CN102497167A - 一种基于电感补偿的射频超宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于电感补偿的射频超宽带低噪声放大器，涉及射频集成电路技术，本发明主要由输入放大级、反馈级、匹配级、负载级、偏置级和输出缓冲级电路共同组成。本发明的超宽带低噪声放大器在输入匹配级和负载级均采用了电感补偿，带有独立偏置的电流复用技术降低了低噪声放大器对工艺的敏感性，使得性能更加稳定，也实现了超大带宽，工作频率范围为0.1-12GHz，同时取得了良好的噪声、线性度、增益、功耗等指标，适用于超宽带多标准无线通信接收系统中。

Description

一种基于电感补偿的射频超宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路设计技术领域，应用于接收器的射频前端，是一种适用于多种无线通信标准的超宽带低噪声放大器，适用于超宽带接收机系统中。

背景技术

随着电子信息产业的发展，电路集成化已成为微电子行业人才共同研究的方向，而射频芯片在通信领域所占的地位无可替代。在射频接收器中，低噪声放大器一般作为接收器的第一级，其工作频率往往很高，需要考虑波的反射特性；同时低噪声放大器需要提供足够的增益来克服后续电路带来的噪声，噪声特性的好坏决定了接收器的灵敏度，说明低噪声放大器必须能够处理接近噪声电平的很微弱的信号；此外低噪声放大器要同时需要处理接近发送天线的很高电平的信号，保证接收大信号而不产生失真，因此线性度是低噪声放大器的一项重要指标，一个低噪声放大器的性能的好坏对整个接收器的性能起着至关重要的作用。由于与天线相连接，因此低噪声放大器的输入信号源通常表现为一个特定的阻抗，例如50Ω或75Ω。低噪声放大器在接收器的所起的作用决定了它的研究价值，宽带低噪声放大器性能的优劣由带宽、噪声系数、反射系数、线性度、增益、功耗等多项指标共同来衡量。

窄带低噪声放大器只能处理某一个频段的射频信号，在某些领域已不能满足要求，例如软件无线电领域，如果采用多个窄带低噪声放大器来实现，那么会占用很大的芯片面积，也使得电路复杂化，因此宽带低噪声放大器成为目前射频集成电路研究的热点。宽带低噪声放大器能够处理多个频段的射频信号，从而节约了成本。

超宽带技术自提出以来，已经成为研究的热点，超宽带定义为：带宽的上限频率f_max与下限频率f_min的差除以中心频率f₀的值K大于125％，同时带宽超过1.5GHz，即满足

$K=\frac{f_{\max }-f_{\min }}{f_0}>1.25---\left(1\right)$

f_max-f_min＞1.5G                    (2)

而要想实现多种模式通信标准的接收器，就需要低噪声放大器能够处理多个频段的射频信号，同时保证在处理这些频段的信号时具有较低的噪声系数以及可以接收的线性度。

传统的宽带低噪声放大器如图1所示，该电路为有源反馈结构宽带低噪声放大器，(以下器件NMOS晶体管用MN表示，器件PMOS晶体管用MP表示)，器件MN1、MN2构成电路共源共栅放大级，RL为放大器的负载，器件Rf、MN4为低噪声放大器提供了有源反馈用以实现输入阻抗匹配，Vb1为MN3提供偏置，这样可以为MN4提供电流，MP1起到为负载电阻RL分流以减小其上面压降的作用，但是这种结构很难同时实现高增益和很宽的带宽，原因在于分流晶体管MP1要流过比较大的电流，需要较大的器件尺寸，使得漏端到地的寄生电容很大。为此，本发明提供了一种新的结构来实现超宽带低噪声放大器。

发明内容

本发明的目的是为了在射频超宽带范围内能实现较高的增益，特提供一种基于电感补偿的0.1-12GHz的超宽带低噪声放大器，以克服现有技术的不足，根据(1)式得知本发明的K值约为1.967，远高于其他论文以及专利所设计的宽带低噪声放大器，同时得到了良好的宽带输入匹配、噪声系数、线性度等性能，可应用于超宽带通信系统中。

为了实现带宽足够大的超宽带低噪声放大器，本发明采用了新的技术方案，如图2所示：本发明的超宽带低噪声放大器主要由输入放大级、反馈级、匹配级、负载级、偏置级和输出缓冲级电路共同组成：

输入放大级由NMOS晶体管MN1、MN2以及PMOS晶体管MP1共同组成，用以实现对输入信号的放大功能；

反馈级由NMOS晶体管MN3、电阻Rf以及隔直电容C1、C2共同组成，连接在输入放大级的输出端和输入端之间，用来在电路中实现反馈得到等效的输入阻抗，从而可以使匹配级实现输入阻抗匹配；

匹配级由带有ESD保护的焊盘寄生电容CP、片内电感L1、反馈器件MN3、Rf、C1、C2共同组成，这样可以实现输入阻抗匹配，从而获得良好的输入反射系数(一般认为反射系数小于-10dBm即为可以接受的值)；

负载级由电阻RL、片内电感L2、电容CL组成，RL、L2起到为低噪声放大器提供负载从而实现正常放大信号的作用，CL为模拟低噪声放大器下一级(混频器)所引入的电容；

偏置级由电流源I1、I2，NMOS晶体管MN4、MN5、MN6、MN7，PMOS晶体管MP2，电阻R1、R2、R3共同组成，起到为低噪声放大器提供偏置电流的作用，以使得低噪声放大器各个通路可以正常工作；

输出缓冲级由NMOS晶体管MN8、电阻R4组成，可以将输出直流电位调整至合适的值，也可以对输出端口进行阻抗匹配，便于低噪声放大器流片后的单独测试。

输入放大级与负载级实现对输入信号Vin放大，输入放大级输出端连接反馈级、负载级和输出缓冲级，输入放大级对信号进行放大后经MN2的漏端输出，通过反馈级反馈至输入放大级的输入端，同时MN2的漏端输出信号流入输出缓冲级，输出低噪声放大器的输出信号Vout，偏置级与输入放大级、反馈级相连接，为输入放大级和反馈级提供合适的偏置电流。

本发明中，VDD、GND分别为低噪声放大器提供电源1.2V和0V的直流电位，在偏置级电路设计合理的情况下，通过CP、L1、MN3、Rf、C1、C2可实现良好的输入匹配作用，因此输入信号Vin可以进入放大级电路，并经过MN1、MP1、MN2进行放大，从MN2的漏端输出后进入MN8的栅极缓冲后从MN8的源极输出信号为Vout，输出信号Vout与输入信号Vin的比值即为低噪声放大器的增益。

本发明所提出的超宽带低噪声放大器与图1所示的传统的低噪声放大器相比改进的地方及优点如下：

1.并没有像传统宽带低噪声放大器那样在负载电阻两端并联一个分流MOS晶体管，这样可以消除传统技术中的分流MOS晶体管漏端到地的电容，从而在一定程度上提高了带宽；

2.在输入放大级采用了电流复用技术，即流过MP1的电流同时流过MN1，这样不但可以增加放大级的跨导，提高低噪声放大器的增益，同时MP1分得MN1的部分电流，缓解了负载电阻RL上面的压降，可以得到比较合理的输出直流电位，使得在低电源电压下能够正常工作；

3.与其他论文中或专利中的电流复用技术不同，本发明的电流复用技术采用了两个独立的偏置，即MN1、MP1由于电容C1、C2的隔直作用而具有相对独立的偏置，这样的好处为MN1与MP1的电流可以相对独立，而不受工艺偏差的影响，流过MN1、MP1的电流确定以后，那么负载电阻RL上面的压降基本恒定，这样可以为反馈器件MN3提供相对稳定的直流电位，从而使得反馈环路更加稳定的工作；

4.电感L1加在低噪声放大器的输入放大级之前，不但为匹配做了一定贡献，同时可以补偿输入端的电容，达到增加低噪声放大器的带宽的目的；

5.电感L2加在低噪声放大器的负载级，可以对低噪声放大器的输出极点进行补偿，使得输出极点向远离原点的方向移动，达到增加低噪声放大器的带宽的目的，也增强了增益的平坦度；

6.输出缓冲级用来对输出信号进行缓冲，可以将输出直流电位调整至合适的值，也可以对输出端口进行匹配，便于低噪声放大器流片后的单独测试。

本发明的超宽带低噪声放大器具有足够大的带宽：在0.1-12GHz宽带范围内均可实现良好的输入匹配，同时噪声、线性度、增益、功耗等指标都符合典型超宽带低噪声放大器设计的标准(具体性能将在实施方式中给出)，适用于无线宽带通信。

附图说明

图1是传统的宽带低噪声放大器。

图2是本发明超宽带低噪声放大器的电路原理图。

图3是本发明超宽带低噪声放大器的输入反射系数仿真曲线。

图4是本发明超宽带低噪声放大器的增益仿真曲线。

图5是本发明超宽带低噪声放大器的噪声系数仿真曲线。

图6是本发明超宽带低噪声放大器的三阶输入交调点仿真曲线。

具体实施方式

下面结合图2对本发明的超宽带低噪声放大器做进一步的说明。

本发明的超宽带低噪声放大器主要由输入放大级、反馈级、匹配级、负载级、偏置级和输出缓冲级电路共同组成，各部分的连接关系以及所起的作用如下：

电源电压VDD为1.2V，GND为0V；

输入放大级由NMOS晶体管MN1、MN2以及PMOS晶体管MP1共同组成，用以实现对输入信号的放大功能，MN1的源极接地，漏极分别与MP1的漏极和MN2的源极相连接，MP1的源极连接电源VDD；

反馈级由NMOS晶体管MN3、电阻Rf以及隔直电容C1、C2共同组成，MN3的漏极接电源VDD，栅极连接输入放大级的输出端，源极连接反馈电阻Rf，并通过隔直电容C1、C2连接到输入放大级的输入端，用来在电路中实现反馈得到等效的输入阻抗，从而使匹配级实现输入阻抗匹配；

匹配级由带有ESD保护的焊盘寄生电容CP、片内电感L1、反馈器件MN3、Rf、C1、C2共同组成，电感L1对输入端的容性进行了补偿，选取合适的电感值可以实现宽带输入阻抗匹配，从而达到在所需要的频带内获得良好的输入反射系数的目的；

负载级由电阻RL、片内电感L2、电容CL组成，RL、L2起到为低噪声放大器提供负载从而实现正常放大信号的作用，电感L2与电阻RL串联，CL为模拟低噪声放大器下一级(混频器)所引入的电容；

偏置部分由电流源I1、I2，NMOS晶体管MN4、MN5、MN6、MN7，PMOS晶体管MP2，电阻R1、R2、R3共同组成，偏置级通过电阻R1、R2分别连接至输入放大级中MN1和MP1的栅极，起到为低噪声放大器提供偏置电流的作用，以使得低噪声放大器各个通路可以正常工作，输入放大级、反馈级所需的电流均由偏置级提供；

输出缓冲级由NMOS晶体管MN8、电阻R4组成，MN8的栅极与输入放大级的输出端(MN2的漏极)连接，MN8的源极与电阻R4相连，可以将输出直流电位调整至合适的值，也可以对输出端口进行阻抗匹配，便于低噪声放大器流片后的单独测试。

Vin为射频输入信号，在输入匹配良好的情况下，经过C1、C2后进入MN1、MP1的栅极，从MN1和MP1的漏端输入出进入MN2的源端，并从MN2的漏端输出，这样相当于MN1、MP1使用了电流复用技术，同时与MN2构成了跨导增强型共源共栅放大级，有利于提高增益，共栅管MN2用来加强低噪声放大器的逆向隔离，抑制密勒效应，降低后续电路(如混频器)产生的本振信号泄漏以及减小了输出端到输入端的反馈作用，提高了电路的稳定性。

MN2的漏端与负载电阻RL和电感L2串联，这样可以实现对输入信号的放大，电感L2对高频增益有一定的补偿作用，从而能够扩展低噪声放大器的带宽，对L2进行合适的取值会使超宽带低噪声放大器具有良好的增益平坦度。

MN2的漏端至输入信号端口之间存在一个反馈环路，由MN3、Rf组成，由于晶体管具有寄生电容，ESD保护也呈现容性，为了补偿输入端的容性，本发明使用了电感L1做了一定程度的补偿，这样可以实现输入端良好的匹配，使得输入信号Vin的反射在可以接受的范围内。低噪声放大器输入阻抗匹配的条件为

1/g_mn3+R_f＝Rs(1+A_v)            (3)

Rs为源输入阻抗，本发明中Rs取值50Ω，g_mn3为晶体管MN3的跨导，R_f为反馈环路中带内阻Rf的阻值，A_v为MN2漏端的输入信号与输入信号的比值。根据(3)式可知，若要满足匹配条件，则有

R_f＜Rs(1+A_v)            (4)

MN2的漏端连接至缓冲级MN8的栅极，MN8的源极连接电阻R4，输出信号Vout为射频输出信号，Vout从电阻R4和MN8之间的连接处输出。通过调节缓冲级MN8和R4的输出阻抗，使得与测试仪的阻抗匹配，可以在流片后单独对低噪声放大器进行测试，同时缓冲级进一步增强了低噪声放大器的隔离度，本发明中缓冲级对增益有2dB的衰减。

若要实现输入放大级正常工作，则需要建立合适的静态工作点。本发明采用隔直电容C1、C2使得输入放大级晶体管MN1、MP1具有独立的偏置，从而不受工艺等因素的影响；电流源I1、晶体管MN6以及电阻R1为MN1提供了合适的偏置电流，以完成电流镜像的作用；晶体管MN7、MP2以及电阻R2、R3为MP1提供了合适的偏置电流，以完成电流镜像的作用；电流源I2、晶体管MN4、MN5为反馈环路提供稳定的电流，完成电流镜像的作用，从而保证MN3具有相对恒定的跨导。

电容CL为负载电容，用来模拟下一级(混频器)的栅极到地的电容，仿真时设置CL为100fF。

本发明超宽带低噪声放大器的输入反射系数(S11)的仿真曲线如图3所示。在0.1-12GHz频率范围内输入反射系数均小于-10dB，满足一般低噪声放大器输入阻抗匹配的要求。增益曲线(Gain)如图4所示。在0.1-12GHz频率范围内增益在15.26-16.76dB之间变化，实现了良好的增益平坦度。

本发明的超宽带低噪声放大器噪声系数(Noise Figure)如图5所示，在0.1-12GHz频率范围内噪声系数在2.3-3.5dB之间，而在0.2-8GHz频率范围内小于2.8dB，完全满足超宽带低噪声放大器的低噪声要求。

对于低噪声放大器而言，线性度也是至关重要的，它决定了低噪声放大器所能接受的信号的最大强度，本发明低噪声放大器在1.2V电源电压供电下，三阶输入交调点(IIP3)的仿真曲线如图6所示，在0.1-12GHz频率范围内，IIP3在-10dBm至-4.4dBm之间变化，满足一般低噪声放大器的线性度要求。

综上所述，本发明的超宽带低噪声放大器使用65nm RFCMOS工艺进行仿真验证，在0.1-12GHz带宽内可以正常工作，输入匹配性能良好，噪声和线性度均可满足正常工作指标，主放大级电流为5.54mA，反馈级电流为1.73mA，后面缓冲级电流为1.38mA，消耗总电流约为8.65mA。

最后应说明的是本发明不仅适用于工作于0.1-12GHz带宽范围内的低噪声放大器，本发明提出了具体方案和仿真验证，因此只要不脱离本发明中的实施思想，都属于本发明的权利要求范围以内。

Claims (3)

1.一种基于电感补偿的射频超宽带低噪声放大器，包括输入放大级、反馈级、匹配级、负载级、偏置级和输出缓冲级，其特征在于该低噪声放大器电路中采用了电感补偿以实现在超宽带范围内的较为平坦的高增益，组成该低噪声放大器的电路结构和功能如下：

所述的输入放大级由NMOS晶体管MN1、MN2以及PMOS晶体管MP1共同组成，用以实现对输入信号的放大功能；

所述的反馈级由NMOS晶体管MN3、电阻Rf以及电容C1、C2共同组成，连接在输入放大级的输出端和输入端之间，用来在电路中实现反馈得到等效的输入阻抗，从而可以使匹配级实现输入阻抗匹配；

所述的匹配级由带有ESD保护的焊盘寄生电容CP、片内电感L1、反馈器件MN3、Rf、C1、C2共同组成，这样可以实现输入阻抗匹配，从而获得良好的输入反射系数；

所述的负载级由电阻RL、片内电感L2、电容CL组成，RL、L2起到为低噪声放大器提供负载从而实现正常放大信号的作用，CL为模拟低噪声放大器下一级(混频器)所引入的电容；

所述的偏置级由电流源I1、I2，NMOS晶体管MN4、MN5、MN6、MN7，PMOS晶体管MP2，电阻R1、R2、R3共同组成，起到为低噪声放大器提供偏置电流的作用，以使得低噪声放大器各个通路可以正常工作；

所述的输出缓冲级由NMOS晶体管MN8、电阻R4组成，可以将输出直流电位调整至合适的值，也可以对输出端口进行阻抗匹配，便于低噪声放大器流片后的单独测试；

输入放大级与负载级实现对输入信号Vin放大，输入放大级输出端连接反馈级、负载级和输出缓冲级，输入放大级对信号进行放大后经MN2的漏端输出，通过反馈级反馈至输入放大级的输入端，同时MN2的漏端输出信号流入输出缓冲级，输出低噪声放大器的输出信号Vout，偏置级与输入放大级、反馈级相连接，为输入放大级和反馈级提供合适的偏置电流。

2.根据权利要求1所述的电感补偿的射频超宽带低噪声放大器，其特征在于反馈级和匹配级中的C1、C2为隔直电容，使得晶体管MN1和MP1具有相对独立的偏置，这样的好处为MN1与MP1的电流可以相对独立，而不受工艺偏差的影响，流过MN1、MP1的电流确定以后，那么负载电阻RL上面的压降基本恒定。

3.根据权利要求1所述的电感补偿的射频超宽带低噪声放大器，其特征在于匹配级和负载级分别采用了电感L1和L2进行频率补偿，从而可以实现本发明的超大带宽。

Images