一種無電感低功耗高增益高線性度寬帶低噪聲放大器的制作方法

本發明涉及射頻接收機系統中的低噪聲放大器，尤其是一種無電感低功耗高增益高線性度寬帶低噪聲放大器。

背景技術：

低噪聲放大器是無線接收機中的第一級有源電路，它本身應具有很低的噪聲并提供足夠的增益以抑制后續電路的噪聲。在設計時，需要面臨各種各樣的設計指標要求，例如：較小的芯片面積、低噪聲、低功耗、高增益、高線性度和較寬的帶寬。由于有些設計指標之間本身存在矛盾，例如低噪聲和高線性度，因此在設計時往往很難全部兼顧，需要進行折中或者采用一些技術手段。

有源電阻負反饋結構放大器由于不采用或很少采用電感，通常占用的芯片面積較小，因此廣泛應用于低成本的寬帶低噪聲放大器的設計中，主要原因是其具有較寬的輸入匹配特性和一定的電壓增益，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器電路如圖1所示。信號由晶體管m1柵極輸入，晶體管m1的漏極接負載電阻rl，信號最后由晶體管m1的漏極輸出。通過調整m1的寬長比及柵極偏置電壓，可以調整流經m1的電流大小。為了實現寬帶匹配，m1的漏極輸出信號通過晶體管m2和電流源i1組成的源級跟隨器電路由晶體管m2的源級輸出，晶體管m2源級輸出的信號通過反饋電阻rf返回到晶體管m1的柵極。通過調整晶體管m1的寬長比和柵極偏置電壓，進而改變m1的跨導gm，可以獲得不同的電壓增益。通過優化晶體管m1的跨導gm和反饋電阻rf值的大小，從而使其輸入阻抗與50歐姆天線匹配，獲得良好的寬帶輸入匹配特性。為了提高電路的反向隔離度和輸出匹配特性，晶體管m1漏極輸出信號通過晶體管m3和電流源i2組成的源級跟隨器電路由晶體管m3的源級輸出。該結構具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬，同時具有一定的電壓增益。但是，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器具有以下缺點：

第一是功耗大，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的輸入阻抗近似為(1+gm2rf)/gm2(1+gm1rl)，其中gm1為輸入晶體管跨導，gm2為源級跟隨晶體管m2的跨導。為了獲得一定的電壓增益和實現輸入阻抗與50歐姆天線的匹配，必須通過增加工作電流以提高輸入管的跨導，同時調整反饋電阻rf和負載電阻rl的值使上式近似等于50歐姆。

第二是增益低，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的增益很大程度上取決于共源級晶體管m1的增益，由于反饋電阻rf的存在，使其增益有一定的損失，因此，盡管該放大器是兩級級聯放大器，具有一定的電壓增益，但是增益較低。

第三是隔離度差，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器中的隔離度較差，將導致輸出端的信號通過反饋回路返回到輸入端，難以滿足系統對隔離度指標的要求。

最后是噪聲大，傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的噪聲系數較大，往往超過4db。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的不足，提供一種無電感低功耗高增益高線性度寬帶低噪聲放大器，能在保證寬帶特性基礎上，降低放大器的功耗和噪聲，提高放大器的增益、隔離度和線性度。

本發明采取的技術方案如下：一種無電感低功耗高增益高線性度寬帶低噪聲放大器，其特征在于：設有放大單元、復用單元、級聯單元、負載單元、輸入匹配反饋單元、電流鏡單元和反向隔離輸出匹配單元；射頻輸入信號連接放大單元，放大單元的輸出分別連接復用單元和級聯單元，級聯單元的輸出分別連接負載單元、輸入匹配反饋單元和反向隔離輸出匹配單元，輸入匹配反饋單元的輸出除連接電流鏡單元外還反饋連接放大單元，反向隔離輸出匹配單元輸出射頻輸出信號，其中：

放大單元包括nmos管m1，nmos管m1的柵極連接射頻輸入信號rfin，晶體管m1的柵極偏置電壓由輸入匹配反饋單元和電流鏡單元提供；

復用單元包括pmos管m2、pmos管m4、電阻rb1及電容c1，pmos管m2的柵極連接放大單元中nmos管m1的柵極，pmos管m2源極連接pmos管m4的漏極和電容c1的一端，pmos管m4的柵極通過電阻rb1連接偏置電壓vb1，pmos管m4的源極連接電容c1的另一端并與電源vdd連接；

級聯單元包括nmos管m3，nmos管m3的源極分別連接放大單元中nmos管m1的漏極和復用單元中pmos管m2的漏極；

負載單元包括電阻rl，電阻rl的一端連接級聯單元中nmos管m3的漏極，電阻rl的另一端連接電源vdd；

輸入匹配反饋單元包括nmos管m5、nmos管m6、偏置電阻r1、反饋電阻rf、反饋電容cf和電容c2，nmos管m5的柵極連接級聯單元中nmos管m3的漏極，nmos管m5的漏極連接電源vdd，nmos管m5的源極連接nmos管m6的漏極和柵極并連接偏置電阻r1的一端，偏置電阻r1的另一端連接電容c2的一端和級聯單元中nmos管m3的柵極，電容c2的另一端接地，nmos管m6的源極連接反饋電阻rf與反饋電容cf并聯后的一端，反饋電阻rf與反饋電容cf并聯后的另一端連接放大單元中nmos管m1的柵極；

電流鏡單元包括電阻r2，電阻r2的一端連接輸入匹配反饋單元中nmos管m6的源極，電阻r2的另一端接地；

反向隔離輸出匹配單元包括pmos管m7、pmos管m10、nmos管m8、nmos管m9、電阻rb2、電阻rb3、交流反饋電容c3和輸出匹配電阻rout；pmos管m7的源極和pmos管m10的源極均連接電源vdd，pmos管m7的柵極通過電阻rb2連接偏置電壓vb2，pmos管m7的漏極與pmos管m10的柵極、nmos管m8的漏極以及交流反饋電容c3的一端連接在一起，nmos管m8的柵極連接級聯單元中nmos管m3的漏極，nmos管m8的源極與pmos管m10的漏極、nmos管m9的漏極以及輸出匹配電阻rout的一端連接在一起，nmos管m9的柵極連接交流反饋電容c3的另一端并通過電阻rb3連接偏置電壓vb3，nmos管m9的源極接地，輸出匹配電阻rout的另一端輸出射頻輸出信號rfout。

本發明的優點及顯著效果：采用cmos工藝，在設計射頻電路中具有較大優勢，電路結構中不含片內電感，大大減小了芯片面積。除此之外，對傳統的寬帶電路結構進行了改進，在改善噪聲性能與增益的同時，將功耗大幅度降低，使電路具有較大的增益帶寬與較寬的輸入匹配帶寬，且具有較高的線性度和較小的噪聲系數。

(1)低功耗。在實現50歐姆寬帶輸入阻抗匹配要求下，采用本發明可以大幅度降低功耗，通過電流復用技術可以將工作電流降至8ma(3v電源電壓下)，而傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器，需要約13ma的工作電流(3v電源電壓下)。

(2)高增益。本發明通過兩級電流復用技術，在保證工作電流不變的情況下，在射頻信號輸入放大單元增加一級共源共柵放大器構成復用單元，極大提高了輸入級的有效跨導gm，同時在反向隔離輸出匹配單元中也采用了一級共源共柵放大器構成電流復用單元，這些技術的采用，大大提高了電壓增益。在相同功耗條件下(3v電源電壓下，工作電流8ma)，本發明相對于傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，其電壓增益大幅提高，見圖4。

(3)高隔離度。本發明中采用的共源共柵極電流復用技術，極大地提高了放大器的整體隔離度，相比傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器，電路隔離度可從原先30db提高至50db。

(4)低噪聲。本發明采用電流復用技術，在降低功耗的同時帶來了極高的增益，從而有利于降低電路噪聲系數。除此之外，該電路將級聯單元nmos管m3的漏極輸出信號通過nmos管m5、m6構成的源級跟隨器和反饋電阻rf、反饋電容cf饋到信號輸入端，從而為噪聲系數和輸入阻抗提供了另外一個自由度，使得電路可以在維持匹配的條件下進一步降低噪聲系數。在相同功耗條件下(3v電源電壓下，工作電流8ma)，本發明相對于傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，其噪聲系數大幅降低，見圖5。

(5)高線性度。本發明針對傳統的有源電阻負反饋放大器增益與線性度相矛盾的情況，在電路中采用電阻r2取代傳統的電流鏡電路，并通過采用有源電阻電容并聯的反饋電路結構使得電路的直流反饋通路與交流反饋通路為同一支路，從而提高電路的輸入1db壓縮點pin-1db。在相同功耗條件下(3v電源電壓下，工作電流8ma)，本發明相與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器相比，其pin-1db均可以提高約6db，見圖6。

(6)本發明提出的兩級電流復用、有源電阻電容并聯負反饋低噪聲放大器，可以大幅降低功耗，提高電壓增益、隔離度和線性度，降低噪聲系數，可以應用于寬帶射頻前端中。

(7)本發明采用cmos工藝，在設計射頻電路中具有較大優勢，電路結構中不含片內電感，大大減小了芯片面積。除此之外，對傳統的寬帶電路結構進行了改進，在改善噪聲性能與增益的同時，將功耗大幅度降低，使電路具有較大的增益帶寬與較寬的輸入匹配帶寬，且具有較高的線性度和較小的噪聲系數。

附圖說明

圖1是傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的電路原理圖；

圖2是本發明低噪聲放大器的電路方框圖；

圖3是本發明低噪聲放大器的電路原理圖；

圖4是相同功耗下本發明與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，電壓增益曲線比較；

圖5是相同功耗下本發明與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，噪聲系數曲線比較；

圖6是相同功耗下本發明與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器輸入1db壓縮點pin-1db曲線比較。

具體實施方式

參看圖2，本發明設有放大單元1、復用單元2、級聯單元3、負載單元4、輸入匹配反饋單元5、電流鏡單元6、反向隔離輸出匹配單元7，射頻輸入信號連接放大單元1，放大單元1的輸出分別連接復用單元2和級聯單元3，級聯單元3的輸出分別連接負載單元4、輸入匹配反饋單元5和反向隔離輸出匹配單元7，輸入匹配反饋單元5的輸出除連接電流鏡單元6外還反饋連接放大單元1，反向隔離輸出匹配單元7輸出射頻輸出信號。

其中，射頻輸入信號連接放大單元1和輸入匹配反饋單元5，用來實現50歐姆的寬帶輸入阻抗匹配。放大單元1的輸出連接復用單元2和級聯單元3，級聯單元3與負載單元4組成的電路完成輸入信號的第一次放大，第一次放大后的信號除了送入輸入匹配反饋單元5以外，還送入到反向隔離輸出匹配單元7的輸入端，完成信號的第二次放大，其中輸入匹配反饋單元5的輸出端與放大單元1的輸入端相接，另一端與電流鏡單元6相連，射頻輸出信號從反向隔離輸出匹配單元7的輸出端輸出。

參看圖3，放大單元1包括nmos管m1，nmos管m1的柵極除了連接射頻輸入信號rfin外，還與輸入匹配反饋單元5的輸出端相連，晶體管m1的柵極偏置電壓由輸入匹配反饋單元5和電流鏡單元6組成的電路提供。

復用單元2包括pmos管m2、pmos管m4、電阻rb1及電容c1，pmos管m2的柵極與放大單元1的nmos管m1的柵極相連，pmos管m2源極與pmos管m4的漏極相連，pmos管m4的柵極通過電阻rb1連接偏置電壓vb1，可以通過調節pmos管m4的柵極偏置電壓來調整流過負載單元rl的直流電流，從而調整級聯單元nmos管m3的漏極的直流電平。pmos管m4的源極與電源端vdd相連，nmos管m1和pmos管m2構成了電流復用的共源放大器，電容c1的一端連接pmos管m2的源極，另一端連接電源端vdd，大電容c1將pmos管m2的源極交流接地。

級聯單元3包括nmos管m3，nmos管m3的源極分別與nmos管m1的漏極和pmos管m2的漏極相連，nmos管m1的漏極和pmos管m2的漏極輸出電流經過級聯單元3的nmos管m3流入負載單元rl，通過電流復用技術提高了lna輸入級的有效跨到，同時減小了流入nmos管m3以及rl上的直流電流，減小了rl上的電壓降，從而有效提高了lna負載單元輸出級的擺幅，進而提高了lna的線性度。負載單元4包括負載電阻rl，rl的一端與nmos管m3的漏極相連，另一端與電源端vdd相連。

輸入匹配反饋單元5包括nmos管m5，nmos管m6，柵極偏置電阻r1，反饋電阻rf，反饋電容cf，電容c2。級聯單元nmos管m3漏極與nmos管m5的柵極相連，nmos管m5的漏極端與電源端vdd相連，nmos管m5的源極與二極管方式連接的nmos管m6的漏極相連，柵漏短接的nmos管m6工作于飽和區，柵極偏置電阻r1一端與nmos管m6的柵極相連接，另一端與級聯單元nmos管m3的柵極相連接，為其提供直流偏置電壓。反饋電阻rf與反饋電容cf的一端與nmos管m6的源極線連接，另一端與放大單元nmos管m1的柵極和復用單元pmos管m2的柵極相連，級聯單元nmos管m3的漏極輸出信號經過nmos管m5和m6組成的源極跟隨器，并通過反饋電阻rf與反饋電容cf構成的反饋回路饋入到放大器的射頻信號輸入端，反饋電容cf的引入，不僅可以提高輸入端的寬帶匹配，還可以部分補償放大器的高頻增益損失。此反饋結構交直流反饋為同一通路，省略了隔直電容，不僅減少了芯片的面積，而且避免了隔直電容到襯底的寄生電容對源極跟隨器負載的影響，從而提高了放大器的線性度。

電流鏡單元6包括電阻r2，其一端連接nmos管m6的源極，另一端連接接地端，用電阻r2取代傳統的電流鏡電路，進一步提高了電路的線性度。

反向隔離輸出匹配單元7包括pmos管m7、m10，nmos管m8、m9，柵極偏置電阻rb2、rb3，交流反饋電容c3，輸出匹配電阻rout。pmos管m7的漏極與nmos管m8的漏極相連，pmos管m7、m10的源極與電源端vdd相連，pmos管m7的柵極與偏置電阻rb2的一端相連，rb2電阻的另一端與外加偏置電壓vb2相連，nmos管m9的漏極與nmos管m8的源極相連，nmos管m9的源極與接地端相連，nmos管m9的柵極與偏置電阻rb3的一端相連，rb3電阻的另一端與外加偏置電壓vb3相連。nmos管m8、m9構成了第二個源極跟隨器提供反向隔離功能和輸出匹配功能，與此同時，pmos管m7和nmos管m8構成第二個電流復用支路，降低了流經該支路的電流，進一步減小了電路的功耗。為了提高電路的大電流負載驅動能力和實現較寬的寬帶匹配，將pmos管m10源極與電源端vdd相連，柵極與nmos管m8的漏極相連，漏極與nmos管m8的源極相連，電容c3的一端與nmos管m8的漏極相連，另一端與nmos管m9的柵極相連，級聯單元nmos管m3的漏極輸出信號從nmos管m8的柵極輸入，從nmos管m8的源極輸出，輸出的信號連接輸出匹配調節電阻rout的一端，射頻輸出信號由輸出匹配調節電阻rout的另一端輸出。

射頻輸入信號由放大單元1輸入，對傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器的輸入阻抗近似為(1+gm2rf)/gm2(1+gm1rl)，其中gm1為輸入晶體管跨導，gm2為源級跟隨晶體管m2的跨導。為了獲得一定的電壓增益和實現輸入阻抗與50歐姆天線的匹配，必須通過增加工作電流以提高輸入管的跨導，同時調整反饋電阻rf和負載電阻rl的值使上式近似等于50歐姆。本發明分別在復用單元2和反向隔離輸出匹配單元7模塊中都采用了電流復用技術，在降低功耗的同時帶來了極高的增益，除此之外，將級聯單元3的nmos管m3的漏極輸出信號通過nmos管m5、m6構成的源級跟隨器和反饋電阻rf、反饋電容cf饋到信號輸入端，反饋電容cf的引入為噪聲系數和輸入阻抗提供了另外一個自由度，使得電路可以在維持匹配的條件下進一步降低噪聲系數。

參看圖4可見，相同功耗下本發明與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，其結果顯示本發明設計的低噪聲放大器增益最高。

參看圖5可見，相同功耗下本發明與傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的放大器相比，其結果顯示本發明設計的低噪聲放大器噪聲系數最低。

本發明設計的低噪聲放大器在3v電源電壓下工作電流約為8ma。該低噪聲放大器3db帶寬為0.2-2.5ghz，最大電壓增益約為20.7db，帶內噪聲系數約為2.5db到3.1db。通過對比，其性能遠遠優于傳統的兩級級聯結構的有源電阻負反饋低噪聲放大器和僅輸入級采用電流復用技術的低噪聲放大器。