一種寬帶低噪聲放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單路轉(zhuǎn)雙路的寬帶低噪聲放大器，包括放大級(jí)、差分級(jí)、負(fù)載級(jí)和反饋級(jí)。放大級(jí)用于將輸入信號(hào)放大；差分級(jí)用于將該放大級(jí)輸出的信號(hào)從單路信號(hào)轉(zhuǎn)為相位差為180°的一對(duì)差分信號(hào)并輸出；負(fù)載級(jí)連接于差分級(jí)的輸出端與電源之間；反饋級(jí)連接于差分級(jí)的輸出端與放大級(jí)之間，用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路反饋信號(hào)，并將該單路反饋信號(hào)反饋至放大級(jí)的輸入端。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶信號(hào)接受特性，將單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)傳遞給后級(jí)混頻器，以及提高整個(gè)回路的穩(wěn)定性和增益。
【專利說明】一種寬帶低噪聲放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于射頻無(wú)線收發(fā)機(jī)領(lǐng)域，具體為一種單路轉(zhuǎn)雙路的寬帶低噪聲放大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 低噪聲放大器是射頻收發(fā)機(jī)中的重要模塊之一，主要用于通訊系統(tǒng)中將接收自天 線的信號(hào)放大，以便于后級(jí)的接收機(jī)電路處理。
[0003] 由于來(lái)自天線的信號(hào)一般都非常微弱，低噪聲放大器一般情況下均位于非?？拷?天線的部位以減小信號(hào)損耗。正是由于低噪聲放大器位于整個(gè)接收機(jī)緊鄰天線的最先一 級(jí)，它的特性直接影響著整個(gè)接收機(jī)接收信號(hào)的質(zhì)量。為了確保天線接收的信號(hào)能夠在接 收機(jī)的最后一級(jí)被正確的恢復(fù)，一個(gè)好的低噪聲放大器需要在放大信號(hào)的同時(shí)產(chǎn)生盡可能 低的噪音以及失真。
[0004] 隨著現(xiàn)代移動(dòng)通訊的發(fā)展，低噪聲放大器要求能夠適用于各種頻率和協(xié)議的應(yīng) 用，因此對(duì)LNA的電感提出了更高的要求，尤其是要求LNA的電感可變，滿足各種頻率和協(xié) 議應(yīng)用的需要，從而使整個(gè)接收機(jī)成為一個(gè)寬帶的接收機(jī)。輸入端的阻抗匹配和噪聲匹配 是實(shí)現(xiàn)高增益和低噪聲的關(guān)鍵，對(duì)輸入端的阻抗匹配和噪聲匹配影響最關(guān)鍵的是LNA的電 感。
[0005] 低噪聲放大器的輸出為混頻器，通常來(lái)說，差分混頻器比單端混頻器具有更加好 的噪聲系數(shù)以及增益能力，因此在射頻接收機(jī)中，廣泛采用差分混頻器。但是由于通常低噪 聲放大器為單端輸出，差分混頻器為雙端輸入，因此通常需要一個(gè)單端轉(zhuǎn)雙端的額外電路 來(lái)實(shí)現(xiàn)單路轉(zhuǎn)雙路的功能，這一單端轉(zhuǎn)雙端的額外電路增加了電路的開銷。
[0006] 因此，有必要提出一種自帶單端轉(zhuǎn)雙端功能的低噪聲放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶信號(hào) 接受特性，同時(shí)也可直接將單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)傳遞給后級(jí)混頻器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有射頻接收機(jī)中單端轉(zhuǎn)雙端的額外 電路開銷問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單路轉(zhuǎn)雙路的寬帶低噪聲放大器。
[0008] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種寬帶低噪聲放大器，包括放大級(jí)、差分級(jí)、負(fù)載級(jí) 和反饋級(jí)。其中，放大級(jí)用于將輸入信號(hào)放大；差分級(jí)與所述放大級(jí)的輸出端相連，用于將 該放大級(jí)輸出的信號(hào)從單路信號(hào)轉(zhuǎn)為相位差為180°的一對(duì)差分信號(hào)，該差分級(jí)的兩個(gè)輸 出端為所述低噪聲放大器的輸出端；負(fù)載級(jí)連接于所述差分級(jí)的輸出端與所述放大級(jí)之 間，用于將所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單路反饋信號(hào)，并將該單路反饋信號(hào)反饋至所述放大級(jí)的 輸入端。其中，該反饋級(jí)包括第一共源晶體管和第二共源晶體管，其柵極分別耦接至所述差 分級(jí)的兩個(gè)輸出端，源極分別耦接至電源和地，漏極相連并共同耦接至所述放大級(jí)的輸入 端。
[0009] 優(yōu)選地，所述差分級(jí)包括第一差分晶體管，第二差分晶體管，第一電容和第二電 容；所述第二差分晶體管的源極經(jīng)所述第一電容耦接至所述第一差分晶體管的柵極，所述 第一差分晶體管的源極經(jīng)所述第二電容耦接至所述第二差分晶體管的柵極，所述第一差分 晶體管和第二差分晶體管的漏極為所述差分級(jí)的輸出端。
[0010] 優(yōu)選地，所述差分級(jí)包括第一差分晶體管，第二差分晶體管，第一電容和第二電 容；所述放大級(jí)的輸出端經(jīng)所述第一電容耦接至所述第一差分晶體管的柵極，同時(shí)經(jīng)所述 第二電容耦接至所述第二差分晶體管的柵極；所述第一差分晶體管和第二差分晶體管的源 極均與所述放大級(jí)的輸出端耦接。
[0011] 優(yōu)選地，所述放大級(jí)包括第三共源晶體管和第四共源晶體管，所述第三共源晶體 管的柵極為所述放大級(jí)的輸入端，源極接地，漏極與所述第一差分晶體管的源極相連；所述 第四共源晶體管的柵極經(jīng)第三電容耦接至所述第三共源晶體管的漏極，源極接地，漏極與 所述第二差分晶體管的源極相連。
[0012] 優(yōu)選地，所述負(fù)載級(jí)包括連接于電源與所述第一差分晶體管的漏極之間的第一負(fù) 載和連接于電源與所述第二差分晶體管的漏極之間的第二負(fù)載。
[0013] 優(yōu)選地，所述第三共源晶體管、第一差分晶體管和第一負(fù)載組成第一差分放大支 路；所述第三共源晶體管、第四共源晶體管、第二差分晶體管和第二負(fù)載組成第二差分放大 支路；所述第一差分放大支路和第二差分放大支路的增益相等。
[0014] 優(yōu)選地，所述差分級(jí)的兩個(gè)輸出端分別經(jīng)第四電容和第五電容連接所述第一共源 晶體管和第二共源晶體管的柵極；所述第一共源晶體管和第二共源晶體管的漏極相連并經(jīng) 第六電容耦接至所述放大級(jí)的輸入端。
[0015] 優(yōu)選地，所述第一負(fù)載和第二負(fù)載均為無(wú)源電阻。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的自帶單端轉(zhuǎn)雙端功能的寬帶低噪聲放大器，不僅 能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶信號(hào)接受特性，而且還能夠直接將單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)傳遞給后級(jí)混頻 器，有效地避免了射頻接收機(jī)中單端轉(zhuǎn)雙端的額外電路開銷。此外，本發(fā)明通過對(duì)低噪聲放 大器反饋級(jí)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了差分信號(hào)的雙路轉(zhuǎn)單路的反饋功能，從而提高了低噪聲放大器 回路的穩(wěn)定性和增益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的寬帶低噪聲放大器的方塊圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的低噪聲放大器的電路示意圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的低噪聲放大器的輸入匹配S11與頻率的關(guān)系曲線圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的低噪聲放大器的增益與頻率的關(guān)系曲線圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一 步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也 涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0023] 在本說明書中及在權(quán)利要求書中，應(yīng)理解當(dāng)一元件被稱為"耦接"或"連接"到另 一元件或與另一元件"相連"時(shí)，其可直接連接到另一元件，或可存在介入元件。
[0024] 請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明的單路轉(zhuǎn)雙路的寬帶低噪聲放大器包括放大級(jí)1，差分級(jí)2,負(fù) 載級(jí)3和反饋級(jí)4。其中，放大級(jí)1接收來(lái)自低噪聲放大器輸入端RF_in的射頻輸入信號(hào)并 對(duì)該輸入信號(hào)進(jìn)行放大。差分級(jí)2與放大級(jí)1的輸出端相連，用于將該放大級(jí)1輸出的經(jīng) 放大的射頻輸入信號(hào)從單路信號(hào)轉(zhuǎn)為相位差為180°的一對(duì)差分信號(hào)。差分級(jí)2的輸出端 RF_out作為低噪聲放大器的輸出端，其輸出的該對(duì)差分信號(hào)可傳遞至低噪聲放大器后級(jí)的 混頻器。負(fù)載級(jí)3連接在差分級(jí)的輸出端RF_out和電源VDD之間。反饋級(jí)4連接于差分 級(jí)2的輸出端RF_out與放大級(jí)1之間，用于將差分信號(hào)RF_out轉(zhuǎn)換為單路反饋信號(hào)，并將 該單路反饋信號(hào)反饋至放大級(jí)1，以提高整個(gè)電路回路的穩(wěn)定性和增益。
[0025] 接下來(lái)，將結(jié)合圖2詳細(xì)說明本發(fā)明一實(shí)施例的寬帶低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)。
[0026] 如圖2所示，放大級(jí)1包括第三共源晶體管Ml和第四共源晶體管M2。共源晶體 管Ml和M2均為NM0S管。晶體管Ml的柵極作為放大級(jí)的輸入端與低噪聲放大器的輸入端 RF_in相連，源極接地，漏極與差分級(jí)2的第一輸入端相連，其將輸入端RF_in的輸入信號(hào)放 大后輸出至差分級(jí)2的該第一輸入端。晶體管M2的源極接地，柵極經(jīng)第三電容C3耦接共 源晶體管Ml的漏極，漏極與差分級(jí)2的第二輸入端相連，由此共源晶體管Ml和M2構(gòu)成兩 級(jí)的共源放大器，將輸入信號(hào)RF_in放大后輸出至差分級(jí)的第二輸入端。本發(fā)明中，放大級(jí) 的電路結(jié)構(gòu)也可以作其他變形設(shè)計(jì)，例如利用共柵放大器和共源放大器分別耦接至差分級(jí) 的兩個(gè)輸入端等。
[0027] 差分級(jí)2包括一對(duì)差分晶體管，本實(shí)施例中，該對(duì)差分晶體管以電容交叉耦合的 方式相連，輸出相位差為180°的一對(duì)差分信號(hào)。具體來(lái)說，差分級(jí)2由第一差分晶體管M3、 第二差分晶體管M4、第一電容C1和第二電容C2構(gòu)成。差分晶體管M3和M4均為NM0S管， 差分晶體管M3的源極經(jīng)第一電容C1耦接至差分晶體管M4的柵極，而差分晶體管M4的源 極則經(jīng)第二電容C2耦接至差分晶體管M3的柵極，差分晶體管M3的源極同時(shí)還連接第三共 源晶體管Ml的漏極，而差分晶體管M4的源極同時(shí)還連接第四共源晶體管M2的漏極。
[0028] 差分級(jí)2的輸出端與負(fù)載級(jí)3相連。負(fù)載級(jí)3包括第一負(fù)載和第二負(fù)載，第一負(fù) 載連接在電源VDD和第一差分晶體管M3的漏極之間，第二負(fù)載連接在電源VDD和第二差分 晶體管M4的漏極之間。第一負(fù)載和第二負(fù)載可以是任何無(wú)源器件如電感、電阻或有源器件 如晶體管。本實(shí)施例中，第一負(fù)載和第二負(fù)載均為無(wú)源電阻Rl，R2。
[0029] 由此，第三共源晶體管Ml、第一差分晶體管M3和第一負(fù)載電阻R1構(gòu)成第一差分 放大支路，輸入端RF_in的輸入信號(hào)經(jīng)過共源晶體管Ml放大后，傳輸給差分晶體管M3的源 極，并從差分晶體管M3漏極，也即是差分級(jí)2的一個(gè)輸出端RF_out_n輸出；同時(shí)共源晶體 管Ml和M2、第二差分晶體管M4和第二負(fù)載電阻R2構(gòu)成了第二差分放大支路，輸入信號(hào)經(jīng) 過兩級(jí)共源晶體管Ml和M2放大后，傳輸給差分晶體管M4的源極，再?gòu)牟罘志w管M4的漏 極，也即是差分級(jí)2的另一個(gè)輸出端RF_out_p輸出。差分級(jí)的輸出端RF_out_n和RF_out_ P輸出的信號(hào)相位差為180°。為了使兩個(gè)差分放大支路的增益保持平衡，因?qū)ω?fù)載電阻 R1、R2以及共源晶體管M1、M2進(jìn)行選擇，以滿足：gml*Rl = gml*gm2*R2。其中，gml和gm2 分別為共源晶體管Ml和M2的跨導(dǎo)，R1和R2分別為負(fù)載電阻的阻值。
[0030] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖2,反饋級(jí)4與差分級(jí)2相連，用于將差分級(jí)2輸出的該對(duì)差分信號(hào) 轉(zhuǎn)為單路信號(hào)并反饋至放大級(jí)1的輸入端。反饋級(jí)4由第一共源晶體管M5、第二共源晶體 管M6、第四電容C4、第五電容C5和第六電容C6構(gòu)成。其中，共源晶體管M5為PM0S管，共 源晶體管M6為NM0S管。共源晶體管M5的源極接電源VDD，柵極經(jīng)電容C4耦接至差分級(jí)的 輸出端RF_out_n ;晶體管M6的源極接地，柵極經(jīng)電容C5耦接至差分級(jí)的輸出端RF_out_p。 晶體管M5和M6的漏極互相連接于節(jié)點(diǎn)P，同時(shí)也通過電容C6連接至共源晶體管Ml的柵 極。共源晶體管M5和M6作為放大器分別對(duì)差分級(jí)2輸出的一對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大， 并在其漏極疊加，該疊加的信號(hào)通過電容C6反饋至共源晶體管Ml的柵極，由此實(shí)現(xiàn)了雙路 信號(hào)轉(zhuǎn)單路的反饋功能。
[0031] 綜上所述，本發(fā)明的低噪聲放大器可實(shí)現(xiàn)輸入端RF_in輸入的射頻信號(hào)的單路轉(zhuǎn) 雙路輸出，其中一路經(jīng)晶體管Ml和M3放大輸出，另外一路經(jīng)晶體管Ml、M2、M4放大輸出；同 時(shí)，晶體管M3、M4和電容Cl、C2構(gòu)成差分電路，因此輸出的差分信號(hào)相位差為180°，能夠 直接傳遞給后級(jí)混頻器，無(wú)需額外的單轉(zhuǎn)雙電路設(shè)計(jì)。另一方面，差分信號(hào)分別經(jīng)過晶體管 M5和晶體管M6放大后在其漏極疊加，轉(zhuǎn)換為單路信號(hào)反饋到放大級(jí)的輸入端，構(gòu)成雙路信 號(hào)轉(zhuǎn)單路信號(hào)的反饋，有利于提高整個(gè)回路的穩(wěn)定性和增益，從而可以在頻譜上表現(xiàn)出寬 帶低噪聲放大特性。
[0032] 圖3至圖5為利用本發(fā)明的寬帶低噪聲放大器進(jìn)行仿真得到的各放大器特性與工 作頻率的關(guān)系曲線圖。圖3為寬帶低噪聲放大器的輸入匹配S11與工作頻率Frequency的 關(guān)系曲線圖。從圖中可以看到，該寬帶低噪聲放大器在頻率〇?6.0GHz處的輸入匹配S11 都能夠小于-10dB，也即意味著該寬帶低噪聲放大器可以在0?6. 0GHz的寬頻率范圍內(nèi)工 作。
[0033] 圖4所示為寬帶低噪聲放大器的增益Gain與工作頻率Frequency的關(guān)系曲線。從 圖中可以看到，該寬帶低噪聲放大器在〇?6. 0GHz的寬頻率范圍內(nèi)，增益均高于12dB，在最 聞峰可以達(dá)到18dB。
[0034] 圖5所示為寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)Noise Figure與工作頻率Frequency 的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，該寬帶低噪聲放大器在〇?6. 0GHz的寬頻率范圍內(nèi)，增益 均小于7dB，尤其是在0?4GHz范圍內(nèi)，該寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)可以控制在4dB范 圍內(nèi)，滿足大部分協(xié)議對(duì)于寬帶低噪聲放大器的噪聲要求。
[0035] 因此，本發(fā)明提出的自帶單路轉(zhuǎn)雙路的寬帶低噪聲放大器可以適用于頻率范圍在 0?4GHz內(nèi)的寬頻段應(yīng)用。
[0036] 雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說明而舉例 而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作 若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種寬帶低噪聲放大器，其特征在于，包括： 放大級(jí)，用于將輸入信號(hào)放大； 差分級(jí)，與所述放大級(jí)的輸出端相連，用于將該放大級(jí)輸出的信號(hào)從單路信號(hào)轉(zhuǎn)為相 位差為180°的一對(duì)差分信號(hào)，該差分級(jí)的兩個(gè)輸出端為所述低噪聲放大器的輸出端； 負(fù)載級(jí)，連接于所述差分級(jí)的輸出端與電源之間；以及 反饋級(jí)，連接于所述差分級(jí)的輸出端與所述放大級(jí)之間，用于將所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為 單路反饋信號(hào)，并將該單路反饋信號(hào)反饋至所述放大級(jí)的輸入端； 其中，該反饋級(jí)包括第一共源晶體管和第二共源晶體管，其柵極分別耦接至所述差分 級(jí)的兩個(gè)輸出端，源極分別耦接至電源和地，漏極相連并共同耦接至所述放大級(jí)的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述差分級(jí)包括第一差分 晶體管，第二差分晶體管，第一電容和第二電容；所述第二差分晶體管的源極經(jīng)所述第一電 容耦接至所述第一差分晶體管的柵極，所述第一差分晶體管的源極經(jīng)所述第二電容耦接至 所述第二差分晶體管的柵極，所述第一差分晶體管和第二差分晶體管的漏極為所述差分級(jí) 的輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述放大級(jí)包括第三共源 晶體管和第四共源晶體管，所述第三共源晶體管的柵極為所述放大級(jí)的輸入端，源極接地， 漏極與所述第一差分晶體管的源極相連；所述第四共源晶體管的柵極經(jīng)第三電容耦接至所 述第三共源晶體管的漏極，源極接地，漏極與所述第二差分晶體管的源極相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述負(fù)載級(jí)包括連接于電 源與所述第一差分晶體管的漏極之間的第一負(fù)載和連接于電源與所述第二差分晶體管的 漏極之間的第二負(fù)載。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述第三共源晶體管、第一 差分晶體管和第一負(fù)載組成第一差分放大支路；所述第三共源晶體管、第四共源晶體管、第 二差分晶體管和第二負(fù)載組成第二差分放大支路；所述第一差分放大支路和第二差分放大 支路的增益相等。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述差分級(jí)的兩個(gè)輸出端 分別經(jīng)第四電容和第五電容連接所述第一共源晶體管和第二共源晶體管的柵極；所述第一 共源晶體管和第二共源晶體管的漏極相連并經(jīng)第六電容耦接至所述放大級(jí)的輸入端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶低噪聲放大器，其特征在于，所述第一負(fù)載和第二負(fù)載 均為無(wú)源電阻。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK104158504SQ201410409352
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】李琛 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 成都微光集電科技有限公司