CN112187187A

CN112187187A - 一种应用于gnss的跨导增强电流复用低噪声放大器

Info

Publication number: CN112187187A
Application number: CN202011074311.4A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 金玥敏; 陈超
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-01-05

Abstract

本发明公开了一种应用于GNSS的跨导增强、电流复用的低噪声放大器。首先，在RFIN输入端口，利用无源网络进行输入阻抗匹配，并提供一定增益，降低噪声系数。其次，通过第一级放大器源极电感负反馈增强跨导，提高放大器增益并抑制噪声。第一级、第二级放大器通过耦合电容级联，同时，将两级放大器堆叠从而达到电流复用、降低功耗的目的。在两级放大器之间设置虚地点，通过到地去耦合电容抑制噪声，提高线性度，有效增强电路的稳定性。另外，两级放大器皆包括可切换模式的LC调谐网络。通过本发明可以使低噪声放大器具有较低的噪声系数、高转换增益以及高线性度。

Description

一种应用于GNSS的跨导增强电流复用低噪声放大器

技术领域

本发明涉及低噪声放大器的技术领域，尤其涉及一种应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器。

背景技术

随着集成电路工艺尺寸的不断缩小，在GPS、Zigbee、BLE等系统芯片中，射频前端链路的设计难度日益增大。而在整个射频前端链路中，低噪声放大器的性能决定了系统功能是否能够实现。低噪声放大器的结构之一是有源负载放大器，但此结构导致输入参考噪声电压加倍，不利于获得较低的噪声系数。低噪声放大器的另一结构是线性电阻负载放大器，但由于电阻为无源器件，不能与放大级晶体管自动匹配，所以线性度较差。

基于上述背景及存在的问题，本发明提出了一种应用于GNSS的跨导增强、电流复用的低噪声放大器。首先，在RFIN输入端口，利用无源网络进行输入阻抗匹配，并提供一定增益，降低噪声系数。其次，通过第一级放大器源极电感负反馈增强跨导，提高放大器增益并抑制噪声。第一级、第二级放大器通过耦合电容级联，同时，将两级放大器堆叠从而达到电流复用、降低功耗的目的。在两级放大器之间设置虚地点，通过到地去耦合电容抑制噪声，提高线性度，有效增强电路的稳定性。另外，两级放大器皆包括可切换模式的LC调谐网络。通过本发明可以使低噪声放大器具有较低的噪声系数、高转换增益以及高线性度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器，该发明能够在射频领域中实现较低的噪声系数、高转换增益以及高线性度的特点。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器，该低噪声放大器包括，输入端口RFIN、输出端口OUT、第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2、第一控制字端口VTUNE1、第二控制字端口VTUNE2、第三控制字端口VTUNE3、第一P型金属氧化物晶体管MP1、第一N型金属氧化物晶体管MN1、第二N型金属氧化物晶体管MN2、第三N型金属氧化物晶体管MN3、第四N型金属氧化物晶体管MN4、第五N型金属氧化物晶体管MN5、第六N型金属氧化物晶体管MN6、第七N型金属氧化物晶体管MN7、第八N型金属氧化物晶体管MN8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11。

进一步的，在本发明中：所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的源极连接电源电压，MP1的漏极连接所述输出端口OUT，MP1的栅极连接所述第五电容C5的正极；所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的源极连接所述第二电感L2的负极，MN1的漏极连接所述第三电感L3的负极，MN1的栅极连接所述第一电阻R1的正极；所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的源极接地，MN2的漏极连接所述第二电阻R2的正极，MN2的栅极连接所述第二偏置电压VB2；所述第三N型金属氧化物晶体管MN3的源极接地，MN3的漏极连接所述第九电容C9的正极，MN3的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第四N型金属氧化物晶体管MN4的源极接地，MN4的漏极连接所述第十电容C10的正极，MN4的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第五N型金属氧化物晶体管MN5的源极接地，MN5的漏极连接所述第十一电容C11的正极，MN5的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第六N型金属氧化物晶体管MN6的源极接地，MN6的漏极连接所述第六电容C6的正极，MN6的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第七N型金属氧化物晶体管MN7的源极接地，MN7的漏极连接所述第七电容C7的正极，MN7的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第八N型金属氧化物晶体管MN8的源极接地，MN8的漏极连接所述第八电容C8的正极，MN8的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第一电阻R1的负极连接所述第一偏置电压VB1；所述第二电阻R2的负极连接所述第五电容C5的负极；所述第三电阻R3的正极连接所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的漏极，R3的负极连接所述第三电容C3的正极；所述第一电感L1的正极连接所述输入端口RFIN，L1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电感L2的正极接地；所述第三电感L3的正极连接所述第四电感L4的负极；所述第一电容C1的正极连接所述输入端口RFIN，C1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电容C2的正极连接所述第三电感L3的正极，C2的负极接地；所述第三电容C3的正极连接所述第四电容C4的正极，C3的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第四电容C4的正极连接所述第三电感L3的正极，C4的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第五电容C5的正极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的栅极，C5的负极连接所述第二电阻R2的负极；所述第六电容C6的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第七电容C7的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第八电容C8的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第九电容C9的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十电容C10的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十一电容C11的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)本发明提供的低噪声放大器通过耦合电容实现两级放大器级联，通过堆叠N型、P型晶体管实现电流复用，在提高增益的同时能够降低功耗，通过N型晶体管MN2，根据第一级共源放大器输出电压来调整第二级共源放大器的栅极偏置电压，使其工作状态更加稳定、线性度高；

(2)输入阻抗匹配网络采用无源网络，通过第一电容C1与匹配第一电感L1并联，能够在不影响放大器工作性能的基础上，有效减少了第一电感L1面积，从而降低制造成本；并通过无源网络产生一定增益，降低噪声系数；同时，第二电感L2形成自反馈效应增强跨导；

(3)通过在两级放大器之间设置虚地点，通过去耦合电容C2连接至地，有效提高电路稳定性，降低噪声系数，提高线性度；

(4)通过N型金属氧化物晶体管MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8和电容C6、C7、C8、C9、C10、C11构成两组可切换模式的LC调谐网络，能够根据实际输入频率切换LC调谐网络中晶体管栅极连接的控制端口VTUNE1、VTUNE2、VTUNE3，进行调谐，从而调节转换增益的大小。

附图说明

图1为本发明的应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器的电路结构图；

图2为本发明的应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器噪声系数随频率变化图；

图3为本发明的应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器转换增益随频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1所示为一种应用于GNSS的跨导增强电流复用的低噪声放大器的电路结构示意图，该低噪声放大器包括，输入端口RFIN、输出端口OUT、第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2、第一控制字端口VTUNE1、第二控制字端口VTUNE2、第三控制字端口VTUNE3、第一P型金属氧化物晶体管MP1、第一N型金属氧化物晶体管MN1、第二N型金属氧化物晶体管MN2、第三N型金属氧化物晶体管MN3、第四N型金属氧化物晶体管MN4、第五N型金属氧化物晶体管MN5、第六N型金属氧化物晶体管MN6、第七N型金属氧化物晶体管MN7、第八N型金属氧化物晶体管MN8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11。

进一步的，本发明的具体连接关系如下，所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的源极连接电源电压，MPl的漏极连接所述输出端口OUT，MP1的栅极连接所述第五电容C5的正极；所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的源极连接所述第二电感L2的负极，MN1的漏极连接所述第三电感L3的负极，MN1的栅极连接所述第一电阻R1的正极；所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的源极接地，MN2的漏极连接所述第二电阻R2的正极，MN2的栅极连接所述第二偏置电压VB2；所述第三N型金属氧化物晶体管MN3的源极接地，MN3的漏极连接所述第九电容C9的正极，MN3的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第四N型金属氧化物晶体管MN4的源极接地，MN4的漏极连接所述第十电容C10的正极，MN4的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第五N型金属氧化物晶体管MN5的源极接地，MN5的漏极连接所述第十一电容C11的正极，MN5的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第六N型金属氧化物晶体管MN6的源极接地，MN6的漏极连接所述第六电容C6的正极，MN6的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第七N型金属氧化物晶体管MN7的源极接地，MN7的漏极连接所述第七电容C7的正极，MN7的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第八N型金属氧化物晶体管MN8的源极接地，MN8的漏极连接所述第八电容C8的正极，MN8的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第一电阻R1的负极连接所述第一偏置电压VB1；所述第二电阻R2的负极连接所述第五电容C5的负极；所述第三电阻R3的正极连接所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的漏极，R3的负极连接所述第三电容C3的正极；所述第一电感L1的正极连接所述输入端口RFIN，L1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电感L2的正极接地；所述第三电感L3的正极连接所述第四电感L4的负极；所述第一电容C1的正极连接所述输入端口RFIN，C1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电容C2的正极连接所述第三电感L3的正极，C2的负极接地；所述第三电容C3的正极连接所述第四电容C4的正极，C3的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第四电容C4的正极连接所述第三电感L3的正极，C4的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第五电容C5的正极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的栅极，C5的负极连接所述第二电阻R2的负极；所述第六电容C6的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第七电容C7的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第八电容C8的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第九电容C9的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十电容C10的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十一电容C11的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极。

本发明提出的低噪声放大器，其工作原理如下：射频信号通过输入端口RFIN接入电路，第一电感L1、第一电容C1以及第一电阻R1构成的阻抗匹配网络将输入阻抗在工作频率匹配到50Ω，第二电感L2起到源极退化作用，提高线性度，第一N型金属氧化物晶体管MN1作为第一级放大器，第一偏置电压VB1用于确定其直流工作点，第三电感L3充当其感性负载，提高放大器增益，第一P型金属氧化物晶体管MP1作为第二级放大器，第四电感L4作为其感性负载，第三N型金属氧化物晶体管MN3、第四N型金属氧化物晶体管MN4、第五N型金属氧化物晶体管MN5、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11，以及第六N型金属氧化物晶体管MN6、第七N型金属氧化物晶体管MN7、第八N型金属氧化物晶体管MN8、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8，能够组成两组可切换模式的LC调谐网络，可以实现根据实际输入频率切换LC调谐网络中晶体管栅极连接的控制端口VTUNE1、VTUNE2、VTUNE3，进行调谐，调节转换增益的大小。

由于低噪声放大器中噪声系数与转换增益的权衡关系，传统的应用于GNSS的低噪放结构中，转换增益在40dB以上时，噪声系数通常高于5dB；而噪声系数低于2dB时，转换增益通常在30dB左右。

参照图2和图3的示意，图2所示为本发明提出的应用于GNSS的低噪声放大器噪声系数随频率变化图，从图中可以看出工作频段1.6G附近时，本发明提出的放大器能够将噪声系数控制在2dB左右，与噪声系数通常高于5dB的同类型传统结构放大器相比，达到了有效抑制了电路噪声的效果。

图3所示为本发明提出的应用于GNSS的低噪声放大器转换增益随频率变化图，从图中可以看出工作频段1.6G附近，转换增益高达45dB，与转换增益通常在30dB左右的同类型传统结构放大器相比，实现了有效起到了放大信号的作用。

应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于GNSS的跨导增强电流复用低噪声放大器，其特征在于：该低噪声放大器包括，输入端口RFIN、输出端口OUT、第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2、第一控制字端口VTUNE1、第二控制字端口VTUNE2、第三控制字端口VTUNE3、第一P型金属氧化物晶体管MP1、第一N型金属氧化物晶体管MN1、第二N型金属氧化物晶体管MN2、第三N型金属氧化物晶体管MN3、第四N型金属氧化物晶体管MN4、第五N型金属氧化物晶体管MN5、第六N型金属氧化物晶体管MN6、第七N型金属氧化物晶体管MN7、第八N型金属氧化物晶体管MN8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11。

2.如权利要求1所述的应用于GNSS的跨导增强电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的源极连接电源电压，MP1的漏极连接所述输出端口OUT，MP1的栅极连接所述第五电容C5的正极；所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的源极连接所述第二电感L2的负极，MN1的漏极连接所述第三电感L3的负极，MN1的栅极连接所述第一电阻R1的正极；所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的源极接地，MN2的漏极连接所述第二电阻R2的正极，MN2的栅极连接所述第二偏置电压VB2；所述第三N型金属氧化物晶体管MN3的源极接地，MN3的漏极连接所述第九电容C9的正极，MN3的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第四N型金属氧化物晶体管MN4的源极接地，MN4的漏极连接所述第十电容C10的正极，MN4的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第五N型金属氧化物晶体管MN5的源极接地，MN5的漏极连接所述第十一电容C11的正极，MN5的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第六N型金属氧化物晶体管MN6的源极接地，MN6的漏极连接所述第六电容C6的正极，MN6的栅极连接所述第一控制字端口VTUNE1；所述第七N型金属氧化物晶体管MN7的源极接地，MN7的漏极连接所述第七电容C7的正极，MN7的栅极连接所述第二控制字端口VTUNE2；所述第八N型金属氧化物晶体管MN8的源极接地，MN8的漏极连接所述第八电容C8的正极，MN8的栅极连接所述第三控制字端口VTUNE3；所述第一电阻R1的负极连接所述第一偏置电压VB1；所述第二电阻R2的负极连接所述第五电容C5的负极；所述第三电阻R3的正极连接所述第二N型金属氧化物晶体管MN2的漏极，R3的负极连接所述第三电容C3的正极；所述第一电感L1的正极连接所述输入端口RFIN，L1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电感L2的正极接地；所述第三电感L3的正极连接所述第四电感L4的负极；所述第一电容C1的正极连接所述输入端口RFIN，C1的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的栅极；所述第二电容C2的正极连接所述第三电感L3的正极，C2的负极接地；所述第三电容C3的正极连接所述第四电容C4的正极，C3的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第四电容C4的正极连接所述第三电感L3的正极，C4的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第五电容C5的正极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的栅极，C5的负极连接所述第二电阻R2的负极；所述第六电容C6的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第七电容C7的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第八电容C8的负极连接所述第一P型金属氧化物晶体管MP1的漏极；所述第九电容C9的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十电容C10的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极；所述第十一电容C11的负极连接所述第一N型金属氧化物晶体管MN1的漏极。