CN1972118A

CN1972118A - 高线性高增益的宽带射频低噪声放大器

Info

Publication number: CN1972118A
Application number: CN 200510086974
Authority: CN
Inventors: 马德胜; 石寅
Original assignee: SUZHOU ZHONGKE
Current assignee: SUZHOU ZHONGKE
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-05-30

Abstract

本发明涉及无线通信接收技术领域，特别是高线性高增益的宽带射频低噪声放大器。包括：差分输入的共射共基主放大器电路，还包括与主放大器电路输出相连的主放大缓冲器，以及与缓冲器输出相连的采用电流注入法的辅助级放大器。本发明的晶体管宽带射频低噪声放大器的设计方案与传统的宽带射频低噪声放大器相比具有明显的优点。

Description

高线性高增益的宽带射频低噪声放大器

技术领域

本发明属于无线通信接收机系统技术领域，特别涉及用于无线通讯接收机系统前端的射频低噪声放大器的结构设计。

背景技术

近几年，随着无线通信市场的繁荣，射频集成电路(RFIC)得到迅速发展。这些无线应用主要包括：无绳电话，移动电话，射频认证(RFID)，全球定位系统(GPS)以及无线局域网(WLAN)。同时，原来一些靠分离元件来实现的系统，被一些新的射频集成应用电路所取代，其中最为明显的就是数字电视广播接收机。而射频电路之所以这些年备受关注，是由于它是整个收发系统的设计的关键所在。

在整个无线通信系统中，射频低噪声放大器往往是第一个电路模块，它的噪声系数直接决定着整个系统的噪声系数的下限。因此，射频低噪声放大器的设计一直是RFIC设计的一个关键技术。

随着RFIC的应用越来越广，对电路的性能指标要求越来越高，对低噪声放大器提出的要求也越来越高。很多实际应用都会要求射频低噪声放大器在达到很高增益的同时，能够有很高的线性度。这就对射频低噪声提出了新的挑战，传统的射频低噪声放大器，已经无法满足这些指标要求。

传统的宽带晶体管射频低噪声放大器一般都采用单端结构。如图1所示，射频信号RFIN与晶体管Q1的基极相连，Q1的发射极通过RE与地相连，Q1的集电极与Q2的发射极相连，Q2的集电极通过RL与电源VCC相连，同时连接到Q3的基极，Q3的集电极与电源VCC相连，Q3的发射极通过电流源ISS接地。放大后的信号通过Q3的发射极输出。Q3的发射极通过电阻RF反馈到输入端Q1的基极。在这种结构中，晶体管Q1，Q2是用于放大的有源器件，电阻RE作为线性度的调节，RL作为输出回路和负载增益的调节，晶体管Q3作为输出缓冲，用来和后面的电路匹配，同时通过电阻RF和电容CF反馈到输入端Q1的基极，达到与输入阻抗匹配的目的。这就是传统宽带射频放大器(共射共基结构)的工作原理。

这种传统的宽带低噪声放大器采用了单端输入结构，其优点在于，只需要很少的有源器件，功耗较小。但是当对一些用途，比如数字电视接收机，功耗不是一个最主要的指标，但需要很高线性度的时候。这种传统放大器就暴露出一些其自身无法克服的弊端：首先，这种传统单端输入的结构，对共模噪声的抑制比比较差。第二，这种传统单端输入结构本身在线性度方面，与差分结构比起来，要差很多。第三，也是最重要的，由于三极管的过驱动电压和电阻上的电压消耗，这种结构能够提供的电压余度很小，使高线性度与高增益彼此矛盾，不能同时满足这两个指标要求。一些实际用途，比如数字电视接收机的射频低噪声放大器，要求线性度(IIP3)达到10dbm以上的同时，增益达到16db以上。这时，传统的结构无法满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种高线性高增益的宽带射频低噪声放大器结构，具有在基本不影响噪声的前提下，能够同时满足高线性，高增益的指标要求，来满足一些实际应用的优点。

一种高线性高增益的宽带射频低噪声放大器(LNA)，包括：差分输入的共射共基主放大器电路，还包括与主放大器电路输出相连的主放大缓冲器，以及与缓冲器输出相连的采用电流注入法的辅助级放大器。

所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器(LNA)，射频信号进入主放大器，采用共射共基以及并联反馈电阻来进行匹配，其功能为，在保证最高线性度要求下，在第一级电压余度的范围内，进行部分放大。

所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器(LNA)，在第二级采用MOS管的共源放大器结构，其连接关系为：由主放大器Q6的输出通过电容C2连接辅助放大器MOS管M1的栅极，M1的源极通过RE3接到地上，M1的漏极通过电阻RL3接到电源VCC上，同理，由主放大器Q5的输出通过电容C1连接辅助放大器MOS管M2的栅极，M2的源极通过RE4接到地上，M2的漏极通过电阻RL4接到电源VCC上。其功能为，提供足够的电压余度来进行放大。

所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器(LNA)，在第二级采用电流注入法，电流注入电路主要有MOS管M3，M4组成，其连接关系为：M3的源极与M1的漏极相连，M3的漏极与电源VCC相连，M4的源极与M2的漏极相连，M4的漏极与电源VCC相连。M1，M2的漏极作为放大器的输出。其功能为，减小负载支路上的电流，提高低噪声放大器的线性度。

本发明提出的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器(LNA)，包括：差分输入的共射共基主放大器电路，包含了输出缓冲电路和并联反馈电路，还包括了采用电流注入法的辅助级放大器；所说的主放大器由三极管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，和Q6，电阻RL1，RL2，RE1，RE2，RF1，和RF2组成；所说的辅助放大电路由MOS管M1，M2，M3，和M4，以及电阻RL3，RL4组成。其连接关系为：差分射频信号RFINN输入Q1的基极，Q1的发射极通过电阻RE1接地，Q1的集电极连接到Q2的发射极，Q2的集电极通过RL1接到电源VCC上。同时，差分电路的另一端，差分射频信号RFINP输入Q3的基极，Q3的发射极通过电阻RE2接地，Q3的集电极连接到Q4的发射极，Q4的集电极通过RL2接到电源VCC上。Q5，Q6组成主放大管的输出缓冲电路，Q5的基极与Q2的集电极相连，Q5的集电极与电源电压VCC相连，Q5的发射极与晶体管Q7的集电极相连，Q7的发射极与地相连，且Q5的发射极通过电阻RF1和电容CF1反馈到RFINN端与Q1的基极相连。同理，Q6的基极与Q4的集电极相连，Q6的集电极与电源电压VCC相连，Q6的发射极与晶体管Q7的集电极相连，Q7的发射极与地相连，且Q6的发射极通过电阻RF2和电容CF2反馈到RFINP端与Q3的基极相连，由主放大器Q6的输出通过电容C2连接辅助放大器MOS管M1的栅极，M1的源极通过RE3接到地上，M1的漏极通过电阻RL3接到电源VCC上，同理，由主放大器Q5的输出通过电容C1连接辅助放大器MOS管M2的栅极，M2的源极通过RE4接到地上，M2的漏极通过电阻RL4接到电源VCC上。其电流注入电路主要有MOS管M3，M4组成，其连接关系为：M3的源极与M1的漏极相连，M3的漏极与电源VCC相连，M4的源极与M2的漏极相连，M4的漏极与电源VCC相连。M1，M2的漏极作为放大器的输出。

本发明的这种改进的晶体管宽带射频低噪声放大器的设计方案与传统的宽带射频低噪声放大器相比具有以下几个明显的优点：

1)主放大电路采用了差分结构，很好的抑制了共模噪声，更重要的是能够提供更高的线性度。

2)采用了辅助放大的方法，增加了电压余度，能够同时满足高线性度和高增益的要求。

3)将电流注入法引入低噪声放大器，很好的解决了高线性与高增益与电流偏置之间的矛盾，在基本不影响噪声的前提下，提高了低噪声放大器线性度，这对线性度要求大于10dBm的低噪声放大器而言，是一个重要的改进。

附图说明

图1为传统的宽带晶体管射频放大器拓扑结构示意图。

图2为本发明的宽带晶体管射频放大器的拓扑结构示意图。

具体实施方法

本发明提出的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器结合附图的详细说明如下：

本发明提出的射频放大器，包括两部分：主放大器电路，如图2中的虚线框1所示，辅助放大器电路，如图2中的虚线框2所示，各部分的具体结构和连接关系前面已经说明，这里不再重复。

主放大器的电路结构和工作原理与传统的宽带低噪声放大器十分相近，只是采用了差分结构，其中，晶体管Q1，Q2，Q3，Q4作为放大的有源器件，对输入信号进行放大；电阻RE1，RE2用于进行输入回路和线性度的调节；负载电阻RL1，RL2用于在线性度允许的范围内，对主放大器的增益进行调解；晶体管Q5，Q6作为输出缓冲来驱动辅助放大器Q7，Q8加上电压偏置后，成为电流源，为输出缓冲器提供了直流偏置；同时，反馈电阻RF1，RF2将输出反馈到输入，来调节放大器的输入阻抗，使输入阻抗与天线(或电缆)的输入阻抗进行匹配。与传统的宽带低噪声放大器不同的是，射频信号在主放大器，不必考虑增益，只是在高线性度指标下，即满足输出摆幅在电压余度的范围内进行了部分的放大。

辅助放大器的工作原理如下：由于射频信号RFINN，RFINP经过主放大器已经放大了一定的倍数，那么辅助放大器不需要放大很高的倍数即可达到很高的增益，本发明采用了过驱动电压比较小的MOS管作为放大管，从而获得了更大的电压余度，来获得高线性度。

本发明将电流注入法引入了宽带低噪声放大器之中，即在第二级负载支路采用电流注入法，来提高低噪声放大器的线性度。在高频低噪声放大器中，输入三阶交调点IIP3与放大器的集电极电流有关。当信号经过第一级放大后，已经变得很大，这就需要增大集电极地电流来保证线性度。当集电极电流过大时，就给负载电阻的设计带来了难度，这就使得我们必须在增益与线性度之间折中选择。而在本发明中，用PMOS管M1，M2组成上拉电流源为放大管M1，M2提供电流，减少了负载支路中的电流，从而解决了高线性与高增益的矛盾。

通过正确设置各个器件的尺寸大小，以及添加偏置电路，本发明的低噪声放大器，可以实现噪声系数低于4db，同时达到线性度(IIP3)高于10dbm，增益20db的指标要求。

Claims

1.一种高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，包括：差分输入的共射共基主放大器电路，还包括与主放大器电路输出相连的主放大缓冲器，以及与缓冲器输出相连的采用电流注入法的辅助级放大器。

2.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，射频信号进入主放大器，采用共射共基以及并联反馈电阻来进行匹配，在保证最高线性度要求下，在第一级电压余度的范围内，进行部分放大。

3.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，在第二级采用MOS管的共源放大器结构，其连接关系为：由主放大器Q6的输出通过电容C2连接辅助放大器MOS管M1的栅极，M1的源极通过RE3接到地上，M1的漏极通过电阻RL3接到电源VCC上，同理，由主放大器Q5的输出通过电容C1连接辅助放大器MOS管M2的栅极，M2的源极通过RE4接到地上，M2的漏极通过电阻RL4接到电源VCC上。

4.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，在第二级采用电流注入法，电流注入电路主要有MOS管M3，M4组成，其连接关系为：M3的源极与M1的漏极相连，M3的漏极与电源VCC相连，M4的源极与M2的漏极相连，M4的漏极与电源VCC相连，M1，M2的漏极作为放大器的输出。

5.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，主放大器由三极管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，和Q6，电阻RL1，RL2，RE1，RE2，RF1，和RF2组成，其连接关系为：差分射频信号RFINN输入Q1的基极，Q1的发射极通过电阻RE1接地，Q1的集电极连接到Q2的发射极，Q2的集电极通过RL1接到电源VCC上，同时，差分电路的另一端，差分射频信号RFINP输入Q3的基极，Q3的发射极通过电阻RE2接地，Q3的集电极连接到Q4的发射极，Q4的集电极通过RL2接到电源VCC上。

6.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，辅助放大电路由MOS管M1，M2，M3，和M4，以及电阻RL3，RL4组成，主放大器Q6的输出通过电容C2连接辅助放大器MOS管M1的栅极，M1的源极通过RE3接到地上，M1的漏极通过电阻RL3接到电源VCC上，同理，由主放大器Q5的输出通过电容C1连接辅助放大器MOS管M2的栅极，M2的源极通过RE4接到地上，M2的漏极通过电阻RL4接到电源VCC上。

7.根据权利要求1所述的高线性高增益的宽带射频低噪声放大器，其特征在于，Q5，Q6组成主放大管的输出缓冲电路，Q5的基极与Q2的集电极相连，Q5的集电极与电源电压VCC相连，Q6的基极与Q4的集电极相连，Q6的集电极与电源电压VCC相连。