CN102983817B - 一种高增益的宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种高增益的宽带低噪声放大器，其特征在于：采用有源跨导增强电路，设有高频扼流单元、负载单元以及第一、第二两个输入放大单元，射频输入信号分别连接第一、第二两个输入放大单元的输入端，第一输入放大单元的输出端将放大信号输入到第二输入放大单元，第二输入放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出射频输出信号，第二输入放大单元的输入端还串联高频扼流单元后接地。

Description

一种高增益的宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种高增益的宽带低噪声放大器，属于射频电路技术领域，其设计结构简单，具有较大的输入输出匹配带宽的同时，改善了噪声与增益性能，在100M-5GHz频带范围内具有良好的输入阻抗匹配性能，同时有较高的增益和较小的噪声系数。

背景技术

低噪声放大器是噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，对于几乎所有的射频接收机系统，必不可少的一个模块就是低噪声放大器。由于系统接收到的射频信号幅度通常很弱，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，并且提供一定的电压增益，以提高输出的信噪比。设计高增益、低噪声的放大器电路IP核具有较为广泛的应用前景和应用价值。

共栅结构放大器广泛应用于宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其具有宽带输入匹配特性，传统的共栅结构放大器电路如图1所示。信号由晶体管M1源极输入，通过调整M1宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1电流大小，进而改变M1的跨导gm，使其输入阻抗与50欧姆匹配。通过调整负载电阻R1阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点：

第一是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大负载电阻会带来过多的压降，而有限的电源电压限制了传统的共栅结构放大器的增益。

第二是噪声大，传统的共栅结构放大器的噪声系数较大，往往超过4dB。

第三是设计应用缺乏灵活性。传统的共栅LNA和在完成输入匹配后，输入管的跨导也随之确定，电路可以实现的最小噪声系数和最大增益也就确定了，设计缺乏灵活性。

另外，有一种基于跨导增强原理被称为电容交叉耦合共栅LNA（CCC-CGLNA）被提出，其电路原理图如图2所示。由于其跨导增强技术通过无源方式实现，对增益和噪声性能改善较小。同时也存在完成输入匹配后，输入管的跨导也随之确定，设计缺乏灵活性。并且，其只能用在差分信号场合，在单端信号场合无法应用。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提出一种高增益的宽带低噪声放大器，采用有源实现跨导增强技术的宽带LNA，能够大幅改善宽带共栅LNA的增益和噪声性能，并且输入共栅管跨导不受输入匹配的制约，设计灵活。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高增益的宽带低噪声放大器，其特征在于：采用有源跨导增强电路，设有高频扼流单元、负载单元以及第一、第二两个输入放大单元，射频输入信号分别连接第一、第二两个输入放大单元的输入端，第一输入放大单元的输出端将放大信号输入到第二输入放大单元，第二输入放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出射频输出信号，第二输入放大单元的输入端还串联高频扼流单元后接地，其中：

第一输入放大单元包括NMOS管M1、两个电阻R1、R2、两个电容C1、C2，NMOS管M1的栅极与电阻R1的一端以及电容C1的一端连接，电阻R1的另一端连接第一偏置电压，电容C1的另一端连接射频输入信号，NMOS管M1的漏极串联电阻R2后连接到电源电压，同时，NMOS管M1的漏极通过电容C2输出放大信号，NMOS管M1的源极接地；

第二输入放大单元包括NMOS管M2、电阻R3，NMOS管M2的栅极连接第一输入放大单元的放大信号输出端，并通过串联电阻R3后连接第二偏置电压，NMOS管M2的源极连接射频输入信号，NMOS管M2的漏极为第二输入放大单元的输出端；

高频扼流单元包括电感L1，电感L1的一端连接到第二输入放大单元NMOS管M2的源极，电感L1的另一端接到地；

负载单元包括电阻R4，电阻R4的一端连接第二输入放大单元的输出端，此端也是射频输出信号端，电阻R4的另一端连接电源电压。

本发明的优点及显著效果：

（1）高增益。传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大负载电阻会带来过多的压降，而有限的电源电压限制了传统的共栅结构放大器的增益。本发明采用跨导增强技术，在完成匹配的同时大大减少了共栅LNA的电流，使得在相同压降条件下，负载电阻的取值可以大大增加，从而提高了增益。并且由于本发明的跨导增强技术通过有源电路实现，相比采用无源方式的电容交叉耦合共栅LNA，可以大大提升跨导的增强幅度，得到更高的增益。

（2）低噪声。传统共栅LNA的噪声系数无法低于1+γ/α。本发明采用有源跨导增强技术，大大降低了电路噪声系数。

（3）设计与应用灵活。传统的共栅LNA和电容交叉耦合共栅LNA在完成输入匹配后，输入管的跨导也随之确定，电路可以实现的最小噪声系数和最大增益也就确定了，设计缺乏灵活性。而本发明在实现输入匹配时有两个参数可供调整：第一输入放大单元的增益和第二输入放大单元的跨导，增加了设计的灵活性，可以得到最优的增益和噪声系数。同时电容交叉耦合共栅LNA只能用在差分信号场合，而本发明既可以用在差分信号场合，又可以用在单端信号场合。

附图说明

图1是传统共栅结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是电容交叉耦合共栅LNA（CCC-CGLNA）的电路原理图；

图3是本发明的电路方框图；

图4是本发明的电路原理图；

图5是本发明与图1、图2现有技术在完成输入匹配情况下的电压增益仿真曲线比较；

图6是本发明与图1、图2现有技术在完成输入匹配情况下的噪声系数曲线比较；

图7、8、9是图4的另外三种实施电路。

具体实施方式

参看图3，本发明设有高频扼流单元、负载单元以及第一输入放大单元和第二输入放大单元，射频输入信号RFin分别连接两个输入放大单元的输入端，第一输入放大单元的输出端将放大信号输入到第二输入放大单元，第二输入放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出射频输出信号RFout，第二输入放大单元的输入端还串联高频扼流单元后接地。

图4为图3的具体电路。第一输入放大单元设有NMOS管M1，电阻R1，R2，电容C1、C2；第二输入放大单元包括NMOS管M2，电阻R3，负载单元为电阻R4，高频扼流单元为电感L1。M1的栅极串联电阻R1后连接偏置电压1，M1的栅极串联C1后连接射频输入信号RFin，漏极连接电阻R2到电源Vcc，同时串联电容C2将信号耦合给第二输入放大单元。M2栅极串联R3后连接偏置电压2，源极连接射频输入信号RFin并且串联高频扼流单元电感L1到地。第一输入放大单元中M1的漏极通过电容C2连接第二输入放大单元中M2的栅极。M2的漏极连接负载电阻R4后连接电源电压Vcc，M2的漏极同时输出射频输出信号RFout。

图4电路中，第一输入放大单元采用共源结构，第二输入放大单元采用共栅结构，并在第二输入放大单元的源极和栅极之间引入第一输入放大单元，对其跨导进行了增强。输入信号通过第一和第二输入放大单元实现50Ω输入阻抗的宽带匹配特性。负载单元为电阻。第一输入放大单元的栅极接输入信号，源极接地，漏极输出信号经过电容耦合输入到第二输入放大单元的栅极。第二输入放大单元的源极接输入信号并且串联高频扼流单元到地，栅极接第一输入放大单元的反相放大信号，起到跨导增强的作用，提高增益的同时可以抑制整体电路噪声，降低电路的噪声系数，漏极接负载单元，并且输出射频信号。

工作原理：射频输入信号通过第一和第二输入放大单元输入，对于传统共栅结构LNA，其输入阻抗约为1/(gm)，此处，gm为共栅极晶体管的跨导，要实现输入阻抗匹配需要满足：gm=1/Rs,Rs为源阻抗。当实现输入阻抗匹配的时候，传统共栅结构LNA的共栅极晶体管的跨导便随之确定。这使得在进行传统共栅LNA设计时，增益和噪声性能得不到有效的优化，设计缺乏灵活性。本专利中采用跨导增强技术，在第二输入放大单元的源极和栅极之间引入第一输入放大单元，对第二输入放大单元的M2管进行跨导增强，输入阻抗变为：1/[(1+gm1R2)gm2]，其中gm1，gm2分别为晶体管M1和M2的跨导，R2为电阻值。电路的等效跨导增加了gm1R2倍，要实现输入阻抗匹配只要使得gm2=1/[(1+gm1R2)Rs]便可，可见第二输入放大单元中共栅管M2所需的跨导缩小了(1+gm1R2)倍，所以M2的电流便缩小了(1+gm1R2)倍，这样在相同压降条件下负载单元R5的阻值便可以取到传统共栅结构LNA的(1+gm1R2)倍，提高了电路的整体增益。电容交叉耦合共栅LNA最多只能使得输入共栅管的跨导缩小到原来的1/2，即增益最多提高为原来的2倍，而本发明可以提高为原来的(1+gm1R2)倍，gm1R2可以>>1，故本发明可以提供远大于传统共栅LNA和容交叉耦合共栅LNA的增益。同时可以通过优化gm1R2，来使得电路的性能适合于不同应用，增加了电路的设计灵活性。

另一方面，在第二输入放大单元的源极和栅极之间引入第一输入放大单元，对第二输入放大单元的M2管进行跨导增强，可以大幅度降低电路的噪声系数。

传统共栅LNA的噪声表达式为

$F=1+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}$

其中，α=gm/gd0，gm为器件跨导，gd0为当VDS=0时的晶体管沟道电导；γ是与偏置状态有关的系数，对于长沟道器件，2/3≤γ≤1，管子在饱和区时取值为2/3，在线性区零偏置时取1，由于热载流子效应，短沟道器件的γ值远大于1。

而在引入有源跨导增强技术后其噪声系数变为：

$F=1+\frac{\mathrm{\γ}}{(1+A)\mathrm{\α}}$

以上公式中A为第一输入放大单元的增益，在本发明中为gm1R2，α和γ的定义同上所述。在这个公式的计算中，忽略了第一输入放大单元引入的噪声，将第一输入放大器的噪声考虑进来后，可以得到以下的噪声系数公式：

$F1=1+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}\frac{1}{\mathrm{gm}1R2}+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}R2\mathrm{gm}2+4\frac{\mathrm{gm}2}{\mathrm{gm}1}$

$=1+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}\frac{1}{A}+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}\frac{1}{A}\frac{R2}{\mathrm{Rs}}+4\frac{\mathrm{gm}2}{\mathrm{gm}1}$

其中gm1，gm2分别为晶体管M1和M2的跨导，R2为电阻值，Rs为源阻抗，α和γ的定义同上所述。

电容交叉耦合共栅LNA的噪声系数最低为

$F2=1+\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\α}}$

根据我们设计的一种情况，其中gm1=200mS,gm2=2mS,R2=50Ω,Rs=50Ω，可以得到F1=1.04+0.2*γ/α，而F2=1+0.5*γ/α。在深亚微米工艺中，γ/α通常大于3，所以本发明的电路整体噪声系数远小于传统的共栅LNA以及电容交叉耦合共栅LNA。

参看图5可见，在完成输入匹配情况下本发明、传统的共栅LNA以及电容交叉耦合共栅LNA在增益方面的比较，其结果显示本发明的低噪声放大器增益最高。

参看图6可见，在完成输入匹配情况下本发明、传统的共栅LNA以及电容交叉耦合共栅LNA在噪声系数方面的比较，其结果显示本发明的低噪声放大器在工作频段内噪声系数最低。

本发明电路除了可以用NMOS管实现外，也可使用PMOS管实现，其原理图如图7所示，但是由于在实现相同增益情况下PMOS管的面积较大，对带宽会有微小的影响，但是同样可以实现高增益和低噪声。另外同样可以用双极型晶体管实现。用双极型晶体管实现时，只需要将NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管即可。具体实施方案如图8和图9所示，由于三极管的性能比晶体管要好，所以三极管实现可以得到更好地电路性能，但是其成本也较高。

Claims (1)

1.一种高增益的宽带低噪声放大器，其特征在于：采用有源跨导增强电路，设有高频扼流单元、负载单元以及第一、第二两个输入放大单元，射频输入信号分别连接第一、第二两个输入放大单元的输入端，第一输入放大单元的输出端将放大信号输入到第二输入放大单元，第二输入放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出射频输出信号，第二输入放大单元的输入端串联高频扼流单元后接地，其中：

第一输入放大单元包括NMOS管M1、两个电阻R1、R2、两个电容C1、C2，NMOS管M1的栅极与电阻R1的一端以及电容C1的一端连接，电阻R1的另一端连接第一偏置电压，电容C1的另一端作为第一输入放大单元的输入端连接射频输入信号，NMOS管M1的漏极串联电阻R2后连接到电源电压，同时，NMOS管M1的漏极通过电容C2输出放大信号，电容C2的输出端即是第一输入放大单元的输出端，NMOS管M1的源极接地；

第二输入放大单元包括NMOS管M2、电阻R3，NMOS管M2的栅极连接第一输入放大单元的放大信号输出端即电容C2的输出端，并通过串联电阻R3后连接第二偏置电压，NMOS管M2的源极作为第二输入放大单元的输入端连接射频输入信号，NMOS管M2的漏极为第二输入放大单元的输出端；

高频扼流单元包括电感L1，电感L1的一端连接到第二输入放大单元NMOS管M2的源极，电感L1的另一端接到地；

负载单元包括电阻R4，电阻R4的一端连接第二输入放大单元的输出端，此端也是射频输出信号端，电阻R4的另一端连接电源电压。