CN117498809A - 一种宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种宽带低噪声放大器 Download PDF

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CN117498809A CN202311514531.8A CN202311514531A CN117498809A CN 117498809 A CN117498809 A CN 117498809A CN 202311514531 A CN202311514531 A CN 202311514531A CN 117498809 A CN117498809 A CN 117498809A
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晋超超
朱天成
丁国辉
候俊马
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Abstract

本申请提供一种宽带低噪声放大器，包括：第一级共源共栅结构和第二级共源共栅结构，第一级共源共栅结构包括：第一电容、第二电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第六电感以及第一电阻；本申请中的第一电感、第二电感、第三电感共同构成输入负反馈变压器，由于引入第二电感与第一电感和第三电感构成输入负反馈变压器，使得输入匹配网络形成一对共轭极点，输入的阻抗出现了一个新的峰值，从而进一步拓宽了输入匹配带宽；同时第二级共源共栅结构进一步扩大电路的增益，降低噪声；由此本申请在对信号进行放大过程中，噪音多次被反馈叠加和抵消，提高了带宽和增益，增强信号接收强度，工作频带可调，适用范围更宽。

Description

一种宽带低噪声放大器
技术领域
本申请一般涉及放大器技术领域，具体涉及一种宽带低噪声放大器。
背景技术
随着5G时代的到来，人们对于高数据率的网络传输和海量的终端接入率要求越来越高，毫米波技术得以飞速发展，成为无线通信中的研究方向，不仅加快了5G通信发展进程，还大规模应用于卫星通信和物联网等行业；低噪声放大器作为无线通信系统射频接收端的第一级有源放大电路，其增益及噪声系数等指标直接影响整个收发机的灵敏度，进而影响整个通信系统性能。
在现有技术中，一般采用电流复用技术实现低噪声放大器的高增益，但由于其增益低，限制了接收信号强度；同时，由于其匹配的带宽较窄，工作频带固定不可调，适用范围较窄。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供可解决上述技术问题的一种宽带低噪声放大器。
本申请提供一种宽带低噪声放大器，包括：
第一级共源共栅结构，所述第一级共源共栅结构包括：第一电容、第二电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第六电感以及第一电阻；所述第一电容的一端为所述第一级共源共栅结构的输入端，所述第一电容的另一端分别与所述第一电感、第二电感的一端连接；所述第一电感的另一端接地，所述第二电感的另一端与所述第一NMOS管的栅级连接，所述第一NMOS管的源级与所述第三电感的一端连接，所述第三电感的另一端接地；所述第一NMOS管的漏极与所述第四电感的一端连接，所述第四电感的另一端与所述第二NMOS管的源级连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第六电感和所述第二电容连接，所述第二NMOS管的栅级连接至电源电压；所述第六电感的另一端连接至所述电源电压；所述第二电容的另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻的另一端接地；
其中，所述第一电感、第二电感、第三电感构成输入负反馈变压器，所述输入负反馈变压器用于使输入阻抗出现峰值，进而拓宽匹配带宽；
第二级共源共栅结构，所述第二级共源共栅结构与所述第一电阻的一端连接，所述第二级共源共栅结构的一端为输出端；所述第二级共源共栅结构用于扩大电路的增益，降低噪声。
根据本申请提供的技术方案，所述第二级共源共栅结构包括：第三NMOS管、第七电感、第八电感以及第三电容；所述第三NMOS管的栅级与所述第七电感的一端连接，所述第七电感的另一端与所述第一电阻的一端连接；所述第三NMOS管的源级与所述第八电感连接，所述第八电感的另一端接地；所述第三NMOS管的漏极与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端作为所述第二级共源共栅结构的输出端；
其中，所述第八电感和所述第六电感共同构成漏源正反馈变压器，所述漏源正反馈变压器用于通过正反馈提高所述第二级共源共栅结构的等效跨导，进而提高电路的增益。
根据本申请提供的技术方案，所述第二NMOS管的栅级连接有第五电感，所述第五电感的另一端连接至所述电源电压。
根据本申请提供的技术方案，所述第三NMOS管的漏极连接有漏源负反馈变压器，所述漏源负反馈变压器的一端与所述第三电容连接，所述漏源负反馈变压器用于通过负反馈保持电路的稳定性。
根据本申请提供的技术方案，所述漏源负反馈变压器包括：第四NMOS管、第九电感和第十一电感，所述第四NMOS管的源级与所述第九电感的一端连接，所述第九电感(L9)的另一端与所述第三NMOS管的漏极连接；所述第四NMOS管的漏极与所述第十一电感、所述第三电容的一端连接，所述第十一电感的另一端连接至所述VDD；所述第四NMOS管的栅级连接至所述电源电压。
根据本申请提供的技术方案，所述第四NMOS管的栅级连接有第十电感，所述第十电感的另一端连接至所述电源电压。
本申请的有益效果在于：
本申请提供一种宽带低噪声放大器，包括：第一级共源共栅结构，所述第一级共源共栅结构包括：第一电容、第二电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第六电感以及第一电阻；所述第一电容的一端为所述第一级共源共栅结构的输入端，所述第一电容的另一端分别与所述第一电感、第二电感的一端连接；所述第一电感的另一端接地，所述第二电感的另一端与所述第一NMOS管的栅级连接，所述第一NMOS管的源级与所述第三电感的一端连接，所述第三电感的另一端接地；所述第一NMOS管的漏极与所述第四电感的一端连接，所述第四电感的另一端与所述第二NMOS管的源级连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第六电感和所述第二电容连接，所述第二NMOS管的栅级连接至电源电压；所述第六电感的另一端连接至所述电源电压；所述第二电容的另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻的另一端接地；所述第二级共源共栅结构与所述第一电阻的一端连接，所述第二级共源共栅结构的一端为输出端，所述第二级共源共栅结构用于扩大电路的增益，降低噪声；本申请中所述第一级共源共栅结构中的所述第一电感、第二电感、第三电感共同构成输入负反馈变压器，由于引入所述第二电感与所述第一电感和所述第三电感构成输入负反馈变压器，使得输入匹配网络形成一对共轭极点，随着所述第二电感的增加，输入的阻抗出现了一个新的峰值，从而进一步拓宽了输入匹配带宽；同时所述第二级共源共栅结构进一步扩大电路的增益，降低噪声；由此本申请在对信号进行放大过程中，噪音多次被反馈叠加和相互抵消，提高了带宽和增益，增强了信号接收强度，工作频带可调，适用范围更宽广。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请中的一种宽带低噪声放大器的原理图；
图2是第一级输入匹配网络的小信号模型；
图3是第二级共源级放大器的小信号等效电路。
图中：C1：第一电容；C2：第二电容；C3：第三电容；M1：第一NMOS管；M2：第二NMOS管；M3：第三NMOS管；M4：第四NMOS管；L1：第一电感；L2：第二电感；L3：第三电感；L4：第四电感；L5：第五电感；L6：第六电感；L7：第七电感；L8：第八电感；L9：第九电感；L10：第十电感；L11：第十一电感；R1：第一电阻；T1：输入负反馈变压器；T2：漏源正反馈变压器；T3：漏源负反馈变压器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图1为本申请提供的一种宽带低噪声放大器的示意图，包括：
第一级共源共栅结构，所述第一级共源共栅结构包括：第一电容C1、第二电容C2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第六电感L6以及第一电阻R1；所述第一电容C1的一端为所述第一级共源共栅结构的输入端，所述第一电容C1的另一端分别与所述第一电感L1、第二电感L2的一端连接；所述第一电感L1的另一端接地，所述第二电感L2的另一端与所述第一NMOS管M1的栅级连接，所述第一NMOS管M1的源级与所述第三电感L3的一端连接，所述第三电感L3的另一端接地；所述第一NMOS管M1的漏极与所述第四电感L4的一端连接，所述第四电感L4的另一端与所述第二NMOS管M2的源级连接，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第六电感L6和所述第二电容C2连接，所述第二NMOS管M2的栅级连接至电源电压；所述第六电感L6的另一端连接至所述电源电压；所述第二电容C2的另一端与所述第一电阻R1连接，所述第一电阻R1的另一端接地；
其中，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3构成输入负反馈变压器T1，所述输入负反馈变压器T1用于使输入阻抗出现峰值，进而拓宽匹配带宽；
第二级共源共栅结构，所述第二级共源共栅结构与所述第一电阻R1的一端连接，所述第二级共源共栅结构的一端为输出端；所述第二级共源共栅结构用于扩大电路的增益，降低噪声。
具体的，所述第一NMOS管M1和所述第二NMOS管M2为N沟道MOS场效应晶体管，N沟道MOS场效应晶体管是一种重要的电子元件，它具有三个极：源极、漏极和栅极；N沟道MOS场效应晶体管的工作原理是控制栅极电压从而改变电场，使源极和漏极之间形成导电沟道；在电路中，N沟道MOS场效应晶体管可以作为晶体管使用，也可以用于实现电子开关、放大、振荡等电路功能；此外，N沟道MOS场效应晶体管还可以与其他电子元件组成各种复杂电路，广泛应用于微电子、电力电子、通信等领域；
具体的，所述第一电容C1和第二电容C2在电路中起到隔直流的作用；所述第一电阻R1为直流馈电电阻，为所述第二级共源共栅结构中提供栅级偏置电压并隔断RF信号；所述第六电感L6为负载电感；
如图2所示为输入匹配网络的小信号模型，所述输入阻抗的极点表示为：
其中，gm和Cgs分别是第一NMOS管M1的跨导和栅源寄生电容，从公式(一)可以看出，所述第二电感L2的串联引入有助于与所述第一电感L1形成一对共轭极点，随着所述第一电感L1的增加，极点的分母变得更大，导致极点的实部和虚部都减少；从而，使得输入阻抗出现一个新的峰值，进而进一步拓宽了带宽；
具体的，所述第一级共源共栅结构和所述第二级共源共栅结构的栅压和漏压相同，分别为0.7V和1.8V；
工作原理：本申请中所述第一级共源共栅结构中的所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3共同构成输入负反馈变压器T1，由于引入所述第二电感L2与所述第一电感L1和所述第三电感L3构成输入负反馈变压器T1，使得输入匹配网络形成一对共轭极点，随着所述第二电感L2的增加，输入的阻抗出现了一个新的峰值，从而进一步拓宽了输入匹配带宽；同时所述第二级共源共栅结构进一步扩大电路的增益，降低噪声；由此本申请在对信号进行放大过程中，噪音多次被反馈叠加和相互抵消，提高了带宽和增益，增强了信号接收强度，工作频带可调，适用范围更宽广。
在某些实施方式中，所述第二级共源共栅结构包括：第三NMOS管M3、第七电感L7、第八电感L8以及第三电容C3；所述第三NMOS管M3的栅级与所述第七电感L7的一端连接，所述第七电感L7的另一端与所述第一电阻R1的一端连接；所述第三NMOS管M3的源级与所述第八电感L8连接，所述第八电感L8的另一端接地；所述第三NMOS管M3的漏极与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端作为所述第二级共源共栅结构的输出端；
其中，所述第八电感L8和所述第六电感L6共同构成漏源正反馈变压器T2，所述漏源正反馈变压器T2用于通过正反馈提高所述第二级共源共栅结构的等效跨导，进而提高电路的增益。
具体的，所述第二级共源共栅结构包括：第三NMOS管M3、第七电感L7、第八电感L8以及第三电容C3；所述第三电容C3起到隔直流的作用；
具体的，本申请利用所述第一级共源共栅结构的漏端和所述第二级共源共栅结构的源端组成所述漏源正反馈变压器T2，即所述第八电感L8和所述第六电感L6共同构成所述漏源正反馈变压器T2，替代传统的源极电极；所述漏源正反馈变压器T2通过正反馈提高了所述第二级共源共栅结构的等效跨导Gm，从而提高了电路的增益，同时降低了噪声；
如图3所示为第二级共源共栅结构的小信号等效电路，由小信号等效电路推出第二级共源共栅结构的等效跨导Gm为：
其中，gm3和Cgs3分别是所述第三NMOS管M3的跨导和栅源寄生电容，k1为所述输入负反馈变压器T1的耦合系数和k2为所述漏源正反馈变压器T2的耦合系数，n2为所述漏源正反馈变压器T2的匝数比：
当工作在谐振频率时，分母的虚数可以被抵消，第二级共源共栅结构的等效跨导Gm可写成：
由上述公式可以看出，Gm随所述漏源正反馈变压器T2的加入而增加，所述漏源正反馈变压器T2提高了电路整体的增益。
在某些实施方式中，所述第二NMOS管M2的栅级连接有第五电感L5，所述第五电感L5的另一端连接至所述电源电压。
具体的，本申请增加所述输入负反馈变压器T1和所述漏源正反馈变压器T2解耦，解决了输入匹配和增益的问题，但电路仍表现出窄带增益响应，因此所述第二NMOS管M2的栅级连接有第五电感L5，所述第五电感L5的另一端连接至所述电源电压，所述第五电感L5作为栅级电感，提高电路在高频处的增益。
在某些实施方式中，所述第三NMOS管M3的漏极连接有漏源负反馈变压器T3，所述漏源负反馈变压器T3的一端与所述第三电容C3连接，所述漏源负反馈变压器T3用于通过负反馈保持电路的稳定性。
具体的，由于增加栅级电感会降低阻抗实部，使电路不稳定，因此所述第三NMOS管M3的漏极连接有漏源负反馈变压器T3，通过负反馈保持电路的稳定性。
在某些实施方式中，所述漏源负反馈变压器T3包括：第四NMOS管M4、第九电感L9和第十一电感L11，所述第四NMOS管M4的源级与所述第九电感L9的一端连接，所述第九电感L9的另一端与所述第三NMOS管M3的漏极连接；所述第四NMOS管M4的漏极与所述第十一电感L11、所述第三电容C3的一端连接，所述第十一电感L11的另一端连接至所述VDD；所述第四NMOS管M4的栅级连接至所述电源电压。
具体的，所述漏源负反馈变压器T3包括：第四NMOS管M4、第九电感L9和第十一电感L11，所述第四NMOS管M4的源级与所述第九电感L9的一端连接，所述第九电感L9的另一端与所述第三NMOS管M3的漏极连接；所述第四NMOS管M4的漏极与所述第十一电感L11、所述第三电容C3的一端连接，所述第十一电感L11的另一端连接至所述VDD；所述第四NMOS管M4的栅级连接至所述电源电压；使得所述第四NMOS管M4漏极的交流信号通过所述漏源负反馈变压器T3耦合到所述第四NMOS管M4的源极，耦合信号与原信号电流相反，从而通过负反馈来保持电路稳定性。
在某些实施方式中，所述第四NMOS管M4的栅级连接有第十电感L10，所述第十电感L10的另一端连接至所述电源电压。
具体的，本申请增加所述输入负反馈变压器T1和所述漏源正反馈变压器T2解耦，解决了输入匹配和增益的问题，但电路仍表现出窄带增益响应，所述第四NMOS管M4的栅级连接有第十电感L10，所述第十电感L10的另一端连接至所述电源电压，所述第十电感L10作为栅级电感，提高电路在高频处的增益。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于，包括：
第一级共源共栅结构，所述第一级共源共栅结构包括：第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)、第六电感(L6)以及第一电阻(R1)；所述第一电容(C1)的一端为所述第一级共源共栅结构的输入端，所述第一电容(C1)的另一端分别与所述第一电感(L1)、第二电感(L2)的一端连接；所述第一电感(L1)的另一端接地，所述第二电感(L2)的另一端与所述第一NMOS管(M1)的栅级连接，所述第一NMOS管(M1)的源级与所述第三电感(L3)的一端连接，所述第三电感(L3)的另一端接地；所述第一NMOS管(M1)的漏极与所述第四电感(L4)的一端连接，所述第四电感(L4)的另一端与所述第二NMOS管(M2)的源级连接，所述第二NMOS管(M2)的漏极与所述第六电感(L6)和所述第二电容(C2)连接，所述第二NMOS管(M2)的栅级连接至电源电压；所述第六电感(L6)的另一端连接至所述电源电压；所述第二电容(C2)的另一端与所述第一电阻(R1)连接，所述第一电阻(R1)的另一端接地；
其中，所述第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)构成输入负反馈变压器(T1)，所述输入负反馈变压器(T1)用于使输入阻抗出现峰值，进而拓宽匹配带宽；
第二级共源共栅结构，所述第二级共源共栅结构与所述第一电阻(R1)的一端连接，所述第二级共源共栅结构的一端为输出端；所述第二级共源共栅结构用于扩大电路的增益，降低噪声。
2.根据权利要求1所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二级共源共栅结构包括：第三NMOS管(M3)、第七电感(L7)、第八电感(L8)以及第三电容(C3)；所述第三NMOS管(M3)的栅级与所述第七电感(L7)的一端连接，所述第七电感(L7)的另一端与所述第一电阻(R1)的一端连接；所述第三NMOS管(M3)的源级与所述第八电感(L8)连接，所述第八电感(L8)的另一端接地；所述第三NMOS管(M3)的漏极与所述第三电容(C3)的一端连接，所述第三电容(C3)的另一端作为所述第二级共源共栅结构的输出端；
其中，所述第八电感(L8)和所述第六电感(L6)共同构成漏源正反馈变压器(T2)，所述漏源正反馈变压器(T2)用于通过正反馈提高所述第二级共源共栅结构的等效跨导，进而提高电路的增益。
3.根据权利要求2所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二NMOS管(M2)的栅级连接有第五电感(L5)，所述第五电感(L5)的另一端连接至所述电源电压。
4.根据权利要求3所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第三NMOS管(M3)的漏极连接有漏源负反馈变压器(T3)，所述漏源负反馈变压器(T3)的一端与所述第三电容(C3)连接，所述漏源负反馈变压器(T3)用于通过负反馈保持电路的稳定性。
5.根据权利要求4所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述漏源负反馈变压器(T3)包括：第四NMOS管(M4)、第九电感(L9)和第十一电感(L11)，所述第四NMOS管(M4)的源级与所述第九电感(L9)的一端连接，所述第九电感(L9)的另一端与所述第三NMOS管(M3)的漏极连接；所述第四NMOS管(M4)的漏极与所述第十一电感(L11)、所述第三电容(C3)的一端连接，所述第十一电感(L11)的另一端连接至所述VDD；所述第四NMOS管(M4)的栅级连接至所述电源电压。
6.根据权利要求5所述的一种宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第四NMOS管(M4)的栅级连接有第十电感(L10)，所述第十电感(L10)的另一端连接至所述电源电压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118074632A (zh) * 2024-04-18 2024-05-24 浙江大学 低噪声放大器及无线通信系统

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