專利名稱：一種增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信接收機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種增益可變的寬帶射頻低噪聲
放大器。
背景技術(shù)：
近年來，由于無線通信市場的繁榮，射頻集成電路的開發(fā)和研究得到了迅猛發(fā)展。 由于通信數(shù)據(jù)量的不斷提升，多模多頻與寬帶通信正逐漸成為一種趨勢。多模多頻接收機(jī) 需要兼容多個頻點(diǎn)，頻率覆蓋范圍廣；超寬帶通信的帶寬更是達(dá)到了 3-10GHz，這些都需要 寬帶低噪聲放大器來實(shí)現(xiàn)對輸入信號的低噪聲放大。與此同時，市場用戶對無線產(chǎn)品的性 能要求也越來越苛刻，低成本、低功耗、小面積和高性能對無線收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的 挑戰(zhàn)。 在寬帶接收機(jī)系統(tǒng)中，寬帶低噪聲放大器是一個非常重要的模塊，它必須在很寬 的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配和平坦的增益，其增益、噪聲系數(shù)、線性度等指標(biāo)直接影響 著接收機(jī)的性能。所以，寬帶低噪聲放大器是寬帶接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
現(xiàn)有的寬帶低噪聲放大器一般采用無源濾波器來實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，其電路結(jié)構(gòu) 在2004年的國際固態(tài)電路會議(ISSCC 2004)上提出。如圖1所示，射頻信號RFin通過由 無源元件L1、C1、L2、C2和源極簡并電感窄帶共源放大器構(gòu)成的寬帶帶通濾波器，通過合理 設(shè)計(jì)各無源元件的數(shù)值，可以使得該放大器在很寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。輸入信號 通過有源器件M1轉(zhuǎn)化為電流，主電路為由Ml和M2組成的Cascode結(jié)構(gòu)，放大器的負(fù)載采用 了由&和k和M2漏極的負(fù)載電容構(gòu)成的并聯(lián)峰值結(jié)構(gòu)(Shunt-Peaking)，通過電感 引入一個零點(diǎn)來補(bǔ)償因電容(^引起的增益下降。源極跟隨器具有很寬的帶寬和近似為1的 電壓增益，M3構(gòu)成的源極跟隨器作為放大器的輸出級，驅(qū)動50Q的片外負(fù)載。這就是現(xiàn)有 的寬帶低噪聲放大器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。采用上述寬帶匹配結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的增益可變的 寬帶低噪聲放大器，其優(yōu)點(diǎn)是放大器可以達(dá)到很寬的帶寬、平坦的增益和較優(yōu)的噪聲性能， 并且主電路采用單級結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是需要很多無源元件，這些無源元件在片內(nèi)實(shí)現(xiàn) 會消耗大量的芯片面積，而且由于在片實(shí)現(xiàn)的無源元件的品質(zhì)因子較差，會惡化放大器的 噪聲性能，如果采用片外元件，則會增加成本。 現(xiàn)有的另一種寬帶低噪聲放大器是采用反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配的。 一種采 用無源濾波器和反饋結(jié)構(gòu)作寬帶輸入匹配的可變增益寬帶低噪聲放大器如圖2所示，電路 采用單級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，采用由L1，C1構(gòu)成的無源濾波器來拓展帶寬，反饋電阻Rf來實(shí)現(xiàn)50Q 的輸入阻抗，L2調(diào)諧輸入回路的諧振頻率，使其在中心頻率處諧振。C2為交流耦合電容，M1 是工作于線性區(qū)的可調(diào)電阻，其柵極接控制電壓Vcontrol，通過調(diào)節(jié)Vcontrol的值來改變 Ml的電阻值，從而改變了電路總反饋電阻的值，進(jìn)而改變了增益。其優(yōu)點(diǎn)是能獲得較寬的 增益變化范圍，但以較差的輸入阻抗匹配為代價，因?yàn)樵谠鲆孀兓瘯r，輸入阻抗并不恒定。 2006年9月20日公開了一種低噪聲放大器的發(fā)明專利申請，其公開號為CN 1835390A，其 內(nèi)容涉及了采用反饋結(jié)構(gòu)的增益可變的寬帶低噪聲放大器。電路采用多級結(jié)構(gòu)，第一級用
3來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配并引入盡可能低的噪聲，后面幾級用來實(shí)現(xiàn)增益控制功能，其優(yōu)點(diǎn)是可獲 得較優(yōu)的噪聲性能和輸入阻抗匹配，缺點(diǎn)是主放大電路采用多級結(jié)構(gòu)級聯(lián)實(shí)現(xiàn)，增加了電 路復(fù)雜度，功耗較大。 綜上所述，增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)，若采用無源濾波器的結(jié)構(gòu)， 雖然單級電路即可實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，但是采用了大量無源元件增加了成本或面積；若采用反 饋結(jié)構(gòu)，使用單級電路在增益變化時會嚴(yán)重惡化輸入阻抗匹配，而使用多級電路雖然保證 了電路性能，但增加了功耗和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種增益可變的寬帶射頻低噪 聲放大器，在采用反饋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一種信號合成單元，具有可降低射頻低噪聲放 大器的功耗；節(jié)省芯片面積；提高低噪聲放大器的線性度；在不影響寬帶輸入匹配的前提 下，可以控制射頻低噪聲放大器的增益；降低了系統(tǒng)對后級電路的動態(tài)范圍的要求等諸多 優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明提出的一種增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，包括輸入級電路，其特征 在于，還包括與該輸入級電路相連的可變增益單元，信號合成單元，反饋單元以及寬帶輸出 級；所述的輸入級電路主要由M0S管M1和電感L1，L2組成；所述的可變增益單元主要由MOS 管M2， M3，電感L3， L4，電阻R2， R3和電容C3， C4組成所說的信號合成單元主要由MOS管 M4， M5和M6組成；所說的反饋單元主要由電容Cl和電阻Rl組成。其連接關(guān)系為射頻信 號RFin通過電感L2輸入到Ml的柵極，Ml的源極通過電感Ll接地；M1的漏極接M2和M3 的源極，M2和M3的柵極分別連接控制電壓Vc和偏置電壓Vb， M2和M3的漏極一方面分別 通過R2與L3， R3與L4的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接至VDD，另一方面分別通過交流耦合電容C3， C4連 接至M5， M6的柵極；M5， M6的漏極都連接至VDD，源極都接M4的漏極和電阻Rl，電阻Rl的 另一端通過電容C1連接至M1的柵極，形成反饋回路。M4的柵極接偏置電壓，源極接地；所 述的寬帶輸出單元由電容C2， MOS管M7， M8組成，M3的漏極通過交流耦合電容C3、 C2連接 至MOS管M8的柵極，M8的漏極接VDD，源極接M7的漏極，M7的源極接地，柵極接偏置電壓， 作為源極跟隨器的電流源。M7，M8形成一個寬帶輸出級，射頻信號從M8的源極輸出。
本發(fā)明的這種改進(jìn)的寬帶射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比 具有以下幾個明顯的優(yōu)點(diǎn) (1)采用反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配，與采用無源濾波器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)寬帶匹配
的技術(shù)相比，節(jié)省了芯片面積，降低了成本，并且提高了低噪聲放大器的線性度。 (2)本發(fā)明最重要的是，采用了一種信號合成單元電路，將輸出兩路信號相加，使
電路開環(huán)增益固定，從而使反饋電路在輸入端的米勒效應(yīng)不變，在獲得較寬的增益控制范
圍時而輸入阻抗有沒有變化。 (3)本發(fā)明由于采用了一種信號合成單元電路，使得采用反饋結(jié)構(gòu)的寬帶低噪聲 放大器單級電路就可以實(shí)現(xiàn)增益可變的功能并維持很好的輸入阻抗匹配性能，這大大降低 了電路的功耗、面積和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。 (4)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)控制電壓Vc，能獲得連續(xù)的增益變化和較寬的增益變化范 圍。
(5)本發(fā)明的反饋電阻R1在500-1KQ范圍內(nèi)，既使本發(fā)明的噪聲較小，又使帶寬 得到了提高。


圖1為現(xiàn)有的寬帶低噪聲放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有的增益可變的寬帶低噪聲放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的增益可變的寬帶低噪聲放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的增益可變的寬帶低噪聲放大器另一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如 下。 本發(fā)明提出的射頻放大器，包括四部分輸入級100 (Input Stage)，可變增益單元 200 (VGA Cell)，信號合成單元300 (Signal Summing Cell)，反饋單元400 (Feedback Cell) 和寬帶輸出級500 (Wideband Output Buffer)。各部分的具體電路結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系說明如 下。 輸入級100主要由MOS管Ml和電感Ll， L2組成。其連接關(guān)系為射頻信號RFin 通過電感L2輸入到Ml的柵極，Ml的源極通過電感Ll接地；M1的漏極接M2和M3的源極。
可變增益單元200主要由MOS管M2， M3，電感L3， L4，電阻R2， R3和電容C3， C4組 成。其連接關(guān)系為M2和M3的源極都連接至M1的漏極，柵極分別連接控制電壓Vc和偏置 電壓Vb， M2和M3的漏極分別通過R2與L3， R3與L4的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接至電源VDD。射頻信 號經(jīng)過放大支路后從M3的漏極通過交流耦合電容C3輸出，射頻信號經(jīng)過泄放支路后從M2 的漏極通過交流耦合電容C4輸出。 信號合成單元300主要由MOS管M4， M5，和M6組成。其連接關(guān)系為M5， M6的柵 極分別接M2， M3的漏極，M5， M6的漏極都連接至VDD，源極都接M4的漏極M4的柵極接偏置 電壓，源極接地。 反饋單元400主要由電容C1和電阻R1組成。其連接關(guān)系為電阻R1的一端與M4 的漏極相連，另一端通過電容C1連接至M1的柵極，形成反饋回路。 寬帶輸出級500主要由電容C2， MOS管M7， M8組成。其連接關(guān)系為M3的漏極通 過交流耦合電容C3、C2連接至MOS管M8的柵極，M8的漏極接VDD，源極接M7的漏極，M7的 源極接地，柵極接偏置電壓，作為源極跟隨器的電流源。M7， M8形成一個寬帶輸出級，射頻 信號從M8的源極輸出。 輸入級100主要用來實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配，并將輸入信號轉(zhuǎn)化為小信號電流。電阻 Ll用來產(chǎn)生一個實(shí)部電阻，使得輸入端能夠與天線或?yàn)V波器的50 Q阻抗匹配，L2用來調(diào)諧 輸入回路的諧振點(diǎn)，使輸入級在中心頻率處諧振，這樣輸入級在中心頻率處的阻抗為50Q ， 從而保證最大功率傳輸。 可變增益單元的工作原理為M1將輸入信號轉(zhuǎn)化為電流后，射頻信號流向M2和M3 所組成的差分對，M2， M3尺寸相同。其中M3所在支路為信號放大支路，其柵極接固定偏置 Vb ;M2所在支路為信號泄放支路，其柵極接控制電壓Vc。調(diào)節(jié)控制電壓Vc，進(jìn)而改變了 M2的跨導(dǎo)，使得一部分信號從M2支路泄放，另一部分信號通過M3所在的放大支路，并在M3的 漏極得到不同的增益。這種方法能獲得連續(xù)的增益變化和20dB的增益變化范圍。R2，L3與 R3， L4組成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，電感值與電阻值均相等。這兩個串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一方面與M2， M3漏端的 寄生電容形成放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，拓展放大器的帶寬；另一方面，使放大支路與泄放支路的 負(fù)載匹配，從而使信號合成單元能夠得到恒定的電路增益。 信號合成單元的工作原理為可變增益單元差分對的輸出直接連接到M5， M6的柵 極，為M5， M6提供了直流工作點(diǎn)，減少了偏置電路的設(shè)計(jì)。M5， M6尺寸相同，兩路信號通過 M5，M6轉(zhuǎn)化為電流信號，其方向相同，并在M4的漏極實(shí)現(xiàn)電流信號相加。M4作為尾電流源， 為單元電路提供偏置電流。因此，M4的漏極得到的信號其電壓增益是可變增益單元中兩路 信號電壓增益之和的一半，是恒定不變的。無論RFout輸出端增益如何變化，M4漏極信號 增益不變。即M4漏極的電壓增益為 反饋單元的工作原理為M4漏極的信號通過反饋電阻Rl和交流耦合電容Cl反饋 到M1的柵極。由于信號合成單元的引入，此時反饋電阻的阻值為& =《+^附5 =《
2 2 (2) 由于信號合成單元的作用，電路的開環(huán)增益是恒定的，根據(jù)米勒效應(yīng)的原理，等效 于一個恒定阻值的電阻從M1的柵極并聯(lián)到地，這個等效電阻的阻值為* yOT = -J
2 (3) 上述gml、 gm5、 gm6分別為Ml、 M5、 M6的跨導(dǎo); 這個等效電阻降低了輸入回路的品質(zhì)因子，拓展了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬，從而實(shí) 現(xiàn)了寬帶匹配。因此當(dāng)放大器增益變化時，輸入阻抗并沒有變化，使放大器維持良好的輸入 匹配性能。 寬帶輸出級的電路結(jié)構(gòu)與工作原理與傳統(tǒng)寬帶低噪聲放大器相同。 本發(fā)明的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器一個實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中各
元器件的參數(shù)列表如下
MOS器件尺寸(W， L) (um)電感(nH)電容(pF)電阻(O )MlM2M3M4M5M6M7M8LICIC2C3C4RlR2R3
8080802010101001001. 245555556060
0. 180. 180, 180. 180. 180. 180. 180, 18
它的基本結(jié)構(gòu)和基本原理如前所述，不再重復(fù)。這里主要就設(shè)計(jì)中需要注意的一 些關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)作進(jìn)一步的說明。 在電路設(shè)計(jì)上，可以先設(shè)計(jì)窄帶輸入匹配電路，使輸入級的輸入阻抗在中心頻率
6處為50Q，通過放大器開環(huán)增益的值，設(shè)計(jì)出滿足要求的開環(huán)射頻放大器。反饋電阻R1的 選擇非常重要，Rl太小則電路噪聲較大，Rl太大則輸入級帶寬較小，通過對Rl進(jìn)行參數(shù)掃 描及大量的試驗(yàn)確定最優(yōu)的Rl電阻值，Rl的最優(yōu)阻值為500-1KQ 。由于信號合成單元的 引入，實(shí)際的反饋電阻值如公式(2)所示，設(shè)計(jì)時應(yīng)將M5，M6的影響考慮在內(nèi)。設(shè)計(jì)好開環(huán) 電路和信號合成單元后，由公式(3)即可得到輸入端得等效電阻，此時輸入級的帶寬已經(jīng) 被拓寬。此外，在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時，對M2， M3和M5， M6所組成的差分對以及電阻R2， R3，電 感L3，L4要做好版圖匹配，以保證優(yōu)越的電路性能。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明的增益可變的寬 帶射頻低噪聲放大器，最大帶寬可達(dá)到8GHz，增益控制范圍可達(dá)20dB，增益變化時輸入端 的回程損耗仍能保證小于-lOdB。 圖4是本發(fā)明的另一種實(shí)現(xiàn)方式，參照圖3，圖4中僅是將信號合成單元300中的 NMOS管M4，M5，M6相應(yīng)的變成了 PMOS管。M5，M6的柵極分別連接M2，M3的漏極，漏極接地， 源極接M4的漏極，M4作為電流源柵極接固定偏置電壓，源極接地。使用這種實(shí)現(xiàn)方式，同 樣可以達(dá)到上述效果。 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。雖然結(jié) 合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi) 做出各種變形或修改。
權(quán)利要求
一種增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，其特征在于包括輸入級電路(100)，與該輸入級電路相連的可變增益單元(200)，信號合成單元(300)，反饋單元(400)以及寬帶輸出級(500)；所述的輸入級電路(100)由MOS管M1和電感L1，L2組成；所述的可變增益單元(200)由MOS管M2，M3，電感L3，L4，電阻R2，R3和電容C3，C4組成所述的信號合成單元(300)由MOS管M4，M5和M6組成；所述的反饋單元(400)由電容C1和電阻R1組成；所述的寬帶輸出級(500)由電容C2，MOS管M7，M8組成；射頻信號RFin通過電感L2輸入到M1的柵極，M1的源極通過電感L1接地；M1的漏極接M2和M3的源極，M2和M3的柵極分別連接控制電壓Vc和偏置電壓Vb，M2和M3的漏極一方面分別通過R2與L3，R3與L4的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接至VDD，另一方面分別通過交流耦合電容C4，C3連接至M5，M6的柵極；M5，M6的漏極都連接至VDD，源極都接M4的漏極和電阻R1，電阻R1的另一端通過電容C1連接至M1的柵極，形成反饋回路，M4的柵極接偏置電壓，源極接地；M3的漏極通過交流耦合電容C3、C2連接至MOS管M8的柵極，M8的漏極接VDD，源極接M7的漏極，M7的源極接地，柵極接偏置電壓，作為源極跟隨器的電流源，M7，M8形成一個寬帶輸出級，射頻信號從M8的源極輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，其特征在于所說的信 號合成單元(400)中，晶體管M4，M5，M6也可以是PM0S管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，其特征在于所述R1的 值為500-1KQ 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，其特征在于調(diào)節(jié)所述控制電壓Vc能夠在M3的漏極得到不同的增益。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，其特征在于所述增益 可變的寬帶射頻低噪聲放大器的最大帶寬達(dá)到8G Hz，增益控制范圍達(dá)20dB。
全文摘要
一種增益可變的寬帶射頻低噪聲放大器，屬于無線通信接收機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，它包括輸入級(100)，可變增益單元(200)，信號合成單元(300)，反饋單元(400)和寬帶輸出級(500)，可變增益單元(200)主要由兩個MOS管，兩個電阻和兩個電感組成；信號合成單元(300)主要由三個MOS管組成；反饋單元(400)主要由一個電阻和一個電容組成。本發(fā)明具有可降低射頻低噪聲放大器的功耗；節(jié)省芯片面積，降低芯片成本；提高低噪聲放大器的線性度；在不影響寬帶輸入匹配的前提下，可以控制射頻低噪聲放大器的增益；降低了系統(tǒng)對后級電路的動態(tài)范圍的要求等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H03F3/04GK101741316SQ20091024309
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者侯訓(xùn)平, 文武, 趙元富 申請人:北京時代民芯科技有限公司;中國航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七二研究所