CN113242020A - 一种宽带匹配低噪声放大器 - Google Patents

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钱炜
吕悦川
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Abstract

本发明公开了一种宽带匹配低噪声放大器，涉及放大器技术领域。包括LBLN结构的电路，LBLNA的电路结构采用了电阻负载并联有源反馈型拓扑结构，其中前馈放大支路为晶体管M1和MCasc构成的共源Cascode放大器，Cascode管MCasc的栅极相当于虚地，必要时可以用大电容接地，LBLNA的负载采用电阻RL和PMOS管MLG并联的方式，在高增益模式时，MLG关断，对信号形成高阻路径，本发明可提高电路的线性度性能，并缓解电压余度，提高增益，功耗能相对有所降低，降低芯片的消耗。

Description

一种宽带匹配低噪声放大器
技术领域
本发明涉及放大器技术领域，具体为一种宽带匹配低噪声放大器。
背景技术
放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中，增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（见射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。
低噪声放大器，噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比，在多模多带RXFE中，一般需要多条RX通路来覆盖所有的接收频带，这就需要多个LNA电路模块，如果采用经典的电感源简并窄带LNA和LC负载，将极大的消耗芯片面积，进而影响使用效果，为此，提出一种宽带匹配低噪声放大器来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽带匹配低噪声放大器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括LBLN结构的电路，LBLNA的电路结构采用了电阻负载并联有源反馈型拓扑结构，其中前馈放大支路为晶体管M1和MCasc构成的共源Cascode放大器，Cascode管MCasc的栅极相当于虚地，必要时可以用大电容接地，LBLNA的负载采用电阻RL和PMOS管MLG并联的方式，在高增益模式时，MLG关断，对信号形成高阻路径；在低增益模式时，MLG工作于线性区，此时LNA的负载等效为MLG的开关电阻与RL的并联，由于输出结点是噪声不敏感结点，所以MLG引入的噪声很小，MFB为源跟随器反馈管，其尺寸小于主放大管M1的尺寸， C0和C1为隔直电容，在该电路中存在交流反馈通路，得出电容C0会对输入阻抗匹配有影响，C0的取值应该较大。
进一步优化本技术方案，MFB为源跟随器反馈管，其尺寸要远远小于主放大管M1的尺寸。
进一步优化本技术方案，所述LNA的电源电压为1.2V，故采用PMOS管MP作为电流源，旁路掉流过负载电阻的一部分电流，从而缓解了输出节点的电压余度。
进一步优化本技术方案，LNA电路采用单级实现，因此工作模式的切换是通过负载电阻和反馈电阻的调节来实现的。
进一步优化本技术方案，所反馈管MFB的非线性决定了整个电路的线性度，将MFB管的栅极通过高值电阻R1和电容C0构成的RC网络接到电源VDD上。
进一步优化本技术方案，MBias管作为反馈管MFB的偏置电流源。
与现有技术相比，本发明提供了一种宽带匹配低噪声放大器，具备以下有益效果：
该宽带匹配低噪声放大器，采用Inductor-less结构的LNA，使得gm/Id变为NMOS实现的两倍，能有效地改善LNA的NF性能，有效提高LNA的输出阻抗，提升NF性能，提高电路的线性度性能，并缓解电压余度，提高增益，功耗能相对有所降低，降低芯片的消耗。
附图说明
图1为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的有源反馈LNA结构示意图；
图2为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的输入阻抗公式示意图；
图3为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的环路增益公式示意图；
图4为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的LNA的开环增益公式示意图；
图5为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的LNA的输出阻抗公式示意图；
图6为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的噪声系数表示公式示意图；
图7为本发明提出的一种宽带匹配低噪声放大器的LBLNA电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参考图1所示，一种宽带匹配低噪声放大器，采用Inductor-less结构的LNA，所述LNA结构主要放大部分为互补NP MOS构成的共源级，采用电流复用技术，使得gm/Id变为NMOS实现的两倍，能有效地改善LNA的NF性能，其反馈部分采用源级跟随器Buffer来隔离输出端和输入端，能有效提高LNA的输出阻抗，提升NF性能，LNA的输入匹配是通过电阻反馈来实现，LNA的电路结构采用电阻负载并联并联有源反馈型拓扑结构，其中前馈放大支路为晶体管M1和MCasc构成的共源Cascode放大器，Cascode管MCasc的栅极相当于虚地，LNA的负载采用电阻RL和PMOS管MLG并联的方式。
LNA的输入匹配是通过电阻反馈来实现，其输入阻抗可以表示参考图2所示，其中环路增益
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为参考图3所示，而
Figure DEST_PATH_IMAGE004
即为LNA的开环增益，请参考图4所示。
以上给出了LNA输入阻抗和增益的高频小信号表达式，不做进一步的化简讨论。特别需要指出的是LNA的输出阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，请参考图5所示，LNA的跨导取得较大，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
由于输出节点电容的存在，在高频下会变得很小，这对后面N-path Filter的滤波特性有较严重的影响。
LNA的噪声系数，我们仅考虑最简单的情况：LNA的噪声源主要是输入NP MOS管的电流热噪声
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其噪声系数表示参考图6所示。
请参考图7所示，LBLNA的电路结构采用了电阻负载并联并联有源反馈型拓扑结构，其中前馈放大支路为晶体管M1和MCasc构成的共源Cascode放大器，Cascode管MCasc的栅极相当于虚地，必要时可以用大电容接地（滤除栅端噪声），LBLNA的负载采用电阻RL和PMOS管MLG并联的方式，在一定程度上增加了设计自由度，在高增益模式时，MLG关断，对信号形成高阻路径；在低增益模式时，MLG工作于线性区，此时LNA的负载等效为MLG的开关电阻与RL的并联，由于输出结点是噪声不敏感结点，所以MLG引入的噪声很小，MFB为源跟随器反馈管，其尺寸要远远小于主放大管M1的尺寸，反馈电阻RF的加入可以为输入阻抗匹配和线性度的优化提供更多的自由度，但RF太大也会恶化噪声性能同时降低增益，C0和C1为隔直电容，在该电路中只存在交流反馈通路，得出电容C0会对输入阻抗匹配有影响，C0的取值应该较大（pF量级）。
本发明LNA的电源电压为1.2V，故采用PMOS管MP作为电流源，旁路掉流过负载电阻的一部分电流，从而缓解了输出节点的电压余度，对于电流源MP，为了使电流源的特性更加理想，减小射频信号通过MP的损耗，可以适当增加MP管的沟道长度，以增大其输出电阻，对于NMOS电流源MBias管同样如此，反馈管MFB的非线性决定了整个电路的线性度，为此我们将MFB管的栅极通过高值电阻R1和电容C0构成的RC网络接到电源VDD上，从而提高了反馈管的过驱动电压，优化了电路的线性度，此外，MLG管作为有源负载使用，它也能适当提高电路的线性度性能，并缓解电压余度，MBias管作为反馈管MFB的偏置电流源，其沟道电流热噪声对电路的噪声系数有一定的影响。
由于LNA电路采用单级实现，因此工作模式的切换（增益可调）是通过负载电阻和反馈电阻的调节来实现的，这种方法的优点是增益改变时，电路的功耗不会明显变化，与采用两级实现的LNA相比，在提高增益时，功耗能相对有所降低；其缺点是负载电阻改变时，电路的开环增益改变，进而导致环路增益发生改变，输入阻抗匹配条件此时不能被满足，所以必须同时调节反馈电阻值，使输入匹配重新建立，例如，在低增益模式负载电阻降低，对应的反馈电阻也要相应调小才能保证输入阻抗匹配，因此高增益和低增益工作时，输入匹配是不相同的，这就增加了输入匹配的设计难度。
本发明的有益效果是：该宽带匹配低噪声放大器，采用Inductor-less结构的LNA，使得gm/Id变为NMOS实现的两倍，能有效地改善LNA的NF性能，有效提高LNA的输出阻抗，提升NF性能，提高电路的线性度性能，并缓解电压余度，提高增益，功耗能相对有所降低，降低芯片的消耗。
本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，包括LBLN结构的电路，LBLNA的电路结构采用了电阻负载并联有源反馈型拓扑结构，其中前馈放大支路为晶体管M1和MCasc构成的共源Cascode放大器。
2.根据权利要求1所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，
Cascode管MCasc的栅极相当于虚地，必要时可以用大电容接地，LBLNA的负载采用电阻RL和PMOS管MLG并联的方式，在高增益模式时，MLG关断，对信号形成高阻路径；在低增益模式时，MLG工作于线性区，LNA的负载等效为MLG的开关电阻与RL的并联，由于输出结点是噪声不敏感结点，所以MLG引入的噪声很小，MFB为源跟随器反馈管，其尺寸小于主放大管M1的尺寸， C0和C1为隔直电容，在该电路中存在交流反馈通路，得出电容C0会对输入阻抗匹配有影响，C0的取值较大。
3.根据权利要求2所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，MFB为源跟随器反馈管，其尺寸要远远小于主放大管M1的尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，所述LNA的电源电压为1.2V，故采用PMOS管MP作为电流源，旁路掉流过负载电阻的一部分电流，从而缓解了输出节点的电压余度。
5.根据权利要求4所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，LNA电路采用单级实现，因此工作模式的切换是通过负载电阻和反馈电阻的调节来实现的。
6.根据权利要求4所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，所反馈管MFB的非线性决定了整个电路的线性度，将MFB管的栅极通过高值电阻R1和电容C0构成的RC网络接到电源VDD上。
7.根据权利要求6所述的一种宽带匹配低噪声放大器，其特征在于，MBias管作为反馈管MFB的偏置电流源。
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