CN116169962A - 一种低噪声放大器和射频装置 - Google Patents

一种低噪声放大器和射频装置 Download PDF

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CN116169962A CN202310198219.6A CN202310198219A CN116169962A CN 116169962 A CN116169962 A CN 116169962A CN 202310198219 A CN202310198219 A CN 202310198219A CN 116169962 A CN116169962 A CN 116169962A
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王永凯
李艳辉
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Beijing Eswin Computing Technology Co Ltd
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Abstract

本公开提供一种低噪声放大器和射频装置，所述低噪声放大器包括：N个低噪声放大单元和巴伦，所述N个低噪声放大单元与N个工作频段一一对应，所述N为大于1的整数；其中：所述N个低噪声放大单元中的任一低噪声放大单元被配置为，将相应工作频段的射频信号转换为电信号，并对所述电信号进行放大；所述巴伦，包括N个第一输入端，所述N个第一输入端与所述N个低噪声放大单元的输出端一一对应，所述巴伦被配置为：将所述N个低噪声放大单元中的第一低噪声放大单元输出的电信号转换为差分输出信号，所述第一低噪声放大单元为所述N个低噪声放大单元中的任意一个。

Description

一种低噪声放大器和射频装置
技术领域
本公开涉及集成电路技术领域，具体涉及一种低噪声放大器和射频装置。
背景技术
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)处于射频接收前端，在接收机中处于较为关键的位置，它的性能将直接影响整个接收机的性能。低噪声放大器将天线接收过来的有用信号放大提供一定增益的同时，也需要尽可能的抑制噪声，避免接收到的微弱信号中的有用信号淹没在噪声中。
在较宽频率范围内设计低噪声放大器，有两种方式，一种是使用单个的低噪声放大器，选择合适的低噪声放大器结构，将该低噪声放大器适应到所需的频率范围内，该方式面积小，易集成，但是往往难以同时获得较宽频带内的所有频率点的增益、噪声以及匹配均达到较优值。另一种实现方案是利用多个具有较窄频段的低噪声放大单元，将多个低噪声放大单元进行组合，每个低噪声放大单元都可以匹配到特定频段以实现较好的性能，它的设计难度小，较为直观，但是往往占用较大的芯片面积。
发明内容
本公开提供一种低噪声放大器，包括N个低噪声放大单元和巴伦，所述N个低噪声放大单元与N个工作频段一一对应，所述N为大于1的整数；其中：所述N个低噪声放大单元中的任一低噪声放大单元被配置为，将相应工作频段的射频信号转换为电信号，并对所述电信号进行放大；
所述巴伦，包括N个第一输入端，所述N个第一输入端与所述N个低噪声放大单元的输出端一一对应，所述巴伦被配置为：将所述N个低噪声放大单元中的第一低噪声放大单元输出的电信号转换为差分输出信号，所述第一低噪声放大单元为所述N个低噪声放大单元中的任意一个。
在一些实施例中，所述低噪声放大器还包括：
N个第一开关，所述N个第一开关与所述N个低噪声放大单元一一对应，且所述N个第一开关与所述巴伦的所述N个第一输入端一一对应，所述N个第一开关分别连接在所述N个低噪声放大单元和所述巴伦的所述N个第一输入端之间；当所述第一开关闭合时，与所述第一开关对应的低噪声放大单元和巴伦的第一输入端之间导通，当所述第一开关断开时，与所述第一开关对应的低噪声放大单元和巴伦的第一输入端之间断开。
在一些实施例中，所述巴伦包括：相耦合的主级线圈和次级线圈；
所述N个第一输入端位于所述主级线圈上，所述N个第一输入端位于所述主级线圈的不同匝上；所述巴伦的输出端位于所述次级线圈上。
在一些实施例中，所述巴伦还包括第二输入端，所述第二输入端与第一电源端连接，所述第二输入端和所述第一输入端位于所述主级线圈的不同匝上。
在一些实施例中，所述低噪声放大单元包括：输入匹配网络、放大模块和调节模块；其中，
所述输入匹配网络，被配置为选择相应工作频段的射频信号，并将其提供给所述放大模块；
所述调节模块，被配置为与所述输入匹配网络进行阻抗匹配；
所述放大模块，被配置为对所述输入匹配网络输出的射频信号转换为电信号，并对其进行放大。
在一些实施例中，所述放大模块包括：第一晶体管、第二晶体管和电阻；其中，
所述第一晶体管的栅极连接第一偏置电压端，所述第一晶体管的第一极连接所述低噪声放大单元的输出端，所述第一晶体管的第二极连接所述第二晶体管的第一极；所述第二晶体管的栅极连接所述输入匹配网络，所述第二晶体管的第二极连接所述调节模块；
所述电阻的两端分别连接所述第二晶体管的栅极以及第二偏置电压端。
在一些实施例中，所述调节模块包括：可调电容、可调电感和M个第二开关；其中，
所述可调电容的第一端与所述第二晶体管的栅极，第二端连接所述第二晶体管的第二极；
所述可调电感具有第一抽头和M个第二抽头，所述第一抽头接地；所述M个第二抽头与所述M个第二开关的第一端一一对应连接，所述M个第二开关的第二端连接所述可调电容的第二端。
在一些实施例中，所述M个第二抽头位于所述可调电感的不同线圈上，所述M个第二抽头和所述第一抽头位于所述可调电感的不同线圈上。
在一些实施例中，所述低噪声放大器还包括：N个负载电容，所述N个负载电容与所述N个低噪声放大单元一一对应，每个所述负载电容连接在相应的所述低噪声放大单元的输出端和第二电源端之间。
本公开还提供一种射频装置，包括以上实施例中所述的低噪声放大器。
本公开提供的低噪声放大器，包括N个低噪声放大单元。在本公开实施例中，不同的低噪声放大单元分别工作在不同的频段，且N个低噪声放大单元的多路输出共同连接一个巴伦，通过这种设置方式，可以减小低噪声放大器的占用面积。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本公开实施例中提供的一种低噪声放大器的电路图。
图2为本公开实施例中提供的一种巴伦的平面示意图。
图3为本公开实施例中提供的另一种低噪声放大器的电路图。
图4为本公开实施例中提供的可调电感的平面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本说明书中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了使于描述本说明书和简化描述，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公开的限制。构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在说明书中说明的词句，根据情况可以适当地更换。除非另作定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
低噪声放大器的电路是用于放大微弱信号的电子放大电路，通常在射频接收机前端用于放大由诸如天线的检测装置捕获的微弱信号，同时引入较小的噪声功率，以保证射频接收机的整体优良性能。
随着无线通信技术朝向多频段、多标准、多模式发展，要求低噪声放大器电路不仅能够实现对无线信号的接收、放大等功能，而且能够覆盖N个通信频段，兼容不同的通信标准。这就要求低噪声放大器电路在宽频带范围内满足50欧姆输入阻抗匹配，否则将造成信号处理性能劣化。
本公开实施例提供一种低噪声放大器，该低噪声放大器可以用于诸如射频接收机等射频装置中。
图1为本公开实施例中提供的一种低噪声放大器的电路图，如图1所示，本公开实施例提供的低噪声放大器1中包括N个低噪声放大单元(例如，第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102、第三低噪声放大单元103)，每个低噪声放大单元也可以称为低噪声放大器，N为大于1的整数。以下实施例中，N的值以3为例，对本公开实施例提供的低噪声放大器1进行介绍，可以理解的是，所述方案能够扩展应用到N为其他值的实施例中。
其中，N个低噪声放大单元与N个工作频段一一对应，且N为大于1的整数。N个低噪声放大单元中的任一低噪声放大单元被配置为，将相应工作频段的射频信号转换为电信号，并对电信号进行放大。不同的低噪声放大单元的工作频段不同。
另外，低噪声放大器1还包括巴伦2，巴伦2包括N个第一输入端，其中，N个第一输入端与N个低噪声放大单元的输出端一一对应，巴伦2被配置为将N个低噪声放大单元中的第一低噪声放大单元输出的电信号转换为差分输出信号，且第一低噪声放大单元为N个低噪声放大单元中的任意一个。
本公开实施例提供的低噪声放大器1，包括N个低噪声放大单元，且不同的低噪声放大单元分别工作在不同的频段。N个低噪声放大单元的三路输出共同连接一个巴伦2，从而可以减小芯片面积。
需要说明的是，虽然N个低噪声放大单元连接了同一个巴伦2，但是由于不同的低噪声放大单元的工作频段不同，因此，当低噪声放大器1接收到某一频率的信号时，N个低噪声放大单元中的任意一个低噪声放大单元搭配巴伦2进行工作，其他低噪声放大单元并不工作。
图2为本公开实施例中提供的一种巴伦的平面示意图，在一些实施例中，如图1和图2所示，巴伦2包括：相耦合的主级线圈201和次级线圈202。其中，N个第一输入端位于主级线圈201上，N个第一输入端位于主级线圈201的不同匝上，巴伦2的输出端位于次级线圈上202。可以理解的是，主级线圈201的不同匝与主级线圈201中心之间的距离是不同的。
在一些实施例中，巴伦2还包括第二输入端，第二输入端与第一电源端Vc连接，第二输入端和第一输入端位于主级线圈201的不同匝上。
如图1所示，三路可工作在不同频段的低噪声放大单元的输出端共同连接一个巴伦2。如图2所示，浅灰色的线圈示意为巴伦2的主级线圈201，深灰色示意为巴伦2的次级线圈202。其中，在主级线圈201中，最内圈上的第二输入端连接第一电源端Vc，沿逆时针方向，主极线圈201上依次设置第一输入端2011、2012、2013。其中，第一输入端2011、2012、2013位于主级线圈201的不同匝上，因此，第一输入端2011、2012、2013与第二输入端之间的电感值依次增大，从而使得巴伦2的次级线圈202上的两个输出端out1和out2输出相应的差分信号。
如图2所示，主级线圈201和次级线圈202的每一匝可以为多边形结构，当然，也可以为其他形状，例如圆形。
在一些实施例中，低噪声放大单元包括：输入匹配网络1011、放大模块1013和调节模块1012。其中，输入匹配网络1011被配置为选择相应频段的射频信号，并将其提供给放大模块1013。调节模块1012被配置为与输入匹配网络1011进行阻抗匹配。放大模块1013被配置为将输入匹配网络1011输出的射频信号转换为电信号，并对其进行放大。
放大模块1013作为低噪声放大器1的增益调节结构。在接收机中，低噪声放大器1必须向下一级电路(混频器)输出适当的电信号。当电信号过小时，混频器无法检测；当信号过大又会对混频器造成过载，使电路线性度恶化。而低噪声放大器1从天线接收到的信号是一个动态范围很大的信号，因此，放大模块1013作为低噪声放大器1的增益调节可控中起到十分重要的作用。
在本公开实施例中，如图1所示，放大模块1013包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2和电阻R。其中，第一晶体管M1的栅极连接第一偏置电压端Vb，第一晶体管M1的第一极连接低噪声放大单元的输出端，第一晶体管M1的第二极连接第二晶体管M2的第一极。第二晶体管M2的栅极连接输入匹配网络1011，第二晶体管M2的第二极连接调节模块1012。电阻R的两端分别连接第一晶体管M2的栅极以及第二偏置电压端Va。
本公开实施例中的第一晶体管M1和第二晶体管M2可分别独立选自多晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管、氧化物薄膜晶体管以及有机薄膜晶体管中的一种。在本公开中涉及到的“第一极”具体是指第一晶体管M1或者第二晶体管M2的源极，相应的“第二极”具体是指第一晶体管M1或第二晶体管M2的漏极。当然，本领域的技术人员应该知晓的是，该“第一极”与“第二极”可进行互换。
如图1所示，在本公开实施例中，调节模块1012包括：可调电容Cg、可调电感L1和M个第二开关K2。M为大于1的整数。
其中，可调电容Cg的第一端与第一晶体管M2的栅极，第二端连接第一晶体管M2的第二极。
在一些实施例中，可调电容Cg可以采用电容阵列的结构，其中，电容阵列包括多个电容单元，通过将不同数量的电容单元接入电路中，来调节可调电容Cg的整体电容值。
可调电感L1具有第一抽头P1和M个第二抽头P2，第一抽头P1接地，M个第二抽头P2与M个第二开关K2的第一端一一对应连接，M个第二开关K2的第二端连接可调电容Cg的第二端。
通过控制M个第二开关K2中的任意一个第二开关K2的通断，可以控制连接在第二晶体管M2的第二极与地之间的电感值。
第二开关K2可以为晶体管，晶体管的第一极和第二极分别作为第二开关K2的两端，通过为晶体管的栅极提供控制信号，来控制晶体管的第一极与第二极之间的通断。当然，第二开关K2也可以采用其他结构。
需要说明的是，在本公开实施例中，低噪声放大器1中包括N个低噪声放大单元，且N个低噪声放大单元中的可调电容Cg和可调电感L1均具有不同的调节范围。
例如，如图1所示，低噪声放大器1包括：第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103。其中，第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103的工作频段互不相同，此时，第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103中的可调电容Cg中的电容阵列中包括电容单元的个数互不相同，从而使第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103中的可调电容Cg能够达到的最大值互不相同。
同理，第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103中的可调电感L1中的主级线圈201和次级线圈202的匝数互不相同，从而使第一低噪声放大单元101、第二低噪声放大单元102，以及第三低噪声放大单元103中的可调电感L1所能达到的最大值也互不相同。
在本公开实施例中，在低噪声放大器1中加入了可优化匹配的可调电感L1与可调电容Cg。通过调节可调电容Cg和可调电感L1的值，对低噪声放大器1的输入阻抗(其中，该输入阻抗是指，输入匹配网络1011、可调单元1012，以及放大单元1013的整体阻抗)进行调节，获得在特定频段下的射频信号。并通过调节使得输入阻抗始终保持在50欧姆，进而减小射频信号在低噪声放大电路中进行传输的过程中信号发生反射的程度，从而使射频信号不会发生失真。
在一些实施例中，低噪声放大器1还包括：N个负载电容，N个负载电容与N个低噪声放大单元一一对应，每个负载电容连接在相应的低噪声放大单元的输出端和第二电源端之间。例如，图3中的低噪声放大器1包括负载电容1014、1024以及1034，其中，负载电容1014连接在第二电源端Vb1和低噪声放大单元101的输出端之间，负载电容1024连接在第二电源端Vb2和低噪声放大单元102的输出端之间，负载电容1034连接在第二电源端Vb3和低噪声放大单元103的输出端之间。
其中，N个负载电容中的任意一个负载电容与主级线圈201构成LC并联谐振负载，其中，LC并联谐振的带宽较窄，可以使相应的低噪声放大单元进行选频，且电感上的电流压降很小。
图3为本公开实施例中提供的另一种低噪声放大器的电路图，如图1和图3所示，在本公开实施例中，由于不同通道的低噪声放大单元的工作频率不同，采用调节模块1012将输入阻抗调节到50欧姆的同时，通常需要对应不同感值的巴伦2以及相对应的负载电容(1014或1024或1034)调谐到该频率上，从而减小巴伦2在芯片中的占用面积比例，并实现平坦的增益输出。
另外，由于在不同频段的低噪声放大单元独立的进行工作，因此，当某一个频段的低噪声放大单元在特定频段下工作时，没有接入电路且不进行工作的部分巴伦2无法对接入电路并正在工作的部分巴伦2产生影响。同时，在低噪声放大器1中，不工作的低噪声放大单元及其对应的负载电容存在较大的寄生电容，从而影响正在工作的低噪声放大单元中的可调电容Cg的电容值。
因此，在本公开实施例中，低噪声放大器1还包括：N个第一开关K1，其中，N个第一开关K1与N个低噪声放大单元一一对应，且N个第一开关K1与巴伦2的N个第一输入端一一对应，N个第一开关分别连接在N个低噪声放大单元和巴伦的N个第一输入端之间。
当N个第一开关K1中的任意一个第一开关K1闭合时，与该第一开关K1对应的低噪声放大单元和巴伦3的第一输入端之间导通，当该第一开关K1断开时，与该第一开关K1对应的低噪声放大单元和巴伦2的第一输入端之间断开。
其中，N个第一开关K1可以有效的避免电路中的寄生电容对低噪声放大电路输出信号的干扰，从而保证各个频段的调谐频率的准确性，进而保证输出增益的平坦度。
图4为本公开实施例中提供的可调电感的平面示意图，如图1和图4所示，在一些实施例中，可调电感L1具有第一抽头P1和M个第二抽头P2，且M个第二抽头P2中不同的第二抽头P2位于可调电感L1的不同线圈上，M个第二抽头P2和第一抽头P1位于可调电感L1的不同线圈上。
其中，第一抽头P1接地，M个第二抽头P2与M个第二开关K2的第一端一一对应连接，且M个第二开关K2的第二端连接可调电容Cg的第二端。
在一些实施例中，可调电感L1中的每个线圈可以为多边形结构，也可以为其他形状，例如圆形。
本公开还提供一种射频装置，包括以上实施例中的低噪声放大器1。
在另一些实施例中，该射频装置还包括混频器模块、过滤/增益模块、模数转换模块(ADC，Ana log-to-Digital Converter)以及数字接收处理模块。
需要说明的是，射频装置可以为射频接收机。当然，这里的射频装置不限定是射频接收机，还可以为其它的射频通信装置。
本公开实施例提供了一种低噪声放大器1和射频装置。通过针对低噪声放大器1中N个不同的低噪声放大单元具有不同的通信频段，且N个不同的低噪声放大单元连接到巴伦2的不同线圈上，从而获得不同的两个差分信号输出，使得低噪声放大器1能够覆盖N个通信频段，兼容不同的通信标准。另外，通过将低噪声放大器1中的调节模块1012与放大模块1013相结合，可以实现输入射频信号无论为低频或者高频时，均能获得满足要求的输入阻抗匹配，从而得到超宽带低噪声放大器1结构。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括N个低噪声放大单元和巴伦，所述N个低噪声放大单元与N个工作频段一一对应，所述N为大于1的整数；其中：
所述N个低噪声放大单元中的任一低噪声放大单元被配置为，将相应工作频段的射频信号转换为电信号，并对所述电信号进行放大；
所述巴伦，包括N个第一输入端，所述N个第一输入端与所述N个低噪声放大单元的输出端一一对应，所述巴伦被配置为：将所述N个低噪声放大单元中的第一低噪声放大单元输出的电信号转换为差分输出信号，所述第一低噪声放大单元为所述N个低噪声放大单元中的任意一个。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，还包括：
N个第一开关，所述N个第一开关与所述N个低噪声放大单元一一对应，且所述N个第一开关与所述巴伦的所述N个第一输入端一一对应，所述N个第一开关分别连接在所述N个低噪声放大单元和所述巴伦的所述N个第一输入端之间；当所述第一开关闭合时，与所述第一开关对应的低噪声放大单元和巴伦的第一输入端之间导通，当所述第一开关断开时，与所述第一开关对应的低噪声放大单元和巴伦的第一输入端之间断开。
3.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述巴伦包括：相耦合的主级线圈和次级线圈；
所述N个第一输入端位于所述主级线圈上，所述N个第一输入端位于所述主级线圈的不同匝上；所述巴伦的输出端位于所述次级线圈上。
4.根据权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，所述巴伦还包括第二输入端，所述第二输入端与第一电源端连接，所述第二输入端和所述第一输入端位于所述主级线圈的不同匝上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大单元包括：输入匹配网络、放大模块和调节模块；其中，
所述输入匹配网络，被配置为选择相应工作频段的射频信号，并将其提供给所述放大模块；
所述调节模块，被配置为与所述输入匹配网络进行阻抗匹配；
所述放大模块，被配置为对所述输入匹配网络输出的射频信号转换为电信号，并对其进行放大。
6.根据权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大模块包括：第一晶体管、第二晶体管和电阻；其中，
所述第一晶体管的栅极连接第一偏置电压端，所述第一晶体管的第一极连接所述低噪声放大单元的输出端，所述第一晶体管的第二极连接所述第二晶体管的第一极；所述第二晶体管的栅极连接所述输入匹配网络，所述第二晶体管的第二极连接所述调节模块；
所述电阻的两端分别连接所述第二晶体管的栅极以及第二偏置电压端。
7.根据权利要求6所述的低噪声放大器，其特征在于，所述调节模块包括：可调电容、可调电感和M个第二开关；所述M为大于1的整数；其中，
所述可调电容的第一端与所述第二晶体管的栅极，第二端连接所述第二晶体管的第二极；
所述可调电感具有第一抽头和M个第二抽头，所述第一抽头接地；所述M个第二抽头与所述M个第二开关的第一端一一对应连接，所述M个第二开关的第二端连接所述可调电容的第二端。
8.根据权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述M个第二抽头位于所述可调电感的不同线圈上，所述M个第二抽头和所述第一抽头位于所述可调电感的不同线圈上。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器还包括：N个负载电容，所述N个负载电容与所述N个低噪声放大单元一一对应，每个所述负载电容连接在相应的所述低噪声放大单元的输出端和第二电源端之间。
10.一种射频装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的低噪声放大器。
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