CN102158179B

CN102158179B - 一种采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器

Info

Publication number: CN102158179B
Application number: CN201110066048.9A
Authority: CN
Inventors: 熊斯; 郝诗磊; 梅年松; 黄煜梅; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: CN102158179A

Abstract

本发明属于射频集成电路技术领域，具体为一种采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器。它由跨导放大器、正反馈网络、负反馈网络和输出LC谐振网络组成。本发明的电路结构，结合了正反馈技术与负反馈技术，降低了低噪声放大器的噪声，提高了增益，并且可以通过调节输出LC谐振网络的电容阵列和电感阵列，实现频带可调。本发明具有增益大、功耗低、噪声低和不需要额外的片外匹配元器件等优点。可用于兼容多种无线通信标准的多模接收机射频前端中。

Description

一种采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器。

背景技术

随着社会与技术的进步，越来越多的无线应用得到开发，各类新的无线标准不断推出。多模射频接收机是近年来学术界和工业界的研究热点，通过单一的接收机链路可实现多种通讯协议的兼容，并且可以降低整个接收机的功耗和芯片的面积。

在接收机系统中，低噪声放大器作为链路的第一级，承担了重要的作用，它的主要功能是提供足够的增益来克服后续(如混频器)的噪声。低噪声放大器的增益往往与功耗成正比，而对于射频接收机系统而言，低功耗是其基本要求，因此在保证中足够增益情况下如何减小功耗是应用于接收机系统中低噪声放大器设计的重要难题。除了提供这一增益而又附加尽可能少的噪声以外，一个低噪声放大器应当对输入信号源（如天线）实现一定程度的阻抗匹配以达到最大功率传输的目的。当低噪声放大器的前级是一个无源滤波器时，阻抗匹配尤为重要，因为很多滤波器的传输特性对于终端匹配的情况是非常敏感的。多模低噪声放大器主要有两种结构：多个窄带低噪声放大器并联输入和宽带结构，前者相对于后者具有更好的噪声性能和更低的噪声，并且对于阻塞信号有很好的抑制作用。

综上所述，针对多模低噪声放大器的设计，如何实现增益、功耗、输入匹配和噪声等性能的优化提高，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功耗省、低噪声、增益高的多模低噪声放大器，以便对不同的协议，电路可以通过开关调整其中心频率，同时不需要额外的片外匹配元器件。

本发明提供的多模低噪声放大器，采用正反馈和负反馈结构，如图1所示。本发明所提出的低噪声放大器5，由跨导放大器1、正反馈网络2、负反馈网络3和输出LC谐振网络4组成；Vin为输入端口，Vout为输出端口。输出阻抗为Rs的输入信号源6，通常为天线或者天线后级的带通滤波器。直流通路电感7，为低噪声放大器提供一个直流工作点。正反馈网络跨接在跨导放大器的漏端和源端上，负反馈网络连接在跨导放大器的源端和栅端上。

上述方案中，跨导放大器采用共栅NMOS管或PMOS管，可以是单端输入或者是差分输入。该跨导放大器有较低的输入阻抗和较高的输出阻抗，输出电流方向向内。

上述方案中，正反馈网络和负反馈网络可以由无源电路实现，也可以由有源电路实现。负反馈网络可以在低功耗条件下提高跨导放大器的放大系数，但它的作用受到输入匹配的限制，正反馈网络可以消除输入匹配的限制，并且具有很高的增益，但它的功耗很大。正反馈网络和负反馈网络两种技术可以互补，两者的结合最终是带来功耗、输入匹配的优化，并且其噪声性能优于单独使用一种反馈网络的情况。

上述方案中，输出LC谐振网络包括电容调节阵列和电感调节阵列，由开关选择合适的部分电容或电感，其中电感的选择是用于粗调，电容的选择是用于细调，使得功率增益或电压增益在所需频段中调整到最高。因此不需要额外的片外匹配元器件进行调整。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，采用一套低噪声放大器电路即可以完成多种协议下的射频信号输入接收和放大，提高了电路的集成度，节约了芯片面积，并且不需要额外的片外匹配元器件。

2、利用本发明，把正反馈网络和负反馈网络两种技术结合在一起，降低了低噪声放大器的功耗和噪声，提高了增益。

附图说明

图1为本发明提供的采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器原理框图。

图2为本发明提供的采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器在CMOS工艺上的一种具体实现方式。

图中标号：1为跨导放大器，2为正反馈网络，3为负反馈网络，4为输出LC谐振网络，5为低噪声放大器，6为输入信号源，7为直流通路电感。

具体实施方式

下面结合附图１和附图２，详细阐述实施本发明的一个具体实例，其工作频段分为低频段(1.9GHz～2.3GHz)和高频段(5GHz～6GHz)，兼容PCS1900、WCDMA、802.11a等多种标准。

如图2所示，本发明的采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器包括跨导放大器、正反馈网络、负反馈网络和输出LC谐振网络。跨导放大器由第一NMOS管（M1）和第二NMOS管（M2）组成，它是差分方式输入的，用以减少共模干扰，抑制电源和地上的噪声,其跨导为Gm。第一电容（C1）和第二电容（C2）组成了负反馈网络，第一电容（C1）连接在第一NMOS管（M1）的栅端和第二NMOS管（M2）的源端，第二电容（C2）连接在第二NMOS管（M2）的栅端和第一NMOS管（M1）的源端。负反馈网络的增益是固定的，为A_NEG=1。第三电容（C3）、第四电容（C4）、第一PMOS管（M3）和第二PMOS管（M4）组成了正反馈网络，第三电容（C3）与第一PMOS管（M3）栅端串联接在第一NMOS管（M1）的源端和第二NMOS管（M2）的漏端，第四电容（C4）与第二PMOS管（M4）栅端串联接在第二NMOS管（M2）的源端和第一NMOS管（M1）的漏端。其正反馈网络的增益是由PMOS管的跨导决定的，可以调节，但为了保证正反馈网络的稳定，其增益设为A_POS=0.5。第三电容（C3）、第四电容（C4）是交流耦合电容。

输出LC谐振网络包括第一电感（L1）、第二电感（L2）、第三电感（L3）、第四电感（L4）、第五电容（C5）、第六电容（C6）、第七电容（C7）、第八电容（C8）、第九电容（C9）、第十电容（C10）、第三PMOS管（M5）、第三NMOS管（M6）、第四NMOS管（M7）和第五NMOS管（M8）。第一电感（L1）和第三电感（L3）串联在第一NMOS管（M1）漏端，第二电感（L2）和第四电感（L4）串联在第二NMOS管（M2）漏端，第三PMOS管（M5）连接在它们的串连点之间。第五电容（C5）、第三NMOS管（M6）、第六电容（C6），第七电容（C7）、第四NMOS管（M7）、第八电容（C6）和第九电容（C9）、第五NMOS管（M8）、第十电容（C10）三组电容调节阵列并联在第一NMOS管（M1）和第二NMOS管（M2）的漏端。可输出LC谐振网络实现选频功能，并且在直流时不消耗电压裕度，提高输出的动态范围。控制第三PMOS管（M5）的导通和关闭，可以交流短路或者不短路第三电感（L3）和第四电感（L4），实现高频段和低频段的切换。控制NMOS开关管第三NMOS管（M6）、第四NMOS管（M7）和第五NMOS管（M8）的导通和关闭，可以实现频率的细调。输出LC谐振网络的阻抗为Z_L，Z_L选择为使得功率增益或者电压增益在中心频率处达到最高，这样就可以分别覆盖PCS1900、WCMDA、802.11a等多种协议标准的频段。

采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器工作时，从输入端口Vin看进去的输入电阻Zin可以表示为：

Figure 2011100660489100002DEST_PATH_IMAGE002

在信号的频率范围内，令Zin等于Rs即实现了输入阻抗匹配，因此输入阻抗匹配与跨导放大器的跨导是相关的。

图2中所述的采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器，从输入端口Vin到输出端口Vout的电压增益Av可以表示为:

Figure 2011100660489100002DEST_PATH_IMAGE004

如果

Figure 2011100660489100002DEST_PATH_IMAGE006

如上式所述,由于正反馈网络和负反馈网络的作用，输入等效跨导没有减小，而且输出等效阻抗提高到原来的4倍，这样在没有消耗额外电流的情况下整个低噪声放大器增益提高到原来4倍。

下面分析采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器的噪声，电路的总噪声来源有三个部分：跨导放大器NMOS管的热噪声，正反馈网络PMOS管的热噪声，输出LC谐振网络电容与电感的热噪声。噪声的主要来源是跨导放大器NMOS管的热噪声，正反馈网络与输出LC谐振网络可以忽略不计，整个电路的贡献的噪声系数NF可以表示为：

Figure 2011100660489100002DEST_PATH_IMAGE008

如上式所述,由于正反馈网络和负反馈网络的作用，整个电路的噪声贡献减小为原来的四分之一。

调整电路中的元件值，使其满足以上所述的阻抗匹配、电压增益和噪声系数的要求，即完成了一个兼容PCS1900、WCDMA、802.11a等多种标准，采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器。

最后所应说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非限制，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种采用正反馈和负反馈结构的多模低噪声放大器，其特征在于由跨导放大器(1)、正反馈网络(2)、负反馈网络(3)和输出LC谐振网络(4)组成；其中，正反馈网络(2) 连接在跨导放大器(1)的漏端和源端上，负反馈网络(3)连接在跨导放大器(1)的源端和栅端上；

所述跨导放大器(1)采用共栅NMOS管或PMOS管，是单端输入或者是差分输入；输出电流方向向内；

所述正反馈网络(2)和负反馈网络(3)由无源电路实现，或者由有源电路实现；

所述输出LC谐振网络(4)包括电容调节阵列和电感调节阵列，由开关选择合适的部分电容或电感，其中电感的选择是用于粗调，电容的选择是用于细调，使得功率增益或电压增益在所需频段中调整到最高；

所述负反馈网络(3)由第一电容（C1）、第二电容（C2）、第一NMOS管（M1）和第二NMOS管（M2）组成；第一电容（C1）连接在第一NMOS管（M1）的栅端和第二NMOS管（M2）的源端，第二电容（C2）连接在第二NMOS管（M2）的栅端和第一NMOS管（M1）的源端；正反馈网络由第三电容（C3）、第四电容（C4）、第一PMOS管（M3）和第二PMOS管（M4）组成；第三电容（C3）与第一PMOS管（M3）栅端串联接在第一NMOS管（M1）的源端和第二NMOS管（M2）的漏端，第四电容（C4）与第二PMOS管（M4）栅端串联接在第二NMOS管（M2）的源端和第一NMOS管（M1）的漏端；

所述输出LC谐振网络(4)包括第一电感（L1）、第二电感（L2）、第三电感（L3）、第四电感（L4）、第五电容（C5）、第六电容（C6）、第七电容（C7）、第八电容（C8）、第九电容（C9）、第十电容（C10）、第三PMOS管（M5）、第三NMOS管（M6）、第四NMOS管（M7）和第五NMOS管（M8）；第一电感（L1）和第三电感（L3）串联在第一NMOS管（M1）漏端，第二电感（L2）和第四电感（L4）串联在第二NMOS管（M2）漏端，第三PMOS管（M5）连接在第一电感（L1）和第三电感（L3）的串联点与第二电感（L2）和第四电感（L4）的串连点之间；第五电容（C5）、第三NMOS管（M6）、第六电容（C6），第七电容（C7）、第四NMOS管（M7）、第八电容（C8）和第九电容（C9）、第五NMOS管（M8）、第十电容（C10）三组电容调节阵列并联在第一NMOS管（M1）和第二NMOS管（M2）的漏端；控制第三PMOS管（M5）的导通和关闭，用以交流短路或者不短路第三电感（L3）和第四电感（L4），实现高频段和低频段的切换；控制第三NMOS管（M6）、第四NMOS管（M7）和第五NMOS管（M8）的导通和关闭，用以实现频率的细调。