CN110971198A - 一种具有高增益的射频低噪声放大器设计 - Google Patents

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Abstract

一种具有高增益的射频低噪声放大器设计，通过差分三级级联实现高的输出功率满足接收机的正常工作，同时在每一级的低噪声放大器的单元设计上采用增加额外的增益级获得噪声系数和增益的折中；该发明基于半导体工艺，便于与收发机系统进行集成，易于实现大规模量产，进而降低后续产品开发的成本；通过在LNA的每一级通过引入额外的增益级+三级级联方式保证了整个LNA能够为接收机提供足够的增益，保证接收机的正常工作；每一级的LNA采用差分结构构建共模接地点，减小了信号接地点的寄生参数和电路模块接地的不平衡性；单独引入额外的增益级降低了对整个电路和接收机的噪声性能的影响，实现了增益和噪声性能的折中。

Description

一种具有高增益的射频低噪声放大器设计
技术领域
本发明属于无线通信低噪声放大器技术领域，尤其涉及互补型金属氧化物半导体(CMOS)射频低噪声放大器领域即一种具有高增益的射频低噪声放大器设计。
背景技术
如今，无线通信产业的快速发展已经成为信息产业的最大亮点，对于无线通信系统的设计要求也越来越高，相应对系统指标的要求也越来越高。其中低噪声放大器（LowNoise Amplifier，简称 “LNA”）是影响着整个接收系统的噪声指标的重要因素。LNA不仅可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度，同时还能放大系统的射频信号，保证系统的正常工作。因此，低噪声放大器作为无线射频接收前端的第一级有源放大模块，其噪声、非线性、匹配度等性能制约着整个接收系统的性能，对整个接收系统性能的提高起了决定性的作用。因此，研制宽频带、高性能、更低噪声的放大器已经成为设计低噪声放大器的核心。
在LNA设计中，因为增益和噪声两个指标处于相互制约的关系。因此在设计LNA时，不仅要提供足够的增益将空中接收到的微弱信号进行放大，保证接收机的正常工作。与此同时，LNA的噪声系数不能太大，主要有两个原因：1.由于射频系统的噪声系数基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以LNA的噪声性能极大影响了系统的噪声性能；2.如果LNA自身的噪声系数过大，则会使噪声信号形成杂波，影响到原始接收信号，以致在后段模块输送中信号失真，降低系统的灵敏度。
因此，在低噪声放大器设计时如何在实现高增益的同时保证低噪声放大器的噪声性能是目前设计低噪声放大器的难点之一。
发明内容
针对实现低噪声放大器的难点问题，一种具有高增益的射频低噪声放大器，在噪声链路的基础上增加额外的增益级，通过电流复用技术实现增益和噪声折中的方案，最终实现了接收机的噪声和微弱信号放大的一定的要求。
本发明一种具有高增益的射频低噪声放大器设计，通过差分三级级联实现高的输出功率满足接收机的正常工作，同时在每一级的低噪声放大器的单元设计上采用增加额外的增益级获得噪声系数和增益的折中。主要分为以下几个实现步骤：（1）设计合适的LNA的单元模块架构：为了在增加增益的基础上保证LNA的噪声系数不被严重影响，在单元模块设计中，加入附加的增益支路，减小对噪声的影响；（2）选择单元模块的形式：单元模块采用差分结构，从而减小对地的不平衡性；（3）选择合适的级数：为了实现一定的增益需求，满足接收机的正常工作，整个LNA采用多级进行级联，本专利选择三级进行级联。需要注意的是，级联的个数除了要满足接收机的增益需求，还要考虑到接收机的功率压缩问题和功耗的问题，所以级联的个数不能无限制增加。
一种具有高增益的射频低噪声放大器设计，采用额外的增益级+多级级联的方式实现功率和噪声的折中，主要有以下几个有利的效果：
1）基于半导体工艺，便于与收发机系统进行集成，易于实现大规模量产，进而降低后续产品开发的成本；
2）通过在LNA的每一级通过引入额外的增益级+三级级联方式保证了整个LNA能够为接收机提供足够的增益，保证接收机的正常工作；
3）每一级的LNA采用差分结构构建共模接地点，减小了信号接地点的寄生参数和电路模块接地的不平衡性；
4）单独引入额外的增益级降低了对整个电路和接收机的噪声性能的影响，实现了增益和噪声性能的折中。
附图说明
图1是整个LNA的电路框架图；
图2是LNA每一级的单元模块对应的电路图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种具有高增益的射频低噪声放大器设计，为了实现低噪声放大器的增益和噪声的折中，在对噪声系数影响不大的基础上，在LNA的每一级引入一个额外的增益级，并采用差分的结构来满足设计的要求。
如图一所示：本专利提出的具有高增益的射频低噪声放大器的设计采用差分三级进行级联，每一级都采用差分的结构。在第一级设计中主要实现对噪声的优化，同时也能够提供一定的增益用来驱动LNA第二级。然后，LNA的第二级和第三级都需要实现比较大增益来满足整个接收机正常工作时的增益要求。
图二为LNA每一级单元模块对应的电路图。可以看到整个电路采用差分的结构来进行实现。整个电路关于虚线AB对称，TL代表传输线。其中，C1、C8分别为两路输入的隔直电容。R1（R4）、C2（C9）、TL1（TL9）构成了为MOS管M1（M4）的偏置网络，Vbias1分别给M1（M4）提供偏置电压。R2（R5）、C3（C10）构成了为MOS管M3（M6）的偏置网络，Vbias2分别给M3（M6）提供偏置电压。其中，TL4（TL12）、C4（C11）作为M3（M6）的输出匹配网络，其中C4（C11）同时作为MOS管M2（M5）的输入匹配网络的一部分。R3（R6）、C5（C12）、TL5（TL13）构成了MOS管M2（M5）的偏置网络，Vbias3分别给M2（M5）提供偏置电压。TL6（TL14）、TL7（TL15）、TL8（TL16）和C7（C14）构成了MOS管M2（M5）的输出匹配网络，Vdd为整个电路的工作电压。TL2（TL10）和MOS管的M3（M6）构成了电流复用的技术，提高了整个电路的输出增益。TL3（TL11）连接在M2（M5）的源极可以调整MOS管M2（M5）的输入阻抗，实现更好的匹配。C17（C18）为M2（M5）的交流接地电容。在整个电路中，MOS管M1（M4）的漏极电流为两个支路M2（M5）和M3（M6）的漏极电流之和。在实际过程中，通过调节两个支路的漏极的电流大小在增益和噪声之间寻求一个很好的折中。

Claims (1)

1.一种具有高增益的射频低噪声放大器设计，其特征在于：通过差分三级级联实现高的输出功率满足接收机的正常工作，同时在每一级的低噪声放大器的单元设计上采用增加额外的增益级获得噪声系数和增益的折中；主要分为以下几个实现步骤：（1）设计合适的LNA的单元模块架构：为了在增加增益的基础上保证LNA的噪声系数不被严重影响，在单元模块设计中，加入附加的增益支路，减小对噪声的影响；（2）选择单元模块的形式：单元模块采用差分结构，从而减小对地的不平衡性；（3）选择合适的级数：为了实现一定的增益需求，满足接收机的正常工作，整个LNA采用多级进行级联，本专利选择三级进行级联，级联的个数除了要满足接收机的增益需求，还要考虑到接收机的功率压缩问题和功耗的问题，所以级联的个数不能无限制增加。
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