CN109167578A - 一种带有源电感的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有源电感的超宽带低噪声放大器，实现了超宽带和超低噪声。该带有源多路反馈的超宽带微波低噪声放大器包括输入模块(1)、放大模块(2)和反馈支路(3)。本发明中在输入端引入有源电感来实现输入匹配，所使用的有源电感由NMOS晶体管构成的源级跟随器、负载及源级反馈电阻组成。在放大模块堆叠NMOM和PMOS构成电流复用，将信号交流耦合接入NMOS和PMOS的栅端，来提供低噪声放大器的增益，降低低噪声放大器的直流功耗。此外，在输出端和有源电感之间引入阻性负反馈支路，进一步拓宽了低噪声放大器的带宽。本发明结构简单，易集成，占用芯片面积小。

Description

一种带有源电感的超宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种带有源电感的超宽带低噪声放大器，具有宽带、低噪声和低功耗的特点。

背景技术

低噪声放大器电路具有十分广泛的应用，其作为无线通信接收机的首级电路，对接收机链路的整体性能起着至关重要的作用。

随着5G时代的即将来临，不同通信标准不断涌现，业界朝着高性能、低成本、低功耗和功能集成等方面不断前进。低噪声放大器作为核心模块，也受到越来越多的研究和关注，业界对低噪声放大器的设计指标要求也不断提高。对其兼容性的要求，使得一个低噪声放大器电路必须能够在较宽的频带上工作；对其可以长时间工作的要求，使得低功耗成为低噪声放大器设计的另一个追求；对其成本的考量，要求低噪声放大器的芯片面积不能过大，使得良品率下降。典型的超宽带低功耗低噪声放大器一般采用带反馈的共源放大结构、带跨导增强的共栅放大结构、分布式结构和多级放大结构等，可以实现较好的增益和带宽需求。此外，噪声抵消、交叉电容耦合、多路反馈技术等成为了低噪声放大器提升带宽和增益性能的主要技术和改进方案。在功耗控制上，堆叠结构、亚阈值偏置、低电压电压等技术为功耗的降低提供了良好的研究方向。近年内，低噪声放大器的设计主要关注在多项技术和制造工艺上的系统设计和优化，如何将低噪声放大器的设计技术较好的复合使用，使得设计达到优值，是目前低噪声放大器设计的主要追求。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有源电感的超宽带低噪声放大器。通过使用有源电感构成的源级跟随器支路，来实现和提升低噪声放大器的宽带输入匹配特性。LC网络的使用，抵消了部分高频寄生电容的影响，拓宽了低噪声放大器的带宽。堆叠NMOS和PMOS晶体管与共模反馈电阻共同构成的主放大模块，提升了低噪声放大器的增益，降低了直流功耗。此外，RC串联负反馈支路的引入，进一步稳定了放大器的增益，拓宽了工作带宽。该带带有源电感的超宽带低噪声放大器可以用于LTE、BLE、RFID和5G移动通信接收前端电路等系统中。

为此，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种带有源电感的超宽带低噪声放大器，包括输入模块、放大模块和反馈支路，其中，

1.输入模块由NMOS晶体管NM₁、隔直电容C₁、电容C₂和电感L₁构成的LC网络、源级反馈电阻R₁、偏置大电阻R₃以及负载电阻R₂构成，来提供宽带输入匹配。NM₁为源级跟随器组态，输入信号通过输入隔直电容C₁交流耦合至NM₁的源端，并通过由C₂和L₁构成的串联LC网络耦合输入至NM₂的栅端。NM₁的漏端连接负载R₂与电源VDD相连，NM₁的源端通过反馈电阻R₁接地。LC网络的作用是抵消部分NM₁的高频寄生电容，拓宽LNA的带宽，R₃连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₁提供偏置电压。

2.放大模块由NMOS晶体管NM₂、PMOS晶体管PM₁、隔直电容C₄、偏置大电阻R₆以及共模反馈电阻R₅构成。NM₂和PM₁为共源放大器组态，堆叠结构。C₄分别连接NM₂和PM₁的栅端，使通过LC的射频输入信号交流耦合至两个堆叠放大器的栅端。NM₂和PM₁的漏端直接相连，R₅连接PM₁的栅端与NM₂、PM₁的公共漏端，构成共模反馈，提供放大负载。NM₂的漏端连接输出隔直电容C₅，将经过放大的射频信号输出。R₆连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₂提供偏置电压。

3.反馈支路由电容C₃和电阻R₄串联构成。跨接在NM₂的漏端和NM₁的栅端之间，形成负反馈支路，起到拓宽工作带宽，稳定增益的作用。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.使用有源电感作为输入匹配支路，实现了超宽带输入匹配。

2.使用LC网络来抵消有源电感支路引起的高频寄生效应，拓宽了工作带宽。

3.堆叠放大结构的使用提供了较大的增益和较低的直流功耗。

4.RC反馈支路的引入，稳定了放大增益，进一步拓宽了工作带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明提供的带有源电感的超宽带低噪声放大器。

图2是本发明的一个实施例的输入输出匹配特性S参数示意图。

图3是本发明的一个实施例的幅频响应特性示意图。

图4是本发明的一个实施例的噪声系数特性示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种带有源电感的超宽带低噪声放大器，由输入模块1、放大模块2和反馈支路3组成。输入模块1由NMOS晶体管NM₁、隔直电容C₁、电容C₂和电感L₁构成的LC网络、源级反馈电阻R₁、偏置大电阻R₃以及负载电阻R₂构成，来提供宽带输入匹配。NM₁为源级跟随器组态，输入信号通过输入隔直电容C₁交流耦合至NM₁的源端，并通过由C₂和L₁构成的串联LC网络耦合输入至NM₂的栅端。NM₁的漏端连接负载R₂与电源VDD相连，NM₁的源端通过反馈电阻R₁接地。LC网络的作用是抵消部分NM₁的高频寄生电容，拓宽LNA的带宽，R₃连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₁提供偏置电压。放大模块2由NMOS晶体管NM₂、PMOS晶体管PM₁、隔直电容C₄、偏置大电阻R₆以及共模反馈电阻R₅构成。NM₂和PM₁为共源放大器组态，堆叠结构。C₄分别连接NM₂和PM₁的栅端，使通过LC的射频输入信号交流耦合至两个堆叠放大器的栅端。NM₂和PM₁的漏端直接相连，R₅连接PM₁的栅端与NM₂、PM₁的公共漏端，构成共模反馈，提供放大负载。NM₂的漏端连接输出隔直电容C₅，将经过放大的射频信号输出。R R₆连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₂提供偏置电压。反馈支路3由电容C₃和电阻R₄串联构成。跨接在NM₂的漏端和NM₁的栅端之间，形成负反馈支路，起到拓宽工作带宽，稳定增益的作用。

图2至图4给出了一个GF 130-nm RF SOI工艺实施例的性能示意图，可以看出本发明的工作频段为0.1-3.4GHz，工作频段内满足输入匹配要求(50Ω匹配，S11<-10dB),增益为18.2～15.2dB，最小噪声系数为3.4dB。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种带有源电感的超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括输入模块(1)、放大模块(2)和反馈支路(3)，其中，

输入模块(1)由NMOS晶体管NM₁、隔直电容C₁、电容C₂和电感L₁构成的LC网络、源级反馈电阻R₁、偏置大电阻R₃以及负载电阻R₂构成，来提供宽带输入匹配，NM₁为源级跟随器组态，输入信号通过输入隔直电容C₁交流耦合至NM₁的源端，并通过由C₂和L₁构成的串联LC网络耦合输入至NM₂的栅端，NM₁的漏端连接负载R₂与电源VDD相连，NM₁的源端通过反馈电阻R₁接地，LC网络的作用是抵消部分NM₁的高频寄生电容，拓宽LNA的带宽，R₃连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₁提供偏置电压；

放大模块(2)由NMOS晶体管NM₂、PMOS晶体管PM₁、隔直电容C₄、偏置大电阻R₆以及共模反馈电阻R₅构成，NM₂和PM₁为共源放大器组态，堆叠结构，C₄分别连接NM₂和PM₁的栅端，使通过LC的射频输入信号交流耦合至两个堆叠放大器的栅端，NM₂和PM₁的漏端直接相连，R₅连接PM₁的栅端与NM₂、PM₁的公共漏端，构成共模反馈，提供放大负载，NM₂的漏端连接输出隔直电容C₅，将经过放大的射频信号输出，R₆连接NM₁的栅端和偏置电压V_bias1，用于为NM₂提供偏置电压；

反馈支路(3)由电容C₃和电阻R₄串联构成，跨接在NM₂的漏端和NM₁的栅端之间，形成负反馈支路，起到拓宽工作带宽，稳定增益的作用。