專利名稱：超高頻rfid讀寫器中的工作頻率可調(diào)的低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)設(shè)計一種工作頻率可調(diào)的超高頻RFID讀寫器中的低噪聲放大器，該低噪 聲放大器在保持傳統(tǒng)的低噪聲放大器性能的基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了工作頻率可調(diào)，屬于模擬集 成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術(shù),是自動識別 技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù) 據(jù)。按照工作頻率可以將RFID系統(tǒng)分為1)低頻系統(tǒng)工作頻率一般為30 - 300KHz，典型 的工作頻率為125KHz、133KHz ；2)中高頻系統(tǒng)工作頻率一般為3⑴30MHz，典型的工作頻 率為13. 56MHz ；3)超高頻和微波系統(tǒng)工作頻率一般為300MHz⑴3GHz或大于3GHz，其典 型的工作頻率為433. 92MHz,840 ⑴ 960MHz、2. 45GHz 和 5. 8GHz。隨著對閱讀距離、防碰撞性能以及抗鄰道干擾等要求的提高，超高頻射頻識別技 術(shù)的發(fā)展顯得尤為必要，而超高頻射頻識別讀寫器作為超高頻射頻識別系統(tǒng)的一個重要部 分，必然在未來的超高頻射頻識別領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。低噪聲放大器(LNA)的主要功能是將來自天線的微伏級的電壓信號進行小信號 放大后傳輸?shù)较乱患夒娐?。因此，LNA的性能對射頻接收系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。這 就要求它在獲得較高增益的同時又要具有低的噪聲系數(shù)(NF)，并且為了減少對輸入信號的 反射，實現(xiàn)最大功率的傳輸，還要使其與天線匹配，即LNA的輸入阻抗Zin ；要等于天線的特 征阻抗50 Ω。在實際設(shè)計中，增益、噪聲系數(shù)和輸入匹配這三者之間并非相互獨立，而是相 互牽制、相互影響的。因此在進行LNA設(shè)計時，如何采用折衷原則兼顧各項指標(biāo)是尤為重要 的。綜上可知，低噪聲放大器作為射頻讀寫器接收端的第一個單元電路，應(yīng)具有以下 四個特點a)低噪聲。由通信系統(tǒng)的噪聲理論可知，當(dāng)?shù)谝患夒娐肪哂幸欢ǖ脑鲆鏁r，一個系 統(tǒng)的噪聲主要由第一級噪聲所決定，所以低噪聲放大器的噪聲是影響整個射頻接收機噪聲 的關(guān)鍵。為了抑制后面各級噪聲對整個系統(tǒng)噪聲的影響，LNA必須具有一定的增益。b)高線性度。由于RFID讀寫器接收機所接收的信號微弱，而且自干擾信號特別 大，所以LNA必須具備高的三階交調(diào)點(IP3)以及大的IdB壓縮點，并且要具備良好的靈敏 度。c)匹配。LNA —般通過傳輸線直接和天線相連，因此LNA的輸入阻抗必須要與傳 輸線特性阻抗匹配(一般為50歐姆)，以達到最小的反射和最大的傳輸功率。d)反向隔離性。為了減少本振信號(來自頻率合成器)從混頻器向天線的泄漏， LNA應(yīng)具有反向隔離性。而在目前的LNA的設(shè)計中，其工作頻率一般都是固定不變的，不能同時實現(xiàn)幾個 工作頻率相互轉(zhuǎn)換，也即不能實現(xiàn)中心工作頻率可調(diào)，這對需要在多個工作頻率下工作的系統(tǒng)而言是一種很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述所闡述的LNA存在的局限性，本發(fā)明所要解決的問題就是在LNA的輸出 端通過添加開關(guān)電容，以改變輸出端電容值的大小，從而實現(xiàn)中心工作頻率可調(diào)；在輸入端 采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，以提高線性度。該發(fā)明提出的LNA工作在1.2V的供電電壓下， 具有低電壓、低功耗的特點，并在簡化電路結(jié)構(gòu)、降低功耗以及擴展中心工作頻率點等方面 有很大的指導(dǎo)意義。為了實現(xiàn)上述目地，實現(xiàn)中心工作頻率可調(diào)，采用MOS接電容的形式連接在LNA的 輸出端，通過MOS的導(dǎo)通與截至從而實現(xiàn)輸出端電容的開關(guān)特性。輸出端兩端分別接B0、 B1、B2和B3四個開關(guān)狀態(tài)，通過這四個開關(guān)之間的組合，實現(xiàn)不同的工作頻率之間的轉(zhuǎn)換。


圖1是超高頻射頻識別讀寫器收發(fā)機結(jié)構(gòu)圖。圖2是開關(guān)電容結(jié)構(gòu)圖。圖3是二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)圖。圖4是提出的LNA電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式圖1是超高頻射頻識別讀寫器收發(fā)機結(jié)構(gòu)圖。超高頻射頻識別讀寫器分為發(fā)射機 和接收機兩大部分，低噪聲放大器(LNA)是無線通信系統(tǒng)射頻接收機前端的關(guān)鍵模塊。圖2為開關(guān)電容結(jié)構(gòu)圖，為一個MOS管和一個電容連接在一起，在MOS管的柵級接 一個與LNA工作電壓值大小相同的電壓源(1. 2V)，當(dāng)柵極電壓值為1. 2V時，MOS導(dǎo)通，此時 電容C被接入到輸出端；當(dāng)柵極電壓值為OV時，MOS管斷開，此時電容C也斷開，不被接入 到輸出端。但是這種開關(guān)電容的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生寄生電容σ，最終在輸出端形成的電容值并不 是所接電容值C，而是C+σ，但是由于該寄生電容為σ，不是很大，因此對整個電路的調(diào)節(jié) 影響不大。圖3是二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)圖，管子在靜態(tài)工作點的小信號輸出電流可以用泰 勒級數(shù)表示為id = gl (Vg-Vs) +g2 (Vg-Vs) 2+g3 (Vg-Vs)3+……(1)其中g(shù)i代表管子的i階跨導(dǎo)系數(shù)，Vg和Vs分別代表管子?xùn)艠O和源極電壓。通過分 析可以知道兩個不同角頻率但是幅度相同的信號ω” ω2輸入時，我們再注入一個低頻、 大小為2x*C0S ( ω廠ω 2) t的二階交調(diào)電流，則有ip+in = 2x*cos ( ω「ω 2) t(2)聯(lián)立⑴式和⑵式可得在共源節(jié)點處頻率為(ω「ω2)時的小信號源級電壓Vs 為v\0)r0)l = g2A Oos(O)1-ω2) ⑶ \在其它三個二階頻率處(G^+G^JG^JG^)的幅度為(U/2，l/2)*’一。聯(lián)立(3)式和(1)式，輸出端頻率為(2(^-0^)或(2(^-0^)時的三階交調(diào)電流 為-容力吆’-廣 解⑷因此，為消除三階交調(diào)電流，只要令(4)式為零，得到 因此，注入電流為 由上面的推導(dǎo)可以看出，采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，可以有效消除三階交調(diào)電 流(IM3)，從而提高混頻器的線性度。注入電流的相位必須沒有偏差才能有效的消除三階交調(diào)(IM3)電流。要做到相位 無偏差也比較容易，因為注入的二階交調(diào)電流的頻率比較低，為《i- 2。因此，這種技術(shù)可 以在比較大的頻帶范圍內(nèi)使用，因為此二階交調(diào)電流的頻率與RF頻率無關(guān)，而只與頻率差
有關(guān)。而且這種技術(shù)在大輸入功率下也可以有效的工作，因為注入電流的輸入信號 與LNA的輸入信號是一致的。增加一個注入電流消除三階交調(diào)電流的結(jié)構(gòu)，功耗增加不到 lmff,但是可以大大提高線性度。圖4是整個LNA的電路圖，在LNA的輸出端連接有4組開關(guān)電容，分別為BO、B1、 B2和B3，通過上述4組開關(guān)電容的不同組合，得出在輸出端不同的電容值，也即實現(xiàn)了電容 的調(diào)節(jié)，輸出端的電容與電感形成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，電感值L不變，電容值C改變。在根據(jù)調(diào)諧公
式7?？梢钥闯?，當(dāng)電感值L不變，電容值C改變時，中心頻率&會隨之而發(fā)生改
變。本發(fā)明提出的中心工作頻率可調(diào)的LNA就是基于上述理論實現(xiàn)的。下面只給出三個工作頻率的調(diào)節(jié)情況，分別為860MHz、900MHz和960MHz。具體調(diào) 節(jié)情況如下
B0B1B2B3工作頻率1100860MHz0010900MHz0001960MHz 綜上可以看出，在射頻輸入端采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，大大提高了線性度；由 電容和M0S管組成的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)接在LNA的輸出端，通過M0S管的導(dǎo)通與斷開，使得輸出 端外接電容值C改變，最終實現(xiàn)工作頻率可調(diào)。
權(quán)利要求
一種低噪聲放大器，包括第一級NMOS管為源電流注入結(jié)構(gòu)，第二級NMOS管構(gòu)成差分輸入對，第三級NMOS管構(gòu)成差分輸出對；輸入端差分輸入信號，輸出端差分輸出信號；差分輸入端采用電容、電感的連接方式連接以實現(xiàn)輸入端信號的匹配，輸出端接電感以實現(xiàn)差分電路的兩端輸出匹配；第一級NMOS管的漏級與第二級晶體管的源級相連，為第二級NMOS管提供電流源，第二級差分對和第三級差分對構(gòu)成cascode(共源共柵)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所描述的低噪聲放大器，還包括第一級NMOS管柵級采用二階交調(diào)注 入結(jié)構(gòu)，第三級輸出端采用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所描述的低噪聲放大器，其特征是二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)由兩個 NMOS管組成，在二階交調(diào)注入結(jié)構(gòu)與第一級NMOS管的柵級間接一個電容。
4.如權(quán)利2所描述的低噪聲放大器，其特征是開關(guān)電容結(jié)構(gòu)采用NMOS管和電容組成。
5.如權(quán)利要求1所描述的低噪聲放大器，其特征在于第一級NMOS管M3組成，其為第 二級NMOS管提供源級電流，其中第二級NMOS管由M4、M5組成，第三級NMOS管由M6、M7組 成，第二級NMOS管M4、M5與第三級NMOS管由M6、M7構(gòu)成cascode (共源共柵)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利3所描述的低噪聲放大器，其特征是二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)由NMOS管Ml、 M2組成，Ml、M2的柵極分別為輸入信號的差分輸入；Ml、M2的漏極連接于直流電壓源；Ml、 M2的源級相連，并與M3管的柵級通過隔直電容相連。
7.如權(quán)利4所描述的低噪聲放大器，其特征是輸出級電感Li、L2與第三級NMOS管 M6、M7的漏極相連，輸出差分信號由M6、M7漏極輸出；開關(guān)電容結(jié)構(gòu)由電容與NMOS管的漏 極相連，柵極接直流電壓源，源級接地。
8.如權(quán)利4描述的低噪聲放大器，其特征是在差分輸出的正向輸出端，電容CdPNMOS 管M8組成開關(guān)B0，電容C3和匪OS管M9組成開關(guān)Bi，電容C4和匪OS管MlO組成開關(guān)B2， 電容C5和NMOS管Mll組成開關(guān)B3 ；在差分輸出的負向輸出端，電容C6和NMOS管M12組成 開關(guān)B0，C7和NMOS管M13組成開關(guān)Bi，C8和NMOS管M14組成開關(guān)B2，C9和NMOS管M15組 成開關(guān)B3。
9.如權(quán)利1所描述的低噪聲放大器，其特征是NM0S管M3的柵極接二階交調(diào)注入結(jié)構(gòu) 的輸出端，源級接地，漏極接第二級NMOS管M4、M5的源級；M4、M5的柵極接射頻輸入信號， 其中M4的柵極接射頻輸入正向信號，M5的柵極接射頻輸入的反向信號；M4的漏極與M6的 源級相連，M5的漏極與M7的源級相連，M6的漏極與電感L2的一端相連，M6的柵極與電感 L1的另一端相連，M7的漏極與電感L2的一端相連，M7的柵極與電感L1的另一端相連,L1和 L2與直流電壓源相連。
10.如權(quán)利1所描述的低噪聲放大器，其特征是第一級NMOS管M3的柵極電壓由電阻 R2通過直流電壓源Vbl提供，第二級NMOS管M4、M5的柵極電壓分別由電阻R3、R4通過直流 電壓源Vbl、Vb2提供，第三級NMOS管M6、M7的柵極電壓由直流電壓源VCC直接提供。
11.如權(quán)利3所描述的低噪聲放大器，其特征是NM0S管Ml和M2的漏極相連且連接于 直流電壓源VCC，源級相連與電阻禮的一端，電阻R1的另一端接地，電容C1的一端連接在電 阻R1的一端，另一端與M3的柵極相連。
12.如權(quán)利4所描述的低噪聲放大器，其特征是各開關(guān)級之間采用并列排序，開關(guān)管 M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15的柵極由直流電壓源直接提供，直流電壓源為OV和VCC，當(dāng)供電電壓為OV時，NMOS管截止，當(dāng)供電電壓為VCC時，NMOS管導(dǎo)通，此時電容C2、C3> C4、 (5、(6、(7、(8、(9接入至輸出端。
13.如權(quán)利3所描述的低噪聲放大器，其特征是第二級NMOS管M4、M5的柵極分別接 電容C2、C5的一端，C2、C5的另一端與射頻差分輸入正向信號和反向信號相連。
14.如權(quán)利3所描述的低噪聲放大器，其特征是如權(quán)利要求2所描述的混頻器，其特 征是NM0S管Ml和M2的源級相連，并與電阻R3的一端相連，R3的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中心頻率可調(diào)的超高頻RFID讀寫器中的低噪聲放大器，通過在輸入端采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)以提高線性度；而在輸出端采用開關(guān)電容的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)中心工作頻率可調(diào)。二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)是通過對MOS管的非線性特性進行分析，然后得出使三階交調(diào)電流值為0時的注入電流值；在輸出端，采用MOS管與電容的連接方式組成開關(guān)電容對，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電容被接入，當(dāng)MOS截至?xí)r，電容斷開，也即通過MOS的導(dǎo)通與斷開實現(xiàn)了在輸出端電容值的改變。根據(jù)可知，當(dāng)電感值L不變，而電容值C改變時，中心工作頻率也會隨著電容值C的改變而改變，這就實現(xiàn)了低噪聲放大器的中心工作頻率可調(diào)。本發(fā)明提出的混頻器的工作電壓為1.2V，功耗低，符合低電壓低功耗的要求，簡化電路結(jié)構(gòu)、降低功耗以及擴展中心工作頻率點等方面有很大的指導(dǎo)意義。
文檔編號H03F1/26GK101895261SQ200910227018
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者何海珍, 張秋晶, 易波, 汪飛, 王春華, 袁超, 許靜, 郭小蓉, 郭勝強 申請人:湖南大學(xué)