CN112234944A - 一种无电感宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无电感宽带低噪声放大器，其包括输入端电容、主体放大器单元、中间级辅助放大器单元、输出级辅助放大器单元以及输出端电容，所述输入端电容的输入端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输入端，所述输出端电容的输出端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输出端。该方案减小了电路版图的面积，进而提高了集成度；主体放大器单元中的各MOS管的过驱动电压可实现灵活调整以提高电路的性能，同时通过中间级辅助放大器单元、输出级辅助放大器单元的设置，能够有效减少电路的噪声并提高电路的增益。

Description

一种无电感宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频前端电路技术领域，具体而言，涉及一种无电感宽带低噪声放大器，其直接应用于宽带射频接收机。

背景技术

随着4G/5G技术的发展，在无线通信系统的设计当中更趋向于选择使用宽带的射频收发机。一种通用射频接收机结构如图1所示，低噪声放大器作为射频接收机的第一级有源电路，起到接收并放大来自天线的小信号的作用，因此需要一定的增益用来放大小信号和抑制后级电路的噪声，同时因其作为射频接收机的第一级有源电路的缘故，低噪声放大器的噪声将会直接叠加在整个射频接收机上，所以在设计低噪声放大器时也需要保证其具有足够低的噪声系数。

为了适应宽带的射频接收机的设计需求，低噪声放大器也应该被设计为宽带的低噪声放大器。一种传统的宽带低噪声放大器如图2所示，其采用了带通滤波器技术做匹配网络，采用共源共栅放大器结构做放大级，采用无源电感和电阻做负载设计而成。L1、C1、L2、C2构成一个宽带切比雪夫带通滤波器，L3为源简并电感，MN1和MN2构成共源共栅放大器，L4、L5为片内电感，R1为负载电阻。L2、C2接偏置电压Vb1，MN2的栅极接偏置电压Vb2。

上述传统的宽带低噪声放大器结构可以实现很宽的带宽和平坦的增益，但是由于在片外和片内都使用了大量的无源元件会使得电路的性能恶化。片外的电感L1、L2、L3会使得电路噪声恶化。片内的电感L4、L5会大大增加芯片的面积，在高频段时电感L4、L5的寄生效应也会显著增强，这对电路性能将会产生极大的影响。此外，该传统的宽带低噪声放大器电路由于属于非对称结构，在进行电路版图设计时会造成一定的失配，进而会影响根据电路版图生产制造出的产品的可靠性与稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无电感宽带低噪声放大器，其能够克服传统的宽带低噪声放大器因无源器件的使用而造成噪声性能恶化、寄生效应显著、电路版图匹配性较差等问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种无电感宽带低噪声放大器，包括输入端电容、主体放大器单元、中间级辅助放大器单元、输出级辅助放大器单元以及输出端电容，所述输入端电容的输入端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输入端，所述输出端电容的输出端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输出端。

进一步的，所述主体放大器单元由MOS管和可调电阻组成，所述MOS管包括PMOS管和NMOS管。

进一步的，所述PMOS管包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管的源极连接电源，所述第一PMOS管的栅极与所述输入端电容的输出端连接，所述第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接，所述第二PMOS管的栅极连接第一偏置电压，所述第二PMOS管的漏极与所述可调电阻的第一连接端连接。

进一步的，所述NMOS管包括第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的栅极与所述输入端电容的输出端连接，所述第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的栅极连接第二偏置电压，所述第二NMOS管的漏极与所述可调电阻的第一连接端连接。

进一步的，所述中间级辅助放大器单元包括第三PMOS管和第三NMOS管，所述第三PMOS管和第三NMOS管的漏极均与所述输出端电容的输入端连接；所述第三PMOS管和第三NMOS管的栅极均与所述输入端电容的输出端连接；所述第三PMOS管的源极连接电源，所述第三NMOS管的源极接地。

进一步的，所述输出级辅助放大器单元包括第四PMOS管和第四NMOS管，所述第四PMOS管和第四NMOS管的漏极均与所述输出端电容的输入端连接；所述第四PMOS管和第四NMOS管的栅极均与所述可调电阻的第一连接端连接；所述第四PMOS管的源极连接电源，所述第四NMOS管的源极接地。

进一步的，所述第一NMOS管与第一PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为25.5/1～27/1；所述第二NMOS管与第二PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为25.5/1～27/1；所述第三NMOS管与第三PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为38/1～39/1；所述第四NMOS管与第四PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为38/1～39/1。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1.本发明结构上简单、电路上下对称，易于在电路版图设计中实现良好的匹配，且由于没有使用无源电感器件，而大大减小了电路版图的面积，进而提高了集成度；

2.本发明的主体放大器单元通过在传统电流复用放大器的基础上创造性的增加第二PMOS管和第二NMOS管得到，从而可以通过控制第二PMOS管和第二NMOS管的物理参数以及分别加载在第二PMOS管和第二NMOS管上的第一、第二偏置电压，可以更加灵活的调控第一、第二PMOS管和第一、第二NMOS管的过驱动电压，从而提高电路的性能；同时通过调整主体放大器中的可调电阻也能够实现带宽、增益的灵活控制；

3.通过选择不同物理参数的第三、第四PMOS管和第三、第四NMOS管，能够有效减少电路的噪声并提高电路的增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为背景技术中通用射频接收机的结构示意图；

图2为背景技术中传统的宽带低噪声放大器的电路图；

图3为本发明所提供的无电感宽带低噪声放大器的电路图；

图4为本发明的信号电压变化过程图。

图中，C1-输入端电容，C2-输出端电容，BP-第一偏置电压，BN-第二偏置电压，MP1-第一PMOS管，MP2-第二PMOS管，MP3-第三PMOS管，MP4-第四PMOS管，MN1-第一NMOS管，MN2-第二NMOS管，MN3-第三NMOS管，MN4-第四NMOS管，Rf-可调电阻，VDD-电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明具体实施的一种无电感宽带低噪声放大器电路图如图3所示。其由一个输入端电容、一个主体放大器单元、一个中间级辅助放大器单元、一个输出级辅助放大器单元和一个输出端电容组成。

其中，输入端电容为C1，输出端电容为C2，该输入端电容C1和输出端电容C2均起到了隔离直流分量的作用。

主体放大器单元包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2以及可调电阻Rf；第一PMOS管MP1的源极连接电源VDD，第一PMOS管MP1的栅极与输入端电容C1的输出端连接，第一PMOS管MP1的漏极与第二PMOS管MP2的源极连接，第二PMOS管MP2的栅极连接第一偏置电压BP，第二PMOS管MP2的漏极与可调电阻Rf的第一连接端连接；第一NMOS管MN1的源极接地，第一NMOS管MN1的栅极与输入端电容C1的输出端连接，第一NMOS管MN1的漏极与第二NMOS管MP2的源极连接，第二NMOS管MP2的栅极连接第二偏置电压BN，第二NMOS管MP2的漏极与可调电阻Rf的第一连接端连接；该主体放大器单元起到提供增益，放大小信号的作用。

如图4所示，在N1结点处的噪声电压信号和有用电压信号被称为信号一，信号一经过主体放大器单元放大后会在N2点得到了被放大后的反相的噪声信号电压和反相的有用信号电压称为信号二。此外，在电路中可调电阻Rf作为该单元中的反馈电阻起到调节带宽和影响MN1、MP1栅极偏置电压的作用，而MN2和MP2的使用使得主体放大器单元中MOS管的过驱动电压值的确定变得更加简单且可控。

中间级辅助放大器单元包括第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3，第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极均与输出端电容C2的输入端连接；第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的栅极均与输入端电容C1的输出端连接；第三PMOS管MP3的源极连接电源VDD，第三NMOS管MN3的源极接地。

如图4所示，此中间级辅助放大器单元将N1结点处的信号一放大后，在N3点得到被放大后的反相的噪声信号电压的和反相的有用信号电压称为信号四。

输出级辅助放大器单元包括第四PMOS管MP4、第四NMOS管MN4，第四PMOS管MP4和第四NMOS管MN4的漏极均与输出端电容C2的输入端连接；第四PMOS管MP4和第四NMOS管MN4的栅极均与可调电阻Rf的第一连接端连接；第四PMOS管MP4的源极连接电源VDD，第四NMOS管MN4的源极接地。

如图4所示，此输出级辅助放大器单元起到将N2结点处信号二再次反向放大，并于N3结点得到信号三。

信号四与信号三在在N3结点处叠加，这时经过处理得到了两个幅度相同而相位的噪声电压信号会相互抵消，最后得到信号五，即有用电压信号。由此降低了电路的噪声，并提高了电路的放大能力。

实施例1

本发明电路中具体的PMOS、NMOS管的物理参数选择如下：

第一NMOS管MN1、第一PMOS管MP1管取相同的宽长比，其值为26.2/1，fingers值为100；

第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2管取相同的宽长比，其值为26.2/1，fingers值为80；

第三NMOS管MN3、第三PMOS管MP3管取相同的宽长比，其值为38.5/1，fingers值为20；

第四NMOS管MN4、第四PMOS管MP4管取相同的宽长比，其值为38.5/1，fingers值为30；

本发明电路的工作电压为1.3V或者1.8V

通过对采用上述物理参数的具体PMOS、NMOS管组成的放大器电路测试表明，本发明工作频段在70MHz～6.0GHz，带内增益为17.0～20.0dB，通带内的噪声系数为0.8～1.1dB，可见在该实施例中对通带内的噪声控制的效果较为明显。

以上列举的电路参数仅为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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入端电容、主体放大器单元、中间级辅助放大器单元、输出级辅助放大器单元以及输出端电容，所述输入端电容的输入端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输入端，所述输出端电容的输出端作为所述无电感宽带低噪声放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述主体放大器单元由MOS管和可调电阻组成，所述MOS管包括PMOS管和NMOS管。

3.根据权利要求2所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述PMOS管包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管的源极连接电源，所述第一PMOS管的栅极与所述输入端电容的输出端连接，所述第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接，所述第二PMOS管的栅极连接第一偏置电压，所述第二PMOS管的漏极与所述可调电阻的第一连接端连接。

4.根据权利要求2或3所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述NMOS管包括第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的栅极与所述输入端电容的输出端连接，所述第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的源极连接，所述第二NMOS管的栅极连接第二偏置电压，所述第二NMOS管的漏极与所述可调电阻的第一连接端连接。

5.根据权利要求1所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述中间级辅助放大器单元包括第三PMOS管和第三NMOS管，所述第三PMOS管和第三NMOS管的漏极均与所述输出端电容的输入端连接；所述第三PMOS管和第三NMOS管的栅极均与所述输入端电容的输出端连接；所述第三PMOS管的源极连接电源，所述第三NMOS管的源极接地。

6.根据权利要求2所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出级辅助放大器单元包括第四PMOS管和第四NMOS管，所述第四PMOS管和第四NMOS管的漏极均与所述输出端电容的输入端连接；所述第四PMOS管和第四NMOS管的栅极均与所述可调电阻的第一连接端连接；所述第四PMOS管的源极连接电源，所述第四NMOS管的源极接地。

7.根据权利要求4所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一NMOS管与第一PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为25.5/1～27/1。

8.根据权利要求4所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二NMOS管与第二PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为25.5/1～27/1。

9.根据权利要求5所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三NMOS管与第三PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为38/1～39/1。

10.根据权利要求6所述的无电感宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第四NMOS管与第四PMOS管具有相同宽长比，所述宽长比为38/1～39/1。

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