CN117411441A - 一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及射频集成电路放大器电路领域，尤其涉及一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，包括依次级联的输入匹配网络、第一级放大模块、第一级间匹配网络、第二级放大模块、第二级间匹配网络以及输出匹配模块；通过第一级放大模块中的NMOS管M2和NMOS管M3构成的噪声抵消结构，配合电感L3、电容C2以及电容CS构成的电流复用结构，实现了低噪声、宽频带和低功耗性能。解决了现有超宽带低噪声放大器存在的带宽、增益、噪声系数和功耗等性能指标彼此之间相互制约，无法同时达到最优值的问题。

Description

一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及射频集成电路放大器电路领域，尤其涉及一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)是一种用于增加信号幅度的电路，广泛应用于无线通信、医疗设备、测量仪器、雷达、卫星通信等领域，其主要作用是提高信号质量、延长通信距离和提高接收系统的灵敏度，其性能制约着整个接收系统的性能，对整个接收系统的信号提高起决定性的作用。
随着超宽带通信(Ultra Wide Band,UWB)标准的应用，UWB接收机凭借着自身具有的宽频带、高效率和高抗干扰性等优势，被广泛应用于各类通信领域。作为射频收发系统关键模块之一的UWB低噪声放大器，其拥有的较宽接收频段能够提高整个系统的可用带宽，实现多个频段的信号接收。但在实际应用的，现有UWB低噪声放大器受限于电路结构设计的复杂等因素，导致带宽、增益、噪声系数和功耗这些重要性能指标彼此之间相互制约，无法同时达到最优的值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，以解决现有超宽带低噪声放大器存在的带宽、增益、噪声系数和功耗等性能指标彼此之间相互制约，无法同时达到最优的值,从而影响其综合性能的问题。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，包括依次级联的输入匹配网络、第一级放大模块、第一级间匹配网络、第二级放大模块、第二级间匹配网络以及输出匹配模块；
所述输入匹配网络、第一级间匹配网络、第二级间匹配网络、以及输出匹配模块用于实现阻抗匹配；其中输入匹配网络连接射频信号输入端，输出匹配模块与信号输出端相连；
第一级放大模块包括NMOS管M1、M2、和M3，电阻R1、R2，电感L2、L3、L4和L5，电容C2和电容CS；
其中，NMOS管M1采用共栅极接法构成共栅极放大器，其栅极经电阻R2接偏置电压VG1，源极连接输入匹配网络的输出端、NMOS管M2的栅极和电阻R1的一端，漏极连接电感L4的一端和NMOS管M3的栅极；NMOS管M2通过共源接法构成共源放大器，其源极连接电感L2的一端，漏极连接电感L3的一端和电容C2的一端；MOS管M3的源极与电感L3的另一端相连；漏极与电感L5的一端相连；电阻R1的另一端接地；电感L2的另一端接地；电感L4的另一端和电感L5的另一端均连接电源电压VDD；电容C2的另一端与NMOS管M2漏极与电感L3的共接点相连后，作为第一放大模块的输出与第一级间匹配网络的输入端；电容CS的一端连接在电感L3与NMOS管M3的源极之间，另一端接地。
进一步的，所述输入匹配网络包括电容C1和电感L1，所述电容C1的一端接输入信号，另一端连接电感L1的一端；电感L1的另一端作为输入匹配网络的输出端，连接NMOS管M1的源极、第二NMOS管M2的栅极和第一电阻R1的一端。
进一步的，所述第一级间匹配网络包括依次连接的电容C3和电感L6；电容C3的一端为第一级间匹配网络的输入端，连接第一级放大模块的输出端，另一端连接电感L6的一端，电感L6的另一端为第一级间匹配网络的输出端，连接第二级放大模块。
进一步的，所述第二级放大模块包括：NMOS管M4、M5，电阻R3、R4，电感L7、L8；
其中，NMOS管采用共源接法构成共源放大器，其栅极连接第一级间匹配网络的输出端和电阻R3的一端，源极接地，漏极连接NMOS管M5的源极；
NMOS管M5的栅极连接电感L7的一端，漏极与电阻R4的一端相连后构成第二级放大模块的输出端，与第二级间匹配网络的输入端相连；
电阻R3的另一端接偏置电压VG2；电阻R4的另一端经电感L8连接电源电压VDD；
电感L7的另一端接电源电压VDD。
进一步的，所述第二级间匹配网络由电容C4构成，电容C4的一端连接第二级放大模块，另一端连接输出匹配模块。
进一步的，所述输出匹配模块包括NMOS管M6、M7，电阻R5、R6，电容C5；
NMOS管M6的栅极与第二级间匹配网络的输出端和电阻R5的一端相连，源极与NMOS管M7的漏极相连后与电容C5的一端接相连，漏极接电源电压VDD；
NMOS管M7的栅极经电阻R6接偏置电压VG3，源极接地；
电阻R5的另一端接电源电压VDD；
电容C5的另一端作为输出匹配模块的输出端，用于输出放大后的信号。
进一步的，所述偏置电压VG1、VG2、VG3均为0.7V。
本发明提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，通过第一级放大模块中的NMOS管M2和NMOS管M3构成的噪声抵消结构，配合电感L3、电容C2以及电容CS构成的电流复用结构，实现了低噪声、宽频带和低功耗性能。解决了现有超宽带低噪声放大器存在的带宽、增益、噪声系数和功耗等性能指标彼此之间相互制约，无法同时达到最优值的问题。在此基础上，通过在第二级放大模块中，采用第四NMOS管M4和NMOS管M5两个晶体管构成的共源共栅级放大器，实现整体电路增益的进一步提升；在输出匹配模块中，NMOS管M6和NMOS管M7共同构成的源极跟随结构，实现不增加电路损耗的前提下，器件稳定性和线性度的提高放大器，减小了芯片面积。
与现有技术相比，本发明的基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器具备更优的综合性能。
附图说明
图1为实施例提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器的电路原理图。
图2为实施例提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器增益的仿真结果图。
图3为实施例提供种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器输入匹配性能的仿真结果图。
图4为实施例提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器输出匹配性能的仿真结果图。
图5为实施例提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器噪声系数的仿真结果图；
附图标记：
1、输入匹配网络，2、第一级放大模块，3、第一级间匹配网络，4第二级放大模块，5、第二级间匹配网络，6、输出匹配模块。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其结构参阅图1。在整个器件中，其噪声主要由NMOS管M1产生，NMOS管M1所产生的等效噪声电流分别经过节点A、B处，节点A、B处的阻抗会产生两个噪声电压，由于NMOS管M1采用共栅极接法构成共栅极放大器，第一级放大电路中，A、B两点的噪声电压相位相反，而同相放大信号所需的放大电压经节点B流入后，一部分经NMOS管M1放大输出到A点，A点和B点放大电压相位相同。可见，信号和噪声在A、B两点的相位相异，所以，能够通过选择NMOS管M2和NMOS管M3合适的跨导值，将噪声在后端抵消的同时，使得信号电压相加，实现信号增强并噪声消除。然后A点的放大电压经过NMOS管M3放大输出到C点；B点的另一部分放大电压经NMOS管M2放大输出到C点，两个放大电压在C点叠加后，其增益也可以得到提高。电感L3用于阻隔NMOS管M2和NMOS管M3直接的交流信号，电容C2则提供交流通道，旁路电容CS提供交流地，从而使整个噪声抵消级只有一条通路，实现了电流的复用，在实现低噪声的同时，降低了该放大器的功耗。
本实施例的第二级放大模块是由NMOS管M4和NMOS管M5共同构成共源共栅放大器实现。一方面，第一级放大模块的输出信号进入第二级放大模块中的NMOS管M4的栅极上，利用NMOS管M4和NMOS管M5共同构成共源共栅放大器，实现整体电路增益的提高。另一方面，利用共源共栅级放大器的高输出阻抗特性，实现良好的输出匹配，进一步提升整体电路增益。
在输出匹配模块中，本实施例采用NMOS管M6和NMOS管M7共同构成源极跟随结构，使其能够很好的进行输出阻抗的匹配，在不增加电路损耗的同时，提升整个放大器的线性度和稳定性，且实现了更小面积的输出匹配网络电路，进而减小芯片面积。
本实施例用于级间匹配的第一级间匹配网络和第二级间匹配网络，采用了不同谐振频率的LC匹配网络，以使每一级放大模块的工作点处于不同频端。通过第一级间匹配网络、第二级放大模块与第二级间匹配网络的协同作用，使得整个放大器的工作带宽进一步拓宽，实现更宽频带特性。
对上述实施例基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器进行仿真验证：
上述实施例基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，工作频段为4-13GHz，器件的电源电压为1.5V，消耗的功率为15.6mW。仿真结果参阅图2至图5。由图2至图5可知，该低噪声放大器在6GHz取得最大增益21dB，3dB覆盖4-13GHz，其输入匹配性能S11在4-13GHz范围内低于-11dB，输出匹配性能S11在4-13GHz范围内低于-14.5dB，可见输入、输出匹配情况良好。其噪声系数在4-13GHz范围内均小于3.5dB，并在7.1GHz低至2.84dB。可见，本实施例提供的基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，能够很好实现超宽频带的低噪声射频放大器。
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，在实际设计中，本发明可适用于不同频段。
上述实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，包括依次级联的输入匹配网络、第一级放大模块、第一级间匹配网络、第二级放大模块、第二级间匹配网络以及输出匹配模块，其特征在于：
所述输入匹配网络、第一级间匹配网络、第二级间匹配网络、以及输出匹配模块用于实现阻抗匹配；其中输入匹配网络连接射频信号输入端，输出匹配模块与信号输出端相连；
第一级放大模块包括NMOS管M1、M2、和M3，电阻R1、R2，电感L2、L3、L4和L5，电容C2和电容CS；
其中，NMOS管M1采用共栅极接法构成共栅极放大器，其栅极经电阻R2接偏置电压VG1，源极连接输入匹配网络的输出端、NMOS管M2的栅极和电阻R1的一端，漏极连接电感L4的一端和NMOS管M3的栅极；NMOS管M2通过共源接法构成共源放大器，其源极连接电感L2的一端，漏极连接电感L3的一端和电容C2的一端；MOS管M3的源极与电感L3的另一端相连；漏极与电感L5的一端相连；电阻R1的另一端接地；电感L2的另一端接地；电感L4的另一端和电感L5的另一端均连接电源电压VDD；电容C2的另一端与NMOS管M2漏极与电感L3的共接点相连后，作为第一放大模块的输出与第一级间匹配网络的输入端；电容CS的一端连接在电感L3与NMOS管M3的源极之间，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配网络包括电容C1和电感L1，
所述电容C1的一端接输入信号，另一端连接电感L1的一端；电感L1的另一端作为输入匹配网络的输出端，连接NMOS管M1的源极、第二NMOS管M2的栅极和第一电阻R1的一端。
3.根据权利要求1所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一级间匹配网络包括电容C3和电感L6；
电容C3的一端为第一级间匹配网络的输入端，连接第一级放大模块的输出端，另一端连接电感L6的一端，电感L6的另一端为第一级间匹配网络的输出端，连接第二级放大模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第二级放大模块包括：NMOS管M4、M5，电阻R3、R4，电感L7、L8；
其中，NMOS管采用共源接法构成共源放大器，其栅极连接第一级间匹配网络的输出端和电阻R3的一端，源极接地，漏极连接NMOS管M5的源极；
NMOS管M5的栅极连接电感L7的一端，漏极与电阻R4的一端相连后构成第二级放大模块的输出端，与第二级间匹配网络的输入端相连；
电阻R3的另一端接偏置电压VG2；电阻R4的另一端经电感L8连接电源电压VDD；
电感L7的另一端接电源电压VDD。
5.根据权利要求1所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第二级间匹配网络由电容C4构成，电容C4的一端连接第二级放大模块，另一端连接输出匹配模块。
6.根据权利要求4所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出匹配模块包括NMOS管M6、M7，电阻R5、R6，电容C5；
NMOS管M6的栅极与第二级间匹配网络的输出端和电阻R5的一端相连，源极与NMOS管M7的漏极相连后与电容C5的一端接相连，漏极接电源电压VDD；
NMOS管M7的栅极经电阻R6接偏置电压VG3，源极接地；
电阻R5的另一端接电源电压VDD；
电容C5的另一端作为输出匹配模块的输出端，用于输出放大后的信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电压VG1、VG2、VG3均为0.7V。
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