拟开关的控制电路控制第二模拟开关S2和第三模拟开关S3闭合，其他模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与差分输出电路接通，对共模噪声的抑制效果，这种放大器可以很好的抑制衬底噪声耦合干扰。
本发明提供的低噪声放大器，该放大器可以适应多种情况，应对不同情况进行切换以满足不同设计需求，节约时间成本，人力成本。

Claims (8)

1.多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，包括源简并电感型共源放大电路、模拟开关、输出阻抗匹配网络、第一LC谐振网络和差分输出电路；所述模拟开关包括第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关；所述源简并电感型共源放大电路通过第一模拟开关与输出阻抗匹配网络相连接，用于输出功率信号来驱动下一级阻性负载；所述源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关与第一LC谐振网络相连接，用于输出电压信号来驱动下一级容性负载；所述源简并电感型共源放大电路通过第二模拟开关、第三模拟开关与差分输出电路相连接，用于输出差分信号。
2.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述源简并电感型共源放大电路包括MOS管、栅极电感、源极电感和第一Cascode晶体管，所述栅极电感的一端与信号输入端相连接，所述栅极电感的另一端与MOS管的栅极相连接，MOS管的源极与所述源极电感的一端相连接，所述源极电感的另一端接地；MOS管的漏极与第一Cascode晶体管的源极相连接，第一Cascode晶体管的栅极与正电源相连接，第一Cascode晶体管的漏极通过第一模拟开关与输出阻抗匹配网络相连接，第一Cascode晶体管的漏极通过第二模拟开关与第一LC谐振网络相连接；第三模拟开关与所述第一Cascode晶体管的源极、所述MOS管的漏极相连接。
3.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述源简并电感型共源放大电路的源极电感是用于连接芯片引脚与器件的焊线。
4.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述模拟开关的控制电路包括NMOS、PMOS和反相器，控制信号输入端与NMOS的栅极、反相器的输入端相连接，所述反相器的输出端与PMOS的栅极相连接；PMOS的源极与NMOS的源极相接，PMOS的漏极与NMOS的漏极相接；NMOS的衬底与负电源相连接，PMOS的衬底与正电源相连接。
5.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述输出阻抗匹配电路包括第一电感和第一电容；第一电感的一端与电源正极相连接，第一电感的另一端与第一模拟开关相连接；所述第一电容的一端与第一模拟开关相连接，第一电容的另一端与功率信号输出端相连接；并且所述第一电容的一端与第一电感的一端相连接。
6.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述第一LC谐振网络包括第三电感、第二电容和第一电阻，所述第三电感和第二电容、第一电阻并联，所述第二电容的一端接电源的正极，第二电容的另一端与第二模拟开关相连接；所述第一LC谐振网络和第二模拟开关之间设置有电压信号输出端。
7.根据权利要求1所述的多适应性可切换片上低噪声放大器，其特征在于，所述差分输出电路包括输入电容、放大管、第二Cascode晶体管、第一LC谐振网络和第二LC谐振网络；
所述第一LC谐振网络包括第三电感、第二电容和第一电阻，所述第三电感和第二电容、第一电阻R1并联，所述第二电容的一端接电源的正极，第二电容的另一端与第二模拟开关相连接；所述第一LC谐振网络和第二模拟开关之间设置有差分输出负向端；
所述输入电容的一端与第三模拟开关相连接，所述输入电容的另一端与所述放大管的栅极相连接，放大管的源极接地，放大管的漏极与第二Cascode晶体管的源极相连接，第二Cascode晶体管的漏极与所述第二LC谐振网络相连接；
第二LC谐振网络包括第五电感、第四电容和第二电阻，所述第五电感和第四电容、第二电阻并联，所述第四电容的一端接电源的正极，第四电容的另一端与第二Cascode晶体管的漏极相连接，所述第四电容与第二Cascode晶体管的漏极之间设置有差分输出正向端。
8.如权利要求1-7任一项所述的多适应性可切换片上低噪声放大器的工作方法，其特征在于，当第一模拟开关闭合，第二模拟开关和第三模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与输出阻抗匹配电路相连接，低噪声放大器用来驱动阻性负载时，通过连接输出阻抗匹配电路，使得输出阻抗与片外要驱动元件的输入阻抗匹配，达到最大功率传输，功率信号输出端输出一个功率信号，用于驱动阻性负载；
当第二模拟开关闭合，第一模拟开关和第三模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与第一LC网络相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的电流信号连接到第一LC网络转化为电压信号，用来驱动容性负载；
当第二模拟开关闭合和第三模拟开关闭合，第一模拟开关断开时，源简并电感型共源放大电路与差分输出电路相连接，经过源简并电感型共源放大电路放大后的单端信号连接到差分输出电路中，输出差分信号。
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