CN112583361A - 一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，由两部分构成，第一部分为放大器的第一级，是采用噪声消除技术的共源极放大器，其中包含三个NMOS晶体管，一个反馈电阻，一个负载电阻，一个隔直电容，输入匹配结构和输出匹配结构；第二部分为两级级联的共源共栅级放大器，该放大器的采用共源共栅极低噪声放大器，该结构由共源极连接的NMOS晶体管Q4和共栅极连接的NMOS晶体管Q5、负载、输入输出匹配结构构成；利用共源极放大器和噪声消除技术低噪声的特点，实现放大器的低噪声指标；利用共源共栅极放大器高增益高阻抗的特性，实现高增益的低噪声射频放大器；在级间利用LC谐振网络的不同谐振频率，实现宽频带低噪声射频放大器。

Description

一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及无线通信低噪声放大器技术领域。尤其涉及射频低噪声放大器和集成电路领域即一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器。
背景技术
射频低噪声放大器是收发机接收端的第一级，直接连接在天线后端，在收发机中占有至关重要的地位。其性能直接决定了收发机的作用距离、抗干扰能力和通信质量。为保证收发机的应用场景以及性能，设计高性能的射频低噪声放大器，是国内外研究的重点。其中基于CMOS工艺的低噪声放大器，因为具有功耗低、成本低、易集成等优点，成为当前研究的热点。但主要缺陷在于晶体管截止频率的限制[1]。
由于低噪声放大器的设计过程中需要考量的性能指标较多且存在一定的冲突，比如最小噪声系数和最大增益等[2]。因此对于较低截止频率的晶体管，难以在高频时满足收发机对低噪声放大器综合指标的要求。虽然目前低噪声放大器也形成了源极电感负反馈、并联电阻、差分放大以及分布式放大器等优化结构[3]，且每种结构仍然侧重于某一指标进行优化。综合指标还是难以提升，因此本发明选取低噪声放大器最为主要的噪声、增益和带宽指标进行优化，设计综合性能优异的低噪声放大器。
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发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，利用共源极放大器和噪声消除技术低噪声的特点，实现放大器的低噪声指标；利用共源共栅极放大器高增益高阻抗的特性，实现高增益的低噪声射频放大器；在级间利用LC谐振网络的不同谐振频率，实现宽频带低噪声射频放大器。
一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，如图2所示，由两部分构成，第一部分为放大器的第一级，是采用噪声消除技术的共源极放大器，其中包含三个NMOS晶体管，一个反馈电阻，一个负载电阻，一个隔直电容，输入匹配结构和输出匹配结构。第一个NMOS管Q1采用共源极接法构成共源极低噪声放大器，该晶体管源极通过CMOS工艺中的金属线连接至地，栅极通过CMOS工艺中的金属线与输入端的输入匹配结构连接，作为整体电路的输入端，漏极通过CMOS工艺中的金属线与反馈电阻RF、负载RD、隔直电容C连接在一起；反馈电阻RF的另一端通过CMOS工艺中的金属线反馈连接至第一个晶体管的栅极；隔直电容C的另一端通过CMOS工艺中的金属线与第三个NMOS晶体管Q3的栅极相连接；负载的另一端通过CMOS工艺中的金属线与供电电源连接，为整体电路提供供电；第一个NMOS管Q1的栅极同时通过CMOS工艺中的金属线与第二个NMOS管Q2的栅极连接，第二个NMOS管Q2用共源极接法构成共源极低噪声放大器，该晶体管源极通过CMOS工艺中的金属线连接至地，漏极连接至输出端；第三个NMOS管Q3的漏极连接负载的一端，源极连接通过CMOS工艺中的金属线与第二个NMOS管Q2的漏极一起连接至级间匹配结构，作为第一级电路的输出端；所有级间匹配均采用LC串联谐振网络，且谐振频率不同；同时第一个NMOS管Q1、第二个NMOS管Q2和第三个NMOS管Q3的栅极还通过CMOS工艺中的金属线偏置电源相连。第二部分为两级级联的共源共栅级放大器，分别为放大器的第二级和第三级，放大器的第二级由共源极连接的NMOS晶体管Q4和共栅极连接的NMOS晶体管Q5、负载RD构成；共源极连接的NMOS晶体管Q4的栅极作为第二部分的输入端，通过CMOS工艺中的金属线与第一部分输出的级间匹配连接，源极接地，漏极通过CMOS工艺中的金属线连接至共栅极连接的NMOS晶体管Q5的源极；共栅极连接的NMOS晶体管Q5的漏极连接负载和级间匹配结构作为第二级放大器的输出端；同时共源极连接的NMOS晶体管Q4和共栅极连接的NMOS晶体管Q5的栅极还通过CMOS工艺中的金属线偏置电源相连；放大器的第三级中的Q6和Q7的组成以及连接方式与放大器第二级中的Q4和Q5相同，并通过输出匹配结构输出信号。
如图2所示，电路的工作原理如下所示。采用噪声消除技术的放大器结构，其中晶体管的偏置未在图中画出，第一个NMOS管Q1产生的噪声为整个电路的主要噪声，假设为I，方向为漏极向源极。此时X、Y点在同一回路中，因此两点的噪声电压同向，同时信号从X点输入至电路。由于第一个NMOS管Q1为共源极放大器，反相放大信号，此时X、Y点的输入射频信号为反向。第二个NMOS管Q2同样作为共源极放大器，将X点的信号与第一个NMOS管Q1产生的噪声I反向放大至Z点，此时Z点输入射频信号与Y点同向，而噪声反向。第三个NMOS管Q3作为源跟随器，将Y点的信号和噪声搬移至Z点，信号与噪声方向不变，并在Z点与第二个NMOS管Q2的输出合并进行第一级的信号输出，此时第二个NMOS管Q2、第三个NMOS管Q3两个晶体管的输出的信号同向，噪声反向，实现了噪声的抵消，得到低噪声的输出信号。后续电路使用两级共源共栅极电路实现。第一级的输出信号由Z点输入至第一个级间LC匹配，随后输入至第二级共源极连接的NMOS晶体管Q4的栅极，并通过第二级共源极连接的NMOS晶体管Q4进行反相放大，再由第二级共源极连接的NMOS晶体管Q4的漏极输入至第二级共栅极连接的NMOS晶体管Q5的源极，第二级共栅极连接的NMOS晶体管Q5对信号进行同向放大并通过漏极输出信号至第二个级间LC匹配，随后输入至第三级共源极连接的NMOS晶体管Q6的栅极，并通过第三级共源极连接的NMOS晶体管Q6进行反相放大，再由第三级共源极连接的NMOS晶体管Q6的漏极输入至第三级共栅极连接的NMOS晶体管Q7的源极，第三级共栅极连接的NMOS晶体管Q7对信号进行同向放大并通过漏极输出信号，因为共源共栅级的高增益特性，能够在输出端得到高增益的低噪声信号。同时由于LC谐振网络结构代替传统的级间匹配，通过对电感L和电容C值的选取，使LC谐振网络在放大器工作频率处产生谐振。从而使LC串联谐振网络的交流等效电阻在工作频率处为0。这就使射频信号在由放大器漏极输出时，仅能通过级间匹配结构，而不会通过负载产生损耗。这就实现了共源共栅极低噪声放大器增益的提升。同时两个不同的谐振频率的级间匹配能够在频谱上产生两个峰值，并相互影响，进而提升了整体电路的带宽。
一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，通过噪声消除技术，实现第一级射频放大器的低噪声特性，后续使用共源共栅极电路，实现低噪声高增益的射频放大器，级间使用不同谐振频率的LC网络，最终实现高增益宽频带的低噪声射频放大器。
附图说明
图1是基于噪声消除技术的低噪声射频放大器电路原理图；
图2是一种基于噪声消除技术的高增益宽频带低噪声射频放大器电路原理图。
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。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的附图。
如图1所示，采用噪声消除技术的放大器结构（其中晶体管的偏置未在图中画出），第一个NMOS管Q1产生的噪声为整个电路的主要噪声，假设电流噪声为I，方向为漏极向源极。此时X、Y点在同一回路中，因此两点的噪声电压同向，同时由于第一个NMOS管Q1为共源极放大器，反相放大信号，此时X、Y点的输入射频信号为反向。第二个NMOS管Q2同样作为共源极放大器，将X点的信号与噪声反向放大至Z点，此时Z点输入射频信号与Y点同向，而噪声反向。第三个NMOS管Q3作为源跟随器，将Y点的信号和噪声搬移至Z点，信号与噪声方向不变，并在Z点与第二个NMOS管Q2的输出合并进行第一级的信号输出，此时第二个NMOS管Q2、第三个NMOS管Q3两个晶体管的输出的信号同向，噪声反向。实现了噪声的抵消，只要控制好晶体管的放大倍数，就能够实现最小噪声。后续电路使用共源共栅极电路实现（其中第一级放大器晶体管的偏置未在图中画出），该图中仅画出了两级共源共栅级放大器，在实际应用中可以使用两级或以上。第一级的输出接在第二级共源共栅极放大器的Q4晶体管的栅极上，利用第二级共源极连接的NMOS晶体管Q4和第二级共栅极连接的NMOS晶体管Q5两个晶体管构成的高增益共源共栅极放大器实现整体电路增益的提高，同时利用共源共栅级放大器的高输出阻抗特性，实现良好的输出匹配，进一步提升整体电路增益。在级间匹配中使用不同谐振频率的LC网络，第一级中第二个NMOS管Q2和第二级共源极连接的NMOS晶体管Q4之间级间匹配的谐振频率与第二级共栅极连接的NMOS晶体管Q5和第三级共源极连接的NMOS晶体管Q6之间级间匹配的谐振频率不同，两个不同的谐振频率也使得每一级放大器的工作点有所区别，三级结合起来使得整体放大器的工作带宽展宽，实现宽频带。L、C值的选取遵循公式：
Figure 288185DEST_PATH_IMAGE001
，其中f为谐振频率，L为电感的感值，C为电容的容值。最终实现高增益宽频带的低噪声射频放大器。

Claims (4)

1.一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，其特征在于：由两部分构成，第一部分为放大器的第一级，是采用噪声消除技术的共源极放大器，其中包含三个NMOS晶体管，一个反馈电阻，一个负载电阻，一个隔直电容，输入匹配结构和输出匹配结构；第二部分为两级的共源共栅级放大器，该放大器采用共源共栅极结构，第二级由共源极连接的NMOS晶体管Q4和共栅极连接的NMOS晶体管Q5、负载RD、两项级间匹配结构构成；第三级放大器中的Q6和Q7的组成以及连接方式与Q4和Q5相同，通过输出匹配结构输出信号。
2.根据权利要求1所述一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，其特征在于：放大器第一级，具体为：第一个NMOS管Q1采用共源极接法构成共源极低噪声放大器，该晶体管源极通过CMOS工艺中的金属线连接至地，栅极通过CMOS工艺中的金属线与输入端的输入匹配结构连接，作为整体电路的输入端，漏极通过CMOS工艺中的金属线与反馈电阻RF、负载RD、隔直电容C连接在一起；反馈电阻RF的另一端通过CMOS工艺中的金属线反馈连接至第一个晶体管的栅极；隔直电容C的另一端通过CMOS工艺中的金属线与第三个NMOS晶体管Q3的栅极相连接；负载的另一端通过CMOS工艺中的金属线与供电电源连接，为整体电路提供供电；第一个NMOS管Q1的栅极同时通过CMOS工艺中的金属线与第二个NMOS管Q2的栅极连接，第二个NMOS管Q2用共源极接法构成共源极低噪声放大器，该晶体管源极通过CMOS工艺中的金属线连接至地，漏极连接至输出端；第三个NMOS管Q3的漏极连接负载的一端，源极连接通过CMOS工艺中的金属线与第二个NMOS管Q2的漏极一起连接至级间匹配结构，作为第一级电路的输出端；所有级间匹配均采用LC串联谐振网络，且谐振频率不同；同时第一个NMOS管Q1、第二个NMOS管Q2和第三个NMOS管Q3的栅极还通过CMOS工艺中的金属线偏置电源相连。
3.根据权利要求1所述一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，其特征在于：第二部分两级的共源共栅级放大器，具体为：共源极连接的NMOS晶体管Q4的栅极作为第二部分的输入端，通过CMOS工艺中的金属线与第一部分输出的级间匹配连接，源极接地，漏极通过CMOS工艺中的金属线连接至共栅极连接的NMOS晶体管Q5的源极；共栅极连接的NMOS晶体管Q5的漏极连接负载和级间匹配结构作为第二级放大器的输出端；同时共源极连接的NMOS晶体管Q4和共栅极连接的NMOS晶体管Q5的栅极还通过CMOS工艺中的金属线偏置电源相连。
4.根据权利要求1所述一种基于噪声消除的高增益宽频带低噪声放大器，其特征在于：级间匹配结构由上一级的输出匹配和下一级的输入匹配构成，且都为LC谐振网络结构，第一级和第二级之间的级间匹配中的电感值L和电容值C，与第二级和第三级之间的级间匹配中的电感值L和电容值C不相同，两个级间匹配的谐振频率不同，但分布在工作频率附近。
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