專利名稱：采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲
放大器。
背景技術(shù)：
隨著社會與技術(shù)的進步，越來越多的無線應(yīng)用得到開發(fā)，各類新的無線標準不斷 推出。這使得基于CMOS集成電路工藝的無線收發(fā)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。對于窄帶標準 如TD-SCDMA、GSM、ZigBee、GPS、WLAN(802. lla、802. llb/g、802. 16d)等，一個性能優(yōu)異的窄 帶低噪聲放大器是必需的。 在接收機系統(tǒng)中，低噪聲放大器作為鏈路的第一級，承擔了重要的作用，它的主要 功能是提供足夠的增益來克服后續(xù)各級(如混頻器)的噪聲。除了提供這一增益而又附加 盡可能少的噪聲以外，一個低噪聲放大器應(yīng)當對輸入信號源(如天線)實現(xiàn)一定程度的阻 抗匹配以達到最大功率傳輸?shù)哪康?。當?shù)驮肼暦糯笃鞯那凹壥且粋€無源濾波器時，阻抗匹 配尤為重要，因為很多濾波器的傳輸特性對于終端匹配的情況是非常敏感的。
為了同時實現(xiàn)最大功率傳輸?shù)淖杩蛊ヅ浜妥罴言肼曅阅艿脑肼暺ヅ?，窄帶低噪?放大器通常采用的是源極電感負反饋結(jié)構(gòu)[l]。然而要實現(xiàn)噪聲系數(shù)(Noise Figure, NF) 小于ldB的低噪聲放大器時，噪聲的主要來源不在于放大管本身，而是各種寄生效應(yīng)，尤其 是源極反饋電感和柵極串聯(lián)匹配電感本身所帶有的串聯(lián)寄生電阻。用CMOS工藝實現(xiàn)的片 上電感其品質(zhì)因素Q通常在10以下，當信號頻率較低需要一個大電感時，所帶來的寄生電 阻的噪聲貢獻成了主要因素。 本發(fā)明中的窄帶低噪聲放大器利用諧振網(wǎng)絡(luò)作為并聯(lián)反饋的元件，可以很好得解 決這個問題，主要利用了 [2]中的并聯(lián)反饋原理。該方法去除了傳統(tǒng)的源極電感負反饋窄 帶低噪聲放大器的源極與柵極的電感，并使電路性能對片上電感的Q值不敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，以便克服 傳統(tǒng)的源極電感負反饋式窄帶低噪聲放大器的片上元件特別是源極反饋電感和柵極匹配 電感的寄生電阻所帶來的噪聲惡化。該窄帶低噪聲放大器既可以實現(xiàn)窄帶輸入阻抗匹配，
又能夠在有限的片上電感Q值的情況下實現(xiàn)足夠的增益和很低的噪聲。 本發(fā)明所提出的并聯(lián)反饋式窄帶低噪聲放大器由跨導(dǎo)放大器、并聯(lián)反饋模塊，以 及輸出負載模塊組成，其中，反饋模塊與跨導(dǎo)放大器并聯(lián)，輸出負載連接在跨導(dǎo)放大器和反
饋模塊的輸出端。包含輸入信號源的電路框圖如圖1所示，其中1表示輸出阻抗為Rs的輸 入信號源，通常為天線或者天線后級的帶通濾波器。5為本發(fā)明所提出的窄帶低噪聲放大 器，Vin為輸入端口，V。ut為輸出端口。在所述的窄帶低噪聲放大器5中，2代表跨導(dǎo)放大器， 其放大系數(shù)為Gm，該放大器有較高的輸入阻抗和輸出阻抗，輸出電流方向向內(nèi)。3代表并聯(lián) 反饋模塊，可以用電感、電容、電阻等組成的諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其阻抗值與頻率有關(guān)，用Z(s)表示，s為頻域復(fù)變量。該諧振網(wǎng)絡(luò)在窄帶信號頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)很高的輸入輸出阻抗，信號 頻率范圍外輸入輸出阻抗很小，以實現(xiàn)窄帶特性。當該諧振網(wǎng)絡(luò)可在多個窄帶頻率范圍內(nèi) 實現(xiàn)高阻抗時，本發(fā)明所提出的窄帶低噪聲放大器可同時接收多個窄帶信號，即成為多頻 段窄帶低噪聲放大器。4代表負載模塊，用ZL表示，在算式中ZL也表示該模塊的負載值，該 模塊可以由任何無源器件如電感、電容、電阻或者有源器件如晶體管等構(gòu)成，通常&選擇為 使得功率增益或者電壓增益在中心頻率處達到最高。
對于所述的窄帶低噪聲放大器5，從輸入端口 Vin看進去的輸入阻抗Zin(S)可以表<formula>formula see original document page 4</formula>
在信號頻率范圍內(nèi)，令Zin(S)等于Rs，即實現(xiàn)了輸入阻抗匹配。此時Zf(S)阻抗值
在反饋電路諧振點附近，其等效阻值用Rp表示。由于反饋電路為窄帶系統(tǒng)，并且Rp比
艮多，輸入阻抗可以達到窄帶匹配。
對于所述的窄帶低噪聲放大器5，從輸入端口 Vin到輸出端口 V。ut的電壓增益Av(S)
<formula>formula see original document page 4</formula>
如上式所述，在信號頻率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)Gm、 4，電壓增益可以得到有效的控制。
下面分析并聯(lián)反饋模塊3的噪聲貢獻。在諧振點即信號頻率處，Zf(s)用等效阻值
,其產(chǎn)生的單位頻率的均方噪聲電流為<formula>formula see original document page 4</formula>
該噪聲電流等效到輸入端口 Vin處的等效單位頻率的均方噪聲電壓為<formula>formula see original document page 4</formula>
并聯(lián)反饋模塊3對整個電路的噪聲貢獻可以用下式表示<formula>formula see original document page 4</formula>
由于在滿足阻抗匹配和一定增益的情況下，Rp >> 4，RP >> Rs，所以來自于并聯(lián) 反饋模塊3的噪聲貢獻很小。對于跨導(dǎo)放大器2和負載模塊4的噪聲貢獻與其它低噪聲放 大器類似，不做贅述。


圖1為本發(fā)明所提出的并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器的原理框圖。
圖2為本發(fā)明所提出的并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器在CMOS工藝上的一 種具體實現(xiàn)方式。 標號說明1表示框圖形式的窄帶低噪聲放大器的前級信號輸入源，2表示框圖形 式的跨導(dǎo)放大器，3表示框圖形式的并聯(lián)反饋模塊，4表示框圖形式的負載模塊，5表示框圖 形式的整個窄帶低噪聲放大器，6表示采用NM0S管M1、M2實現(xiàn)的跨導(dǎo)放大器級，7表示采用 芯片上電感電容實現(xiàn)的并聯(lián)反饋模塊，8表示采用芯片上電感電容實現(xiàn)的負載級。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所提出的并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器的一種實 現(xiàn)方式進行描述。 圖1中的跨導(dǎo)放大器2可由NMOS管Ml、 M2構(gòu)成的一個共源共柵Cascode結(jié)構(gòu)6 來實現(xiàn)(見圖2)，有利于提高輸出阻抗、反向隔離度，并減小了 Ml管的Miller效應(yīng)從而提 高了帶寬。 圖1中的并聯(lián)反饋模塊3可由Ll、 CI構(gòu)成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，見圖2。 C3用 于隔離直流信號，對信號不起作用。L1、C1諧振在信號頻率上，可用片上元件來實現(xiàn)。在相 同的噪聲系數(shù)指標下，該電路對Ll的Q值要求遠小于傳統(tǒng)源極電感負反饋結(jié)構(gòu)的窄帶低噪 聲放大器。 圖1中的負載模塊4可由L2、 C2構(gòu)成的一個并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，并諧振在信號 頻率上，使得增益在信號頻率處最大。見圖2。 調(diào)整電路中的元件值，使其滿足阻抗匹配、電壓增益和噪聲系數(shù)的要求，設(shè)計方法 可參考前述分析。 圖2中實現(xiàn)的窄帶低噪聲放大器可以接收一個頻段的窄帶射頻信號。當圖1中的 并聯(lián)反饋模塊(3)實現(xiàn)為在多個頻帶上阻抗值符合阻抗匹配和增益的要求，利用圖1結(jié)構(gòu) 的窄帶低噪聲放大器也可實現(xiàn)為可同時接收多個窄帶射頻信號的多頻段窄帶低噪聲放大 器。 綜上所述，本發(fā)明所提出的并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器不僅可以在片上
電感Q值不高的情況下實現(xiàn)低噪聲，且不影響窄帶低噪聲放大器的其它性能指標，而且還
可以實現(xiàn)多頻段接收。 參考文獻 [l]Shaeffer D K， Lee T H. A 1. 5_V， 1. 5_GHz CMOS low noise amplifier. IEEE Journal ofSolid-State Circuits,1997，32(5) :745-759 [2]Zhan J_H C， Taylor S S A. 5GHz resistive—feedback CMOS LNA for low_costmulti_standard applications. ISSCC， Dig. Tech. P即ers，2006 :721—730
權(quán)利要求
一種采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于由跨導(dǎo)放大器(2)、反饋模塊(3)，以及輸出負載模塊(4)組成；其中，反饋模塊(3)與跨導(dǎo)放大器(2)并聯(lián)，輸出負載模塊(4)連接于跨導(dǎo)放大器(2)和反饋模塊(3)得輸出端。
2. 如權(quán)利要求1所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于跨導(dǎo) 放大器(2)有較高的輸入阻抗和輸出阻抗，輸出電流方向向內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于所述的 反饋模塊(3)為由電感、電阻和電容組成的諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于反饋模 塊(3)在信號頻率范圍內(nèi)有很高輸入輸出的阻抗，在信號頻率范圍外輸入輸出阻抗很小， 以實現(xiàn)窄帶特性。
5. 如權(quán)利要求1所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于輸出負 載模塊(4)由無源器件或者有源器件構(gòu)成，并且負載模塊(4)選擇為使得功率增益或者電 壓增益在信號中心頻率處達到最高。
6. 如權(quán)利要求1所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于使所述 窄帶低噪聲放大器的輸入端阻抗等于輸入信號源的輸入阻抗，實現(xiàn)輸入阻抗匹配。
7. 如權(quán)利要求5所述的采用并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)的窄帶低噪聲放大器，其特征在于所述窄 帶低噪聲放大器的輸出端口的電壓增益Av(s)通過調(diào)節(jié)跨導(dǎo)放大器(2)的放大系數(shù)Gm和負 載模塊(4)的負載^進行控制，其調(diào)節(jié)關(guān)系為<formula>formula see original document page 2</formula> ，其中Rs為輸入信號阻抗。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種并聯(lián)反饋式窄帶低噪聲放大器。該放大器包含跨導(dǎo)放大器、并聯(lián)反饋模塊，以及輸出負載模塊。本發(fā)明去除了傳統(tǒng)的源極電感負反饋窄帶低噪聲放大器的源極與柵極的電感，從而克服了片上電感的寄生電阻所帶來的噪聲惡化。該窄帶低噪聲放大器既可以實現(xiàn)窄帶輸入阻抗匹配，又能夠在有限的片上電感Q值的情況下實現(xiàn)足夠的增益和很低的噪聲。當本發(fā)明中的并聯(lián)反饋模塊實現(xiàn)為可在多個窄帶實現(xiàn)高阻抗時，窄帶低噪聲放大器可同時接收多個窄帶信號，即成為多頻段窄帶低噪聲放大器。
文檔編號H03F1/26GK101789760SQ20091024754
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者周春媛, 柴路 申請人:復(fù)旦大學