專利名稱:一種高增益寬帶射頻低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及放大器,尤其涉及一種高增益寬帶射頻低噪聲放大器。
背景技術(shù):
近年來,隨著無線通信和微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展,無線通信的用戶特別是無線手機(jī)用戶迅猛增長,這對(duì)現(xiàn)代通信提出了更高的要求,特別是第三代移動(dòng)通信技術(shù),其核心業(yè)務(wù)不再局限于語音、圖像,而是更高要求的多媒體業(yè)務(wù)。這就要求通信系統(tǒng)的容量不斷擴(kuò)大,信息的可靠性和安全性不斷提高,致使通信頻段越來越擁擠。為了改變這種局面,人們提出了各種技術(shù)來提高頻譜的利用效率。如采用新的寬帶數(shù)字傳輸技術(shù)(如OFDM,WCDMA)以提高信息的傳輸效率和可靠性,高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)(如QPSK和64QAM等)以達(dá)到更廣泛的信道空間分配。由于這些技術(shù)的信息傳輸都朝著大容量、多載波、多電平、寬頻帶和較高峰均比的方向發(fā)展,這對(duì)功率放大器提出了非常高的要求。而為了降低通信運(yùn)營商的運(yùn)營成本,減小冷卻成本,易于熱控制,就要求提高功率放大器的效率;為了減小功率放大的級(jí)數(shù)和功率管的使用數(shù)量,以更低的功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng),降低成本,就要求提高功率放大器的增益;為了增加通信基站的覆蓋范圍,減小固定區(qū)域內(nèi)所需要設(shè)置的基站以節(jié)約成本,同時(shí)減小電路的尺寸和重量,就要求提高功率放大器的輸出功率。所有的這些問題,都對(duì)功率放大器的設(shè)計(jì)提出了新的要求。
寬帶射頻通信要求能同時(shí)擁有高數(shù)據(jù)傳輸率和低功耗的特點(diǎn),而寬帶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是在一個(gè)很寬的帶寬范圍內(nèi)保持輸入匹配。另一方面,寬帶運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶內(nèi)外的無用信號(hào)更敏感,所以寬帶接收器的線性性變得更加重要。低噪聲功率放大器(LNA)是寬帶系統(tǒng)中經(jīng)常用到的單元,尤其是在無線接收機(jī)當(dāng)中,從天線饋入的微弱小信號(hào)要通過LNA進(jìn)行放大,再拿到后級(jí)進(jìn)行處理,其性能直接影響到接收機(jī)的整體性能。因此設(shè)計(jì)一個(gè)大帶寬的LNA是無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)。不同的輸入匹配方法導(dǎo)致了LNA結(jié)構(gòu)的不同,傳統(tǒng)的輸入匹配方式有電感匹配、直接電阻匹配、并聯(lián)電阻反饋匹配、共柵匹配等,但它們均無法保證在寬帶頻段上的輸入匹配。寬帶工作頻率對(duì)于電路的增益也是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)中由于增益帶寬積的限制,帶寬和增益需要相互折衷。同時(shí),小信號(hào)傳輸需要系統(tǒng)的噪聲系數(shù)NF(noise figure)也要達(dá)到系統(tǒng)的要求,而輸入匹配和噪聲系數(shù)之間也存在著重要的折衷。這些都是目前寬帶LNA設(shè)計(jì)存在的難點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處,提供了一種高增益寬帶射頻低噪聲放大器。
高增益寬帶射頻低噪聲放大器中,射頻信號(hào)經(jīng)電感L0輸入MOS管NM2的柵極,MOS管NM2的漏極通過電阻R7與電源Vdd連接,MOS管NM2的源極接地,電容C8兩端分別與MOS管NM2的柵極和漏極連接,MOS管NM2的輸出通過電容C9與第二階放大器MOS管NM1的柵極連接,MOS管NM1的漏極通過串聯(lián)的電感L1和電阻R0與電源Vdd連接,MOS管NM1的源極接地,電容R1兩端分別與MOS管NM1的柵極和漏極連接,電阻R2兩端分別與MOS管NM1的柵極和源極連接,MOS管NM0的柵極與漏極短接,MOS管NM0的柵極與電阻R8連接后作參考電壓Vbias,與MOS管NM2的柵極連接,MOS管NM0的漏極經(jīng)電阻R5與電源Vdd連接,MOS管NM0的源極接地,電容C2兩端分別與MOS管NM0的柵極與源極連接。
本發(fā)明的放大器指標(biāo)為工作帶寬在2.3~3.8GHz,輸入反射系數(shù)S11小于-9.34dB,達(dá)到了匹配要求;功率增益(S21)為12.6dB~14.2dB,波動(dòng)范圍只有1.6dB;在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)噪聲系數(shù)NF為2.39dB~2.59dB,輸入1dB壓縮點(diǎn)為-4.2dBm,輸入三階截點(diǎn)IIP3為-24.6dBm,如圖2所示版圖面積為0.356mm2(0.99mm×0.36mm)。本發(fā)明在輸入匹配、功率增益、噪聲等方面具有一定的優(yōu)勢,而且由于使用的電感數(shù)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)的放大器,芯片面積得到了顯著的減小。
圖1為高增益寬帶射頻低噪聲放大器電路圖; 圖2為本發(fā)明的射頻低噪聲放大器的版圖; 圖3為本發(fā)明的放大器輸入匹配的小信號(hào)等效原理圖; 圖4為本發(fā)明的放大器輸入匹配簡化成等效模型的過程原理圖; 圖5(a)為本發(fā)明的放大器第一階小信號(hào)等效電路原理圖; 圖5(b)為放大器的第二階小信號(hào)等效電路原理圖。
具體實(shí)施例方式 如圖1所示,高增益寬帶射頻低噪聲放大器中,射頻信號(hào)經(jīng)電感L0輸入MOS管NM2的柵極,MOS管NM2的漏極通過電阻R7與電源Vdd連接,MOS管NM2的源極接地,電容C8兩端分別與MOS管NM2的柵極和漏極連接,MOS管NM2的輸出通過電容C9與第二階放大器MOS管NM1的柵極連接,MOS管NM1的漏極通過串聯(lián)的電感L1和電阻R0與電源Vdd連接,MOS管NM1的源極接地,電容R1兩端分別與MOS管NM1的柵極和漏極連接,電阻R2兩端分別與MOS管NM1的柵極和源極連接,MOS管NM0的柵極與漏極短接,MOS管NM0的柵極與電阻R8連接后作參考電壓Vbias,與MOS管NM2的柵極連接,MOS管NM0的漏極經(jīng)電阻R5與電源Vdd連接,MOS管NM0的源極接地,電容C2兩端分別與MOS管NM0的柵極與源極連接。
高增益的寬帶射頻低噪聲放大器中,射頻信號(hào)進(jìn)入一階放大器,采用米勒效應(yīng)產(chǎn)生的等效串聯(lián)電容、電阻來實(shí)現(xiàn)與一階放大器晶體管柵極相連的電感的匹配,在保證高線性度要求下進(jìn)行部分放大。第一階引進(jìn)了混合半導(dǎo)體技術(shù)中常用的寬帶匹配方法-利用米勒效應(yīng)來產(chǎn)生等效串聯(lián)電容和電阻來和連接到晶體管柵級(jí)的電感匹配,并對(duì)射頻信號(hào)初步放大。這種RCL串聯(lián)結(jié)構(gòu)能得到理想的寬帶匹配,但電路的品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)因此降低,電路中存在一個(gè)1nH左右的小電感和一個(gè)大電容(電容值取決于中心匹配頻率)。由于輸入級(jí)只使用了一個(gè)小電感,所以能有效地減小LNA的面積。根據(jù)噪聲級(jí)聯(lián)公式可知,前級(jí)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)最大,所以在這里主要從電源電阻、集成電感損失、晶體管NM2的溝道噪聲等幾個(gè)方面來降低放大器的噪聲。第二階對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大,同時(shí)抑制放大器的噪聲。MOS管NM0,電容C2,電阻R5,R8組成的偏置電路決定了參考電壓的大小,影響放大器的工作點(diǎn)和增益。
本發(fā)明提出的寬帶射頻低噪聲放大器的詳細(xì)說明如下 本發(fā)明提出的射頻放大器包括三部分第一階放大電路,第二階放大電路和偏置電路,各部分的具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系前面已經(jīng)說明,這里不再重復(fù)。
將LNA的輸入匹配部分抽取出來,并化為小信號(hào)等效電路如圖3所示。從電容Cgd1往后看電路,則這部分的阻抗 令 則式(1)可以簡化為 等效模型如圖4所示,其阻抗 可以發(fā)現(xiàn)Z′和等式3有相同的形式,所以可以令 就可以得到輸入阻抗Zin的表達(dá)式 其中Cm=C1+Cgs1,所以輸入匹配網(wǎng)絡(luò)僅由Lg,Cg和Rg組成 =AvCgd1+Cgs1. 根據(jù)上述等式,可以通過調(diào)節(jié)R1,gm和Cload對(duì)Cgd1的比例來使得Rg接近50歐姆,而Cg即為和Cgs1并聯(lián)的米勒效應(yīng)電容。
把LNA兩級(jí)電路簡化為小信號(hào)等效模型,如圖5(a)所示,第一級(jí)的增益表達(dá)式為 在共振頻率處 令Q=1,并忽略電容的影響,則等式10中的直流增益 如圖5(b)所示,第二級(jí)的增益表達(dá)式為 從等式11和等式12可知,LNA的總增益的表達(dá)式為 根據(jù)噪聲級(jí)聯(lián)公式可知,前級(jí)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)最大,所以在這里主要考慮電源電阻、集成電感損失、晶體管NM2的溝道噪聲等幾個(gè)方面,并忽略體效應(yīng)、溝道長度調(diào)制效應(yīng)、寄生電容等參數(shù)后,得到輸出噪聲的表達(dá)式 所以噪聲系數(shù)F的表達(dá)式為 通過正確設(shè)置各個(gè)器件的尺寸大小,本發(fā)明的低噪聲放大器可以實(shí)現(xiàn)在2.3~3.8GHz的帶寬內(nèi)輸入匹配<-9.3dB,功率增益>12.6dB,噪聲系數(shù)<2.6dB的指標(biāo)要求,版圖面積為0.356mm2,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的同類設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種高增益寬帶射頻低噪聲放大器,其特征在于射頻信號(hào)經(jīng)電感L0輸入MOS管NM2的柵極,MOS管NM2的漏極通過電阻R7與電源Vdd連接,MOS管NM2的源極接地,電容C8兩端分別與MOS管NM2的柵極和漏極連接,MOS管NM2的輸出通過電容C9與第二階放大器MOS管NM1的柵極連接,MOS管NM1的漏極通過串聯(lián)的電感L1和電阻R0與電源Vdd連接,MOS管NM1的源極接地,電容R1兩端分別與MOS管NM1的柵極和漏極連接,電阻R2兩端分別與MOS管NM1的柵極和源極連接,MOS管NM0的柵極與漏極短接,MOS管NM0的柵極與電阻R8連接后作參考電壓Vbias,與MOS管NM2的柵極連接,MOS管NM0的漏極經(jīng)電阻R5與電源Vdd連接,MOS管NM0的源極接地,電容C2兩端分別與MOS管NM0的柵極與源極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高增益寬帶射頻低噪聲放大器。射頻信號(hào)經(jīng)電感L0輸入MOS管NM2的柵極,NM2的漏極通過電阻R7與電源Vdd連接,NM2的源極接地,電容C8兩端分別與NM2的柵極和漏極連接,NM2的漏極通過電容C9與MOS管NM1的柵極連接,NM1的漏極通過串聯(lián)的電感L1和電阻R0與電源Vdd連接,NM1的源極接地,電容R1兩端分別與NM1的柵極和漏極連接,電阻R2兩端分別與NM1的柵極和源極連接,MOS管NM0的柵極與漏極短接,電阻R8兩端分別與NM2和NM0的柵極連接,NM0的漏極經(jīng)電阻R5與電源Vdd連接,NM0的源極接地,電容C2兩端分別與NM0的柵極與源極連接。本發(fā)明在輸入匹配、增益、噪聲等方面具有一定的優(yōu)勢,而且由于使用的電感數(shù)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)的放大器,芯片面積得到了顯著的減小。
文檔編號(hào)H03F3/193GK101783654SQ20101010119
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者崔陸晟, 虞小鵬 申請人:浙江大學(xué)