專利名稱：一種多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー個基于CMOSエ藝的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段的差分低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
隨著射頻集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，越來越多的無線通信產(chǎn)品進入了我們的日常生活，例如 900MHz GSM(Global System for Mobile Communication)移動電話、1.9GHz PCS (Personal Communications Service)個人通信系統(tǒng)以及 2. 4GHz 藍牙通信產(chǎn)品等。隨著新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷出現(xiàn)，設(shè)計一個可兼容多個通信標(biāo)準(zhǔn)的接收機正成為ー種必然趨勢。目前實用的無線通信技術(shù)主要存在以下五個標(biāo)準(zhǔn)體系I. ISO (InternationalStandard Organization)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括 IS0/IEC 18000、IS0/IEC 14443、IS0/IEC 15693系列標(biāo)準(zhǔn)；2. EPC (Electronic Product Code) Global 標(biāo)準(zhǔn)體系；3.源于日本的 UbiquitousID標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；4.中國信息產(chǎn)業(yè)部(現(xiàn)エ業(yè)和信息化部)的800/900MHZ射頻識別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定；5.中國聯(lián)通手機2. 4GHz頻率NFC(Near Field Communication)應(yīng)用業(yè)務(wù)規(guī)范和中國移動通信企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)手機支付RFID-S頂卡片基礎(chǔ)技術(shù)方案。在兼容多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段的無線通信系統(tǒng)接收機構(gòu)架中，前端電路的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器作為無線通信接收機的第一級，起著至關(guān)重要的作用。多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲 放大器的主要功能包括1、對各個波段中心頻率附近的信號進行放大，供后級使用；2、提供較好的噪聲系數(shù)；3、對輸入頻率有一個濾波功能，選擇性地放大輸入信號。附圖I闡釋了多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器在無線通信接收機中的作用。作為接收機的第一級，低噪聲放大器對整個接收機的性能有很大的影響1、整個系統(tǒng)的噪聲底限是由第一級的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)決定的；2、低噪聲放大器需要放大接收到的小信號，提供足夠高的増益，抑制混頻器和基帶的噪聲對系統(tǒng)的影響；3、低噪聲放大器需要具有較好的線性度，保證接收較大信號不失真；4、低噪聲放大器需要具有較小的反射系數(shù)，使系統(tǒng)的功率傳輸最大。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、増益、輸入輸出匹配、反向隔離度、線性度是相互影響的，應(yīng)該綜合考慮并在各個性能指標(biāo)之間進行折中優(yōu)化。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的優(yōu)化折衷，本發(fā)明主要基于上述通信標(biāo)準(zhǔn)，提供ー個能兼容13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段的CMOS差分低噪聲放大器。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的g在提供一種多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段、低功耗、面積小的CMOS差分低噪聲放大器，該放大器基于CMOSエ藝實現(xiàn)，具有増益高、線性度好等優(yōu)點。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)一種多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其包括信號輸入電路、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路、輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)；其特征在于所述信號輸入電路與輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，用于提供13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段的輸入信號；所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于接收來自信號源的信號并匹配所述五個頻段每一個頻段下的輸入阻杭，以及選擇性放大所述信號；所述放大電路連接于所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之間，用于放大所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接收的信號；所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接于所述放大電路和輸出端之間以匹配所述五個頻段每一個頻段下的輸出阻抗，并輸出最終的輸出信號；所述偏置網(wǎng)絡(luò)連接于信號源和所述放大電路之間，用于偏置放大電路以確定放大電路的工作點；所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)匹配所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、
2.4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段下的輸入阻杭，當(dāng)輸入不同頻率的信號時，通過控制開關(guān)選擇相應(yīng)頻段的接入電容，以結(jié)合所述偏置網(wǎng)絡(luò)匹配 輸入阻杭，并對輸入信號濾波和選擇性放大；所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)匹配所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段時的輸出阻抗；所述偏置網(wǎng)絡(luò)偏置所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段下的放大電路，以確定所述五個頻段下的各自的靜態(tài)工作點；結(jié)合所述的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配五個頻段每ー個頻段的輸入阻抗；所述放大電路為帶源極電感負(fù)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)，包含第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三電感Ls，其中Ls作為源極負(fù)反饋，M1、M2為差分輸入管，M3、M4為電流源負(fù)載。本發(fā)明還提供了 所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)控制的電容陣列組成。所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使用LC諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)電阻組成。所述控制開關(guān)使用小尺寸的MOS管，控制選擇所述五個頻段每ー個頻段的不同電容通路，以選擇相應(yīng)頻率下的阻抗電路。所述電容為MOS電容。所述MOS電容為MOS管的MOS電容的柵極與連接在一起的源極、漏極、襯底形成，其電容值由MOS管的寬和長決定。所述電感為有源電感。所述有源電感采用MOSエ藝實現(xiàn)。


圖I :多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段無線接收機中的低噪聲放大器。圖2 :本發(fā)明設(shè)計的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段CMOS差分低噪聲放大器。圖3 :低噪聲放大器輸入阻抗匹配的等效原理圖。圖4 :本發(fā)明設(shè)計的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段CMOS差分低噪聲放大器的傳遞函數(shù)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施案例對本發(fā)明作進ー步說明。本發(fā)明設(shè)計的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段CMOS差分低噪聲放大器，是ー個兼容13.56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段的差分窄帶低噪聲放大器，根據(jù)接收頻率的不同，通過控制開關(guān)的工作和關(guān)閉，來選擇不同頻段下的接入電容和電路直流偏置，從而實現(xiàn)低噪聲放大器在不同頻段下輸入阻抗匹配，使其可在相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)下工作。此外，考慮到無線通信系統(tǒng)對功耗的要求，本發(fā)明設(shè)計的低噪聲放大器采用有源電感代替無源電感，因此不僅具有低功耗、小面積、低成本等優(yōu)點，而且具有低噪聲、高増益、低輸入反射系數(shù)和高線性度等優(yōu)點。本發(fā)明設(shè)計的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段CMOS差分低噪聲放大器的電路原理如附圖2所示，包含信號輸入電路、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路、偏置網(wǎng)絡(luò)和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。所述信號輸入電路包括第一信號源rfl+、第二信號源rf2+、第三信號源rf3+、第四信號源rf4+、第五信號源rf5+、第六信號源rfl-、第七信號源rf2-、第八信號源rf3-、第九信號源rf4-和第十信號源rf5-，用來提供五種不同頻率的輸入信號。所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一電感Lgl、第二電感Lg2、第三電感Ls、第一電容CO、第二電容Cl、第三電容C2、第四電容C3、第五電容C4、第六電容C5、第七電容C6、第八電容C7、第九電容CS、第十電容C9、第一開關(guān)K0、第二開關(guān)K1、第三開關(guān)K2、第四開關(guān)K3、第五開關(guān)K4、第六開關(guān)K5、第七開關(guān)K6、第八開關(guān)K7、第九開關(guān)K8、第十開關(guān)K9。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同頻率下選擇不同的輸入阻抗，其中開關(guān)用于選擇相應(yīng)的元件；其中所述電感 Lgl、Lg2和Ls是采用有源電感實現(xiàn)的，所述電容CO、Cl、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、和C9是采用MOS電容實現(xiàn)的，所述開關(guān)K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8和K9是采用MOS管實現(xiàn)的，根據(jù)MOS管柵壓的不同實現(xiàn)電路的工作和關(guān)閉。所述放大電路，采用帶源極電感負(fù)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)，包含第一 NMOS管Ml、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三電感Ls，其中Ls實現(xiàn)源極負(fù)反饋，用以提高電路的線性度，降低電路噪聲。所述偏置網(wǎng)絡(luò)包括第一電阻Rl、第二電阻R2、第一電壓源dcO、第二電壓源dcI、第三電壓源dc2、第四電壓源dc3、第五電壓源dc4、第六電壓源dc5、第七電壓源dc6、第八電壓源dc7、第九電壓源dc8、第十電壓源dc9、第十一電壓源Vbl、第十二電壓源Vb2，用來提供電路在不同頻率下的不同靜態(tài)工作點。所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一電阻R1、第二電阻R2、第四電感Ldl、第五電感Ld2、第i^一電容Coutl、第十二電容Cout2，用以實現(xiàn)不同頻率下的輸出阻抗匹配。電路的具體連接方式為信號源rfl+的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)KlO的一端相連，KlO的另一端與直流源dcO的負(fù)端相連；信號源rf2+的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)Kll的一端相連，Kll的另一端與直流源del的負(fù)端相連；信號源rf3+的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K12的一端相連，K12的另一端與直流源dc2的負(fù)端相連；信號源rf4+的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K13的一端相連，K13的另一端與直流源dc3的負(fù)端相連；信號源rf5+的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K14的一端相連，K14的另一端與直流源dc4的負(fù)端相連；直流源dcO、del、dc2、dc3、dc4的正端連在一起與電感Lgl的一端相連；Lgl的另一端與六個支路相連，分別連接于五個開關(guān)KO、Kl、K2、K3、K4 一端和晶體管Ml的柵端；開關(guān)KO、Kl、k2、K3、K4的另一端分別與五個電容C0、C1、C2、C3、C4的一端相連；五個電容CO、Cl、C2、C3、C4的另一端與晶體管Ml的源端相連，共同接在電感Ls的一端，Ls的另一端與地相連；晶體管Ml的漏與M3的源相連；M3的柵與電壓源Vbl的正端相連，Vbl的負(fù)端與地相連；M3的漏端與三個支路相連，這三個支路分別連接在Rl、Ldl、Coutl的一端，RU Ldl的另一端與VDD相連，Coutl的另一端與差動輸出的正端相連；信號源rfl-的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K19的一端相連，K19的另一端與直流源dc5的負(fù)端相連；信號源rf2-的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K18的一端相連，K18的另一端與直流源dc6的負(fù)端相連；信號源rf3-的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K17的一端相連，K17的另一端與直流源dc7的負(fù)端相連；信號源rf4-的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K16的一端相連，K16的另一端與直流源dc8的負(fù)端相連；信號源rf5-的負(fù)端與地相連，正端與開關(guān)K15的一端相連，K15的另一端與直流源dc9的負(fù)端相連；直流源dc5、dc6、dc7、dc8、dc9的正端連在一起與電感Lg2的一端相連；Lg2的另ー端與六個支路相連，分別連接于五個開關(guān)K5、K6、K7、K8、K9 一端和晶體管M2的柵端；開關(guān)K5、K6、K7、K8、K9的另一端分別與五個電容C5、C6、C7、C8、C9的一端相連；五個電容C5、C6、C7、C8、C9的另一端與晶體管M2的源端相連，共同接在電感Ls的一端，Ls的另一端與地相連；晶體管M2的漏與M4的源相連；M4的柵與電壓源Vb2的正端相連，Vb2的負(fù)端與地相連；M4的漏端與三個支路相連，這三個支路分別連接在R2、Ld2、Cout2的一端，R2、Ld2的另一端與VDD相連；Cout2的另一端與差動輸出的負(fù)端相連；

放大電路的電路結(jié)構(gòu)采用帶源極電感負(fù)反饋的共源共柵結(jié)構(gòu)；采用源極電感負(fù)反饋，能降低系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)的線性度?？刂崎_關(guān)使用小尺寸的MOS管實現(xiàn)，可以實現(xiàn)不同頻率下的不同電容通路，實現(xiàn)相應(yīng)頻率下的阻抗電路的選擇，同時由于尺寸小，其寄生效應(yīng)小，更容易實現(xiàn)匹配。使用LC諧振網(wǎng)絡(luò)與電阻并聯(lián)，從而減小電阻在高頻下的寄生效應(yīng)，實現(xiàn)寬頻帶匹配。將MOS管的源、漏、襯連接在一起，柵和其他三端就形成ー個MOS電容，其電容值可以由MOS管的寬和長控制，與其他エ藝下的電容相比，MOS電容具有面積小，電容值能精確控制的特征。電感用MOSエ藝實現(xiàn)，與螺旋電感相比具有エ藝簡單、面積小、品質(zhì)因子高等優(yōu)點。具體工作機制如下I、第一信號源rfl+和第六信號源rfl-、第二信號源rf2+和第七信號源rf2_、第三信號源rf3+和第八信號源rf3-、第四信號源rf4+和第九信號源rf4-、第五信號源rf5+和第十信號源rf5-分別提供13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五種不同頻率的信號源。2、每個信號源分別有ー個提供直流偏置的直流電源，分別為第一電壓源dcO、第二電壓源del、第三電壓源dc2、第四電壓源dc3、第五電壓源dc4、第六壓源dc5、第七電壓源dc6、第八電壓源dc7、第九電壓源dc8、第十電壓源dc9，分別為對應(yīng)的信號源提供不同的偏置，這些電壓源配合輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同頻率下輸入阻抗的匹配。3、開關(guān)的協(xié)同工作K10、Κ0、Κ5和Κ19同時工作和關(guān)閉，保證輸入信號rfl+和rfl-以及匹配電容CO和C5接入電路，實現(xiàn)對13. 56MHz信號的放大；K11、K1、K6和Κ18同時工作和關(guān)閉，保證輸入信號rf2+和rf2-以及匹配電容Cl和C6接入電路，實現(xiàn)對433MHz信號的放大；K12、K2、K7和Κ17同時工作和關(guān)閉，保證輸入信號rf3+和rf3_以及匹配電容C2和C7接入電路，實現(xiàn)對900MHz信號的放大；K13、K3、K8和Κ16同時工作和關(guān)閉，保證輸入信號rf4+和rf4-以及匹配電容C3和C8接入電路，實現(xiàn)對2. 4GHz信號的放大；K14、K4、Κ9和Κ15同時工作和關(guān)閉，保證輸入信號rf5+和rf5_以及匹配電容C4和C9接入電路，實現(xiàn)對5. 8GHz信號的放大。4、電感Lgl、電感Lg2及電感Ls是不同頻段下的共用電感，在保證輸入阻抗匹配的同時，通過共用電路元件達到減小電路面積的目的。
5、多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段CMOS差分低噪聲放大器工作時的輸入阻抗是通過選擇不同的直流偏置和不同的電容來實現(xiàn)的。該低噪聲放大器輸入阻抗的等效電路如圖3所示。工作在第i(i = 1,2,3,4,5)個頻段下，該低噪聲放大器的輸入阻抗Zin為
權(quán)利要求
1.一種多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其包括信號輸入電路、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路、輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)；其特征在于所述信號輸入電路與輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，用于提供13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段的輸入信號；所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于接收來自信號源的信號并匹配所述五個頻段每一個頻段下各自的輸入阻杭，以及選擇性放大所述信號；所述放大電路連接于所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)之間，用于放大所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接收的信號；所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接于所述放大電路和輸出端之間以匹配所述五個頻段每一個頻段下各自的輸出阻杭，并輸出最終的輸出信號；所述偏置網(wǎng)絡(luò)連接于信號源和所述放大電路之間，用于偏置放大電路以確定放大電路的工作點； 所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)匹配所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段下各自的輸入阻抗，當(dāng)輸入不同頻率的信號時，通過控制開關(guān)選擇相應(yīng)頻段的接入電容，以結(jié)合所述偏置網(wǎng)絡(luò)匹配輸入阻杭，并對輸入信號濾波和選擇性放大； 所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)匹配所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段下各自的輸出阻抗； 所述偏置網(wǎng)絡(luò)偏置所述13. 56MHz、433MHz、900MHz、2. 4GHz、5. 8GHz五個頻段每ー個頻段下的放大電路，以確定所述五個頻段下各自的靜態(tài)工作點；結(jié)合所述的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配五個頻段每ー個頻段各自的輸入阻抗； 所述放大電路為帶源極電感負(fù)反饋共源共柵結(jié)構(gòu)，包含第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4和第三電感Ls，其中Ls作為源極負(fù)反饋，Ml、M2為差分輸入管，M3、M4為電流源負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)控制的電容陣列組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使用LC諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)電阻組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述控制開關(guān)使用小尺寸的MOS管，控制選擇所述五個頻段每ー個頻段下各自不同的電容通路，以選擇相應(yīng)頻率下的阻抗電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述電容為MOS電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述電感為有源電感。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述MOS電容為MOS管的MOS電容的柵極與連接在一起的源極、漏極、襯底形成，其電容值由MOS管的寬和長決定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段低噪聲放大器，其特征在于所述有源電感采用MOSエ藝實現(xiàn)。
全文摘要
一種多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段的CMOS差分低噪聲放大器可應(yīng)用于13.56MHz、433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz五個頻率的多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段接收機前端電路中。主要由輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，帶源極電感負(fù)反饋共源共柵放大電路，輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。其中輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)控制的電容陣列組成；放大電路使用源極電感負(fù)反饋保證電路的高線性度和低噪聲；輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使用LC諧振網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)電阻構(gòu)成，實現(xiàn)了輸出阻抗匹配。匹配電容使用MOS電容，電感使用有源電感，減小了芯片面積，降低了工藝的復(fù)雜度。多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段的CMOS差分低噪聲放大器可實現(xiàn)不同頻率下的阻抗匹配，對輸入信號進行選擇性放大。
文檔編號H03H11/28GK102684641SQ201210164669
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者沈琪, 王偉印, 趙琳娜, 顧曉峰 申請人:江南大學(xué)