[發明專利]北斗地面接收機高增益寬頻帶CMOS低噪聲放大器

在審

• 申請號: 201711086673.3
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107994872A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 謝生;楊晶;毛陸虹;查萬斌;李海鷗
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03F1/26
• 分類號: H03F1/26;H03F3/16;H04B1/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及射頻低噪聲放大器領域，尤其涉及一種基于CMOS工藝的、采用并聯反饋結構、電流復用技術和噪聲抵消技術的寬帶低噪聲放大器。

背景技術

北斗衛星導航系統是中國自主創新研發的全球衛星導航定位系統，它與歐洲的伽利略導航系統、俄羅斯的格羅納斯系統以及美國的全球定位系統組成了全球性的四大衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航和授時服務。近年來，隨著在軌衛星的不斷增加，北斗衛星導航系統的穩定性、可用性和定位精度持續提高，其在交通管理、環境監測和緊急救援領域得到廣泛應用。

作為系統的核心部件，北斗接收機性能是整個北斗導航系統性能好壞的關鍵，其主要作用是首先將從天線接收到的微弱高頻信號放大，然后下變頻并量化為中頻數字信號，所以提高接收機的靈敏度是實現射頻接收機的首要任務之一。低噪聲放大器位于射頻系統接收機最前端，用于放大微弱信號，其噪聲系數越小，射頻系統接收機的靈敏度越高，因此改善低噪聲放大器的性能和設計水平有著極其重要的意義。

為提升低噪聲放大器的性能指標，研究人員對CMOS低噪聲放大器的電路結構方面進行了大量探索，在噪聲、增益和帶寬方面進行了較好地折衷。例如，范小強等人基于TSMC0.18μm CMOS工藝設計了一款可工作在1.575GHz的低噪聲放大器，增益為15.92dB，噪聲系數為1.063dB；Pan Zhijian等人基于65nm CMOS工藝設計了一款可工作在0.1-4.3GHz的寬帶低噪聲放大器，最高增益達21.2dB，噪聲系數在2.8-4dB之間。盡管上述電路采用差分拓撲結構獲得了更低的噪聲，但對工藝精度和設計技巧提出了嚴苛的要求，增加了設計復雜度，且獲得與單端結構相同的增益需要兩倍的功耗和芯片面積。

此外，也有一些采用共源共柵結構和共源結構分別作為第一、二級放大電路的單端低噪聲放大器設計的報道。例如，李兵等人基于TSMC 0.18μm CMOS工藝設計了一款多模低噪聲放大器，可工作在1.207GHz到1.575GHz之間的多個頻點，在功耗低于7mW的情況下，噪聲系數小于1.8dB；鄒鷺等人設計了一種可在1.13-1.95GHz工作的寬帶低噪聲放大器，功率增益大于10dB，噪聲系數小于2.2dB。盡管采用上述結構可以獲得一定的增益，且易于實現輸出阻抗匹配，但采用傳統共源共柵結構的第一級電路難以實現噪聲阻抗匹配和高的增益。

申請人前期提出了一種用于L波段的寬帶低噪聲放大器，在增益、帶寬和噪聲等方面獲得了良好的性能。本發明是在前期設計的基礎上，使用更少的電感來降低電路功耗和成本，同時明顯改善S參數性能。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在基于硅基CMOS工藝提出一款新型的、用于北斗地面接收機的寬帶低噪聲放大器，并實現良好的噪聲性能和增益平坦度。為此，本發明采用的技術方案是，北斗地面接收機高增益寬頻帶CMOS低噪聲放大器，由第一級放大電路、第二級放大電路和第三級放大電路組成；其中，第一級放大電路提供輸入阻抗和噪聲阻抗匹配，第二級放大電路提高增益和反向隔離度，第三級放大電路提供輸出阻抗匹配，并進一步改善增益和噪聲性能；第一級放大電路采用帶電流復用技術的并聯反饋放大器：由自偏置反相器和與之并聯的電阻組成。

第一級放大電路的結構具體是，MOS管M_1b的柵極連接至MOS管M_1a的柵極，MOS管M_1b的漏極連接至MOS管M_1a的漏極，MOS管M_1b的源極直接連接VDD；第三級放大電路由一個源跟隨器和一個共源管M₄組成，共源管M₄的柵極連接到MOS管M_1a的柵極與MOS管M_1b的柵極連接處，為MOS管M₄提供偏置。