本發(fā)明涉及射頻接收機系統(tǒng)中的低噪聲放大器，尤其是一種低電壓低功耗高增益窄帶低噪聲放大器，采用cmos工藝，在射頻電路中具有較大優(yōu)勢，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，在改善噪聲性能與增益同時，將功耗大幅度降低，具有較高的增益與良好的輸入匹配，且具有較小的噪聲系數(shù)，適用于低成本、低電壓、低功耗通信系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

低噪聲放大器是射頻接收鏈路中的第一級有源電路，其本身應(yīng)具有較低的噪聲系數(shù)并提供足夠的增益來抑制后級電路的噪聲。對于幾乎所有的射頻接收機系統(tǒng)，必不可少的一個模塊就是低噪聲放大器。由于系統(tǒng)接收到的射頻信號幅度通常很小，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，并且提供一定的電壓增益，以提高輸出的信噪比。

傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器和共柵結(jié)構(gòu)放大器廣泛應(yīng)用于低電壓窄帶低噪聲放大器的設(shè)計中。其中源極電感負(fù)反饋共源低噪聲放大器具有很低的噪聲系數(shù)、適中的增益和線性度，是在硅襯底上實現(xiàn)窄帶低噪聲放大器的最常見的電路結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的源極電感負(fù)反饋共源低噪聲放大器電路如圖1所示。信號由晶體管m1的柵極輸入，通過調(diào)整m1的寬長比及柵極偏置電壓，可以調(diào)整流經(jīng)m1的電流大小，進而改變m1跨導(dǎo)gm，其中l(wèi)g和ls分別為柵極電感和源極電感，cex為柵源并聯(lián)電容，完成電路的輸入匹配，ld和cout完成電路的輸出匹配。雖然源極電感負(fù)反饋共源低噪聲放大器結(jié)構(gòu)相對簡單，且具有流程化的設(shè)計和優(yōu)化步驟，理論上可以達到限定功耗條件下的最小噪聲系數(shù)，但是在實際電路的設(shè)計和應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器具有以下缺點：

第一是隔離度差，由于傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器的隔離度較差，這將導(dǎo)致輸出端信號返回到輸入端，難以滿足系統(tǒng)對隔離度指標(biāo)的要求。

第二是電路魯棒性較差，芯片鍵合線長度和寄生電感的大小會因工藝或人為等因素發(fā)生變化，鍵合線的寄生電感對放大器的輸入匹配和噪聲性能產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。

與傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器相比，共源結(jié)構(gòu)放大器的線性度較差。共柵結(jié)構(gòu)的放大器在線性度、輸入匹配、穩(wěn)定性以及溫度和工藝的魯棒性等方面有著天然的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器電路如圖2所示。信號由晶體管m1、m2源極輸入，通過調(diào)整m1和m2的寬長比及柵極偏置電壓，可以調(diào)整流經(jīng)m1和m2的電流大小，進而改變m1和m2的跨導(dǎo)gm，使其輸入阻抗與50歐姆天線匹配。通過調(diào)整負(fù)載電阻r1和r2的阻值大小，可以獲得不同的電壓增益。該結(jié)構(gòu)具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬。但是，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器具有以下缺點：

第一是功耗大，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的輸入阻抗近似為1/(gm+gmb)，其中g(shù)m為輸入晶體管跨導(dǎo)，gmb為輸入晶體管襯底到源極電位差帶來的體效應(yīng)對應(yīng)的等效跨導(dǎo)。為了實現(xiàn)輸入阻抗與50歐姆天線的匹配，必須通過增加工作電流以提高輸入管的跨導(dǎo)，使上式近似等于50歐姆。

第二是增益低，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益很大程度上取決于負(fù)載阻抗大小，但是大電阻負(fù)載會帶來過多的壓降，降低電壓余度及線性度；而大感值負(fù)載電感既增加了芯片面積又會導(dǎo)致電路呈現(xiàn)窄帶增益特性。

第三是隔離度差，由于傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的隔離度較差，這將導(dǎo)致輸出端信號返回到輸入端，難以滿足系統(tǒng)對隔離度指標(biāo)的要求。

最后是噪聲大，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的噪聲系數(shù)較大，往往超過4db。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器魯棒性較差、線性度不高，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器功耗大、增益低、隔離度差、噪聲大的不足，提供一種低電壓低功耗高增益窄帶低噪聲放大器，能在保證電路性能的基礎(chǔ)上，降低放大器的功耗和噪聲，提高放大器的增益和隔離度。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：一種低電壓低功耗高增益窄帶低噪聲放大器，其特征在于：設(shè)有輸入主共柵放大單元、扼流單元、跨導(dǎo)增強共柵放大單元和負(fù)載單元，差分射頻輸入信號vin+和vin-分別連接輸入主共柵放大單元的輸入端和扼流單元的輸出端，輸入主共柵放大單元的輸出端連接跨導(dǎo)增強共柵放大單元的輸入端，跨導(dǎo)增強共柵放大單元的輸出端連接負(fù)載單元，負(fù)載單元輸出差分射頻輸出信號vout+和vout-；其中：

輸入主共柵放大單元包括nmos管m1、nmos管m2、電阻r1、電阻r2、電容c1和電容c2，nmos管m1的柵極連接電阻r1的一端和電容c1的一端，電阻r1的另一端連接偏置電壓vbias1，nmos管m2的柵極連接電阻r2的一端和電容c2的一端，電阻r2的另一端連接偏置電壓vbias1，nmos管m1的源極和nmos管m2的源極分別連接差分射頻輸入信號vin+和vin-；

扼流單元包括電感l(wèi)1和電感l(wèi)2，電感l(wèi)1的一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m2的源極即差分射頻輸入信號vin-，電感l(wèi)2的一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m1的源極即差分射頻輸入信號vin+，電感l(wèi)1的另一端和電感l(wèi)2另一端均接地；

跨導(dǎo)增強共柵放大單元包括nmos管m3、nmos管m4、電容c3、電容c4以及、電阻r3～r6，電容c3的一端連接nmos管m3的柵極和電阻r3的一端，電阻r3的另一端連接偏置電壓vbias2，電容c3的另一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m1的源極即差分射頻輸入信號vin+，電容c4的一端連接nmos管m4的柵極和電阻r4的一端，電阻r4的另一端連接偏置電壓vbias2，電容c4的另一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m2的源極即差分射頻輸入信號vin-，nmos管m3的漏極連接電阻r5的一端和輸入主共柵放大單元中電容c1的另一端，nmos管m4的漏極連接電阻r6的一端和輸入主共柵放大單元中電容c2的另一端，電阻r5的另一端和電阻r6的另一端均連接電源電壓vdd；

負(fù)載單元包括電感l(wèi)3和電容c5，電感l(wèi)3與電容c5并聯(lián)，其并聯(lián)后的一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m1的漏極并作為輸出端輸出差分射頻輸出信號vout+，并聯(lián)后的另一端連接輸入主共柵放大單元中nmos管m2的漏極并作為輸出端輸出差分射頻輸出信號vout-，電感l(wèi)3的中心抽頭端連接電源電壓vdd。

本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果：

(1)低電壓低功耗。在實現(xiàn)50歐姆輸入阻抗匹配要求下，采用本發(fā)明可以大幅度降低功耗，通過采用多重跨導(dǎo)增強技術(shù)可以將工作電流降低至0.9ma(電源電壓1v)，而采用傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器，需要約3ma的工作電流(電源電壓1v)，采用傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器，需要約2.5ma的工作電流(電源電壓1v)。

(2)高增益。本發(fā)明的工作電流較低，且使用差分電感l(wèi)3增加增益，從而不會產(chǎn)生過大的壓降，同時采用多重跨導(dǎo)增強技術(shù)，也能使電壓增益增加。在相同功耗條件下(1v電源電壓下，工作電流0.9ma)，本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器其電壓增益大幅提高，見圖5。

(3)高隔離度。本發(fā)明采用采用多重跨導(dǎo)增強技術(shù)，可以大大提高放大器的隔離度，相比于傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器、傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器，電路隔離度可以從原先的25db提高至45db，從而滿足系統(tǒng)對隔離度指標(biāo)的要求。

(4)低噪聲。本發(fā)明采用多重跨導(dǎo)增強技術(shù)，大大提高了電路的增益，從而降低了電路噪聲系數(shù)。在相同功耗條件下(1v電源電壓下，工作電流0.9ma)，本發(fā)明相對傳統(tǒng)的共源結(jié)構(gòu)放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器其噪聲系數(shù)對比，見圖6。

(5)本發(fā)明提出的多重跨導(dǎo)增強技術(shù)低噪聲放大器，可以大幅降低功耗，提高電壓增益，降低噪聲系數(shù)，可以應(yīng)用于低成本、低電壓、低功耗射頻前端中。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電路原理圖；

圖2是傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明低噪聲放大器的電路方框圖；

圖4是本發(fā)明低噪聲放大器的電路原理圖；

圖5是相同電源電壓，相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電壓增益曲線比較；

圖6是相同電源電壓，相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線比較。

具體實施方式

參看圖3，本發(fā)明設(shè)有輸入主共柵放大單元1、扼流單元2、跨導(dǎo)增強共柵放大單元3、和負(fù)載單元4。差分射頻輸入信號vin+及vin-分別連接輸入主共柵放大單元1的輸入端，和扼流單元2的輸出端，輸入主共柵放大單元1的輸出端連接跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的輸入端，跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的輸出端連接負(fù)載單元4，負(fù)載單元4輸出差分射頻輸出信號vout+和vout-。

參看圖4，輸入主共柵放大單元1采用兩路差分共柵結(jié)構(gòu)，與此同時，跨導(dǎo)增強共柵放大單元3和輸入主共柵放大單元1在信號輸入端形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而一起實現(xiàn)低噪聲放大器50歐姆輸入阻抗匹配。扼流單元2提供直流通路到地，并對輸入的交流信號進行扼流。射頻輸入信號通過輸入主共柵放大單元1，跨導(dǎo)增強共柵放大單元3送至負(fù)載單元4，最終輸出放大的電壓差分信號vout+和vout-。

差分射頻vin+信號連接輸入主共柵放大單元1的nmos管m1的源極和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的nmos管m4的源極，vin-信號連接輸入主共柵放大單元1的nmos管m2的源極和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的nmos管m3的源極，同時扼流單元2的電感l(wèi)1連接到輸入主共柵放大單元1的nmos管m2的源極和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的nmos管m3的源極，電感l(wèi)2連接到輸入主共柵放大單元1的nmos管m1的源極和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的nmos管m4的源極。nmos管m1、m2的柵極串聯(lián)電阻r1、r2后連接到偏置電壓vbias1，nmos管m1、m2的柵極串聯(lián)電容c1、c2后分別連接到跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的nmos管m3、m4的漏級。

跨導(dǎo)增強共柵放大單元3包括nmos管m3、m4、電容c3、c4和電阻r3、r4、r5、r6。c3、c4的一端分別連接跨導(dǎo)增強共柵放大單元3中的nmos管m3和m4的柵極，c3、c4的另一端分別連接輸入主共柵放大單元1中的nmos管m1和m2的源級，nmos管m3和m4的柵極分別串聯(lián)r3、r4后均連接到偏置電壓vbias2，r5、r6的一端分別與nmos管m3和m4的漏極相連，r5、r6的另一端與電感l(wèi)3的中心抽頭端一起與電源電壓vdd相連接。

nmos管m1、m2的漏極分別連接負(fù)載單元4的電感l(wèi)3、電容c5兩端，差分射頻輸出信號vout+和vout-由負(fù)載單元4的電感l(wèi)3及電容c5兩端輸出。

差分射頻輸入信號vin+及vin-通過輸入主共柵放大單元1輸入，對于共柵結(jié)構(gòu)的放大電路，其輸入阻抗約為1/(gm+gmb)，此處，gm為共柵極晶體管的跨導(dǎo)，gmb為共柵極晶體管襯底b到源極s的電位差帶來的等效跨導(dǎo)。

本專利在輸入端采用了多重跨導(dǎo)增強技術(shù)，其主要由輸入主共柵放大單元1和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3兩個部分構(gòu)成。輸入主共柵放大單元1由nmos管m1、m2、電容c1、c2以及電阻r1、r2組成，電感l(wèi)3和電容c5組成負(fù)載單元4，電感l(wèi)3和電容c5是作為輸入主共柵放大單元1的lc負(fù)載，諧振在工作頻率2.44ghz處?？鐚?dǎo)增強共柵放大單元3由nmos管m3、m4、電容c3、c4和電阻r3、r4、r5、r6組成，其中電容c3和c4構(gòu)成了電容交叉耦合結(jié)構(gòu)，在沒有消耗額外功耗的情況下，進一步提升了跨導(dǎo)增強共柵放大單元3的等效跨導(dǎo)。此外，采用共柵組態(tài)的跨導(dǎo)增強放大單元還可以和主共柵放大單元在信號輸入端形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一起完成放大器的輸入端匹配，使電路設(shè)計變得更加靈活，該結(jié)構(gòu)中的主共柵放大單元1和跨導(dǎo)增強共柵放大單元3可以采用不同的偏置電流，設(shè)計自由度也更高，而且該結(jié)構(gòu)在電源和地之間僅有一層nmos管，更適合在較低的電源電壓下工作。綜上所述，相比傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)放大器和共柵結(jié)構(gòu)放大器，在相同電源電壓和功耗限制的前提下，本專利所采用的電路結(jié)構(gòu)具有更低的噪聲系數(shù)，更高的增益和更好的線性度，非常適用于低成本、低電壓、低功耗射頻前端中。

參看圖5可見，在相同電源電壓，相同功耗下本發(fā)明與與傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電壓增益曲線比較，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計的低噪聲放大器增益最高。參看圖6可見，在相同電源電壓，相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器、傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線比較，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計的低噪聲放大器噪聲系數(shù)最低。

本發(fā)明設(shè)計的低噪聲放大器在1v電源電壓下工作電流約為0.9ma，電路功耗0.9mw。該低噪聲放大器電壓增益的最大值為22.2db位于2.44ghz頻率處，在2.4～2.4835ghz頻率范圍內(nèi)，電壓增益的波動小于±0.4db。在2.4～2.4835ghz頻率范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)小于4.25db。在2.44ghz頻率處，該低噪聲放大器的ip1db為-17.5dbm，iip3為-2.5dbm。通過對比，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)低噪聲放大器和傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器。