CN116865691A - 具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，包括输入匹配级电路、增益放大级电路、第一级可调负载网络、第二级可调并联峰化负载网络以及输出缓冲级电路；信号从输入匹配级电路流入、经并联反馈网络拓展带宽、经第一级可调负载网络流入增益放大级、经增益放大级电路的进一步放大、经第二级可调并联峰化负载后到达输出缓冲级输出。本发明超宽带低噪声放大器采用的带宽可重构技术通过在负载端引入开关控制低频阻抗谐振点与增益极点实现频带切换，减小了芯片面积，控制了成本，实现了宽带与宽带之间的频率切换，保证了不同频带内的增益平坦度性能，减少了开关的插损对电路整体的噪声贡献。

Description

具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器。
背景技术
为了应对日益多样化的通信标准和通信要求，人们需要收发机能够兼容多频段工作，超宽带(Ultra Wide Band，UWB)接收机覆盖的3.1～10.6GHz频段因其单个信道500MHz的传输带宽以及非正弦窄脉冲波的数据传输方式使其广泛应用于车轨、消费电子等领域，由于5～6GHz频带范围内存在大量窄带干扰信号，将UWB的工作频带分为3.1～5GHz、6～10.6GHz两个边带，由于工作的带宽不同，所设计的电路需要在不同频段之间来回切换。
就多频段低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)而言，根据频率选择电路使低噪声放大器工作在不同的频带，常见的实现方式是通过设置可调谐网络在一定带宽内连续或离散地进行调谐，即在电路的输入/输出级中改变一个或多个元件重新配置输入/输出阻抗实现频率可调，该类设计需要更多的无源器件进行切换，导致更高的功率消耗，增加噪声并增大芯片面积，这种方式实现的频率可调集中在窄带与窄带的切换。综上所述，如何实现宽带与宽带的频率切换、保证在不同UWB带宽内的增益和噪声性能以及在前级匹配网络中引入开关噪声恶化过大的问题，是目前亟待研究和优化的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，解决了现有技术中如何实现宽带与宽带的频率切换、保证在不同UWB带宽内的增益和噪声性能以及在前级匹配网络中引入开关噪声恶化较大的问题。
本发明所采用的技术方案是：
具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，包括输入匹配级电路、增益放大级电路、第一级可调负载网络、第二级可调并联峰化负载网络以及输出缓冲级电路，其中：
输入匹配级电路包括电感Lg和电感Ls、电容Cf和电容Cgs1、并联反馈电阻Rf以及N型MOS管M1；增益放大级电路包括级间电感L3、N型MOS管M2、N型MOS管M3以及电容C2；第一级可调负载网络包括电感L1、电感L2、电容C1以及开关S1；第二级可调并联峰化负载网络包括电感L4、电感L5、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关S2、开关S3、开关S4以及开关S5；输出缓冲级电路包括N型MOS管M4、N型MOS管M5以及电容Cout。
本发明的特点还在于：
信号从输入匹配级电路流入、经并联反馈网络拓展带宽、再经第一级可调负载网络流入增益放大级电路，信号再通过增益放大级电路的进一步放大、经第二级可调并联峰化负载网络到达输出缓冲级电路后输出。
输入匹配级电路的一端连接电路总输入端的隔直电容Cin、另一端连接第一级可调负载网络，N型MOS管M1的栅极依次连接电感Lg和直流耦合电阻Rb1，直流耦合电阻Rb1在远离电感Lg的一端连接直流偏置VB1，电感Ls与M1的源极相连，Ls的另一端接地，电容Cgs1并联在M1的栅源端，电阻Rf与电容Cf串联后并联在M1的栅漏极。
第一级可调负载网络连接在M1的漏极，L1与L2串联，L1的另一端与VDD相连，L2的另一端与M1漏极相连，电容C1并联在M1的漏极，电容C1的另一端与增益放大级电路相连，开关S1并联在电感L2的两端。
在全频带3-10GHz与下边带3-5GHz工作模式时，S1断开；在上边带6-10GHz工作模式时，S1导通。
在增益放大级电路中，电感L3与直流耦合电阻Rb2与M2的栅极相连，L3的另一端接电容C1，Rb2的另一端接直流偏置VB2，M2源极接地，漏极与M3源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M3的栅极接直流偏置VDD，电容C2并联在M2栅极用作去耦电容，C2的另一端接地。
在第二级可调并联峰化负载中，R1、R2和R3串联，R1的另一端与VDD相连，R3的另一端与L4相连，S2和S3分别并联在R2和R3的两端，L4和L5串联，L5的另一端与M2的漏极相连，S4和S5分别并联在L4和L5的两端，电容C3并联在M3的漏极，电容C3的另一端与输出缓冲级电路相连。
在全频带3-10GHz工作模式时，S2、S4、S5断开，S3导通；在上边带6-10GHz工作模式时，S5断开，S2、S3、S4导通；在下边带3-5GHz工作模式时，S4、S5断开，S2、S3导通。
在输出缓冲级电路中，N型MOS管M4的栅极与电阻Rb3的一端相连，Rb3的另一端连接N型MOS管M4的漏极和VDD，N型MOS管M4的源极与N型MOS管M5的漏极相连组成源极跟随器，N型MOS管M5的栅极连接直流偏压VB3，N型MOS管M5的源极接地，电容Cout与N型MOS管M4的源极相连，电容Cout的另一端输出。
本发明的有益效果是，本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，采用的带宽可重构技术通过在负载端引入开关控制低频阻抗谐振点与增益极点实现频带切换，LNA的三种工作模式共用有源MOS器件及部分阻容件，减小了芯片面积，节省成本；本发明解决了现有技术中如何实现宽带与宽带的频率切换、保证在不同UWB带宽内的增益和噪声性能以及在前级匹配网络中引入开关噪声恶化过大的问题，本发明采用的第二级可调并联峰化负载兼顾全频带与下边带的输出阻抗在较宽频率范围内处于相对稳定的值，保证了不同频带内的增益平坦度性能；采用了置于电路负载级的PMOS管作开关使用，减少了开关的插损对电路整体的噪声贡献，使得本发明具有一定的适用性和实用意义。
附图说明
图1是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器的电路示意图；
图2是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中输入匹配级的小信号等效电路示意图；
图3是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中对全频带模式下的阻抗匹配、增益和噪声的仿真结果示意图；
图4是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中对上边带模式下的阻抗匹配、增益和噪声的仿真结果示意图；
图5是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中对下边带模式下的阻抗匹配、增益和噪声的仿真结果示意图；
图6是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中在全频带工作模式下引入理想开关与实际MOS开关噪声系数的仿真结果示意图；
图7是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中在上边带工作模式下引入理想开关与实际MOS开关噪声系数的仿真结果示意图；
图8是本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器中在下边带工作模式下引入理想开关与实际MOS开关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具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器进行详细说明。
本发明提供了一种具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，包括输入匹配级电路、增益放大级电路、第一级可调负载网络、第二级可调并联峰化负载以及输出缓冲级，其中；
输入匹配级电路包括电感Lg和Ls，电容Cf和Cgs1，并联反馈电阻Rf和N型MOS管M1；增益放大级电路包括级间电感L3，N型MOS管M2、M3，与电容C2；第一级可调负载网络包括电感L1、L2，电容C1和开关S1；第二级可调并联峰化负载包括电感L4、L5，电容C3，电阻R1、R2、R3和开关S2、S3、S4、S5；输出缓冲级电路包括N型MOS管M4、M5，电容Cout。
实施例1；
在匹配电路中，电路的一端连接电路总输入端的隔直电容Cin，另一端连接第一级可调负载网络，M1的栅极与直流耦合电阻Rb1和电感Lg相连，Rb1的另一端接直流偏置VB1，Lg的另一端接Rb1，电感Ls与M1的源极相连，Ls的另一端接地，电容Cgs1并联在M1的栅源端，电阻Rf与电容Cf串联后，并联在M1的栅漏极。在增益放大级电路中，电感L3与直流耦合电阻Rb2与M2的栅极相连，L3的另一端接输入匹配级的输出，Rb2的另一端接直流偏置VB2，M2源极接地，漏极与M3源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M3的栅极接直流偏置VDD，电容C2并联在M2栅极用作去耦电容，C2的另一端接地。第一级可调负载网络连接在M1的漏极，由电感L1、L2，电容C1和开关S1组成，L1与L2串联，L1的另一端与VDD相连，L2的另一端与M1漏极相连，电容C1并联在M1的漏极，另一端与增益放大级相连，开关S1并联在电感L2的两端，全频带(3-10GHz)与下边带(3-5GHz)工作模式时，S1断开；上边带(6-10GHz)工作模式时，S1导通。
第二级可调并联峰化负载由电感L4、L5，电容C1，电阻R1、R2、R3和开关S2、S3、S4、S5串并联组成，R1、R2和R3串联，R1的另一端与VDD相连，R3的另一端与L4相连，S2、S3分别并联在R2、R3的两端，L4、L5串联，L5的另一端与M2的漏极相连，S4、S5分别并联在L4、L5的两端，电容C3并联在M3的漏极，另一端与输出缓冲级相连。全频带(3-10GHz)工作模式时，S2、S4、S5断开，S3导通；上边带(6-10GHz)工作模式时，S5断开，S2、S3、S4导通；下边带(3-5GHz)工作模式时，S4、S5断开，S2、S3导通。
输出缓冲级电路中，M4的栅极与电阻Rb3相连，Rb3的另一端和M4的漏极皆与VDD相连，源极与M5的漏极相连组成源极跟随器，M5的栅极接直流偏压VB3，源极接地，电容Cout与M4源极相连，另一端接电路的输出端。
实施例2；
本发明提出的带宽可重构超宽带LNA电路结构采用级联网络实现，其中输入匹配级保证三种UWB带内的阻抗匹配，增益放大级在提供高频段增益的同时，兼顾优化低中频带内的增益性能，输出缓冲级实现输出阻抗匹配；第一级可调负载网络提供低频增益极点ωp1，第二级可调并联峰化负载提供高频增益极点ωp2，通过开关S1调整ωp1的位置实现全频带与上边带的频率可调，通过开关S2、S3、S4、S5调整并联峰化负载的阻抗稳定范围保证不同工作模式下的带内增益平坦度。
实施例3；
本发明提供了具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器。在带宽可重构方面，通过开关S1实现阻抗匹配与增益曲线的切换，当S1断开，第一级可调负载网络的感值为5.5nH；S1导通，感值为1nH。输入匹配级实现不同带内的输入阻抗匹配，其中低频的阻抗匹配由并联反馈网络决定，其表达式为可推得低频阻抗匹配谐振点为/>当LL1为5.5nH时，fo1处于3.8GHz处；当LL1为1nH时，fo1处于6.2GHz处，分别对应全频带、下边带与上边带的阻抗匹配。信号经输入匹配级放大后在第一级可调负载网络产生的增益/>可推得低频阻抗匹配谐振点为/>当LL1为5.5nH时，ωp1靠近3GHz处；当LL1为1nH时，ωp1靠近6GHz处，可以看出开关S1同时兼顾了阻抗匹配网络与增益曲线的频率切换，无需引入更多的器件，减轻电路复杂度。
本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，通过如图1中的电阻并联反馈与源电感负反馈网络组成的匹配级电路可以实现超宽带内的阻抗匹配，根据图2可以推出输入匹配级电路的输入阻抗和与之对应的增益，通过第一级可调负载网络中开关S1对LL1的感值进行切换实现对低频阻抗谐振点和低频增益极点的控制实现全频带与上边带的频带切换，增益放大级采用共源共栅结构用来提高中高频的增益性能，第二级可调并联峰化负载可以保证在不同带宽内的增益平坦度性能。
如图3-5所示，分别是对全频带、上边带和下边带模式下的阻抗匹配、增益和噪声的仿真结果，当S1、S2、S4、S5断开，S3导通时，电路处于全频带(3-10GHz)工作状态，此时电路的增益表现为15.96-19.23dB；当S5断开，S1、S2、S3、S4导通时，电路处于上边带(6-10GHz)工作状态，此时电路的增益表现为16.33-17.3dB；当S1、S4、S5断开，S2、S3导通时，电路处于下边带(3-5GHz)工作状态，此时电路的增益表现为15.38-17.8dB。
如图6-8所示，本发明所引入开关的位置处于负载级而非现有技术中处于电路输入前端，最终得到开关插入后电路的噪声恶化仅0.2dB。
本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，采用的带宽可重构技术通过在负载端引入开关控制低频阻抗谐振点与增益极点实现频带切换，LNA的三种工作模式共用有源MOS器件及部分阻容件，减小了芯片面积，节省成本；采用的第二级可调并联峰化负载兼顾全频带与下边带的输出阻抗在较宽频率范围内处于相对稳定的值，保证了不同频带内的增益平坦度性能；采用了置于电路负载级的PMOS管作开关使用，减少了开关的插损对电路整体的噪声贡献，适用于不同UWB工作频带的射频前端。
本发明具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，在一定程度上实现了宽带与宽带之间的频率切换，开关的插损引入的噪声恶化仅0.2dB，保证了三种UWB工作带内的噪声与增益性能，LNA共用阻容件与有源MOS管，且还降低了研发成本，具有较好的实用性和适应性。

Claims (9)

1.具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入匹配级电路、增益放大级电路、第一级可调负载网络、第二级可调并联峰化负载网络以及输出缓冲级电路，其中：
所述输入匹配级电路包括电感Lg和电感Ls、电容Cf和电容Cgs1、并联反馈电阻Rf以及N型MOS管M1；所述增益放大级电路包括级间电感L3、N型MOS管M2、N型MOS管M3以及电容C2；所述第一级可调负载网络包括电感L1、电感L2、电容C1以及开关S1；所述第二级可调并联峰化负载网络包括电感L4、电感L5、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关S2、开关S3、开关S4以及开关S5；所述输出缓冲级电路包括N型MOS管M4、N型MOS管M5以及电容Cout。
2.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，信号从所述输入匹配级电路流入、经并联反馈网络拓展带宽、再经第一级可调负载网络流入增益放大级电路，信号再通过所述增益放大级电路的进一步放大、经第二级可调并联峰化负载网络到达输出缓冲级电路后输出。
3.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配级电路的一端连接电路总输入端的隔直电容Cin、另一端连接第一级可调负载网络，N型MOS管M1的栅极依次连接电感Lg和直流耦合电阻Rb1，直流耦合电阻Rb1在远离电感Lg的一端连接直流偏置VB1，电感Ls与M1的源极相连，Ls的另一端接地，电容Cgs1并联在M1的栅源端，电阻Rf与电容Cf串联后并联在M1的栅漏极。
4.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一级可调负载网络连接在M1的漏极，L1与L2串联，L1的另一端与VDD相连，L2的另一端与M1漏极相连，电容C1并联在M1的漏极，电容C1的另一端与增益放大级电路相连，开关S1并联在电感L2的两端。
5.根据权利要求4所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，在全频带3-10GHz与下边带3-5GHz工作模式时，S1断开；在上边带6-10GHz工作模式时，S1导通。
6.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，在增益放大级电路中，电感L3与直流耦合电阻Rb2与M2的栅极相连，L3的另一端接电容C1，Rb2的另一端接直流偏置VB2，M2源极接地，漏极与M3源极相连，两个MOS管构成了共源共栅结构，M3的栅极接直流偏置VDD，电容C2并联在M2栅极用作去耦电容，C2的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，在所述第二级可调并联峰化负载中，R1、R2和R3串联，R1的另一端与VDD相连，R3的另一端与L4相连，S2和S3分别并联在R2和R3的两端，L4和L5串联，L5的另一端与M2的漏极相连，S4和S5分别并联在L4和L5的两端，电容C3并联在M3的漏极，电容C3的另一端与输出缓冲级电路相连。
8.根据权利要求7所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，在全频带3-10GHz工作模式时，S2、S4、S5断开，S3导通；在上边带6-10GHz工作模式时，S5断开，S2、S3、S4导通；在下边带3-5GHz工作模式时，S4、S5断开，S2、S3导通。
9.根据权利要求1所述的具有带宽可重构技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，在输出缓冲级电路中，N型MOS管M4的栅极与电阻Rb3的一端相连，Rb3的另一端连接N型MOS管M4的漏极和VDD，N型MOS管M4的源极与N型MOS管M5的漏极相连组成源极跟随器，N型MOS管M5的栅极连接直流偏压VB3，N型MOS管M5的源极接地，电容Cout与N型MOS管M4的源极相连，电容Cout的另一端输出。
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