CN102983815A - 一种自适应干扰信号扩大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应干扰信号扩大装置，包括信号源、输入匹配网络、有源器件、直流偏置、输出匹配网络和负载；所述信号源的输出端连接输入匹配网络的输入端，输入匹配网络的输出端连接有源器件的输入端，有源器件的输出端连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端连接至负载的输入端；所述直流偏置的输出端连接至有源器件。本发明能够实现干扰匹配和功率增益匹配，不仅能够达到干扰信号扩大器的最小干扰系数，而且能够实现功率的最大传输。

Description

一种自适应干扰信号扩大装置

技术领域

本发明属于电子设备与信号接收技术领域，涉及一种信号扩大装置，尤其是一种应用在集成电路设计中的自适应干扰信号扩大装置。

背景技术

干扰信号扩大器是接收机系统中的第一个信号扩大器，它的主要功能就是放大接收到的信号并传输到下一级，并且自身增加的干扰应尽量小。因此要求干扰信号扩大器具有足够的增益，并且干扰系数要非常低。然而在进行干扰信号扩大器设计时，实现最小干扰系数和实现最大功率传输之间存在矛盾。在进行输入匹配设计时，将信号源与晶体管的输入阻抗之间进行共轭匹配，便可以获得最大功率传输，即获得最大增益；相应地为了获得最小的干扰系数，必须将信号源匹配到晶体管的干扰最优源阻抗，以使信号扩大器得到最佳的干扰性能。然而这两者通常是不相等的，设计者只能在两者之间进行权衡取舍，很难同时实现干扰匹配和功率增益匹配。

随着集成电路产业的飞速发展，单一芯片中集成的功能越来越多，晶体管数量也不断增加，随之而来的是芯片的功耗在不断增加。尽管不断降低芯片的工作电压、改进工艺，使用各种方法降低芯片的功耗，但功耗仍然是当今集成电路设计中最令工程师头痛的问题之一。在干扰信号扩大器中同样存在低功耗问题，如何实现低功耗设计是目前的研究热点，特别是在功耗约束条件下实现最小干扰系数和最大功率传输的自适应。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应干扰信号扩大装置，该装置能够实现干扰匹配和功率增益匹配，不仅能够达到干扰信号扩大器的最小干扰系数，而且能够实现功率的最大传输。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种自适应干扰信号扩大装置，包括信号源、输入匹配网络、有源器件、直流偏置、输出匹配网络和负载；所述信号源的输出端连接输入匹配网络的输入端，输入匹配网络的输出端连接有源器件的输入端，有源器件的输出端连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络的输出端连接至负载的输入端；所述直流偏置的输出端连接至有源器件。

进一步的，该装置的电路包括第一MOS晶体管、第二MOS晶体管、第一电阻、第二电阻、负载电阻、限流电阻、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和隔直电容；其中第一MOS晶体管作为信号扩大器件按照共源结构连接，第二电感连接在第一MOS管的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使第一MOS管栅极的输入阻抗等于或近似等于干扰最优源阻抗的共轭，第一MOS管的漏极通过第二电容和负载电阻接地电位；第一电容和第一电感组成一个L型输入匹配网络，其中一端与第一MOS管栅极相连，另一端通过隔直电容与信号源连接；第二电容和第四电感组成一个L型输出匹配网络，其中一端与第一MOS管漏极相连，另一端与负载连接；限流电阻一端与电源V_dd相连，另一端与第四电感相连；第二MOS管、第一电阻和第二电阻组成电流镜电路，第二MOS管的栅极和漏极相连，源极接地电位，第一电阻的一端与电源V_dd相连，另一端与第二MOS管的漏极相连，第二电阻的一端与第二MOS管的栅极相连，另一端连接在隔直电容和第一电感的公共连接点上。

与现有技术相比较，本发明提出的自适应的干扰信号扩大装置，其优点与效果是：

(1)本发明提出的干扰信号扩大器在输入级同时实现了干扰匹配和功率增益匹配，不仅能够达到干扰信号扩大器的最小干扰系数，而且实现了功率的最大传输。

(2)本发明通过合理地选择晶体管，可以在功耗约束条件下实现干扰信号扩大器输入级的自适应。

(3)本发明提出的设计方法简单，能够被设计者很容易的掌握并应用在集成电路设计中。

附图说明

图1为本发明的设计原理图；

图2为本发明的自适应干扰信号扩大器实施例电路图。

其中：1为信号源；2为输入匹配网络；3为有源器件；4为直流偏置；5为输出匹配网络；6为负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的自适应干扰信号扩大装置，包括信号源1、输入匹配网络2、有源器件3、直流偏置4、输出匹配网络5和负载6；所述信号源1的输出端连接输入匹配网络2的输入端，输入匹配网络2的输出端连接有源器件3的输入端，有源器件3的输出端连接输出匹配网络5的输入端，输出匹配网络5的输出端连接至负载6的输入端；直流偏置4的输出端连接至有源器件3。

本发明的具体电路图如图2给出的一个具体实施例所示，该电路图包括第一MOS晶体管M1、第二MOS晶体管M2、第一电阻R₁、第二电阻R₂、负载电阻R_L、限流电阻R_d、第一电感L₁、第二电感L_S、第一电容C₁、第二电容C₂和隔直电容C_C；其中第一MOS晶体管M1作为信号扩大器件按照共源结构连接，第二电感L_s连接在第一MOS管M1的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使第一MOS管M1栅极的输入阻抗等于或近似等于干扰最优源阻抗的共轭，第一MOS管M1的漏极通过第二电容C₂和负载电阻R_L接地电位；第一电容C₁和第一电感L₁组成一个L型输入匹配网络2，其中一端与第一MOS管M1栅极相连，另一端通过隔直电容C_C与信号源连接；第二电容C₂和第四电感L_d组成一个L型输出匹配网络5，其中一端与第一MOS管M1漏极相连，另一端与负载6连接；限流电阻R_d一端与电源V_dd相连，另一端与第四电感L_d相连；第二MOS管M₂、第一电阻R₁和第二电阻R₂组成电流镜电路，第二MOS管M₂的栅极和漏极相连，源极接地电位，第一电阻R₁的一端与电源V_dd相连，另一端与第二MOS管M₂的漏极相连，第二电阻R₂的一端与第二MOS管M₂的栅极相连，另一端连接在隔直电容C_C和第一电感L₁的公共连接点上。

综上所述，图2中的第一MOS管M1按照其共源组态相连接。由功耗约束干扰优化技术可知，当在功耗约束条件下进行设计时，晶体管的尺寸由下面公式所决定：

$W_{\mathrm{opt}}\≈\frac{1}{3w{C}_{\mathrm{ox}}{R}_s}---\left(1\right)$

其中w是本发明的干扰信号扩大器的工作频率，C_OX代表栅极单位电容，R_S是信号源电阻值。

第二电感L_s（即源简并电感）提供的串联负反馈效应使第一MOS管栅极的输入阻抗等于或近似等于干扰最优源阻抗的共轭。

$Z_{\mathrm{in}}=Z_{\mathrm{opt}}^{*}---\left(2\right)$

本发明由电感器L₁和电容器C₁构成的L型输入匹配网络，用于将MOS晶体管栅极的输入阻抗匹配到信号源阻抗，便可以实现本发明的干扰信号扩大器在输入级同时实现了干扰匹配和功率增益匹配。另外还由电感器L_d和电容器C₂构成L型输出匹配网络，用于实现输出匹配。本发明的实施例为了简单起见，以L型输入输出匹配网络为例，但是不难理解，所述原理可以用T型、π型或者多级匹配网络来实现，同时具体级数和拓扑结构也会随工作频率和设计要求的不同而不同。

本发明图2实施例的电流镜电路，由晶体管M₂、电阻器R₁和R₂、隔直电容器C_c组成。其中晶体管M₂与M₁形成一个电流镜，且通过M₂的电流是由电源电压和R₁以及M₂的栅源电压V_gs所决定。R₂应选择的足够大，使得它的等效电流干扰小到足以被忽略。为了完成偏置，还必须有一个隔直电容器C_c来防止影响M₁的栅-源偏置。为了保护有源器件，限流电阻R_d连接在电源V_dd和L_d之间。

虽然以上描述的示例性低噪声放大器只包括一级信号扩大器，但是将会注意到本发明的设计方法能够应用到含有任意数目的信号扩大器级的低噪声放大器，本领域的技术人员同样也应该理解本实例的信号扩大器件部分也可以为串迭结构的放大电路模块。

总体来说本发明解决了如下技术问题：

（1）信号接收电路放大器设计中的信噪比问题；

（2）实现干扰匹配和功率增益匹配，达到干扰信号扩大器的最小干扰系数，实现功率的最大传输。

（3）合理地选择晶体管的形状和尺寸，可以在功耗约束条件下实现干扰信号扩大器输入级的自适应。

（4）提出的设计方法简单，能够被设计者很容易的掌握并应用在集成电路设计中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种自适应干扰信号扩大装置，其特征在于，包括信号源（1）、输入匹配网络（2）、有源器件（3）、直流偏置（4）、输出匹配网络（5）和负载（6）；所述信号源（1）的输出端连接输入匹配网络（2）的输入端，输入匹配网络（2）的输出端连接有源器件（3）的输入端，有源器件（3）的输出端连接输出匹配网络（5）的输入端，输出匹配网络（5）的输出端连接至负载（6）的输入端；所述直流偏置（4）的输出端连接至有源器件（3）。

2.根据权利要求1所述的自适应干扰信号扩大装置，其特征在于，该装置的电路包括第一MOS晶体管（M1）、第二MOS晶体管（M2）、第一电阻（R₁）、第二电阻（R₂）、负载电阻（R_L）、限流电阻（R_d）、第一电感（L₁）、第二电感（L_S）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和隔直电容（C_C）；其中第一MOS晶体管（M1）作为信号扩大器件按照共源结构连接，第二电感（L_s）连接在第一MOS管（M1）的源极和地电位之间，其提供的串联负反馈效应使第一MOS管（M1）栅极的输入阻抗等于或近似等于干扰最优源阻抗的共轭，第一MOS管（M1）的漏极通过第二电容（C₂）和负载电阻（R_L）接地电位；第一电容（C₁）和第一电感（L₁）组成一个L型输入匹配网络（2），其中一端与第一MOS管（M1）栅极相连，另一端通过隔直电容（C_C）与信号源连接；第二电容（C₂）和第四电感（L_d）组成一个L型输出匹配网络（5），其中一端与第一MOS管（M1）漏极相连，另一端与负载（6）连接；限流电阻（R_d）一端与电源V_dd相连，另一端与第四电感（L_d）相连；第MOS管（M₂）、第一电阻（R₁）和第二电阻（R₂）组成电流镜电路，第二MOS管（M₂）的栅极和漏极相连，源极接地电位，第一电阻（R₁）的一端与电源V_dd相连，另一端与第MOS管（M₂）的漏极相连，第二电阻（R₂）的一端与第二MOS管（M₂）的栅极相连，另一端连接在隔直电容（C_C）和第一电感（L₁）的公共连接点上。

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