CN115360986A - 一种超低功耗超宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种超低功耗超宽带低噪声放大器，包括依次连接的输入级放大器和输出级放大器；所述输入级放大器由输入匹配网络、MOS反馈共源结构、级联匹配网络组成；所述输出级放大器由谐振电感、MOS反馈共源结构、输出匹配网络组成。通过上述方式，本发明能够通过功耗优化技术，在保证增益和噪声等性能的情况下，大幅降低放大器的功耗，另一方面，优化降噪技术，降低噪声系数，使用交错调谐技术获得宽带平坦增益。

Description

一种超低功耗超宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及电子电路设计技术领域，具体涉及一种超低功耗超宽带低噪声放大器。

背景技术

随着无线通信的无线标准数量以惊人速度增长,人们对于在单一终端中实现多频段多功能的射频收发机日益看重。超宽带技术作为一种拥有多种优点的无线通信技术，发挥着越来越重要的作用。尤其是近几年便携式设备和无线传感网络的发展，如小米手机“一指连”的提出等，使得功耗越来越被看重。

低噪声放大器是位于接收通道的第一个有源器件，通常直接与接收天线相连接，对接收机的整体噪声起决定性作用。为了降低接收机后级的噪声带来的影响，低噪声放大器需要提供足够高的增益，同时其自身的噪声系数也需要足够低。另外，低噪声放大器还需要与输入端进行输入匹配。低噪声放大器的功耗也非常关键，对于宽带匹配、低噪声、高增益以及良好的线性度等特性都需要消耗较高的功耗。

如何兼顾超宽带低噪声放大器的低功耗和平坦增益，进一步在此基础上，如何有效降低超宽带低噪声放大器的噪声系数，这些问题亟待能有更多、更灵活、更优的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超低功耗超宽带低噪声放大器，能够通过功耗优化技术，在保证增益和噪声等性能的情况下，大幅降低放大器的功耗，另一方面，优化降噪技术，降低噪声系数,使用交错调谐技术获得宽带平坦增益。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超低功耗超宽带低噪声放大器，包括依次连接的输入级放大器（100）和输出级放大器（200），其特征在于，输入级放大器（100）包括由第一电容（101）、第一电感（102）和第二电感（103）组成的输入匹配网络，第一晶体管（104）、第二晶体管（105）和第三晶体管（106）组成的MOS反馈共源结构，以及第三电感（107）和第二电容（108）组成的级间匹配网络；输出级放大器（200）包括第四电感（201），第四晶体管（202）、第五晶体管（203）和第六晶体管（204）组成的MOS反馈共源结构，以及第五电感（205）和第三电容（206）组成的输出匹配网络；输入级放大器（100）和输出级放大器（200）为单层MOS管架构。

所述输入级放大器（100）中第一晶体管（104）采用共源结构；所述第二晶体管（105）源极与第一晶体管（104）栅极相连接，第二晶体管（105）的漏极与第一晶体管（104）的漏极相连接，其栅极电压为单独偏置电压；第三晶体管（106）源极与第一晶体管（104）的衬底相连接，第三晶体管（106）的漏极与第一晶体管（104）的源极相连接，其栅极与地相连接；第一电容（101）的一端与输入端相连接，第一电容（101）的另一端与第一电感（102）的一端相连接；第一电感（102）的另一端与第一晶体管（104）的栅极相连接；第二电感（103）的一端与第一晶体管（104）的源极相连接，第二电感（103）的另一端与地相连接；第三电感（107）的一端与第一晶体管（104）的漏极相连接，第三电感（107）的另一端与电源电压相连接；第二电容（108）的一端与第一晶体管（104）的漏极相连接，第二电容（108）的另一端与第四电感（201）相连接。

所述输出级放大器（200）中第四晶体管（202）采用共源结构；所述第五晶体管（203）源极与第二电容（108）相连接，第五晶体管（203）的漏极与第四晶体管的（202）的漏极相连接，其栅极电压为单独偏置电压；第六晶体管（204）源极与第四晶体管（202）的衬底相连接，第六晶体管（204）的漏极与第四晶体管（202）的源极相连接，其栅极与地相连接；第四电感（201）一端与第二电容（108）相连接，第四电感（201）的另一端与第四晶体管（202）的栅极相连接；第五电感（205）一端与第四晶体管（202）的漏极相连接，第五电感（205）的另一端与电源电压相连接；第三电容（206）的一端与第四晶体管（202）的漏极相连接，第三电容（206）的另一端与输出端相连接。

所述第一电感（102）、第三电感（107）和第四电感（201）组成交错调谐技术，缓解第二电感（103）导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配。

所述第二晶体管（105）、第三晶体管（106）、第五晶体管（203）和第六晶体管（204）的衬底接地。

所述第三晶体管（106）和第六晶体管（204）的栅极接地。

本发明的有益成果是：

第一，本发明提出了一种单层MOS架构，在维持低噪声放大器增益、噪声等射频性能的基础上，有效降低了功耗；

第二，本发明提出了一种降噪结构，降低了噪声，并且通过减缓功耗优化技术的设计压力进一步降低了功耗；

第三，本发明提出了一种负反馈结构，拓展了共源结构的带宽；

第四，本发明提出了一种交错调谐技术，使用电感与寄生电容谐振在不同频点，缓解第二电感导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配。

附图说明

图1是本发明的一种超低功耗超宽带低噪声放大器的电路结构示意图；

图2是本发明的单共源放大器的偏置电压扫描结果；

图3是本发明的单共源放大器的电源电压扫描结果；

图4是本发明的一种降噪架构；

图5是本发明的一种降噪架构的测试结果；

图6是本发明的一种超低功耗超宽带低噪声放大器的增益的仿真结果；

图7是本发明的一种超低功耗超宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。

附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供的超低功耗超宽带低噪声放大器包括依次连接的输入级放大器100输出级放大器200。

本发明由两级放大器构成，输入级放大器与输出级放大器均采用共源结构。输入级放大器100和输出级放大器200使用单层MOS架构。针对单级共源放大器，使用功耗优化技术，对其选择偏置电压和电源电压，如图2、3所示，由于降噪技术的优化，对于电源电压可以选择较低值，提高了功率增益效率，降低了本发明的功耗。

本发明的输入级放大器100为共源结构。使用MOS负反馈，拓展共源级的带宽，并且达到比电阻反馈更小的噪声。使用降噪结构，降低噪声。其中输入阻抗匹配由第一电容101，第一电感102和第二电感103组成，与50欧姆的单端天线相匹配，完成增益和噪声的折衷选择。MOS反馈共源结构由第一晶体管104、第二晶体管105和第三晶体管106组成，第一晶体管104采用共源结构，共源晶体管具有噪声系数低和增益效率高等优点；第二晶体管105为反馈结构，拓展共源级的带宽，并且提供比电阻负反馈更低的噪声系数；第三晶体管106为降噪结构，用来降低噪声系数。级间匹配网络由第三电感107和第二电容108组成，实现第一级放大器与第二级放大器的级联匹配，提高增益。

本发明的输出级放大器200为共源结构。使用MOS负反馈，拓展共源级的带宽，并且达到比电阻反馈更小的噪声。使用降噪结构，降低噪声。其中谐振电感第四电感201位于反馈环路内，提高了输出级放大器的跨导和有效跨导带宽。

MOS反馈共源结构由第四晶体管202、第五晶体管203和第六晶体管204组成，第四晶体管202采用共源结构，共源晶体管具有噪声系数低和增益效率高等优点；

第五晶体管203为反馈结构，拓展共源级的带宽，并且提供比电阻负反馈更低的噪声系数；第六晶体管204为降噪结构，用来降低噪声系数。输出匹配网络由第五电感205和第三电容206组成，保证输出功率最大，达到尽可能大的增益。

本发明的交错调谐技术所用由第一电感102、第三电感107和第四电感201组成，第一电感102与第一晶体管104栅极等效电容谐振在高频处，第三电感107和第四电感201分别与第一晶体管104漏极等效电容和第四晶体管202栅极等效电容在低频处谐振，缓解第二电感（103）导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配。

图4给出了降噪结构的具体实施方式。由MOS管M2连接于放大管M1的源极和衬底之间，当MOS管栅极电压达到阈值电压时降噪水平最优，但与栅极接地区别较小，为优化电路设计，使其栅极接地。

如图5所示，其中标注均指源极和衬底之间连接模块，对比于传统的源极和衬底之间连接电阻的降噪结构，降噪水平有了良好的提升。

本发明的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，工作频段为5-9GHz。需要说明的是，实施例的工作频段仅作为示例，不作为具体工作频率的限制，实际设计中，本发明可适用于不同频段。

本发明的一种超低功耗超宽带低噪声放大器涉及的应用领域包括：室内定位技术、多功能天线、物联网等。本发明提出了一种单层MOS架构，在维持低噪声放大器增益、噪声等射频性能的基础上，有效降低了直流功耗；本发明提出了一种降噪结构，降低了噪声，并且进一步优化了直流功耗；

本发明提出了一种交错调谐技术，使用电感与寄生电容谐振在不同频点，缓解第二电感导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配；本发明提出了一种负反馈结构，拓展了共源结构的带宽。基于上述提出的技术，本发明最终实现了超低功耗、低噪声系数、宽频带的低噪声放大器。

超低功耗超宽带低噪声放大器的电源电压为0.2V，消耗的功率为0.56mW。

图6是超低功耗超宽带低噪声放大器的增益的仿真结果。该低噪声放大器在5GHz取得最大增益14.6dB。3dB覆盖5-9GHz。

图7是超低功耗超宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果。该低噪声放大器在7.5GHz取得最低的噪声系数2.59dB,并且在5-9GHz的噪声系数小于3dB。

Claims (6)

1.一种超低功耗超宽带低噪声放大器，包括依次连接的输入级放大器（100）和输出级放大器（200），其特征在于，输入级放大器（100）包括由第一电容（101）、第一电感（102）和第二电感（103）组成的输入匹配网络，第一晶体管（104）、第二晶体管（105）和第三晶体管（106）组成的MOS反馈共源结构，以及第三电感（107）和第二电容（108）组成的级间匹配网络；输出级放大器（200）包括第四电感（201），第四晶体管（202）、第五晶体管（203）和第六晶体管（204）组成的MOS反馈共源结构，以及第五电感（205）和第三电容（206）组成的输出匹配网络；输入级放大器（100）和输出级放大器（200）为单层MOS管架构。

2.根据权利要求1所述的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入级放大器（100）中第一晶体管（104）采用共源结构；所述第二晶体管（105）源极与第一晶体管（104）栅极相连接，第二晶体管（105）的漏极与第一晶体管（104）的漏极相连接，其栅极电压为单独偏置电压；第三晶体管（106）源极与第一晶体管（104）的衬底相连接，第三晶体管（106）的漏极与第一晶体管（104）的源极相连接，其栅极与地相连接；第一电容（101）的一端与输入端相连接，第一电容（101）的另一端与第一电感（102）的一端相连接；第一电感（102）的另一端与第一晶体管（104）的栅极相连接；第二电感（103）的一端与第一晶体管（104）的源极相连接，第二电感（103）的另一端与地相连接；第三电感（107）的一端与第一晶体管（104）的漏极相连接，第三电感（107）的另一端与电源电压相连接；第二电容（108）的一端与第一晶体管（104）的漏极相连接，第二电容（108）的另一端与第四电感（201）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输出级放大器（200）中第四晶体管（202）采用共源结构；所述第五晶体管（203）源极与第二电容（108）相连接，第五晶体管（203）的漏极与第四晶体管的（202）的漏极相连接，其栅极电压为单独偏置电压；第六晶体管（204）源极与第四晶体管（202）的衬底相连接，第六晶体管（204）的漏极与第四晶体管（202）的源极相连接，其栅极与地相连接；第四电感（201）一端与第二电容（108）相连接，第四电感（201）的另一端与第四晶体管（202）的栅极相连接；第五电感（205）一端与第四晶体管（202）的漏极相连接，第五电感（205）的另一端与电源电压相连接；第三电容（206）的一端与第四晶体管（202）的漏极相连接，第三电容（206）的另一端与输出端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一电感（102）、第三电感（107）和第四电感（201）组成交错调谐技术，缓解第二电感（103）导致的高频增益下降，获得宽带平坦增益和宽带匹配。

5.根据权利要求1所述的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二晶体管（105）、第三晶体管（106）、第五晶体管（203）和第六晶体管（204）的衬底接地。

6.根据权利要求1所述的一种超低功耗超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三晶体管（106）和第六晶体管（204）的栅极接地。

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