CN204425279U - 一种高增益低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高增益低噪声放大器，包括源极负反馈伪差分共源共栅电路和漏极负反馈差分共源共栅电路；源极负反馈伪差分共源共栅电路包括第一双MOS管电路、第二双MOS管电路以及用于串联第一双MOS管电路和第二双MOS管电路的第一谐振电路；漏极负反馈差分共源共栅电路包括第三双MOS管电路、第四双MOS管电路以及用于串联第三双MOS管电路和第四双MOS管电路的第二谐振电路；所述第一双MOS管电路与第四双MOS管电路串联，所述第二双MOS管电路与第三双MOS管电路串联。本实用新型通过设计两级不同的负反馈电路结构，有效地减少了对源级电感的需求，实现了更高增益和稳定的低噪声放大，并且减少了芯片的面积。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种放大器，属于射频芯片设计技术领域，具体涉及的是一种高增益低噪声放大器。
背景技术
北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BeiDou Navigation Satellite System），该系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具备短报文通信的能力，其定位精度优于 20m，授时精度优于100ns。目前，北斗系统已经过了试验阶段，正在进行第二阶段，即建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统， 2012年10 月25日，我国第 16颗北斗导航卫星升空，2013服务亚太地区，民用服务与 GPS一样免费，到2020年，将建成由 5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。
北斗卫星 RDSS用户机采用的射频收发机使用一次变频或二次变频架构，包括低噪声放大器、下变频器、滤波器、可变增益放大器、自动增益控制、ADC、频率综合器等。低噪声放大器用于LNA 电路，并作为北斗卫星导航系统接收机的第一级放大电路，后续处理都是基于LNA 放大后的信号进行的，在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，会影响导航系统的正常使用，因此需要对放大器进行低噪声设计，以提高输出的信噪比，减小噪声。
目前，由于北斗射频收发机采用的内部LNA增益为20dB~25dB，因而在天线到芯片射频间需要额外单独的LNA对信号放大，如此一来，不仅增加了系统的复杂度和成本，而且由于经典的LNA设计中均采用了源级电感负反馈来实现匹配和达到稳定，因而源级电感的使用在降低增益的同时，还占用了较大的面积。
实用新型内容
针对上述技术的不足，本实用新型提供了一种高增益低噪声放大器，其可以在射频芯片内部实现更高增益和稳定的低噪声放大，并且不使用源级电感。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种高增益低噪声放大器，包括源极负反馈伪差分共源共栅电路和漏极负反馈差分共源共栅电路；所述源极负反馈伪差分共源共栅电路包括第一双MOS管电路、第二双MOS管电路以及用于串联第一双MOS管电路和第二双MOS管电路的第一谐振电路；所述漏极负反馈差分共源共栅电路包括第三双MOS管电路、第四双MOS管电路以及用于串联第三双MOS管电路和第四双MOS管电路的第二谐振电路；所述第一双MOS管电路与第四双MOS管电路串联，所述第二双MOS管电路与第三双MOS管电路串联。
具体地说，所述第一双MOS管电路包括栅极经由电阻R1串联一偏置电压VG1的第一MOS管，源极与该第一MOS管漏极串联、漏极同时串联第一谐振电路和第四双MOS管电路的第三MOS管，与该第三MOS管栅极串联的偏置电压VG2，以及与第一MOS管源极串联并接地的键合线。
具体地说，所述第二双MOS管电路包括栅极经由电阻R2串联偏置电压VG1、且源极串联键合线的第二MOS管，以及源极与该第二MOS管漏极串联、栅极串联偏置电压VG2、且漏极同时串联第一谐振电路和第三双MOS管电路的第四MOS管。
具体地说，所述第一谐振电路包括串联在第三MOS管和第四MOS管二者的漏极之间的电容C1，以及与该电容C1并联、且中间抽头串接电源VDD的电感L1。
具体地说，所述第三双MOS管电路包括源极接地、且栅极经由电阻R3串联一偏置电压VG3的第五MOS管，源极与该第五MOS管漏极串联、漏极串联第二谐振电路的第七MOS管，以及与该第七MOS管栅极串联的偏置电压VG4；所述第四MOS管的漏极通过电容C4与第五MOS管的栅极串联。
具体地说，所述第四双MOS管电路包括源极接地、且栅极经由电阻R4串联偏置电压VG3的第六MOS管，以及源极与该第六MOS管漏极串联、栅极串联偏置电压VG4、且漏极串联第二谐振电路的第八MOS管；所述第三MOS管的漏极通过电容C3与第六MOS管的栅极串联。
具体地说，所述第二谐振电路包括串联在第七MOS管和第八MOS管二者的漏极之间的电容C2，以及与该电容C2并联、且中间抽头串接电源VDD的电感L2。
进一步地，本实用新型还包括与漏极负反馈差分共源共栅电路串接、用于控制其通断的开关电路。
再进一步地，所述开关电路包括源极串联第五MOS管栅极、栅极串联一偏置电压VG5、且漏极通过电阻R5串联第七MOS管漏极的第九MOS管，以及源极串联第六MOS管栅极、栅极串联偏置电压VG5、且漏极通过电阻R6串联第八MOS管漏极的第十MOS管；所述第九MOS管与电阻R5之间还串联有电容C5，所述第十MOS管与电阻R6之间则串联有电容C6。
作为优选，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十MOS管均为NMOS管。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
（1）本实用新型通过设计两级不同的负反馈电路结构，利用共源级产生与输入电压成正比的小信号漏电流，并将输入电压信号转变成电流信号，然后利用共栅级将共源级的电流信号通过放大传输到输出端口，从而实现了输入与输出的隔离，不仅有效地减少了放大器对源极电感的需求，实现了更高增益和稳定的低噪声放大，而且减少了芯片面积，并且输出阻抗更高，稳定性更好。
（2）本实用新型的第一级电路结构没有直接使用MOS工艺的电感，而是使用了键合线的寄生电感，因为MOS工艺中的电感面积较大，且Q值低会降低低噪声放大器的增益，因此，第一级电路使用源极键合线的寄生电感，不仅可以节省面积，而且Q值高、对放大器增益影响微弱。
（3）本实用新型还设置了用于控制第二级电路通断的开关电路，由于芯片封装管脚限制，源极需要直接芯片内部地，而不是通过键合线引到芯片外部，因而第二级电路采用了输出到输入的电阻电容负反馈，而采用此种反馈方式，放大部分有时会出现不稳定的情况，因而通过开关电路来对此负反馈进行控制，可以实现牺牲增益来换取稳定性的目的。
（4）本实用新型中的MOS管优选采用NMOS管，其具有导通电阻小、并且容易制造的优点，因而非常适合应用低噪声放大器方面。
（5）本实用新型电路结构简单、集成度高、系统的复杂度低、成本低廉，因此，其具有广泛的应用前景，非常适合推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，本实用新型提供了一种新型的高增益低噪声放大器，其采用了串接的两级电路结构，第一级为源极负反馈伪差分共源共栅电路结构，其包括第一双MOS管电路、第二双MOS管电路以及第一谐振电路；第二级则为漏极负反馈差分共源共栅电路结构，其包括第三双MOS管电路、第四双MOS管电路以及第二谐振电路。
所述的第一双MOS管电路包括第一MOS管M1、第三MOS管M3、电阻R1、偏置电压VG1、偏置电压VG2以及键合线Bondwire，其中，第一MOS管M1的栅极经由电阻R1串联偏置电压VG1，漏极则串联第三MOS管M3的源极；第三MOS管M3的栅极串联偏置电压VG2。所述的第二双MOS管电路包括第二MOS管M2、第四MOS管M4以及电阻R2，其中，第二MOS管M2的栅极经由电阻R2串联偏置电压VG1，漏极则串联第四MOS管M4的源极；第四MOS管M4的栅极串联偏置电压VG2。所述的第一谐振电路则包括并联的电容C1和电感L1，所述第三MOS管M3和第四MOS管M4各自的漏极均同时串联C1和电感L1，并且电感L1的中间抽头还串接电源VDD；同时，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2各自的源极均串联键合线并接地。
所述的第三双MOS管电路包括第五MOS管M5、第七MOS管M7、电阻R3、偏置电压VG3以及偏置电压VG4，其中，第五MOS管M5的栅极经由电阻R3串联偏置电压VG3，同时，该栅极还通过电容C4串联第四MOS管M4的源极，第五MOS管M5的漏极串联第七MOS管M7的源极；第七MOS管M7的栅极则串联偏置电压VG4。所述的第四双MOS管电路包括第六MOS管M6、第八MOS管M8以及电阻R4，其中，第六MOS管M6的栅极经由电阻R4串联偏置电压VG3，同时，该栅极还通过电容C3串联第三MOS管M3的源极，第六MOS管M6的漏极串联第八MOS管M8的源极；第八MOS管M8的栅极则串联偏置电压VG4。所述的第二谐振电路则包括并联的电容C2和电感L2，所述第七MOS管M7和第八MOS管M8各自的漏极均同时串联C2和电感L2，并且电感L2的中间抽头同样串接电源VDD；同时，所述第五MOS管M5和第六MOS管M6各自的源极均接地。
通过上述电路设计，可以看出，第一级的源极负反馈伪差分共源共栅电路利用键合线上的寄生电感来实现源极负反馈。而第二级的漏极负反馈差分共源共栅电路结构则利用输出对管漏极串联电阻和电容连接到输入端实现漏极负反馈。此外，为实现漏极负反馈差分共源共栅电路的通断控制，本实用新型还设置了一开关电路，其包括第九MOS管M9、第十MOS管M10、偏置电压VG5、电容C5、电容C6、电阻R5以及电阻R6。具体地说，所述的第九MOS管M9的源极串联第五MOS管M5的栅极，栅极串联偏置电压VG5，漏极经由电容C5串联电阻R5，电阻R5则串联第七MOS管的漏极；所述的第十MOS管M10的源极串联第六MOS管M6的栅极，栅极串联偏置电压VG5，漏极经由电容C6串联电阻R6，电阻R6则串联第八MOS管的漏极。
上述电路结构中的M1～M10均为NMOS管。本实用新型可应用于北斗射频集成电路中，应用时，将第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅极均串接差分信号的输入端（RFinp、RFinn），并将第七MOS管M7和第八MOS管M8的漏极均串接差分信号的输出端（Rfoutn、RFoutp）。这样一来，在应用的过程中，由于本实用新型通过源极负反馈和漏极负反馈实现了两级放大，因而减少了对源极电感的需求，实现了更高增益和稳定的低噪声放大，并且减少了芯片面积。另外，本实用新型还可以减少天线到射频芯片中间的一级独立低噪声放大器芯片，从而降低了系统复杂度和成本。
本实用新型使用TSMC018工艺实现的低噪声放大器可提供45dB的增益和1.8的噪声系数。
上述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非是对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高增益低噪声放大器，其特征在于，包括源极负反馈伪差分共源共栅电路和漏极负反馈差分共源共栅电路；所述源极负反馈伪差分共源共栅电路包括第一双MOS管电路、第二双MOS管电路以及用于串联第一双MOS管电路和第二双MOS管电路的第一谐振电路；所述漏极负反馈差分共源共栅电路包括第三双MOS管电路、第四双MOS管电路以及用于串联第三双MOS管电路和第四双MOS管电路的第二谐振电路；所述第一双MOS管电路与第四双MOS管电路串联，所述第二双MOS管电路与第三双MOS管电路串联。
2.根据权利要求1所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第一双MOS管电路包括栅极经由电阻R1串联一偏置电压VG1的第一MOS管，源极与该第一MOS管漏极串联、漏极同时串联第一谐振电路和第四双MOS管电路的第三MOS管，与该第三MOS管栅极串联的偏置电压VG2，以及与第一MOS管源极串联并接地的键合线。
3.根据权利要求2所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第二双MOS管电路包括栅极经由电阻R2串联偏置电压VG1、且源极串联键合线的第二MOS管，以及源极与该第二MOS管漏极串联、栅极串联偏置电压VG2、且漏极同时串联第一谐振电路和第三双MOS管电路的第四MOS管。
4.根据权利要求3所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第一谐振电路包括串联在第三MOS管和第四MOS管二者的漏极之间的电容C1，以及与该电容C1并联、且中间抽头串接电源VDD的电感L1。
5.根据权利要求4所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第三双MOS管电路包括源极接地、且栅极经由电阻R3串联一偏置电压VG3的第五MOS管，源极与该第五MOS管漏极串联、漏极串联第二谐振电路的第七MOS管，以及与该第七MOS管栅极串联的偏置电压VG4；所述第四MOS管的漏极通过电容C4与第五MOS管的栅极串联。
6.根据权利要求5所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第四双MOS管电路包括源极接地、且栅极经由电阻R4串联偏置电压VG3的第六MOS管，以及源极与该第六MOS管漏极串联、栅极串联偏置电压VG4、且漏极串联第二谐振电路的第八MOS管；所述第三MOS管的漏极通过电容C3与第六MOS管的栅极串联。
7.根据权利要求6所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第二谐振电路包括串联在第七MOS管和第八MOS管二者的漏极之间的电容C2，以及与该电容C2并联、且中间抽头串接电源VDD的电感L2。
8.根据权利要求7所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，还包括与漏极负反馈差分共源共栅电路串接、用于控制其通断的开关电路。
9.根据权利要求8所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述开关电路包括源极串联第五MOS管栅极、栅极串联一偏置电压VG5、且漏极通过电阻R5串联第七MOS管漏极的第九MOS管，以及源极串联第六MOS管栅极、栅极串联偏置电压VG5、且漏极通过电阻R6串联第八MOS管漏极的第十MOS管；所述第九MOS管与电阻R5之间还串联有电容C5，所述第十MOS管与电阻R6之间则串联有电容C6。
10.根据权利要求9所述的一种高增益低噪声放大器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十MOS管均为NMOS管。
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