CN114172477A - 一种宽带低噪声放大器、芯片及射频接收机 - Google Patents

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车文荃
李涌春
陈宏尘
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Abstract

本发明公开了一种宽带低噪声放大器、芯片及射频接收机，其中放大器包括：第一级放大电路采用共源共栅结构；在第一级放大电路的输入端设置∏型输入匹配结构，∏型输入匹配结构由第一电容、第一电感和第一晶体管的寄生电容构成；第一级放大电路还设置了电阻反馈结构，电阻反馈结构包括第一电阻，第一电阻的一端连接至第一晶体管的栅极，第一电阻的另一端连接至第二晶体管的漏极；第二晶体管的栅极通过第二电感连接电源电压；第二级放大电路采用共源共栅结构。本发明通过在第一级放大电路结合∏型输入匹配结构和电阻反馈结构，实现了平坦的增益；在第二晶体管的栅极添加电感，实现了更宽的带宽。本发明可广泛应用于集成电路领域。

Description

一种宽带低噪声放大器、芯片及射频接收机
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种宽带低噪声放大器、芯片及射频接收机。
背景技术
为了能兼容多种无线通信标准，满足市场和工业界的高速度通信、多标准集成和经济便携等需求，超宽带收发机在现代无线通信接收系统中具有越来越重要的作用。低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是无线通信系统中的重要部分，是射频接收机里第一个具有放大能力的模块，其性能的好坏会影响到整个接收系统的质量。超宽带无线通信系统要求低噪放也具有宽频带放大能力。LNA的主要作用是在引入噪声尽量少的前提下，放大从天线接收到的微弱信号，然后传输给下一级电路。LNA的主要指标有增益、噪声、带宽、线性度、功耗等，鉴于未来通信的超宽带需求，宽带LNA研究受到广泛关注。
已有的一种方案提出了∏型输入匹配和电阻分流反馈组合结构的宽带低噪声放大器，整个电路在1.6GHz-28GHz频带内增益为8.5dB-10.7dB，电路的噪声系数为2.96dB-4.4dB。为了减小输出节点电容对增益的影响，在输出处增加一个串联电感。整体电路的相对带宽虽然很好，但是电路增益却很低，最大增益仅仅10.7dB。
已有的另一种方案提出了一种采用极点收敛技术的宽带低噪声放大器，电路的-3dB带宽为30GHz(62.5GHz-92.5GHz)，电路的最大增益为18.5dB，频带内的噪声系数为5.5dB-7.9dB，整体电路功耗为27mW。在输入端采用变压器匹配实现宽带输入。电路使用共源共栅级，共栅级MOS管的栅极添加电感，S21具有两个极点，同时电路里采用变压器结构来抑制带内波动，实现平坦的宽带增益。但是整体电路为三级，虽然增大了增益，但是会增加功耗，消耗更多的电路面积，多级级联还有可能增加噪声。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种宽带低噪声放大器、芯片及射频接收机。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽带低噪声放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路；
所述第一级放大电路采用共源共栅结构，包括第一晶体管和第二晶体管；
在所述第一级放大电路的输入端设置∏型输入匹配结构，所述∏型输入匹配结构由第一电容、第一电感和第一晶体管的寄生电容构成；
所述第一级放大电路还设置了电阻反馈结构，所述电阻反馈结构包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接至所述第一晶体管的栅极，所述第一电阻的另一端连接至所述第一级放大电路的输出端；
所述第二晶体管的栅极通过第二电感连接电源电压；
所述第二级放大电路采用共源共栅结构，包括第三晶体管和第四晶体管。
进一步，所述第一电容的一端与所述第一级放大电路的输入端连接，所述第一电容的另一端接地，所述第一电感的一端与所述第一级放大电路的输入端连接，所述第一电感的另一端与所述第一晶体管的栅极连接。
进一步，所述第一级放大电路还包括第五电感和第六电感；
所述第二晶体管的漏极与所述第五电感的一端连接，所述第五电感的另一端作为所述第一级放大电路的输出端，所述第六电感的一端与所述第一级放大电路的输出端连接，所述第六电感的另一端连接至电源电压；
所述第五电感用于中和所述第二晶体管漏极的寄生电容。
进一步，所述第二级放大电路还包括第八电感；
所述第八电感的一端连接至所述第一级放大电路的输出端，所述第八电感的一端连接至所述第四晶体管的栅极；
所述第五电感、所述第六电感和所述第八电感构成T型匹配网络。
进一步，所述第二级放大电路还包括第二电阻、第三电阻、第七电感、第九电感和第十二电感；
所述第二电阻的一端与所述第四晶体管的栅极连接，所述第二电阻的另一端与所述第二级放大电路的输出端连接，所述第七电感的一端连接至电源电压，所述第七电感的另一端连接至所述第二级放大电路的输出端，所述第九电感的一端与所述第三晶体管的栅极连接，所述第九电感的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的漏极连接，所述第十二电感的一端与所述第三晶体管的漏极连接，所述第十二电感的另一端作为所述第二级放大电路的输出端。
进一步，所述第一级放大电路还包括第三电感，所述第二级放大电路还包括第十电感；
所述第一晶体管的源极通过所述第三电感接地，所述第四晶体管的源极通过所述第十电感接地。
进一步，所述第一级放大电路还包括第四电感，所述第二级放大电路还包括第十一电感；
所述第四电感连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间，所述第十一电感连接在所述第四晶体管的漏极和所述第三晶体管的源极之间。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种芯片，包括如上所述的一种宽带低噪声放大器。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种射频接收机，包括如上所述的一种芯片。
本发明的有益效果是：本发明通过在第一级放大电路结合∏型输入匹配结构和电阻反馈结构，实现了平坦的增益；在第二晶体管的栅极添加电感，实现了更宽的带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种宽带低噪声放大器的电子电路图；
图2是本发明实施例中放大器电路的S11参数性能示意图；
图3是本发明实施例中放大器电路的S22参数性能示意图；
图4是本发明实施例中放大器电路的噪声性能示意图；
图5是本发明实施例中放大器电路的线性度性能IP1dB(30GHz)示意图；
图6是本发明实施例中放大器电路的线性度性能IIP3dB(30GHz)示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种宽带低噪声放大器，包括第一级放大电路和第二级放大电路；
第一级放大电路采用共源共栅结构，包括第一晶体管M1和第二晶体管M2；
在第一级放大电路的输入端设置∏型输入匹配结构，∏型输入匹配结构由第一电容Cpad1、第一电感和第一晶体管M1的寄生电容构成；
第一级放大电路还设置了电阻反馈结构，电阻反馈结构包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端连接至第一晶体管M1的栅极，第一电阻R1的另一端连接至第一级放大电路的输出端；
第二晶体管M2的栅极通过第二电感L2连接电源电压VDD；
第二级放大电路采用共源共栅结构，包括第三晶体管M3和第四晶体管M4。
其中，第一电容Cpad1的一端与第一级放大电路的输入端连接，第一电容Cpad1的另一端接地，第一电感L1的一端与第一级放大电路的输入端连接，第一电感L1的另一端与第一晶体管M1的栅极连接。
在本实施例中，第一级放大电路和第二级放大电路均采用共源共栅结构。在第一级放大电路中，同时采用∏型输入匹配结构和电阻反馈结构。第一电容Cpad1、第一电感L1和第一晶体管M1的寄生电容构成∏型输入匹配结构。其中，该第一电容Cpad1可以为寄生电容，也可为其他电容；设计电路的输入会存有该第一电容Cpad1，该第一电容Cpad1会对电路性能产生影响，一般设计时需要将这个电容考虑进去，再进行仿真。在本实施例中，将该第一电容Cpad1，做成了匹配电路的一部分。
第一电阻R1连接第一级放大电路的输出端和输入端，形成反馈回路。∏型输入匹配结构和电阻反馈结构，这两种结构联合使用可以得到具有两个零点的输入回波损耗S11，如图2所示。∏型输入匹配结构和电阻反馈结构不仅可以实现输入匹配，还可以带来较为平坦的电路增益S21。为了进一步增加电路的增益S21带宽，在第二晶体管M2的栅极添加第二电感L2，这个第二电感L2可以在S21中引入一个高频极点，通过引入极点，再调节极点的波动，以达到平坦的增益。通过电阻反馈技术还可以抑制极点的波动，选用合适的器件值就可以获得平坦的电路增益S21，进一步提升带宽。
参见图1，进一步作为可选的实施方式，第一级放大电路还包括第五电感L5和第六电感L6；
第二晶体管M2的漏极与第五电感L5的一端连接，第五电感L5的另一端作为第一级放大电路的输出端，第六电感L6的一端与第一级放大电路的输出端连接，第六电感L6的另一端连接至电源电压VDD；第五电感L5用于中和第二晶体管漏极的寄生电容。
在第二晶体管M2的栅极有寄生电容的存在，会影响电路的增益。使用第五电感L5来中和此电容，可以提升增益S21。
参见图1，进一步作为可选的实施方式，第二级放大电路还包括第八电感L8；
第八电感L8的一端连接至第一级放大电路的输出端，第八电感L8的一端连接至第四晶体管M4的栅极；
第五电感、第六电感和第八电感构成T型匹配网络。
第二级放大电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3、第七电感L7、第九电感L9和第十二电感L12；
第二电阻R2的一端与第四晶体管M4的栅极连接，第二电阻R2的另一端与第二级放大电路的输出端连接，第七电感L7的一端连接电源电压，第七电感L7的另一端连接第二级放大电路的输出端，第九电感L9的一端与第三晶体管M3的栅极连接，第九电感L9的另一端与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第三晶体管M3的漏极连接，第十二电感L12的一端与第三晶体管M3的漏极连接，第十二电感L12的另一端作为第二级放大电路的输出端。
第二级放大电路也是宽带结构。第二电阻R2连接输出节点和第二级放大电路的输入端，形成反馈电路，实现平坦的增益S21。第三晶体管M3的栅极连接第九电感L9，增加第二级S21带宽。第三电阻R3为第三晶体管M3的偏置电阻，通过调节R3的值，可以控制S22的性能。基于上述可知，第二电感L2电感值可以影响极点的波动，可以通过设置第二电感L2的电感值来调节极点的波动；另外，第三电阻R3也会影响到极点的波动，但是第三电阻R3同时还会影响到匹配S11以及噪声NF，所以可以调整第三电阻R3的值调节极点，但需要折中。
为了充分利用第一级放大电路中已有的第五电感L5和第六电感L6，两级电路之间使用T型匹配网络，匹配结构由第五电感L5、第六电感电感L6、和第八电感L8组成。
参见图1，进一步作为可选的实施方式，第一级放大电路还包括第三电感L3，第二级放大电路还包括第十电感L10；
第一晶体管的源极通过第三电感L3接地，第四晶体管的源极通过第十电感L10接地。
第一级放大电路还包括第四电感L4，第二级放大电路还包括第十一电感L11；
第四电感L4连接在第一晶体管M1的漏极和第二晶体管M2的源极之间，第十一电感L11连接在第四晶体管M4的漏极和第三晶体管M3的源极之间。
在本实施例中，增加第三电感L3和了第十电感L10是为了更好的进行输入匹配和级间匹配。另外，在图1中，第四电感L4和第十一电感L11是为了中和晶体管间的寄生电容，以增加带宽。上述的这些电感的值都很小，在版图里，可采用一段长的金属线实现这些小电感。
如图3所示，本实施例的放大器电路的最大增益为14.1dB，-3dB带宽为33.9GHz(12.85GHz-46.7GHz)，电路的输入回波损耗S11在15G-51G的范围内满足S11<-10dB。电路的噪声性能如图4所示，线性度性能(IP1dB和IIP3)如图5和图6所示。总的来说，本实施例的低噪声放大器能够工作在5G毫米波通信频段，适用于5G毫米波通信前端系统中的接收机系统。
综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下有益效果：
(1)LNA带宽提升技术：共源共栅级结构的LNA与∏型输入匹配、电阻反馈结构相结合，可以实现平坦的增益(S21)。为了进一步增加电路带宽，本实施例在此结构的基础上，在共栅级晶体管的栅极添加电感。该电感在S21中引入了一个高频极点，实现了更宽的带宽，而且该电感不会恶化电路的输入回波损耗(S11)性能，也不会增加电路噪声。
(2)级间匹配结构：为了提升宽带LNA增益，本实施例设计了两级级联的宽带LNA电路。级间匹配电路充分利用第一级已存在的第五电感L5和六电感L6，仅需增加一个第八电感L8便构成了T型匹配结构，减小了版图面积。
本实施例还提供一种芯片，包括如图1所示的一种宽带低噪声放大器。
本实施例的一种芯片，与上述的一种宽带低噪声放大器具有对应关系，因此具备一种宽带低噪声放大器中相应的功能及效果。
本实施例还提供一种射频接收机，包括如上所述的一种芯片。
本实施例的一种射频接收机，与上述的一种宽带低噪声放大器具有对应关系，因此具备一种宽带低噪声放大器中相应的功能及效果。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于，包括第一级放大电路和第二级放大电路；
所述第一级放大电路采用共源共栅结构，包括第一晶体管和第二晶体管；
在所述第一级放大电路的输入端设置∏型输入匹配结构，所述∏型输入匹配结构由第一电容、第一电感和第一晶体管的寄生电容构成；
所述第一级放大电路还设置了电阻反馈结构，所述电阻反馈结构包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接至所述第一晶体管的栅极，所述第一电阻的另一端连接至所述第一级放大电路的输出端；
所述第二晶体管的栅极通过第二电感连接电源电压；
所述第二级放大电路采用共源共栅结构，包括第三晶体管和第四晶体管。
2.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一电容的一端与所述第一级放大电路的输入端连接，所述第一电容的另一端接地，所述第一电感的一端与所述第一级放大电路的输入端连接，所述第一电感的另一端与所述第一晶体管的栅极连接。
3.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路还包括第五电感和第六电感；
所述第二晶体管的漏极与所述第五电感的一端连接，所述第五电感的另一端作为所述第一级放大电路的输出端，所述第六电感的一端与所述第一级放大电路的输出端连接，所述第六电感的另一端连接至电源电压；
所述第五电感用于中和所述第二晶体管漏极的寄生电容。
4.根据权利要求3所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路还包括第八电感；
所述第八电感的一端连接至所述第一级放大电路的输出端，所述第八电感的一端连接至所述第四晶体管的栅极；
所述第五电感、所述第六电感和所述第八电感构成T型匹配网络。
5.根据权利要求4所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二级放大电路还包括第二电阻、第三电阻、第七电感、第九电感和第十二电感；
所述第二电阻的一端与所述第四晶体管的栅极连接，所述第二电阻的另一端与所述第二级放大电路的输出端连接，所述第七电感的一端连接至电源电压，所述第七电感的另一端连接至所述第二级放大电路的输出端，所述第九电感的一端与所述第三晶体管的栅极连接，所述第九电感的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第三晶体管的漏极连接，所述第十二电感的一端与所述第三晶体管的漏极连接，所述第十二电感的另一端作为所述第二级放大电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路还包括第三电感，所述第二级放大电路还包括第十电感；
所述第一晶体管的源极通过所述第三电感接地，所述第四晶体管的源极通过所述第十电感接地。
7.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路还包括第四电感，所述第二级放大电路还包括第十一电感；
所述第四电感连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间，所述第十一电感连接在所述第四晶体管的漏极和所述第三晶体管的源极之间。
8.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的一种宽带低噪声放大器。
9.一种射频接收机，其特征在于，包括如权利要求8所述的一种芯片。
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