CN114793093B - 一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，包括匹配电路、LNA主电路、第一级陷波滤波器以及第二陷滤波电路，其中：匹配电路包括电容Cpad1和Cs以及电感Lp和Ls；LNA主电路包括N型MOS管M1、M2和M3，可变并联反馈电阻R1和隔直电容C2、C3，负载电感L2、L3以及负载电阻R2；第一级陷波滤波器包括电感L1、电容C1和可调电容Cp1；第二级陷波滤波器包括电感L4和可调电容C4以及电容Cpad2和其对应的补偿电感Lout。本发明实现了低噪声并且强化了滤波性能；有效减少了LC并联谐振电路的噪声贡献；在保证滤波深度的同时补偿了滤波器对低噪声放大器通带的增益抑制。

Description

一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器。
背景技术
超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)无线通讯技术因其高速、低功耗和低成本等特点被应用于各类商业领域，以实现短距离、高精度的定位功能。UWB技术具有带宽大、工作频率高的特点，用于该协议的低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)必须在数GHz的频段内做到良好的输入匹配、适当的增益，同时还要满足低噪声系数、低功耗、小芯片面积的要求。应用于UWB上边带的LNA，工作频率为6.5～10GHz。由于5～6GHz频带范围内存在802.11a等功率较大的窄带干扰信号，需要采用滤波器对其进行滤除。常用的方法有两种，分别是片外滤波器和片上滤波器。前者滤波效果好，但无法做到全集成，且会引入前级噪声，影响整体接收机的噪声表现；后者在LNA中集成陷波滤波器，以微小的面积和功耗为代价，实现了全集成和低噪声。
在全集成的LNA设计中，由于片上电感Q值不高，可以引入有源负阻来补偿电感的Q值，该类设计对提供负阻的晶体管工作状态非常敏感，稳定性欠佳，噪声和功耗较大，增益也不高，使得LNA的最小噪声系数普遍在5dB以上，牺牲了LNA本身的性能才能满足滤波的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，解决了现有技术中如何较好地实现较深的滤波深度、保证放大器通带增益不被压缩、以及进一步优化噪声的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，包括匹配电路、LNA主电路、第一级陷波滤波器以及第二级陷波滤波器电路，其中：
匹配电路包括电容Cpad1和Cs以及电感Lp和Ls；
LNA主电路包括N型MOS管M1、M2和M3，可变并联反馈电阻R1和隔直电容C2、C3，负载电感L2、L3以及负载电阻R2；
第一级陷波滤波器包括电感L1、电容C1和可调电容Cp1；
第二级陷波滤波器包括电感L4和可调电容C4以及电容Cpad2和其对应的补偿电感Lout；
信号经由输入匹配电路进入到LNA主电路第一级中，经过LNA第一级放大后，通过交流耦合电容C3进入LNA第二级被进一步放大后到达输出端，其中5.8GHz的干扰信号在M1的漏极被第一级陷波滤波器分流到地实现初步滤波，残存的5.8GHz干扰信号到达位于LNA输出端的第二级陷波滤波器时被进一步滤波。
本发明的特点还在于：
匹配电路由四个器件组成，分别是电容Cpad1、电感Lp、电容Cs和电感Ls。其中电容Cpad1和电感Lp并联，电容Cs与电感Ls串联；Ls作为匹配电路的输出器件和LNA主电路的输入管M1的栅极相连，Cs与电路总输入端、电容Cpad1的一端以及电感Lp的一端相连，而电容Cpad1和电感Lp与信号通路并联。
LNA主电路中，M1的栅极与直流耦合电阻R3的一端相连，R3的另一端接直流偏置Vb1，M1源极接地，漏极与M2源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M2的栅极接直流偏置Vb2。
第一级陷波滤波器连接在M1的漏极，由可调电容Cp1、电容C1和电感L1组成，其中C1一端与M1的漏极相连，C1另一端与L1串联，Cp1与L1并联接地。
在LNA主电路的第一级中，电阻R2的一端串联电感L2的一端组成第一级负载，L2的另一端与电源VDD相连，R2的另一端与M2漏极相连；可调反馈电阻R1和隔直电阻C2串联，R1远离隔直电阻C2的一端与M1栅极相连，C2远离R1的一端与M2漏极相连；第一级输出端通过隔直电容C3连接第二级输入端；在LNA主电路的第二级中，共源管M3的栅极和漏极分别与直流偏置电阻R4和负载电感L3相连，R4在远离M3的另一端连接直流偏置Vb3，M3的漏极接负载电感L3和第二级陷波滤波器的输入端。
第二级陷波滤波器一端与M3漏极和电感L3相连，另一端接输出端，在第二级陷波滤波器中，电感L4与可调电容C4并联，补偿电感Lout与焊盘寄生电容Cpad2并联，其中补偿电感Lout与焊盘寄生电容Cpad2一端与输出端相连，另一端与地相连。
本发明的有益效果是，发明了一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，采用的片上无源滤波器不需要有源补偿电路，节省了功耗，降低了噪声。采用了分立式两级陷波滤波器的方案，实现了低噪声并且强化了滤波性能。采用了置于电路输出位置的并联谐振电路充当滤波器，有效减少了该谐振电路的噪声贡献。
简单并联结构的LC陷波滤波器会抑制高于陷波频率的通带增益，通过加入一个电感，在保证滤波深度的同时补偿了滤波器对低噪声放大器通带的增益抑制。
附图说明
图1是本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器的电路示意图；
图2是本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器中第二级的小信号等效电路示意图；
图3是本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器中第二级阻抗参数Z21电感补偿前后的仿真结果示意图；
图4是本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器中S参数和噪声系数的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器进行详细说明。
本发明提供了一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，包括匹配电路、LNA主电路和第一级滤波电路以及第二级滤波电路，其中；
匹配电路包括电容Cpad1和Cs以及电感Lp和Ls，LNA主电路包括N型MOS管M1、M2和M3，可变并联反馈电阻R1和隔直电容C2、C3，负载电感L2、L3以及负载电阻R2；第一级陷波滤波器包括电感L1、电容C1和可调电容Cp1，第二级陷波滤波器包括电感L4和可调电容C4以及电容Cpad2和其对应的补偿电感Lout；匹配电路中的四个器件共同作用实现宽带匹配效果。
在匹配电路中，电容Cpad1和电感Lp并联，一端连接电路的总输入端，另一端接地。电容Cs与电感Ls串联，其中Ls和LNA的输入管M1的栅极直接相连，Cs与电路总输入端相连。在LNA主电路中M1的栅极与直流耦合电阻R3相连，R3的另一端接直流偏置Vb1，M1源极接地，而漏极与M2源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M2的栅极接直流偏置Vb2。第一级陷波滤波器连接在M1的漏极，由可调电容Cp1、电容C1和电感L1组成，C1的一端与L1串联，另一端与M1漏极相连，Cp1与L1并联接地。第一级LNA的负载是电阻R2和电感L2，R2的一端与M2漏极相连，另一端与L2相连，L2一端与R2相连，另一端与电源VDD相连。可调反馈电阻R1和隔直电阻C2串联，R1的一端与M1栅极相连，C2的一端与M2漏极相连。第一级LNA与第二级LNA用隔直电容C3连接，C3的一端与M2漏极相连，另一端与LNA的第二级共源管M3的栅极相连，而M3的栅极又与直流偏置电阻R4相连，R4的另一端接直流偏置Vb3。M3的漏极接负载电感L3和第二级陷波滤波器，而L3的另一端连电源VDD，陷波滤波器由可调电容C4和电感L4并联而成，C4和L4一端连M3的漏极，另一端与电路输出端相连。补偿电感Lout和输出寄生电容Cpad2并联，它们一端连接在电路输出端，另一端接地。
信号经过由电容Cpad1和Cs以及电感Lp和Ls组成的匹配电路进入M1管的栅极后被放大，其中5.8GHz的干扰信号被第一级陷波滤波器分流到地，其余频率的信号进入M2的源极被M2放大，实现初步的滤波功能；并联峰化负载L2和R2以及可变反馈电阻R1共同作用拓展了LNA的带宽；
信号经过C3从LNA的第一级输出耦合到第二级输入，进入M3栅极被进一步放大，L3作为谐振负载确保通带的中心频率为8GHz，最后信号进入第二级陷波滤波器被进一步滤波，5.8GHz的干扰信号会被阻止，其余频率的信号会通过第二级陷波滤波器到达输出端。
本发明提供了一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器。在抗干扰方面，第一级陷波滤波器，和第二级陷波滤波器都运用了滤波器极点补偿LNA带内增益的技术。
其中第一级陷波滤波器中极点频率零点频率因此极点永远大于零点，并且让极点处于6.3GHz，零点处于5.8GHz可以很好地同时实现较深的滤波能力和较大的带内增益。
第二级滤波器中的零点频率
极点频率其中A＝L4C4L3+LoutCpad2L4+LoutCpad2L3+L4C4Lout。因此两个极点均大于零点。让低频极点处于6.3GHz，零点处于5.8GHz可以进一步加深滤波能力和补偿带内增益。
本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，通过如图1中M1与M2组成的共源共栅结构可以实现较大的增益，经过第二级M3构成的共源级进一步放大后，整体电路可以实现最大25.10dB的增益，如图4所示。反馈电阻R1、并联峰化负载R2和L2以及匹配电路的使用，使得LNA可以实现宽带的增益效果，带宽为6.5～10GHz，在该频带内增益较为平滑，为21.56～25.10dB，带内增益波动±1.77dB。根据图2可以算出LNA第二级负载阻抗的表达式，通过对负载阻抗中零点和极点的设计，使零点为5.8GHz、低频极点为6.3GHz，可以补偿LNA低频处的带内增益，图3是对零极点的仿真结果，证明了设计的有效性，最终使得LNA在工作频段的最低频6.5GHz能够达到21.56dB的增益，实现了全频带的高增益与低噪声，最终带内噪声为1.97～2.32dB。
本发明一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，采用了分立式两级陷波滤波器的方案，实现了低噪声和高增益、并且强化了滤波性能；采用了置于电路输出位置的并联谐振电路充当滤波器，有效减少了该谐振电路的噪声贡献；在保证滤波深度的同时补偿了滤波器对低噪声放大器通带的增益抑制。具有一定的实用性。

Claims (5)

1.一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，其特征在于，包括匹配电路、LNA主电路、第一级陷波滤波器以及第二级陷波滤波器，其中：
所述匹配电路包括电容Cpad1和Cs以及电感Lp和Ls；
LNA主电路包括N型MOS管M1、M2和M3，可变并联反馈电阻R1和隔直电容C2、C3，负载电感L2、L3以及负载电阻R2；
所述第一级陷波滤波器包括电感L1、电容C1和可调电容Cp1；
第二级陷波滤波器包括电感L4和可调电容C4以及电容Cpad2和其对应的补偿电感Lout；
信号从匹配电路、经第一级共源共栅电路放大、经并联峰化负载和并联电阻反馈拓展带宽、经第二级共源级电路的进一步放大后到达输出端；
在所述LNA主电路中，电阻R2的一端串联电感L2的一端组成第一级负载，L2的另一端与电源VDD相连，R2的另一端与M2漏极相连；可调反馈电阻R1和隔直电阻C2串联，R1远离隔直电阻C2的一端与M1栅极相连，C2远离R1的一端与M2漏极相连；第一级输出端通过隔直电容C3连接第二级输入端；第二级放大电路包括放大管M3及其负载L3和直流耦合电阻R4、第二级陷波滤波器；第二级陷波滤波器一端与M3漏极和电感L3相连，另一端接电路的总输出端，在第二级陷波滤波器中，电感L4与可调电容C4并联，补偿电感Lout与焊盘寄生电容Cpad2并联，其中补偿电感Lout与焊盘寄生电容Cpad2一端与输出端相连，另一端与地相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，其特征在于，所述匹配电路的一端连接电路的总输入端，另一端连接LNA主电路的输入端，电容Cpad1和电感Lp并联，电容Cs与电感Ls串联，其中Ls和LNA主电路的输入管M1的栅极相连，Cs与电路总输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，其特征在于，所述LNA主电路中，M1的栅极与直流耦合电阻R3相连，R3的另一端接直流偏置Vb1，M1源极接地，漏极与M2源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M2的栅极接直流偏置Vb2。
4.根据权利要求3所述的一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，其特征在于，所述第一级陷波滤波器连接在M1的漏极，由可调电容Cp1、电容C1和电感L1组成，C1与L1串联，Cp1与L1并联接地，而C1的一端与M1漏极相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有抗干扰功能的超宽带协议低噪声放大器，其特征在于，直流偏置电阻R4和负载电感L3之间连接有第二级共源管M3的栅极，R4在远离M3的另一端连接直流偏置Vb3，M3的漏极接负载电感L3和第二级陷波滤波器。
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