專利名稱：可調增益低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
發明涉及信號與信息處理領域，尤其是涉及射頻發射接收技術。
背景技術：
目前射頻接收電路的實現方式有超再生結構，超外差結構，低中頻結構，零中頻結 構等。
圖1所示為一個簡化的零中頻接收電路，射頻信號經由天線接收后通過低噪聲放大 器放大和本地振蕩器產生的振蕩信號混頻到中頻，中頻信號通過一級中頻放大器放大進入 濾波電路，濾波器濾除帶外信號，得到的基帶信號再經二級中頻放大器放大供后級解調電 路解調。圖1所示零中頻接收電路的射頻低噪聲放大器作為天線接收信號后的第一級模 塊，其噪聲性能對接收機的靈敏度有至關重要的影響，因此低噪聲放大器設計一直是射頻 接收電路設計中的關鍵技術之一。在實際應用中要求接收電路具有大的動態范圍，即要求 接收信號幅度從小到大變化幾十甚至百萬倍時，接收電路仍然能正常工作。通常采取增加 自動增益控制環路的方式保證大動態范圍，即當接收信號較大時，通過檢測到的信號強度 反饋回去，適當降低信號通路中部分模塊的信號增益以保證其后級模塊的輸入信號在其動 態范圍以內，從而保證系統工作正常。低噪聲放大器作為接收機的第一級，降低其信號增益 可以降低其后所有模塊對動態范圍的要求，但是增加低噪聲放大器的增益控制的同時不能 使噪聲性能惡化，否則接收機的靈敏度將受影響。目前低噪聲放大器增益的調節可采用連續時間調節和數字開關調節兩種實現方 式。其中，連續時間調節的方式一般要求增益和控制電壓為對數線性關系，即增益的分貝數 dB(Gain)和增益控制電壓Vc成正比，這樣在不同信號大小下，自動增益控制環路的穩定時 間一致。連續時間可調增益低噪聲放大器(LNA)可以通過調節負載大小、增加前置/后置 衰減器、或者調節工作電流等方法實現，其中可變負載一般由處于線性區的MOS電阻組成， 連續時間衰減器也多是基于MOS電阻，同采用調節工作電流的方法一樣，由于MOS管的I-V 特性滿足平方率關系，不能直接實現增益和增益控制電壓的對數線性關系。
發明內容
本發明旨在解決現有技術的不足，提供一種在給定的控制電壓可調范圍內實現增 益在最小限定增益和最大限定增益之間對數線性控制的可調增益低噪聲放大器。可調增益低噪聲放大器，包括可調增益模塊、預失真器和最小增益模塊射頻輸入到所述可調增益模塊和所述最小增益模塊；所述預失真器將增益控制電壓Vc和參考電壓Vref比較后，轉換為第一偏置電流 rtias，所述第一偏置電流Ibias提供給可調增益模塊；所述最小增益模塊提供最小增益控制，最小增益模塊輸入第二偏置電流rtiad 調節其增益；所述可調增益模塊的輸出和所述最小增益模塊的輸出合并作為可調增益低噪聲放大器的射頻輸出。所述最小增益模塊的第二偏置電流n3ias2由預失真器產生或者由外部電路提{共。所述可調增益模塊包括第一跨導和負載&，所述預失真器輸出的第一偏置電流 Ibias提供給所述第一跨導的第一輸入端，所述射頻輸入連接第一跨導的第二輸入端，所述 第一跨導的輸出端經負載4接地或電源，第一跨導和負載4的連接處連接射頻輸出端，第 一跨導的跨導值8111和負載A的乘積決定可調增益模塊的增益值，可調增益模塊通過改變第 一偏置電流rtias的大小改變跨導gm的值，進而調節可調增益模塊的增益。所述預失真器包括第一電流鏡、第四晶體管M4、第五晶體管M5和電流源，所述第 四晶體管M4和第五晶體管M5組成共源差分對，第四晶體管M4和第五晶體管M5的柵極分 別輸入增益控制電壓Vc和參考電壓Vref，所述第一電流鏡將第四晶體管M4的電流按一定 比例鏡像為第一偏置電流rtias供給可調增益模塊，若所述第四晶體管M4和第五晶體管M5 為NMOS管，則所述共源差分對的共同源級通過電流源接地，若所述第四晶體管M4和第五 晶體管M5為PMOS管，則所述共源差分對的共同源級通過電流源連接電源。第一偏置電流 Ibias與增益控制電壓為非線性關系，所以稱此模塊為預失真器。所述預失真器還可包括第二電流鏡，所述第二電流鏡將第五晶體管M5的電流按 一定比例鏡像為第二偏置電流供給最小增益模塊。所述最小增益模塊包括第二跨導，所述第二跨導的第一輸入端接收第二偏置電流 rtiad，所述第二跨導的第二輸入端連接射頻輸入，第二跨導的輸出端連接射頻輸出端。第 二跨導的大小按照最小增益的要求設定。所述射頻輸入信號和射頻輸出信號不限于單端信號，若為雙端信號，則第一跨導 與第二跨導也均為雙端電路。可調增益低噪聲放大器的工作方法(1)當增益控制電壓Vc >參考電壓Vref時，電流源的電流主要流過第四晶體管 M4，并通過第一電流鏡鏡像產生第一偏置電流rtias提供給所述可調增益模塊0 的第一 跨導，電流源的小部分電流流過第五晶體管M5，并通過第二電流鏡鏡像產生第二偏置電流
提供給所述最小增益模塊04)的第二跨導，此時第一跨導工作在飽和區，同第一跨 導相比第二跨導可以忽略，所述可調增益低噪聲放大器工作在大增益狀態。(2)當增益控制電壓Vc <參考電壓Vref時，電流源的電流主要流過第五晶體管 M5，第四晶體管M4進入亞閾值區，同時第四晶體管M4的電流通過第一電流鏡鏡像到可調增 益模塊(22)，使得可調增益模塊0 中的第一跨導也工作在亞閾值區。若忽略溝道調制效 應，亞閾值區晶體管的I-V特性為
wV -V,(1) L nVT其中η和Idtl為與工藝有關的常量，Vt為熱電勢KT/q，約等于^mV。W，L為MOS晶 體管柵極的寬和長，Vgs為柵源電壓差，Vth為MOS晶體管閾值電壓。由此推 算晶體 管跨導
(2)式表明，晶體管的跨導和偏置電流Ids成正比。第四晶體管M4處于亞閾值區，則第一偏置電流為
權利要求
1.可調增益低噪聲放大器，其特征在于包括可調增益模塊、預失真器和最小增益模塊射頻輸入到所述可調增益模塊和所述最小增益模塊；所述預失真器將增益控制電壓Vc和參考電壓Vref比較后，轉換為第一偏置電流 rtias，所述第一偏置電流Ibias提供給可調增益模塊；所述最小增益模塊提供最小增益控制，最小增益模塊輸入第二偏置電流調節 其增益；所述可調增益模塊的輸出和所述最小增益模塊的輸出合并作為可調增益低噪聲放大 器的射頻輸出。
2.如權利要求1所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述最小增益模塊的第二偏 置電流rtiad由預失真器產生或者由外部電路提供。
3.如權利要求1所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述可調增益模塊包括第 一跨導和負載，所述預失真器輸出的第一偏置電流Ibias提供給所述第一跨導的第一輸入 端，所述射頻輸入連接第一跨導的第二輸入端，所述第一跨導的輸出端經負載接地或電源， 第一跨導和負載的連接處連接射頻輸出端，第一跨導的跨導值gm和負載&的乘積決定可調 增益模塊的增益值，可調增益模塊通過改變第一偏置電流rtias的大小改變跨導gm的值， 進而調節可調增益模塊的增益。
4.如權利要求1所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述預失真器包括第一電流 鏡、第四晶體管M4、第五晶體管M5和電流源，所述第四晶體管M4和第五晶體管M5組成共 源差分對，第四晶體管M4和第五晶體管M5的柵極分別輸入增益控制電壓Vc和參考電壓 Vref,所述第一電流鏡將第四晶體管M4的電流按一定比例鏡像為第一偏置電流Ibias供給 可調增益模塊，若所述第四晶體管M4和第五晶體管M5為NMOS管，則所述共源差分對的共 同源級通過電流源接地，若所述第四晶體管M4和第五晶體管M5為PMOS管，則所述共源差 分對的共同源級通過電流源連接電源。
5.如權利要求4所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述預失真器還包括第二電 流鏡，所述第二電流鏡將第五晶體管M5的電流按一定比例鏡像為第二偏置電流rtiad供 給最小增益模塊。
6.如權利要求1所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述最小增益模塊包括第二 跨導，所述第二跨導的第一輸入端接受第二偏置電流rtiaS2，所述第二跨導的第二輸入端 連接射頻輸入，第二跨導的輸出端連接射頻輸出端。
7.如權利要求4所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于(1)當增益控制電壓Vc>參考電壓Vref時，電流源的電流主要流過第四晶體管M4，并 通過第一電流鏡鏡像產生第一偏置電流提供給所述可調增益模塊的第一跨導，電流源的小 部分電流流過第五晶體管M5，并通過第二電流鏡鏡像產生第二偏置電流rtiad提供給所 述最小增益模塊的第二跨導，此時第一跨導工作在飽和區，同第一跨導相比第二跨導可以 忽略，所述可調增益低噪聲放大器工作在大增益狀態；(2)當增益控制電壓Vc<參考電壓Vref時，電流源的電流主要流過第五晶體管M5，第 四晶體管M4進入亞閾值區，同時第四晶體管M4的電流通過第一電流鏡鏡像到可調增益模 塊，使得可調增益模塊中的第一跨導也工作在亞閾值區；(3)當增益控制電壓Vc遠小于Vref，第一偏置電流Ibias減小使得可調增益模塊的第 一跨導小于最小增益模塊的第二跨導時，可調增益低噪聲放大器的總增益完全由第二跨導 確定，電路工作在設定的最小增益狀態。
8.如權利要求3所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述可調增益模塊中的第一 跨導包括第二晶體管M2、第三晶體管M3、第一電阻R1、第一電容Cl和為第二晶體管M2提 供直流偏置的電感Ls，所述第三晶體管M3的漏極為第一跨導的第一輸入端，第三晶體管M3 將第一偏置電流Ibias按比例鏡像給第二晶體管M2，第一電阻Rl和第一電容Cl構成低通 濾波電路連接在第二晶體管M2和第三晶體管M3的柵極之間，以濾除預失真器和第三晶體 管M3產生的射頻噪聲，同時第一電容Cl將第二晶體管M2柵極交流接地，第一跨導的第二 輸入端為第二晶體管M2的源級，第一跨導的輸出端為第二晶體管M2的漏極；所述最小增益 模塊包括第一晶體管Ml、第六晶體管M6、第二電阻R2、第二電容C2，所述第六晶體管M6的 漏極為所述第二跨導的第一輸入端，第六晶體管M6將第二偏置電流rtiad鏡像給第一晶 體管M1，第二電阻R2和第二電容C2構成低通濾波電路濾除偏置電路產生的射頻噪聲，同時 第二電容C2將第一晶體管Ml柵極交流接地，第二跨導的第二輸入端為第一晶體管Ml的源 級，第二跨導的輸出端為第一晶體管Ml的漏極。
9.如權利要求3所述可調增益低噪聲放大器，其特征在于所述可調增益模塊中的第一 跨導包括第二晶體管M2、第十二晶體管M12、第三晶體管M3、第一電阻R1、第三電阻R3、第四 電阻R4、第五電阻R5和第一電容Cl，其中第三電阻R3，第四電阻R4，第五電阻R5分別連接 在第二晶體管M2、第十二晶體管M12、第三晶體管M3的源級和地之間，所述第三晶體管M3 將第一偏置電流Ibias轉換為柵極電壓，柵極電壓經過第一電阻Rl和第一電容Cl構成的 低通濾波電路連接到第二晶體管M2和第十二晶體管M12的共同柵極，第二晶體管M2和第 十二晶體管M12的源極分別作為第一跨導的兩個輸入端連接射頻輸入的兩端，第二晶體管 M2和第十二晶體管M12的漏極作為第一跨導的兩個輸出端；所述可調增益模塊中的第一負 載、:的一端和第二負載A2的一端分別連接在第一跨導的兩個輸出端，另一端連接到電源； 所述最小增益模塊中的第二跨導包括第一晶體管Ml、第十一晶體管Mil、第六晶體管M6，第 二電阻R2、第六電阻R6和第二電容C2，所述第六電阻R6連接在第六晶體管M6的源級提供 直流偏置，所述第六晶體管M6將第二偏置電流rtiad轉換為柵極電壓，此電壓經過第二電 阻R2和第二電容C2構成的低通濾波電路連接到第一晶體管Ml和第十一晶體管Mll的共 同柵極，所述第一晶體管Ml和第十一晶體管Mll的源極作為第二跨導的兩個輸入端，分別 連在第一跨導的兩個輸入端上，所述第一晶體管Ml和第十一晶體管Mll的漏極作為第二跨 導的兩個輸出端，分別連接在第一跨導的兩個輸出端上。
全文摘要
本發明提供了可調增益低噪聲放大器，其中預失真器將增益控制電壓Vc和參考電壓Vref比較，轉換為第一偏置電流Ibias，第一偏置電流Ibias提供給可調增益模塊；最小增益模塊提供最小增益控制，最小增益模塊輸入第二偏置電流Ibias2調節其增益；可調增益模塊的輸出和最小增益模塊的輸出合并作為可調增益低噪聲放大器的射頻輸出。通過預失真后的偏置信號控制可調增益模塊的增益，使得可調低噪聲放大器的增益在基準電壓附近與增益控制電壓為對數線性關系，同時通過最小增益模塊的設置實現可調增益低噪聲放大器最大增益和最小增益的精確控制。采用偏置電流控制增益的另一個優勢是，當信號較大時放大器工作電流大大降低，節省了功耗。
文檔編號H03F3/189GK102064773SQ20091015384
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者胡鐵剛, 蔡康康 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司