CN207910738U - 低噪声放大器、射频集成电路、信号接收模块及射频收发芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于信号放大电路领域，提供了一种低噪声放大器、射频集成电路、信号接收模块以及射频收发芯片，所述低噪声放大器包括信号放大模块，所述信号放大模块包括电容、第一电压源、第二电压源、第一放大器、第二放大器以及电阻负载，所述低噪声放大器还包括增益调节模块，所述增益调节模块包括第一开关、第二开关，所述射频集成电路包括所述低噪声放大器，所述信号接收模块也包括所述低噪声放大器，所述射频收发芯片包括所述信号接收模块。本实用新型的目的是将现有技术的放大器中的集成电感负载用电阻负载代替，从而可以减小放大器所占面积，同时也可以降低射频收发芯片的制作成本，以提高行业竞争力。
Description
技术领域
本实用新型属于信号放大电路领域，尤其涉及低噪声放大器、射频集成电路、信号接收模块及射频收发芯片。
背景技术
在射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuit，简称为RFIC）领域中，信号收发电路很重要，所述信号收发电路包括信号接收模块，一般信号接收模块会包含天线开关、低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称为LNA）、混频器MIXER、带宽滤波器（Band-Pass Filter，简称为BPF）、可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，简称为VGA）、模数转换器（Analog-to-Digital Converter，简称为ADC或A/D）等，具体的信号接收流程图如图1所示，之后将信号输出到数字信号处理（Digital Signal Processing，简称为DSP）模块。
其中，低噪声放大器LNA在信号接收模块中位于天线开关后的第一级，作为信号接收模块的重要组成部分，低噪声放大器的主要功能是对接受微弱信号的放大并尽量减少噪声的增加，从而保证系统在极低功率电平下的信噪比恶化量最小，另外，低噪声放大器还必须保证在强信号接收的情况下保持较好的线性度，保证系统不受到非线性失真的影响。
衡量一个低噪声放大器LNA的设计好坏，主要取决于噪声系数（Noise Figure，简称为NF）、增益（Gain，简称为G）、输入驻波比、线性度和稳定度等方面的指标，各项指标之间也存在矛盾和折中的关系。例如：噪声系数NF和增益G之间的折中，由于最优噪声匹配点并非共轭匹配点，为了降低噪声，往往会牺牲掉一定的增益G，因此，设计时必须合理权衡。
共源共栅极放大器结构由于其高电压增益和低噪声的性能，在低噪声放大器LNA的设计中得到了广泛的应用，且一般采用集成电感作为输出负载，电路图如图2所示，其中，Vb2表示第一电压源，Vdd表示第二电压源，Vb表示第三电压源，Ld表示集成电感，Cin表示电容，Rb表示电阻，M1表示第一CMOS管，M2表示第二CMOS管，Vin表示输入电压，Vout表示输出电压，图2所示的电路图可以大大提高电压增益和功率因数。
利用电感负载来改善低噪声放大器LNA的性能，在射频集成电路RFIC工艺中，集成电感的版图面积会比较大，光是电感本身的面积通常就会占整个LNA结构面积的4／5到5／6，从而使得射频收发芯片的整个面积也相应增加，增加的面积至少在0.1mm2以上，这样就大大增加了芯片生产成本，不利于行业的竞争。
一般的射频收发芯片，射频集成电路都会包含频率合成器SYNZ（Synthesizer，简称为SYNZ）、频率缓冲器buffer、天线开关balun、信号发射模块TXRF（Transmitter RadioFrequency，简称为TXRF）和信号接收模块RXRF（Receiver Radio Frequency，简称为RXRF），这些模块都包含有集成电感，集成电感在集成电路半导体中，面积会比较大，占用了很多芯片面积，生产成本也随之增加，具体的射频收发芯片的版图如图3所示。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种低噪声放大器、射频集成电路、信号接收模块以及射频收发芯片，旨在解决现在的用于射频集成电路的放大器中采用集成电感导致占用芯片面积过大的问题。
按照本实用新型的第一个方面，本实用新型提供了一种低噪声放大器，包括信号放大模块，所述信号放大模块包括电容、第一电压源以及第二电压源，所述信号放大模块还包括第一放大器、第二放大器以及电阻负载，所述电容的第一端作为所述低噪声放大器的输入端，所述电容的第二端连接所述第一放大器的第一输入端，所述第一放大器的第二输入端连接所述第二放大器的第一输出端，所述第一放大器的第一输出端接地，所述第二放大器的第一输入端连接所述第一电压源，所述第二放大器的第二输入端连接所述电阻负载的第一端，所述电阻负载的第二端连接所述第二电压源，所述低噪声放大器的输出端设置于所述电阻负载与所述第二放大器的第二输入端之间。
优选地，所述第一放大器为共源放大器，所述第二放大器为共栅放大器。
优选地，所述第一放大器为第一CMOS管，所述第二放大器为第二CMOS管，所述第一CMOS管的栅极作为所述第一放大器的第一输入端，所述第一CMOS管的漏极作为所述第一放大器的第二输入端，所述第一CMOS管的源极作为所述第一放大器的第一输出端，所述第二CMOS管的栅极作为所述第二放大器的第一输入端，所述第二CMOS管的漏极作为所述第二放大器的第二输入端，所述第二CMOS管的源极作为所述第二放大器的第一输出端。
优选地，所述电阻负载的大小在100Ω~1000Ω之间。
优选地，所述低噪声放大器还包括增益调节模块，所述增益调节模块包括第一开关、第二开关，所述增益调节模块的第一信号传输端连接所述第一开关的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一电压源，所述增益调节模块的第二信号传输端连接所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述增益调节模块的第三信号传输端连接所述第二电压源，所述增益调节模块的第四信号传输端连接所述第一放大器的第二输入端。
作为进一步优选地，所述第一开关与所述第二开关互斥。
作为进一步优选地，所述增益调节模块还包括第三CMOS管，所述第三CMOS管的栅极作为所述增益调节模块的第一信号传输端或所述增益调节模块的第二信号传输端，所述第三CMOS管的漏极作为所述增益调节模块的第三信号传输端，所述第三CMOS管的源极作为所述增益调节模块的第四信号传输端。
优选地，所述低噪声放大器用于射频集成电路。
优选地，所述低噪声放大器用于射频收发芯片中的信号接收模块。
按照本实用新型的第二个方面，本实用新型还提供了一种包括上述低噪声放大器的射频集成电路。
按照本实用新型的第三个方面，本实用新型还提供了一种包括上述低噪声放大器的信号接收模块。
按照本实用新型的第四个方面，本实用新型还提供了一种包括上述信号接收模块的射频收发芯片，包括频率合成器、频率缓冲器、天线开关以及信号发射模块。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本实用新型通过在射频集成电路中采用电阻式放大器，能够取得下列有益效果。
1、本实用新型所述的低噪声放大器，采用电阻负载代替现有技术中的集成电感负载，可以大大降低低噪声放大器所占面积，与典型的电感负载的低噪声放大器相比，可以减少60%~70%的面积，从而可以节约生产成本；
2、本实用新型所述的低噪声放大器的电阻负载的大小在100Ω~1000Ω之间，为低噪声放大器提供足够的增益，也可以使得电阻负载两端的电压降在0.2V~0.3V之间，这样不会导致净空问题，且可以达到良好的噪声系数；
3、本实用新型所述的低噪声放大器包括增益调节模块，所述增益调节模块包括第一开关、第二开关，且第一开关与第二开关互斥，从而可以通过调节第一开关与第二开关达到控制第二放大器的电流量的目的，从而可以调节低噪声放大器的增益大小；
4、本实用新型还提供了一种包括上述低噪声放大器的射频集成电路、信号接收模块、以及包括所述信号接收模块的射频收发芯片，通过将现有技术中的集成电感负载替换为电阻负载，在不影响低噪声放大器原有性能的情况下可以减小芯片的面积，从而大大降低芯片的生产成本，有利于行业的竞争。
附图说明
图1是现有技术的射频集成电路中信号接收模块的信号接收流程图；
图2是现有技术中采用集成电感作为负载的低噪声放大器的电路原理图；
图3是现有技术中射频收发芯片的版图结构；
图4是本实用新型采用电阻作为负载的低噪声放大器的电路原理图；
图5是本实用新型的低噪放大器的频率与噪声系数关系图；
图6是本实用新型的射频收发芯片的版图结构。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-信号放大模块；2-增益调节模块；3-信号接收模块；4-频率合成器；5-天线开关；6-信号发射模块。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图4所示，本实用新型提供了一种低噪声放大器，包括信号放大模块1，所述信号放大模块1包括电容Cin、第一电压源Vb2以及第二电压源Vdd，所述信号放大模块1还包括第一放大器、第二放大器以及电阻负载RL，所述第一放大器包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第二放大器包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述电容Cin的第一端作为所述低噪声放大器的输入端，所述电容Cin的第二端连接所述第一放大器的第一输入端，所述第一放大器的第二输入端连接所述第二放大器的第一输出端，所述第一放大器的第一输出端接地，所述第二放大器的第一输入端连接所述第一电压源Vb2，所述第二放大器的第二输入端连接所述电阻负载RL的第一端，所述电阻负载RL的第二端连接所述第二电压源Vdd，所述低噪声放大器的输出端设置于所述电阻负载RL与所述第二放大器的第二输入端之间。
所述第一放大器可以为共源放大器，所述第二放大器可以为共栅放大器。
所述第一放大器为第一CMOS管M1，所述第二放大器为第二CMOS管M2，所述第一CMOS管M1的栅极作为所述第一放大器的第一输入端，所述第一CMOS管M1的漏极作为所述第一放大器的第二输入端，所述第一CMOS管M1的源极作为所述第一放大器的第一输出端，所述第二CMOS管M2的栅极作为所述第二放大器的第一输入端，所述第二CMOS管M2的漏极作为所述第二放大器的第二输入端，所述第二CMOS管M2的源极作为所述第二放大器的第一输出端。
所述电阻负载RL的数量级为2，即所述电阻负载RL的大小在100Ω~1000Ω之间。
本实用新型所述的低噪声放大器还包括增益调节模块2，所述增益调节模块2包括第一信号传输端、第二信号传输端、第三信号传输端、第四信号传输端、第一开关S1、第二开关S2，所述增益调节模块2的第一信号传输端连接所述第一开关S1的第一端，所述第一开关S1的第二端连接所述第一电压源Vb2，所述增益调节模块2的第二信号传输端连接所述第二开关S2的第一端，所述第二开关S2的第二端接地，所述增益调节模块2的第三信号传输端连接所述第二电压源Vdd，所述增益调节模块2的第四信号传输端连接所述第一放大器的第二输入端，所述第一开关S1与所述第二开关S2互斥。
所述增益调节模块2还包括第三CMOS管M3，所述第三CMOS管M3的栅极作为所述增益调节模块2的第一信号传输端或所述增益调节模块2的第二信号传输端，所述第三CMOS管M3的漏极作为所述增益调节模块2的第三信号传输端，所述第三CMOS管M3的源极作为所述增益调节模块2的第四信号传输端。
本实用新型所述的低噪声放大器还包括第三电压源Vb1以及电阻Rb，所述第三电压源Vb1连接所述电阻Rb的第一端，所述电阻Rb的第二端连接所述电容Cin的第二端。
本实用新型所述的低噪声放大器是一个共源电阻式负载放大器，外部输入电压信号Vin通过所述低噪声放大器的输入端输入，通过电容Cin过滤掉直流信号，仅通过交流信号，再通过第一CMOS管M1作为跨导gml转换成电流，然后转换的电流信号通过所述第二CMOS管M2流到电阻负载RL，之后通过放大信号输出端输出放大信号Vout，输出的电压Vout＝－gml×RL×Vin，通过电阻负载RL会选择几百欧姆的电阻，这样可以为接受通路提供足够的增益，而且电阻负载RL两端的电压降在0.2V~0.3V，这样不会导致净空问题。其中，第二CMOS管M2是用作电流缓冲器，用在外部信号输入端与放大信号输出端之间，可以进行良好的反偏隔离，第三CMOS管M3是用于控制流经第二CMOS管M2的电流流量，从而可以控制低噪放大器的增益大小。
本实用新型所述的增益调节模块2的具体调节过程如下：当第一开关S1闭合且第二开关S2断开时，整个电路的电阻变小，从而电流变大，电阻负载两端的电压降增大，从而输出电压会相应减小，也就是说本实用新型所述的低噪声放大器的增益降低；当第一开关S1断开且第二开关S2闭合时，M3反偏，相当于M3断路，从而使得本实用新型所述的低噪声放大器的电路图的电阻增大，电流减小，从而使得电阻负载两端的电压降降低，相应的输出电压增高，也就是说本实用新型所述的低噪声放大器的增益变大。因此，本实用新型所述的第三CMOS管M3起到调节低噪声放大器增益的作用。
本实用新型所述的低噪声放大器的频率（Frequency，单位为GHz）与噪声系数NF（单位为dB）的关系图如图5所示，其中，NF＝输入端额定功率信噪比／输出端额定功率信噪比，而且，通过增加跨导gml和电阻负载RL，可以减少噪声系数NF。
本实用新型所述的低噪声放大器LNA的拓扑结构，与典型的电感负载低噪放大器相比，可以减少60%~70%的面积。
本实用新型还提供了一种包括上述低噪声放大器的射频集成电路。
本实用新型还提供了一种包括上述低噪声放大器的信号接收模块（RXRF）3。
如图6所示，本实用新型还提供了一种包括上述信号接收模块（RFRX）3的射频收发芯片，所述射频收发芯片还包括频率合成器（SYNZ）4、频率缓冲器、天线开关（balun）5以及信号发射模块（TXRF）6。
本实用新型的电阻式低噪声放大器，直接省掉了信号接收模块（RXRF）3里的低噪声放大器的集成电感元件，大大缩小了射频收发芯片的面积，节约了芯片生产的成本，更提高了在同行业的竞争力。
本实用新型采用电阻来代替集成电感的技术方案，不仅对低噪声放大器LNA的性能参数没有造成任何降低，而且还能有效地减小芯片面积，降低了成本，更提高了行业竞争力。
另外，一种高增益自偏置无电感的低噪声放大器也可以实现本实用新型的技术方案以及本实用新型的目的。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低噪声放大器，包括信号放大模块（1），所述信号放大模块（1）包括电容、第一电压源以及第二电压源，其特征在于，还包括第一放大器、第二放大器以及电阻负载，所述电容的第一端作为所述低噪声放大器的输入端，所述电容的第二端连接所述第一放大器的第一输入端，所述第一放大器的第二输入端连接所述第二放大器的第一输出端，所述第一放大器的第一输出端接地，所述第二放大器的第一输入端连接所述第一电压源，所述第二放大器的第二输入端连接所述电阻负载的第一端，所述电阻负载的第二端连接所述第二电压源，所述低噪声放大器的输出端设置于所述电阻负载与所述第二放大器的第二输入端之间。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一放大器为共源放大器，所述第二放大器为共栅放大器。
3.如权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一放大器为第一CMOS管，所述第二放大器为第二CMOS管，所述第一CMOS管的栅极作为所述第一放大器的第一输入端，所述第一CMOS管的漏极作为所述第一放大器的第二输入端，所述第一CMOS管的源极作为所述第一放大器的第一输出端，所述第二CMOS管的栅极作为所述第二放大器的第一输入端，所述第二CMOS管的漏极作为所述第二放大器的第二输入端，所述第二CMOS管的源极作为所述第二放大器的第一输出端。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述电阻负载的大小在100Ω~1000Ω之间。
5.如权利要求1或3所述的低噪声放大器，其特征在于，还包括增益调节模块（2），所述增益调节模块（2）包括第一开关、第二开关，所述增益调节模块（2）的第一信号传输端连接所述第一开关的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第一电压源，所述增益调节模块（2）的第二信号传输端连接所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地，所述增益调节模块（2）的第三信号传输端连接所述第二电压源，所述增益调节模块（2）的第四信号传输端连接所述第一放大器的第二输入端。
6.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述增益调节模块（2）还包括第三CMOS管，所述第三CMOS管的栅极作为所述增益调节模块（2）的第一信号传输端或所述增益调节模块（2）的第二信号传输端，所述第三CMOS管的漏极作为所述增益调节模块（2）的第三信号传输端，所述第三CMOS管的源极作为所述增益调节模块（2）的第四信号传输端。
7.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一开关与第二开关互斥。
8.一种包括如权利要求1~7任意一项所述的低噪声放大器的射频集成电路。
9.一种包括如权利要求1~7任意一项所述的低噪声放大器的信号接收模块（3）。
10.一种包括如权利要求9所述的信号接收模块（3）的射频收发芯片，其特征在于，包括频率合成器（4）、频率缓冲器、天线开关（5）以及信号发射模块（6）。
Priority Applications (1)
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| CN107809220A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-03-16 | 建荣半导体（深圳）有限公司 | 低噪声放大器、射频集成电路、信号接收模块及射频收发芯片 |
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