CN113708732B - 一种低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低噪声放大器，包括输入匹配网络，输入匹配网络一端连接信号输入端，另一端分别连接LNA通路和Bypass通路，LNA通路和Bypass通路通过输出匹配网络连接信号输出端，用于输出射频信号；LNA通路和Bypass通路均通过控制逻辑电路连接外部控制信号端，控制信号经控制逻辑电路控制LNA通路和Bypass通路的切换，控制逻辑电路的输出端与LNA通路之间还分别连接有用于控制LNA通路通断的开关电路和用于向LNA通路提供偏置电压的偏置电路。本发明所述的一种低噪声放大器将LNA通路和Bypass通路集成到同一电路中，通过外部控制信号切换接收模式，在LNA模式时，可达到12dbm的线性度，在Bypass模式时，可达到30dbm的线性度，可满足高线性条件的应用。

Description

一种低噪声放大器
技术领域
本发明属于放大器技术领域，尤其是涉及一种低噪声放大器。
背景技术
2019年9月16日，Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划，该计划旨在使采用下一代802.11ax Wi-Fi无线通信技术的设备达到既定标准。相比于前几代的WiFi技术，新一代WiFi 6主要特点在于：速度更快、延时更低、容量更大、更安全、更省电的特点。因此在WiFi6的应用场景下，为了应对高数据传输速率和高用户密度需求，实现大规模连接、高可靠性和低延迟通信，通信基站对接收链路的核心部件：低噪声放大器提出了更高的要求。原有低噪声放大器线性度低、模式单一等因素限制，难以应用于WiFi 6通信，为了克服上述问题，急需一种高线性度、可切换增益模式的低噪声放大器，推动第WiFi 6通信技术大范围普及。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种低噪声放大器，以解决低噪声放大器线性度低、增益不可调的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低噪声放大器，包括输入匹配网络，输入匹配网络一端连接信号输入端，另一端分别连接LNA通路和Bypass通路，LNA通路和Bypass通路通过输出匹配网络连接信号输出端；
LNA通路和Bypass通路均通过控制逻辑电路连接外部控制信号端，控制信号经控制逻辑电路控制LNA通路和Bypass通路的切换，控制逻辑电路的输出端与LNA通路之间还分别连接有用于控制LNA通路通断的开关电路和用于向LNA通路提供偏置电压的偏置电路。
进一步的，输入匹配网络包括电感L1，电感L1的一端连接信号输入端，另一端通过电容C2连接LNA通路，电感L1与电容C2之间连接有电容C1，电容C1接地；
输出匹配网络包括电感L2，电感L2的一端连接LNA通路，另一端分别连接开关电路、电源VDD端和通过电容C4连接信号输出端，电容C4与电感L2之间连接有电容C3，电容C3一端还通过电容C7连接Bypass通路，电容C3另一端接地，电容C4与信号输出端之间连接有电容C5，电容C5接地。
进一步的，控制逻辑电路包括反相器电路和NMOS管M7；
反相器电路包括PMOS管P1、PMOS管P2、NMOS管M8和NMOS管M9，PMOS管P1的漏极连接NMOS管M8的漏极，POMS管P1的栅极连接NMOS管M8的栅极，NMOS管M8的源极接地，PMOS管P1的源极连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的栅极，PMOS管P2的栅极连接NMOS管M9的栅极，PMOS管P2的源极连接PMOS管P1的源极，NMOS管M9的漏极连接NMOS管M9的漏极，NMOS管M9的源极接地；
NOMS管M8的栅极连接反相器电路的输入端，NMOS管M9的漏极连接反相器电路的输出端，反相器电路的输出端连接偏置电路和开关电路；
反相器电路的输入端连接NMOS管M7的源极，NMOS管M7的源极通过电阻R2接地，NMOS管M7的漏极连接电源VDD，NMOS管M7的栅极连接外部控制信号端。
进一步的，偏置电路包括NMOS管M5和NMOS管M6；
NMOS管M5的栅极通过电阻R5连接反相器电路的输出端，NMOS管M5的源极接地，NMOS管M5的漏极连接NMOS管M6的栅极，NMOS管M6的源极接地，NMOS管M6的漏极通过电阻R6连接LNA通路；
NMOS管M5的漏极还连接有电流源IDC，电流源IDC接地。
进一步的，LNA通路包括NMOS管M1和NMOS管M2，NMOS管M1的栅极分别连接电容C2和电阻R6，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的源极，NMOS管M2的栅极连接开关电路，NMOS管M2的漏极连接电感L2。
进一步的，Bypass通路包括NMOS管M3，NMOS管M3的的栅极通过电阻R7连接PMOS管P2的栅极，NMOS管M3的源极通过电容C6连接NMOS管M1的栅极，NMOS管M3的漏极通过电阻R1连接电容C7。
进一步的，开关电路包括NMOS管M4，NMOS管M4的栅极通过电阻R8连接反相器的输出端，NMOS管M4的源极依次连接有电阻R3和电阻R4，电阻R4的一端接地；
电阻R3和电阻R4之间的线路上连接有电阻R9，电阻R9的另一端连接NMOS管M2DE的栅极，电阻R9和NMOS管M2的栅极之间的线路上连接有电容C8，电容C8的一端接地；
NMOS管M4的漏极通过电容C4连接信号输出端，NMOS管M4的漏极与电容C4之间的线路上分别连接电容C9和电容C10，电容C9和电容C10的一端接地。
进一步的，NMOS管M7的栅极与外部控制信号端之间的线路上还连接有ESD静电保护器。
相对于现有技术，本发明所述的一种低噪声放大器具有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种低噪声放大器将LNA通路和Bypass通路集成到同一电路中，通过外部控制信号切换接收模式，在LNA模式时，可达到12dbm的线性度，在Bypass模式时，可达到30dbm的线性度，可满足高线性条件的应用；
(2)本发明所述的一种低噪声放大器选择共源共栅结构电路，可有效提升低噪声放大器的选择性，增强隔离度，提高线性度，通过输入、输出匹配电路实现较好的噪声性能，具有高线性度、低噪声系数的特性，可用于2.4G WiFi 6频段。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种低噪声放大器电路图；
图2为本发明实施例所述的一种低噪声放大器在LNA模式下S参数的仿真结果图；
图3为本发明实施例所述的一种低噪声放大器在LNA模式下线性度的仿真结果图；
图4为本发明实施例所述的一种低噪声放大器在Bypass模式下S参数的仿真结果图；
图5为本发明实施例所述的一种低噪声放大器在Bypass模式下线性度的仿真结果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参阅图1所示，一种低噪声放大器，包括输入匹配网络，输入匹配网络一端连接信号输入端，另一端分别连接LNA通路和Bypass通路，LNA通路和Bypass通路通过输出匹配网络连接信号输出端，用于输出射频信号；
LNA通路和Bypass通路均通过控制逻辑电路连接外部控制信号端，控制信号经控制逻辑电路控制LNA通路和Bypass通路的切换，控制逻辑电路的输出端与LNA通路之间还分别连接有用于控制LNA通路通断的开关电路和用于向LNA通路提供偏置电压的偏置电路。
输入匹配网络包括电感L1，电感L1的一端连接信号输入端，另一端通过电容C2连接LNA通路，电感L1与电容C2之间连接有电容C1，电容C1接地；
输出匹配网络包括电感L2，电感L2的一端连接LNA通路，另一端分别连接开关电路、电源VDD端和通过电容C4连接信号输出端，电容C4与电感L2之间连接有电容C3，电容C3一端还通过电容C7连接Bypass通路，电容C3另一端接地，电容C4与信号输出端之间连接有电容C5，电容C5接地。
控制逻辑电路包括反相器电路和NMOS管M7；
反相器电路包括PMOS管P1、PMOS管P2、NMOS管M8和NMOS管M9，PMOS管P1的漏极连接NMOS管M8的漏极，POMS管P1的栅极连接NMOS管M8的栅极，NMOS管M8的源极接地，PMOS管P1的源极连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的栅极，PMOS管P2的栅极连接NMOS管M9的栅极，PMOS管P2的源极连接PMOS管P1的源极，NMOS管M9的漏极连接NMOS管M9的漏极，NMOS管M9的源极接地；
NOMS管M8的栅极连接反相器电路的输入端，NMOS管M9的漏极连接反相器电路的输出端，反相器电路的输出端连接偏置电路和开关电路；
反相器电路的输入端连接NMOS管M7的源极，NMOS管M7的源极通过电阻R2接地，NMOS管M7的漏极连接电源VDD，NMOS管M7的栅极连接外部控制信号端。
偏置电路包括NMOS管M5和NMOS管M6，NMOS管M6为电流镜场效应管，NMOS管M6的尺寸用于决定低噪声放大器部分的NMOS管M2的偏置电压，决定了低噪声放大器的电流大小；
NMOS管M5的栅极通过电阻R5连接反相器电路的输出端，NMOS管M5的源极接地，NMOS管M5的漏极连接NMOS管M6的栅极，NMOS管M6的源极接地，NMOS管M6的漏极通过电阻R6连接LNA通路；
NMOS管M5的漏极还连接有电流源IDC，电流源IDC接地。
LNA通路包括NMOS管M1和NMOS管M2，NMOS管M1的栅极分别连接电容C2和电阻R6，NMOS管M1的源极通过Bonding线连接到地，此时，Bonding线充当源极退化电感，NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的源极，NMOS管M2的栅极连接开关电路，NMOS管M2的漏极连接电感L2。
Bypass通路包括NMOS管M3，NMOS管M3的的栅极通过电阻R7连接PMOS管P2的栅极，NMOS管M3的源极通过电容C6连接NMOS管M1的栅极，NMOS管M3的漏极通过电阻R1连接电容C7，本技术方案采用的电容C6、C7为隔直电容，Bypass通路的场效应管M3的尺寸与衰减电阻R1的大小根据Bypass模式下的衰减指标与线性度决定。
开关电路包括NMOS管M4，NMOS管M4的栅极通过电阻R8连接反相器的输出端，NMOS管M4的源极依次连接有电阻R3和电阻R4，电阻R4的一端接地；
电阻R3和电阻R4之间的线路上连接有电阻R9，电阻R9的另一端连接NMOS管M2DE的栅极，电阻R9和NMOS管M2的栅极之间的线路上连接有电容C8，电容C8的一端接地，本技术方案采用的电容C8为滤波电容；
NMOS管M4的漏极通过电容C4连接信号输出端，NMOS管M4的漏极与电容C4之间的线路上分别连接电容C9和电容C10，电容C9和电容C10的一端接地，本技术方案采用的电容C9、C10均为旁路电容。
NMOS管M7的栅极与外部控制信号端之间的线路上还连接有ESD静电保护器，本技术方案采用的ESD静电保护器为现有技术，本专利申请并不对其改进。
本方案的工作过程如下：
1)控制信号VC1为高电平时，通过控制逻辑电路，使得NMOS管M4导通,电源到NMOS管M2栅极的通路打开，通过电阻分压给NMOS管M2提供一个偏压，NMOS管M5关断，连接NMOS管M1的偏置电路打开，通过电流镜给NMOS管M1提供合适的偏压，Bypass通路的NMOS管M3关断，放大器处于工作状态，电路处于LNA模式，输入信号经过输入匹配网络的电感L1再经过隔直电容C2,输入到放大器的NMOS管M1的栅级，经过共源共栅结构放大器的放大再由NMOS管M1的漏极输出，再经过输出匹配网络输出到外部，LNA模式具有较高的放大增益，良好的噪声系数和线性度；
2)控制信号VC1为低电平时，通过控制逻辑电路，使得NMOS管M4关断,电源到NMOS管M2栅极的通路关断，NMOS管M2的偏压为0，NMOS管M5关断，连接NMOS管M1的偏置电路被短路，NMOS管M1的偏压为0，Bypass通路的NMOS管M3关断，放大器处于关断状态，电路处于Bypass模式，输入信号经过输入匹配网络的电感L1再经过隔直电容C2,经过Bypass支路的NMOS管M3和电阻R1的衰减，再经过输出匹配网络输出到外部，Bypass模式对信号有6.8db的衰减，拥有很高的线性度；
3)本技术方案中的低噪声放大器采用130nm SOI工艺，在LNA模式下，增益为14.6db，噪声系数为1.42db，线性度为12.4dbm，回波损耗低于12db，此数据为计算开关插损的情况下得出的结果，单LNA可达到0.96db的噪声系数，如图2和图3所示；在bypass模式下，衰减为6.2db，线性度为34dbm，回波损耗低于10db，如图4和图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (2)

1.一种低噪声放大器，其特征在于：包括输入匹配网络，输入匹配网络一端连接信号输入端，另一端分别连接LNA通路和Bypass通路，LNA通路和Bypass通路通过输出匹配网络连接信号输出端；
LNA通路和Bypass通路均通过控制逻辑电路连接外部控制信号端，控制信号经控制逻辑电路控制LNA通路和Bypass通路的切换，控制逻辑电路的输出端与LNA通路之间还分别连接有用于控制LNA通路通断的开关电路和用于向LNA通路提供偏置电压的偏置电路；
输入匹配网络包括电感L1，电感L1的一端连接信号输入端，另一端通过电容C2连接LNA通路，电感L1与电容C2之间连接有电容C1，电容C1接地；
输出匹配网络包括电感L2，电感L2的一端连接LNA通路，另一端分别连接开关电路、电源VDD端和通过电容C4连接信号输出端，电容C4与电感L2之间连接有电容C3，电容C3一端还通过电容C7连接Bypass通路，电容C3另一端接地，电容C4与信号输出端之间连接有电容C5，电容C5接地；
控制逻辑电路包括反相器电路和NMOS管M7；
反相器电路包括PMOS管P1、PMOS管P2、NMOS管M8和NMOS管M9，PMOS管P1的漏极连接NMOS管M8的漏极，POMS管P1的栅极连接NMOS管M8的栅极，NMOS管M8的源极接地，PMOS管P1的源极连接电源VDD，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的栅极，PMOS管P2的栅极连接NMOS管M9的栅极，PMOS管P2的源极连接PMOS管P1的源极，NMOS管M9的漏极连接NMOS管M9的漏极，NMOS管M9的源极接地；
NOMS管M8的栅极连接反相器电路的输入端，NMOS管M9的漏极连接反相器电路的输出端，反相器电路的输出端连接偏置电路和开关电路；
反相器电路的输入端连接NMOS管M7的源极，NMOS管M7的源极通过电阻R2接地，NMOS管M7的漏极连接电源VDD，NMOS管M7的栅极连接外部控制信号端；
偏置电路包括NMOS管M5和NMOS管M6；
NMOS管M5的栅极通过电阻R5连接反相器电路的输出端，NMOS管M5的源极接地，NMOS管M5的漏极连接NMOS管M6的栅极，NMOS管M6的源极接地，NMOS管M6的漏极通过电阻R6连接LNA通路；
NMOS管M5的漏极还连接有电流源IDC，电流源IDC接地；
LNA通路包括NMOS管M1和NMOS管M2，NMOS管M1的栅极分别连接电容C2和电阻R6，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的漏极连接NMOS管M2的源极，NMOS管M2的栅极连接开关电路，NMOS管M2的漏极连接电感L2；
Bypass通路包括NMOS管M3，NMOS管M3的的栅极通过电阻R7连接PMOS管P2的栅极，NMOS管M3的源极通过电容C6连接NMOS管M1的栅极，NMOS管M3的漏极通过电阻R1连接电容C7；
开关电路包括NMOS管M4，NMOS管M4的栅极通过电阻R8连接反相器的输出端，NMOS管M4的源极依次连接有电阻R3和电阻R4，电阻R4的一端接地；
电阻R3和电阻R4之间的线路上连接有电阻R9，电阻R9的另一端连接NMOS管M2的栅极，电阻R9和NMOS管M2的栅极之间的线路上连接有电容C8，电容C8的一端接地；
NMOS管M4的漏极通过电容C4连接信号输出端，NMOS管M4的漏极与电容C4之间的线路上分别连接电容C9和电容C10，电容C9和电容C10的一端接地；
控制信号VC1为高电平时，通过控制逻辑电路，使得NMOS管M4导通,电源到NMOS管M2栅极的通路打开，通过电阻分压给NMOS管M2提供一个偏压，NMOS管M5关断，连接NMOS管M1的偏置电路打开，通过电流镜给NMOS管M1提供合适的偏压，Bypass通路的NMOS管M3关断，放大器处于工作状态，电路处于LNA模式，输入信号经过输入匹配网络的电感L1再经过隔直电容C2,输入到放大器的NMOS管M1的栅级，经过共源共栅结构放大器的放大再由NMOS管M1的漏极输出，再经过输出匹配网络输出到外部；
控制信号VC1为低电平时，通过控制逻辑电路，使得NMOS管M4关断,电源到NMOS管M2栅极的通路关断，NMOS管M2的偏压为0，NMOS管M5关断，连接NMOS管M1的偏置电路被短路，NMOS管M1的偏压为0，Bypass通路的NMOS管M3关断，放大器处于关断状态，电路处于Bypass模式，输入信号经过输入匹配网络的电感L1再经过隔直电容C2,经过Bypass支路的NMOS管M3和电阻R1的衰减，再经过输出匹配网络输出到外部。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声放大器，其特征在于：NMOS管M7的栅极与外部控制信号端之间的线路上还连接有ESD静电保护器。
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