[發明專利]一種低電壓低功耗高增益窄帶低噪聲放大器

在審

• 申請號: 201710273813.1
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107241074A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 李智群;羅磊;王曾祺;程國梟;王歡
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及射頻接收機系統中的低噪聲放大器，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勢，設計結構簡單，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，適用于低成本、低電壓、低功耗通信系統中。

背景技術

低噪聲放大器是射頻接收鏈路中的第一級有源電路，其本身應具有較低的噪聲系數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，必不可少的一個模塊就是低噪聲放大器。由于系統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。

傳統的共源結構放大器和共柵結構放大器廣泛應用于低電壓窄帶低噪聲放大器的設計中。其中源極電感負反饋共源低噪聲放大器具有很低的噪聲系數、適中的增益和線性度，是在硅襯底上實現窄帶低噪聲放大器的最常見的電路結構。傳統的源極電感負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，通過調整M1的寬長比及柵極偏置電壓，可以調整流經M1的電流大小，進而改變M1跨導g_m，其中L_g和L_s分別為柵極電感和源極電感，C_ex為柵源并聯電容，完成電路的輸入匹配，L_d和C_out完成電路的輸出匹配。雖然源極電感負反饋共源低噪聲放大器結構相對簡單，且具有流程化的設計和優化步驟，理論上可以達到限定功耗條件下的最小噪聲系數，但是在實際電路的設計和應用過程中，傳統的共源結構放大器具有以下缺點：

第一是隔離度差，由于傳統的共源結構放大器的隔離度較差，這將導致輸出端信號返回到輸入端，難以滿足系統對隔離度指標的要求。

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生不可預知的影響。

與傳統的共柵結構放大器相比，共源結構放大器的線性度較差。共柵結構的放大器在線性度、輸入匹配、穩定性以及溫度和工藝的魯棒性等方面有著天然的優勢。傳統的共柵結構放大器電路如圖2所示。信號由晶體管M1、M2源極輸入，通過調整M1和M2的寬長比及柵極偏置電壓，可以調整流經M1和M2的電流大小，進而改變M1和M2的跨導g_m，使其輸入阻抗與50歐姆天線匹配。通過調整負載電阻R1和R2的阻值大小，可以獲得不同的電壓增益。該結構具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬。但是，傳統的共柵結構放大器具有以下缺點：

第一是功耗大，傳統的共柵結構放大器的輸入阻抗近似為1/(g_m+g_mb)，其中g_m為輸入晶體管跨導，g_mb為輸入晶體管襯底到源極電位差帶來的體效應對應的等效跨導。為了實現輸入阻抗與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，使上式近似等于50歐姆。

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

第三是隔離度差，由于傳統的共柵結構放大器的隔離度較差，這將導致輸出端信號返回到輸入端，難以滿足系統對隔離度指標的要求。

最后是噪聲大，傳統的共柵結構放大器的噪聲系數較大，往往超過4dB。

發明內容

本發明的目的是為了克服傳統的共源結構放大器魯棒性較差、線性度不高，傳統的共柵結構放大器功耗大、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。

本發明采取的技術方案如下：一種低電壓低功耗高增益窄帶低噪聲放大器，其特征在于：設有輸入主共柵放大單元、扼流單元、跨導增強共柵放大單元和負載單元，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增強共柵放大單元的輸入端，跨導增強共柵放大單元的輸出端連接負載單元，負載單元輸出差分射頻輸出信號Vout+和Vout-；其中：