CN202617072U - 一种多标准、多频段低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种多标准、多频段的CMOS差分低噪声放大器可应用于13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频率的多标准、多频段接收机前端电路中。主要由输入阻抗匹配网络，带源极电感负反馈共源共栅放大电路，输出阻抗匹配网络组成。其中输入阻抗匹配网络由开关控制的电容阵列组成；放大电路使用源极电感负反馈保证电路的高线性度和低噪声；输出阻抗匹配网络使用LC谐振网络并联电阻构成，实现了输出阻抗匹配。匹配电容使用MOS电容，电感使用有源电感，减小了芯片面积，降低了工艺的复杂度。多标准、多频段的CMOS差分低噪声放大器可实现不同频率下的阻抗匹配，对输入信号进行选择性放大。

Description

一种多标准、多频段低噪声放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一个基于CMOS工艺的多标准、多频段的差分低噪声放大器。

背景技术

随着射频集成电路技术的迅猛发展和物联网产业的兴起，越来越多的无线通信产品进入了我们的日常生活，例如900MHz GSM(Global System for Mobile Communication)移动电话、1.9GHz PCS(Personal Communications Service)个人通信系统以及2.4GHz蓝牙通信产品等。随着新的无线通信标准的不断出现，设计一个可兼容多个通信标准的接收机正成为一种必然趋势。

目前实用的无线通信技术主要存在以下五个标准体系：1.ISO(International StandardOrganization)标准体系，包括ISO/IEC 18000、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693系列标准；2.EPC(Electronic Product Code)Global标准体系；3.源于日本的Ubiquitous ID标准协议；4.中国信息产业部(现工业和信息化部)的800/900MHz射频识别(RFID)技术应用规定；5.中国联通手机2.4GHz频率NFC(Near Field Communication)应用业务规范和中国移动通信企业标准手机支付RFID-SIM卡片基础技术方案。

在兼容多标准、多频段的无线通信系统接收机构架中，前端电路的多标准、多频段低噪声放大器作为无线通信接收机的第一级，起着至关重要的作用。多标准、多频段低噪声放大器的主要功能包括：1、对各个波段中心频率附近的信号进行放大，供后级使用；2、提供较好的噪声系数；3、对输入频率有一个滤波功能，选择性地放大输入信号。

附图1阐释了多标准、多频段低噪声放大器在无线通信接收机中的作用。作为接收机的第一级，低噪声放大器对整个接收机的性能有很大的影响：1、整个系统的噪声底限是由第一级的低噪声放大器的噪声系数决定的；2、低噪声放大器需要放大接收到的小信号，提供足够高的增益，抑制混频器和基带的噪声对系统的影响；3、低噪声放大器需要具有较好的线性度，保证接收较大信号不失真；4、低噪声放大器需要具有较小的反射系数，使系统的功率传输最大。低噪声放大器的噪声系数、增益、输入输出匹配、反向隔离度、线性度是相互影响的，应该综合考虑并在各个性能指标之间进行折中优化。

为了解决现有技术中的优化折衷，本发明主要基于上述通信标准，提供一个能兼容13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段的CMOS差分低噪声放大器。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种多标准、多频段、低功耗、面积小的CMOS差分低噪声放大器，该放大器基于CMOS工艺实现，具有增益高、线性度好等优点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种多标准、多频段低噪声放大器，其包括信号输入电路、输入阻抗匹配网络、放大电路、输出阻抗匹配网络和偏置网络；其特征在于：所述信号输入电路与输入阻抗匹配网络连接，用于提供13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段的输入信号；所述输入阻抗匹配网络用于接收来自信号源的信号并匹配所述五个频段每一个频段下的输入阻抗，以及选择性放大所述信号；所述放大电路连接于所述输入阻抗匹配网络与所述输出阻抗匹配网络之间，用于放大所述输入阻抗匹配网络接收的信号；所述输出阻抗匹配网络连接于所述放大电路和输出端之间以匹配所述五个频段每一个频段下的输出阻抗，并输出最终的输出信号；所述偏置网络连接于信号源和所述放大电路之间，用于偏置放大电路以确定放大电路的工作点；所述输入阻抗匹配网络匹配所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段下的输入阻抗，当输入不同频率的信号时，通过控制开关选择相应频段的接入电容，以结合所述偏置网络匹配输入阻抗，并对输入信号滤波和选择性放大；所述输出匹配网络匹配所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段时的输出阻抗；所述偏置网络偏置所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段下的放大电路，以确定所述五个频段下的各自的静态工作点；结合所述的输入阻抗匹配网络，匹配五个频段每一个频段的输入阻抗；所述放大电路为带源极电感负反馈共源共栅结构，包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三电感Ls，其中Ls作为源极负反馈，M1、M2为差分输入管，M3、M4为电流源负载。

本发明还提供了：

所述输入阻抗匹配网络由开关控制的电容阵列组成。所述输出阻抗匹配网络使用LC谐振网络并联电阻组成。

所述控制开关使用小尺寸的MOS管，控制选择所述五个频段每一个频段的不同电容通路，以选择相应频率下的阻抗电路。所述电容为MOS电容。所述MOS电容为MOS管的MOS电容的栅极与连接在一起的源极、漏极、衬底形成，其电容值由MOS管的宽和长决定。所述电感为有源电感。所述有源电感采用MOS工艺实现。

附图说明

图1：多标准、多频段无线接收机中的低噪声放大器。

图2：本发明设计的多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器。

图3：低噪声放大器输入阻抗匹配的等效原理图。

图4：本发明设计的多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器的传递函数示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施案例对本发明作进一步说明。

本发明设计的多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器，是一个兼容13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段的差分窄带低噪声放大器，根据接收频率的不同，通过控制开关的工作和关闭，来选择不同频段下的接入电容和电路直流偏置，从而实现低噪声放大器在不同频段下输入阻抗匹配，使其可在相应的通信标准下工作。此外，考虑到无线通信系统对功耗的要求，本发明设计的低噪声放大器采用有源电感代替无源电感，因此不仅具有低功耗、小面积、低成本等优点，而且具有低噪声、高增益、低输入反射系数和高线性度等优点。

本发明设计的多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器的电路原理如附图2所示，包含信号输入电路、输入阻抗匹配网络、放大电路、偏置网络和输出阻抗匹配网络。

所述信号输入电路包括第一信号源rf1+、第二信号源rf2+、第三信号源rf3+、第四信号源rf4+、第五信号源rf5+、第六信号源rf1-、第七信号源rf2-、第八信号源rf3-、第九信号源rf4-和第十信号源rf5-，用来提供五种不同频率的输入信号。

所述输入阻抗匹配网络包括第一电感Lg1、第二电感Lg2、第三电感Ls、第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第四电容C3、第五电容C4、第六电容C5、第七电容C6、第八电容C7、第九电容C8、第十电容C9、第一开关K0、第二开关K1、第三开关K2、第四开关K3、第五开关K4、第六开关K5、第七开关K6、第八开关K7、第九开关K8、第十开关K9。输入阻抗匹配网络实现不同频率下选择不同的输入阻抗，其中开关用于选择相应的元件；其中所述电感Lg1、Lg2和Ls是采用有源电感实现的，所述电容C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、和C9是采用MOS电容实现的，所述开关K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8和K9是采用MOS管实现的，根据MOS管栅压的不同实现电路的工作和关闭。

所述放大电路，采用带源极电感负反馈共源共栅结构，包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三电感Ls，其中Ls实现源极负反馈，用以提高电路的线性度，降低电路噪声。

所述偏置网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电压源dc0、第二电压源dc1、第三电压源dc2、第四电压源dc3、第五电压源dc4、第六电压源dc5、第七电压源dc6、第八电压源dc7、第九电压源dc8、第十电压源dc9、第十一电压源Vb1、第十二电压源Vb2，用来提供电路在不同频率下的不同静态工作点。

所述输出阻抗匹配网络包括第一电阻R1、第二电阻R2、第四电感Ld1、第五电感Ld2、第十一电容Cout1、第十二电容Cout2，用以实现不同频率下的输出阻抗匹配。

电路的具体连接方式为：信号源rf1+的负端与地相连，正端与开关K10的一端相连，K10的另一端与直流源dc0的负端相连；信号源rf2+的负端与地相连，正端与开关K11的一端相连，K11的另一端与直流源dc1的负端相连；信号源rf3+的负端与地相连，正端与开关K12的一端相连，K12的另一端与直流源dc2的负端相连；信号源rf4+的负端与地相连，正端与开关K13的一端相连，K13的另一端与直流源dc3的负端相连；信号源rf5+的负端与地相连，正端与开关K14的一端相连，K14的另一端与直流源dc4的负端相连；直流源dc0、dc1、dc2、dc3、dc4的正端连在一起与电感Lg1的一端相连；Lg1的另一端与六个支路相连，分别连接于五个开关K0、K1、K2、K3、K4一端和晶体管M1的栅端；开关K0、K1、k2、K3、K4的另一端分别与五个电容C0、C1、C2、C3、C4的一端相连；五个电容C0、C1、C2、C3、C4的另一端与晶体管M1的源端相连，共同接在电感Ls的一端，Ls的另一端与地相连；晶体管M1的漏与M3的源相连；M3的栅与电压源Vb1的正端相连，Vb1的负端与地相连；M3的漏端与三个支路相连，这三个支路分别连接在R1、Ld1、Cout1的一端，R1、Ld1的另一端与VDD相连，Cout1的另一端与差动输出的正端相连；信号源rf1-的负端与地相连，正端与开关K19的一端相连，K19的另一端与直流源dc5的负端相连；信号源rf2-的负端与地相连，正端与开关K18的一端相连，K18的另一端与直流源dc6的负端相连；信号源rf3-的负端与地相连，正端与开关K17的一端相连，K17的另一端与直流源dc7的负端相连；信号源rf4-的负端与地相连，正端与开关K16的一端相连，K16的另一端与直流源dc8的负端相连；信号源rf5-的负端与地相连，正端与开关K15的一端相连，K15的另一端与直流源dc9的负端相连；直流源dc5、dc6、dc7、dc8、dc9的正端连在一起与电感Lg2的一端相连；Lg2的另一端与六个支路相连，分别连接于五个开关K5、K6、K7、K8、K9一端和晶体管M2的栅端；开关K5、K6、K7、K8、K9的另一端分别与五个电容C5、C6、C7、C8、C9的一端相连；五个电容C5、C6、C7、C8、C9的另一端与晶体管M2的源端相连，共同接在电感Ls的一端，Ls的另一端与地相连；晶体管M2的漏与M4的源相连；M4的栅与电压源Vb2的正端相连，Vb2的负端与地相连；M4的漏端与三个支路相连，这三个支路分别连接在R2、Ld2、Cout2的一端，R2、Ld2的另一端与VDD相连；Cout2的另一端与差动输出的负端相连；

放大电路的电路结构采用带源极电感负反馈的共源共栅结构；采用源极电感负反馈，能降低系统噪声，提高系统的线性度。

控制开关使用小尺寸的MOS管实现，可以实现不同频率下的不同电容通路，实现相应频率下的阻抗电路的选择，同时由于尺寸小，其寄生效应小，更容易实现匹配。

使用LC谐振网络与电阻并联，从而减小电阻在高频下的寄生效应，实现宽频带匹配。

将MOS管的源、漏、衬连接在一起，栅和其他三端就形成一个MOS电容，其电容值可以由MOS管的宽和长控制，与其他工艺下的电容相比，MOS电容具有面积小，电容值能精确控制的特征。

电感用MOS工艺实现，与螺旋电感相比具有工艺简单、面积小、品质因子高等优点。

具体工作机制如下：

1、第一信号源rf1+和第六信号源rf1-、第二信号源rf2+和第七信号源rf2-、第三信号源rf3+和第八信号源rf3-、第四信号源rf4+和第九信号源rf4-、第五信号源rf5+和第十信号源rf5-分别提供13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五种不同频率的信号源。

2、每个信号源分别有一个提供直流偏置的直流电源，分别为第一电压源dc0、第二电压源dc1、第三电压源dc2、第四电压源dc3、第五电压源dc4、第六压源dc5、第七电压源dc6、第八电压源dc7、第九电压源dc8、第十电压源dc9，分别为对应的信号源提供不同的偏置，这些电压源配合输入阻抗匹配网络实现不同频率下输入阻抗的匹配。

3、开关的协同工作：K10、K0、K5和K19同时工作和关闭，保证输入信号rf1+和rf1-以及匹配电容C0和C5接入电路，实现对13.56MHz信号的放大；K11、K1、K6和K18同时工作和关闭，保证输入信号rf2+和rf2-以及匹配电容C1和C6接入电路，实现对433MHz信号的放大；K12、K2、K7和K17同时工作和关闭，保证输入信号rf3+和rf3-以及匹配电容C2和C7接入电路，实现对900MHz信号的放大；K13、K3、K8和K16同时工作和关闭，保证输入信号rf4+和rf4-以及匹配电容C3和C8接入电路，实现对2.4GHz信号的放大；K14、K4、K9和K15同时工作和关闭，保证输入信号rf5+和rf5-以及匹配电容C4和C9接入电路，实现对5.8GHz信号的放大。

4、电感Lg1、电感Lg2及电感Ls是不同频段下的共用电感，在保证输入阻抗匹配的同时，通过共用电路元件达到减小电路面积的目的。

5、多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器工作时的输入阻抗是通过选择不同的直流偏置和不同的电容来实现的。该低噪声放大器输入阻抗的等效电路如图3所示。工作在第i(i＝1，2，3，4，5)个频段下，该低噪声放大器的输入阻抗Z_m为

$Z_m=s(L_s+L_{g\mathrm{1,2}})+\frac{1}{s(C_{\mathrm{gs}}+C_i)}+\frac{g_{\mathrm{mi}}}{(C_{\mathrm{gs}}+C_i)}{L}_s---\left(1\right)$

其中，C_i表示工作在不同频段下的接入电容，g_mi表示不同接入状态下相应的M1和M2的跨导，s＝jω，j为虚数单位，ω为输入信号的频率，C_gs表示M1和M2的栅源电容。为保证在每个频段下输入阻抗都是50Ω，要求下列公式(2)和公式(3)成立：

$\mathrm{\ω}(L_{g\mathrm{1,2}}+L_s)=\frac{1}{\mathrm{\ω}(C_{\mathrm{gs}}+C_i)}---\left(2\right)$

$Z_m=\frac{g_m}{C_{\mathrm{gs}}+C_i}{L}_s=50\mathrm{\Ω}---\left(3\right)$

6、图2所示低噪声放大器的噪声系数F为

$F=1+\frac{1}{R_s}(\frac{{\mathrm{\ωL}}_{g\mathrm{1,2}}}{Q_{\mathrm{Lg}}}+\frac{{\mathrm{\ωL}}_s}{Q_{\mathrm{Ls}}})+\mathrm{\γ}{g}_{d0}{R}_s\left(\frac{\mathrm{\ω}(C_{\mathrm{gs}}+C_i)}{g_{\mathrm{mi}}}\right)+\frac{{\left({\mathrm{\ωL}}_s\right)}^2}{R_s{R}_{\mathrm{1,2}}}---\left(4\right)$

其中，Q_Lg和Q_Ls表示电感L_g和电感L_s的品质因子，R_s表示输入信号源的内阻，一般是50Ω，γ是传播常数，g_d0表示零偏压下M1和M2的跨导。通过调节L_g和L_s的值可使噪声系数F达到最小。

7、图2所示的低噪声放大器的输出阻抗匹配网络Z_out为

$Z_{\mathrm{out}}=\frac{1}{{\mathrm{sC}}_{\mathrm{out}\mathrm{1,2}}}+\frac{{\mathrm{sR}}_{\mathrm{1,2}}{L}_{d\mathrm{1,2}}}{R_{\mathrm{1,2}}+{\mathrm{sL}}_{d\mathrm{1,2}}}---\left(5\right)$

由于在相应的五个工作频率下sC_out1，2和sL_d1，2很大，则Z_out≈R_d1，2，因此可以消除R_1，2电阻的寄生电容和寄生电阻效应，得到一个与频率无关的输出阻抗，实现五个频率下的输出阻抗匹配。

8、图2所示低噪声放大器的线性度可用输入三阶节点IIP₃来表示，当晶体管M1、M2、M3和M4都工作在饱和区时，三阶节点IIP₃为

IIP₃≈V_gs1，2-V_th1，2              (6)

其中V_gs1，2是晶体管M1和M2的栅源电压，V_th1，2是晶体管M1和M2的阈值电压。

9、图2中的开关和电容都用MOS管实现，可在确保实现其相应功能的同时，减小芯片的面积。

10、图4是本发明设计的多标准、多频段CMOS差分低噪声放大器的传递函数示意图。该低噪声放大器在放大五个频段的信号的同时，兼具滤波功能，更好地降低了系统的噪声。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、实现了对13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段的信号进行放大；

2、低噪声放大器中的电感由有源电感实现，显著减小了芯片面积，简化了工艺，降低了成本；

3、低噪声放大器中，在M1和M2的栅和源之间引入电容，不仅实现了不同频率下的输入阻抗匹配，并且减小了噪声不匹配和功率不匹配对系统稳定性的影响；

4、低噪声放大器的输入阻抗匹配网络，在提供阻抗匹配功能的同时还具有滤波功能，能实现对信号的选择性放大，减小其他信号对所需的五个信号的干扰；

5、低噪声放大器的输出阻抗匹配网络，通过LC谐振网络实现了输出阻抗的稳定。

在通信标准日益增多的今天，开发可兼容多标准、多频段的接收器成了必然发展趋势，因此，本发明提出的多标准、多频段的CMOS差分低噪声放大器具有很强的市场竞争力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种多标准、多频段低噪声放大器，其包括信号输入电路、输入阻抗匹配网络、放大电路、输出阻抗匹配网络和偏置网络；其特征在于：所述信号输入电路与输入阻抗匹配网络连接，用于提供13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段的输入信号；所述输入阻抗匹配网络用于接收来自信号源的信号并匹配所述五个频段每一个频段下各自的输入阻抗，以及选择性放大所述信号；所述放大电路连接于所述输入阻抗匹配网络与所述输出阻抗匹配网络之间，用于放大所述输入阻抗匹配网络接收的信号；所述输出阻抗匹配网络连接于所述放大电路和输出端之间以匹配所述五个频段每一个频段下各自的输出阻抗，并输出最终的输出信号；所述偏置网络连接于信号源和所述放大电路之间，用于偏置放大电路以确定放大电路的工作点；

所述输入阻抗匹配网络匹配所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段下各自的输入阻抗，当输入不同频率的信号时，通过控制开关选择相应频段的接入电容，以结合所述偏置网络匹配输入阻抗，并对输入信号滤波和选择性放大；

所述输出阻抗匹配网络匹配所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段下各自的输出阻抗；

所述偏置网络偏置所述13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五个频段每一个频段下的放大电路，以确定所述五个频段下各自的静态工作点；结合所述的输入阻抗匹配网络，匹配五个频段每一个频段各自的输入阻抗；

所述放大电路为带源极电感负反馈共源共栅结构，包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三电感Ls，其中Ls作为源极负反馈，M1、M2为差分输入管，M3、M4为电流源负载。

2.根据权利要求1所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述输入阻抗匹配网络由开关控制的电容阵列组成。

3.根据权利要求1所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述输出阻抗匹配网络使用LC谐振网络并联电阻组成。

4.根据权利要求1所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述控制开关使用小尺寸的MOS管，控制选择所述五个频段每一个频段下各自不同的电容通路，以选择相应频率下的阻抗电路。

5.根据权利要求4所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述电容为MOS电容。

6.根据权利要求1所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述电感为有源电感。

7.根据权利要求5所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述MOS电容为MOS管的MOS电容的栅极与连接在一起的源极、漏极、衬底形成，其电容值由MOS管的宽和长决定。

8.根据权利要求6所述的多标准、多频段低噪声放大器，其特征在于：所述有源电感采用MOS工艺实现。

Images