CN201956975U - 低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低噪声放大器，用于实现无线传感器网络低噪声放大器模块的开关切换操作，其包括匹配网路、共源共栅放大电路、可调谐LC谐振电路以及开关电路，该开关电路连接至专门用于控制接收机处于工作/休息的控制位，通过该控制位是否切断本实用新型低噪声放大器的偏置状态来控制低噪声放大器的工作/休息，从而进一步节省整个接收机的功耗，通过后仿真证明，本实用新型低噪声放大器通过5ns就能完成由关闭到完全开启，通过1ns就能完成由工作到关闭状态，其不但节省了功耗，而且能迅速有效地控制电路的工作状态。

Description

低噪声放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，特别是涉及一种可高效开关切换的低噪声放大器。

背景技术

置身于信息时代的人类科技发展突飞猛进，作为信息获取最重要和最基本的传感器网络技术也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化、网络化和智能化发展，结合各领域前沿技术、利用现代无线通信连接手段，一种具备信息综合和处理能力以及交互式无线通信的新兴传感器技术-无线传感器网络便由此应运而生了。

对于无线传感器网络而言，最重要的研究领域之一便是如何实现收发机的超低功耗，以及如果有效利用能量，由于低噪声放大器是无线传感器网络中功率消耗的主要模块，因此如何实现低噪声放大器的超低功耗便成为当前研究的重点。

图1为现有技术中一种低噪声放大器的简单结构示意图。如图1所示，在低噪声放大器间并联一开关，开关起到旁路的作用；当接收的信号微弱时开关打开，提供增益放大；当接收的信号较强时开关关闭。现有技术由于采用开关切换低噪声放大器工作/休息，使得低噪声放大器在一个周期的占空比时间内工作，而其他时间内休息，可一定程度上节省功耗。

然而，虽然现有技术通过开关切换使得低噪声放大器在一个周期的占空比时间内工作，而其他时间内休息，能节省一定功耗，但是却存在如下缺点：现有技术的低噪放大器在休息时间节省的功耗却大部分浪费在开关切换的过程上了。因此，如果实现一低噪声放大器的高效开关切换是当前亟待解决的问题。

综上所述，可知先前技术的低噪声放大器器存在开关切换效率不高无法节省功耗的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。

实用新型内容

为克服上述现有技术低噪声放大器存在的由于开关切换效率不高无法节省功耗的问题，本实用新型的主要目的在于提供一种低噪声放大器，其可以实现高效开关切换，不但节省了功耗，而且能迅速有效地控制电路的工作状态。

为达上述及其它目的，本实用新型一种低噪声放大器，至少包括：

匹配网路，用于对天线传送的射频信号进行阻抗匹配；

共源共栅放大电路，包含第一NMOS晶体管与第二NMOS晶体管，该第一NMOS晶体管漏极接可调谐LC谐振电路，栅极接开关电路，源极接该第二NMOS晶体管漏极，该第二NMOS晶体管栅极接该匹配网路，源极接地；

可调谐LC谐振电路，用于实现选频功能；以及

开关电路，连接一用于控制接收机处于工作/休息的控制位，该控制位通过控制该开关电路是否切断该共源共栅放大电路的偏置状态来控制该低噪声放大器工作/休息。

进一步地，该开关电路包括第一PMOS晶体管与第三NMOS晶体管，该第一PMOS晶体管源极接电源电压，栅极与该第三NMOS晶体管栅极连接至该控制位，漏极与该第三NMOS晶体管漏极连接至该第一NMOS晶体管栅极，该第三NMOS晶体管源极接地。

进一步地，该可调谐LC谐振电路包括在片电感、固定电容和一组电容开关阵列，该在片电感与该固定电容并联组成谐振电路，该电容开关阵列连接于该谐振电路，其由四个并列的电容和漏极分别与该四个并列的电容相连的四个NMOS晶体管开关构成，并且通过四个接收中心频率的控制位来分别控制该四个NMOS晶体管的栅极。

进一步地，在该第二NMOS晶体管栅极设置一偏置电路以通过改变该第二NMOS晶体管的偏置电流来改变该第二NMOS晶体管的跨导。

进一步地，该偏置电路包括第二PMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管、第八NMOS晶体管、第九NMOS晶体管、第十NMOS晶体管以及第十一NMOS晶体管，其中该第二PMOS晶体管栅极接该控制位，源极与该第五NMOS晶体管、该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管及该第八NMOS晶体管漏极均连接至一偏置电流源，该第二PMOS晶体管漏极通过一电容接地，该第五NMOS晶体管源极接地，该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管及该第八NMOS晶体管源极分别与该第九NMOS晶体管、该第十NMOS晶体管及该第十一NMOS晶体管漏极相连，该第九NMOS晶体管、该第十NMOS晶体管及该第十一NMOS晶体管源极均接地，栅极分别连接至前端增益控制位，该第五NMOS晶体管、该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管与该第八NMOS晶体管栅极及该第二PMOS晶体管漏极均连接至该第二NMOS晶体管栅极。

进一步地，该偏置电路还可以包括多个连接至该偏置电流源的源漏相连的NMOS晶体管，每个源漏相连的NMOS晶体管均与一前端增益控制位连接。

除此之外，本实用新型还提供一种低噪声放大器，包含多个级联的低噪声放大器，其中，前级的低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与后级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连。

进一步地，该低噪声放大器包含三个级联的低噪声放大器，其中第一级低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与第二级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连，该第二级低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与该第三级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连。

进一步地，每级低噪声放大器之间还设有耦合电容。

与现有技术相比，本实用新型利用控制位控制开关电路是否切断低噪声放大器的共源共栅放大电路的偏置状态来控制该低噪声放大器的工作/休息，显改善了低噪声放大器的开关切换速度，不但节省了功耗，而且也能迅速有效地控制电路的工作状态；而且，本实用新型还通过为共源共栅放大电路的共源共栅管设置偏置电路，通过改变偏置电流可以有效控制低噪声放大器的增益。

附图说明

图1为现有技术的低噪声放大器的简单架构示意图；

图2为本实用新型一种低噪声放大器第一较佳实施例的结构示意图；

图3为本实用新型低噪声放大器偏置电路的电路示意图；

图4为本实用新型一种低噪声放大器第二较佳实施例的结构示意图；

图5为图4低噪声放大器幅频和相频特性关系图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

图2为本实用新型一种低噪声放大器第一较佳实施例的结构示意图。如图2所示，本实用新型一种低噪声放大器至少包括匹配网络201、共源共栅放大电路202、可调谐LC谐振电路203以及开关电路204。

其中匹配网络201用于实现多种无线通信标准不同频带下输入阻抗匹配，其可以通过在片电感(未示出)实现如50Ω阻抗匹配，即天线输入端得RF信号实现50Ω阻抗匹配；共源共栅放大电路202采用共源共栅结构来实现，其包含第一NMOS晶体管M1与第二NMOS晶体管M2，第一NMOS晶体管M1漏极接可调谐LC谐振电路203，并输出RF信号，栅极接开关电路204，源极接第二NMOS晶体管M2漏极，第二NMOS晶体管M2栅极接匹配网路201，源极接地，这种共源共栅结构使得本实用新型在超低功耗情况下可以实现较好的增益和噪声性能；可调谐LC谐振电路203主要用于实现选频功能，由固定的在片电感L、固定电容C0和一组电容开关阵列构成，电感电容并联组成的谐振电路使本实用新型低噪声放大器在谐振频率处表现出最高增益，并相应呈现出带通特性从而抑制谐振频率外的干扰信号，电容开关阵列由并列的电容C1、C2、C3及C4和相应的NMOS(N1，N2，N3及N4)开关构成，并且通过4个接收中心频率的控制位(ctrl0，ctrl1，ctrl2及ctrl3)来分别控制4个NMOS(N1，N2，N3及N4)开关的打开和关闭，这样就能调节整个接收机射频前端的大增益对应的中心频率频率fu；以及开关电路203，包含第一PMOS晶体管P1和第三NMOS晶体管M3，第一PMOS晶体管P1源极接电源电压，栅极与第三NMOS晶体管M3栅极连接至用于控制接收机处于工作/休息的控制位Power-off，控制位Power-off可以通过切断本实用新型低噪声放大器的偏置状态来控制低噪声放大器的工作/休息，从而进一步节省整个接收机的功耗，PMOS晶体管P1的漏极与第三NMOS晶体管M3漏极连接至共源共栅放大电路202，具体为连接至共源共栅放大电路202的第一NMOS晶体管M1的栅极，第三NMOS晶体管M3源极接地。

如上所述，本实用新型的共源共栅放大电路202由于采用共源共栅结构提高了低噪声放大器的增益，因此本实用新型可以在超低功耗情况下实现较好的增益和噪声性能。本实用新型共源共栅结构所表现出来的增益可以表示为：

$A_v=-g_{m2}\frac{{\mathrm{sg}}_{m1}{r}_{o1}{r}_{o2}}{s^2{g}_{m1}{r}_{o1}{r}_{o2}\mathrm{LC}+\mathrm{SL}+g_{m1}{r}_{o1}{r}_{o2}}$

其中，ro1、ro2分别表示第一NMOS晶体管M1和第二NMOS晶体管M2的输出电阻，gm1、gm2分别表示第一NMOS晶体管M1和第二NMOS晶体管M2的跨导。由上式可以看出，通过改变第二NMOS晶体管M2的跨导gm2，就可以有效控制本实用新型低噪声放大器的增益，在本实用新型较佳实施例中，是通过改变第二NMOS晶体管M2的偏置电流来实现的。图3为本实用新型低噪声放大器偏置电路的电路示意图，如图3所示，第二NMOS晶体管M2的偏置电路包括第二PMOS晶体管P2、第五NMOS晶体管N5、第六NMOS晶体管N6、第七NMOS晶体管N7、第八NMOS晶体管N8、第九NMOS晶体管N9、第十NMOS晶体管N10以及第十一NMOS晶体管N11，其中第二PMOS晶体管P2栅极接控制位Power-off，源极与第五NMOS晶体管N5、第六NMOS晶体管N6、第七NMOS晶体管N7及第八NMOS晶体管N8漏极均连接至一偏置电流源Ibias，第二PMOS晶体管P2漏极通过一电容CB接地，第五NMOS晶体管N5源极接地，第六NMOS晶体管N6、第七NMOS晶体管N7及第八NMOS晶体管N8源极分别与第九NMOS晶体管N9、第十NMOS晶体管N10及第十一NMOS晶体管N11漏极相连，第九NMOS晶体管N9、第十NMOS晶体管N10及第十一NMOS晶体管N11源极均接地，栅极分别连接至3个前端增益控制位，第五NMOS晶体管M5、第六NMOS晶体管N6、第七NMOS晶体管N7与第八NMOS晶体管N8栅极及第二PMOS晶体管P2漏极均连接至第二NMOS晶体管M2栅极，以为第二NMOS晶体管M2提供偏置电压Vbias，可见，本实用新型是通过采用3个前端增益控制位(Gain0、Gain1及Gain2)来分别控制Vgain1，2，3，从而通过改变镜像电流镜两边管子的长宽比来达到改变第二NMOS晶体管M2偏置电流的目的，根据计算，本实用新型低噪声放大器的最大增益大约在12dB左右。当然，前端增益控制位的个数并不限于三个，可以更多，每个前端增益控制位均需通过连接两个源漏相接的NMOS晶体管连接至偏置电流源Ibias。

图4为本实用新型一种低噪声放大器第二较佳实施例的结构示意图。在此，本实用新型第二较佳实施例通过多个低噪声放大器级联来实现整个低噪放的射频前端，其中，前级的低噪声放大器的第一NMOS晶体管M1的漏极与后一级的低噪声放大器的第二NMOS晶体管M2的栅极相连，每级低噪声放大器还可以通过耦合电容进行隔直。在本实施例中，采用了三个级联的低噪声放大器来实现整个低噪放的射频前端。具体来说，第一级低噪声放大器的第一NMOS晶体管M1的漏极与第二级低噪声放大器的第二NMOS晶体管M2的栅极相连，同理，第二级低噪声放大器的第一NMOS晶体管M1的漏极与第三级低噪声放大器的第二NMOS晶体管M2的栅极相连，每级低噪声放大器之间还可以通过耦合电容C进行隔直。同样，为了提高本实用新型低噪声放大器的增益，可以对每一级低噪声放大器的第二NMOS晶体管M2设置图3所示的偏置电路，通过图3的偏置电路改变每级第二NMOS晶体管M2的跨导gm2，可以更有效地控制本实用新型低噪声放大器的增益，在本实用新型第二较佳实施例中，每一级低噪声放大器的最大增益在12dB左右，三级级联后的低噪声放大器射频前端的最大增益可以达到37.1dB，整个低噪声放大器射频前端的噪声系数为2.74dB，三个级联的低噪声放大器一共消耗2.28mA，图5则为本实用新型低噪声放大器第二较佳实施例的幅频和相频特性关系图。

以下将进一步说明本实用新型低噪声放大器如何实现高效开关切换操作的。请继续参考图4，如前所述，为了能够使得本实用新型低噪声放大器高效地开关切换操作，本实用新型整个接收机有专门一个用于控制接收机处于工作/休息的控制位Power-off，该控制位可以切断本实用新型低噪声放大器的偏置状态来控制工作/休息，从而进一步节省整个接收机的功耗。在本实用新型第二较佳实施例中，可以通过控制共源共栅放大电路202的共源共栅管的偏置状态来实现这一点。当Power-off控制位为“0”，表明整个接收机处于全开工作状态，此时共源共栅管被打开、每个低噪声放大器正常工作；当Power-off控制位为“1”，表明整个接收机处于停止工作状态，此时共源共栅管进入截止区，切断了每个低噪声放大器的电流通路。

值得注意的是，此时，虽然整个低噪声放大器电路处于不工作状态，但是由于第二NMOS晶体管管M2的栅压在Power-off刚置“1”时仍然处于工作时的偏置状态，因此确保了第二NMOS晶体管M2栅电容电荷不被立刻泄放掉。虽然经过足够长的时间以后，这些电荷仍然可能被完全泄放，但是由于本实用新型的应用背景(数据率～Mbps)对于Power-off不断来回置“1”置“0”的特点，这一切断共源共栅管(M1，3，5)偏置状态的举措能明显改善整个模块的开关切换速度。从本实用新型的后仿真中可以发现，本实用新型低噪声放大器电路通过5ns就能完成由关闭到完全开启，通过1ns就能完成由工作到关闭状态。由此可见，具有本实用新型低噪声放大器的接收机通过切换电路的关键偏置点来达到控制电路工作/休息，不但节省了功耗，而且也能迅速有效地控制电路的工作状态。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何本领域技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种低噪声放大器，至少包括：

匹配网路，用于对天线传送的射频信号进行阻抗匹配；

共源共栅放大电路，包含第一NMOS晶体管与第二NMOS晶体管，该第一NMOS晶体管漏极接可调谐LC谐振电路，栅极接开关电路，源极接该第二NMOS晶体管漏极，该第二NMOS晶体管栅极接该匹配网路，源极接地；

可调谐LC谐振电路，用于实现选频功能；以及

开关电路，连接一用于控制接收机处于工作/休息的控制位，该控制位通过控制该开关电路是否切断该共源共栅放大电路的偏置状态来控制该低噪声放大器工作/休息。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：该开关电路包括第一PMOS晶体管与第三NMOS晶体管，该第一PMOS晶体管源极接电源电压，栅极与该第三NMOS晶体管栅极连接至该控制位，漏极与该第三NMOS晶体管漏极连接至该第一NMOS晶体管栅极，该第三NMOS晶体管源极接地。

3.如权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于：该可调谐LC谐振电路包括在片电感、固定电容和一组电容开关阵列，该在片电感与该固定电容并联组成谐振电路，该电容开关阵列连接于该谐振电路，其由四个并列的电容和漏极分别与该四个并列的电容相连的四个NMOS晶体管开关构成，并且通过四个接收中心频率的控制位来分别控制该四个NMOS晶体管的栅极。

4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于：在该第二NMOS晶体管栅极设置一偏置电路以通过改变该第二NMOS晶体管的偏置电流来改变该第二NMOS晶体管的跨导。

5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于：该偏置电路包括第二PMOS晶体管、第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管、第八NMOS晶体管、第九NMOS晶体管、第十NMOS晶体管以及第十一NMOS晶体管，其中该第二PMOS晶体管栅极接该控制位，源极与该第五NMOS晶体管、该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管及该第八NMOS晶体管漏极均连接至一偏置电流源，该第二PMOS晶体管漏极通过一电容接地，该第五NMOS晶体管源极接地，该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管及该第八NMOS晶体管源极分别与该第九NMOS晶体管、该第十NMOS晶体管及该第十一NMOS晶体管漏极相连，该第九NMOS晶体管、该第十NMOS晶体管及该第十一NMOS晶体管源极均接地，栅极分别连接至前端增益控制位，该第五NMOS晶体管、该第六NMOS晶体管、该第七NMOS晶体管与该第八NMOS晶体管栅极及该第二PMOS晶体管漏极均连接至该第二NMOS晶体管栅极。

6.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于：该偏置电路还可以包括多个连接至该偏置电流源的源漏相连的NMOS晶体管，每个源漏相连的NMOS晶体管均与一前端增益控制位连接。

7.一种低噪声放大器，包含多个级联的低噪声放大器，其中，前级的低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与后级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连。

8.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于：该低噪声放大器包含三个级联的低噪声放大器，其中第一级低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与第二级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连，该第二级低噪声放大器的该第一NMOS晶体管漏极与该第三级低噪声放大器的该第二NMOS晶体管栅极相连。

9.如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于：每级低噪声放大器之间还设有耦合电容。

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