低噪聲放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域及微電子學(xué)領(lǐng)域，更具體的說，設(shè)及一種低噪聲放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 低噪聲放大器（LNA)作為射頻接收機(jī)的第一級(jí)模塊，是無線通信系統(tǒng)中不可或缺 的模塊。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的初始放大，同時(shí)保證整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲特性及接收信號(hào)功 率范圍。目前成熟的低噪聲放大器一般采用較多無源器件，在集成電路實(shí)現(xiàn)中，無源器件性 能較差，占用較大面積，而且片上電感的模型與精度受工藝影響較大，仿真性能可能與實(shí)際 情況有較大偏差；高性能低噪聲放大器一般采用GaAs、InP等MMIC工藝，與Si工藝相比成 本較高，且不利用射頻電路與數(shù)字電路的集成。
[0003] 因此，基于CMOS娃基工藝的低噪聲放大器具有重要的研究及商業(yè)意義，而無源器 件的減少甚至省略成為一種新的設(shè)計(jì)方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于CMOS娃基工藝的全差分無電感寬帶低噪 聲放大器。
[0005] 本發(fā)明一方面公開了一種低噪聲放大器，包括：
[0006] 輸入匹配模塊，所述的輸入匹配模塊由NM0S管和PM0S管構(gòu)成，W及位于輸出節(jié)點(diǎn) 和輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋電阻；
[0007] 噪聲消除模塊，與所述輸入匹配模塊級(jí)聯(lián)，包括由NM0S管和PM0S管構(gòu)成共源放 大器，W及由PM0S管構(gòu)成的電流鏡。
[0008] 進(jìn)一步的，其中所述的第一匹配模塊由輸入NM0S管的Mnl、Mn2與輸入PM0S管 Mpl、Mp2構(gòu)成，并由反饋電阻Rf、Rf2實(shí)現(xiàn)匹配。
[0009] 進(jìn)一步的，所述共源放大器包括由NM0S管Mnll、Mnl3與PM0S管Mpll構(gòu)成的第一 共源放大器，由NM0S管Mnl2與PM0S管Mpl2構(gòu)成的第二共源放大器；
[0010] 所述電流鏡模塊由PM0S管Mpll與Mpl2構(gòu)成。
[0011] 進(jìn)一步的，所述第一共源放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，所述第二放大器采用共源結(jié) 構(gòu)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述輸入匹配模塊被配置成具有差分結(jié)構(gòu)的輸入匹配模塊。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的噪聲消除模塊被配置成具有差分結(jié)構(gòu)的噪聲消除模塊。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例描述中所 需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的內(nèi)容和運(yùn)些附圖獲得其他的附圖。
[0015] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；
[0016] 圖2為輸入匹配級(jí)單端形式電路原理圖；
[0017] 圖3為輸入匹配級(jí)差分形式電路原理圖；
[0018] 圖4為基于共源放大器與電流鏡結(jié)構(gòu)的噪聲消除電路；
[0019] 圖5為類差分結(jié)構(gòu)的噪聲消除電路；
[0020] 圖6為差分形式的噪聲消除電路；
[0021] 圖7為單端形式的低噪聲放大器完整電路；
[0022] 圖8為差分形式的低噪聲放大器完整電路。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面 將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅 是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在 沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0024] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[00巧]如圖1所示，本發(fā)明所采用的是兩級(jí)電路模塊級(jí)聯(lián)而成，即包括輸入匹配級(jí)電路 模塊和噪聲消除級(jí)電路模塊，其中輸入匹配級(jí)電路模塊主要實(shí)現(xiàn)的是輸入匹配，并提供一 定的增益。噪聲消除級(jí)電路模塊主要是在放大信號(hào)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲抵消消除。
[0026] 接下來結(jié)合附圖對(duì)所述兩級(jí)電路模塊進(jìn)行詳細(xì)的描述：
[0027] 附圖2示意性地示出輸入匹配級(jí)的單端形式的電路結(jié)構(gòu)。如圖所示，所述的輸入 匹配級(jí)電路是由輸入NM0S管Μη與輸入PM0S管Mp組成，并由尾電流源偏置電路。通過輸出 節(jié)點(diǎn)與輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋電阻Rfl，構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。其輸入阻抗為：
[00 測
（1)
[0029] 其中，Rfi為反饋電阻阻值，A為輸入級(jí)電壓增益，gm。和gmp分別表示NM0S管和PM0S 管的跨導(dǎo)。
[0030] 由Ri。的表達(dá)式可知，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的輸入阻抗在增益出現(xiàn)高頻衰減前，可實(shí)現(xiàn)與頻 率無關(guān)的輸入阻抗。即當(dāng)f<f。時(shí)，輸入阻抗不變，其中f為頻率變量，f。為放大器增益衰 減3地時(shí)的頻率。因此，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)理想的寬帶匹配。
[0031] 該電路在實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時(shí)，也能夠提供一定增益，即V-節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)反相放大。 考慮V+節(jié)點(diǎn)與V-節(jié)點(diǎn)，可W注意到，運(yùn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)是反相的，而噪聲為同相的，因 此，通過信號(hào)的反相疊加與噪聲的同相抵消，可W同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大與噪聲的消除。
[0032] 附圖2所示的是單端形式的電路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明進(jìn)一步可提供將輸入匹配級(jí)電路配 置成差分結(jié)構(gòu)形式的電路，如附圖3所示，在單端形式電路的基礎(chǔ)上又提供一個(gè)差分形式 電路，通過PM0S管Mptail提供尾電路與虛地點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)差分形式的輸入匹配級(jí)電路，實(shí) 現(xiàn)對(duì)差分信號(hào)的匹配與放大。
[003引附圖4示出基于共源放大器與電流鏡結(jié)構(gòu)的噪聲消除電路，其中，NM0S管Mnl與 PM0S管Mpl構(gòu)成共源放大器，NM0S管Mn2與PM0S管Mp2構(gòu)成共源放大器，PM0S管Mpl與 Mp2構(gòu)成電流鏡。
[0034] 圖中輸入端V+和V-與第一級(jí)相對(duì)應(yīng)，兩節(jié)點(diǎn)的信號(hào)為反相，而噪聲為同相。考慮 V+節(jié)點(diǎn)信號(hào)電壓上升，噪聲電壓上升；V-節(jié)點(diǎn)信號(hào)電壓減小，噪聲電壓上升；則對(duì)于信號(hào)， Mnl支路電流增大，通過電流鏡鏡像至Mp2支路電流增大，即流入Vout節(jié)點(diǎn)電流增大；Mn2 支路電流減小，即從Vout節(jié)點(diǎn)流出電流減小，從而使得流入Vout節(jié)點(diǎn)電流同相增大，即實(shí) 現(xiàn)信號(hào)的同相疊加。而對(duì)于噪聲，通過Mnl支路鏡像至Mp2的電流增大，Mn2引起的支路電 流也增加，從而使得Vout節(jié)點(diǎn)電流噪聲相抵消，實(shí)現(xiàn)了噪聲消除。
[0035] 為了實(shí)現(xiàn)滿意的噪聲消除特性，設(shè)計(jì)中需要使得輸出節(jié)點(diǎn)的噪聲為同增益反相疊 加。即滿足
[0036] (2)
[0037] 其中，gm。l與gml·l2分別為NM0S管Mnl與Mn2的跨導(dǎo)，Noise(V-)與Noise(V+)分別 表示V-結(jié)點(diǎn)與V+結(jié)點(diǎn)的噪聲，參數(shù)k為電流鏡PM0S管的寬長比的比值，即
[0038] (3)
[0039] 為電流鏡的比例系數(shù)，其中Lpl、Lp2與Wpl、Wp2分別Mpl與Mp2的柵長及柵寬； 一般電流鏡取相同的柵長，即Lpl = Lp2。
[0040] 按照W上規(guī)則設(shè)計(jì)，可W保證輸出節(jié)點(diǎn)的噪聲等增益反相疊加，從而實(shí)現(xiàn)噪聲抵 消，得到足夠低的噪聲特性。
[0041] 在附圖4所示的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，附圖5提供了一個(gè)類差分結(jié)構(gòu)的噪聲消除電路， 通過增加 NM0S管Mntai 1提供尾電流源。同時(shí)，為了提高增益，接入電流鏡單元主支路的放 大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，即在接入電流鏡單元主支路上增加 NM0S管Mn3。另外一端由于輸 入信號(hào)幅度較大，需要增益較小，為了保證足夠輸出擺幅，仍采用簡單共源結(jié)構(gòu)。
[0042] 進(jìn)一步的，將單端結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為差分結(jié)構(gòu)，如附圖6所示，他通過對(duì)尾電流連接方式 進(jìn)行改進(jìn)，可得到全差分結(jié)構(gòu)的噪聲消除電路。其中V1+與V化為等幅差分信號(hào)，VI-與 V2-為等幅差分信號(hào)，因此，在為電流源漏端可實(shí)現(xiàn)理想虛地點(diǎn)，構(gòu)成全差分結(jié)構(gòu)。 陽0創(chuàng)附圖7和附圖8示出了輸入匹配級(jí)電路與噪聲消除電路之間的連接方式，如圖所 示，兩個(gè)電路之間采用級(jí)聯(lián)的方式連接在一起構(gòu)成帶寬低噪聲電路，連接方式是V+與V-相 連，V-與V-相連，其中附圖7所示的結(jié)構(gòu)式單端結(jié)構(gòu)，附圖8所示的結(jié)構(gòu)式差分結(jié)構(gòu)。
[0044] 按照上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全差分無電感寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。
[0045] 針對(duì)L波段，即950-2150MHZ的寬帶頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)S1K -10地， S2D10地，達(dá)到了寬帶匹配與寬帶放大；噪聲系數(shù)NF可達(dá)到2. 5地W下。且電路結(jié)構(gòu)較為 簡單，沒有使用電感，整個(gè)忍片面積小，便于集成。
[0046] 上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā) 明不限于運(yùn)里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新 調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過W上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了較 為詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于W上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可W 包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低噪聲放大器，包括： 輸入匹配模塊，所述的輸入匹配模塊由NMOS管和PMOS管構(gòu)成，以及位于輸出節(jié)點(diǎn)和輸 入節(jié)點(diǎn)之間的反饋電阻； 噪聲消除模塊，與所述輸入匹配模塊級(jí)聯(lián)，包括由NMOS管和PMOS管構(gòu)成共源放大器， 以及由PMOS管構(gòu)成的電流鏡。2. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，其中所述的第一匹配模塊由輸入 NMOS管的Mnl、Mn2與輸入PMOS管Mpl、Mp2構(gòu)成，并由反饋電阻Rf、Rf2實(shí)現(xiàn)匹配。3. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于， 所述共源放大器包括由NMOS管Mnll、Mnl3與PMOS管Mpll構(gòu)成的第一共源放大器，由 NMOS管Mnl2與PMOS管Mpl2構(gòu)成的第二共源放大器； 所述電流鏡模塊由PMOS管Mpll與Mpl2構(gòu)成。4. 如權(quán)利要求3所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述第一共源放大器采用共源共 柵結(jié)構(gòu)，所述第二放大器采用共源結(jié)構(gòu)。5. 如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述輸入匹配模塊被配置成具有 差分結(jié)構(gòu)的輸入匹配模塊。6. 如權(quán)利要求5所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述的噪聲消除模塊被配置成具 有差分結(jié)構(gòu)的噪聲消除模塊。
【專利摘要】本發(fā)明基于CMOS硅基工藝實(shí)現(xiàn)了一種全差分無電感寬帶低噪聲放大器，由輸入匹配電路、噪聲消除電路兩級(jí)組成主要信號(hào)通路。第一級(jí)為輸入匹配級(jí)，利用輸出端與輸入端之間的電阻負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配，并提供一定增益。第二級(jí)為噪聲消除級(jí)，利用輸入級(jí)的輸入端和輸出端信號(hào)反相、噪聲同相的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大與噪聲抵消。噪聲消除電路通過共源放大器與電流鏡電路的組合，使得兩路信號(hào)疊加，噪聲抵消。為實(shí)現(xiàn)最佳的噪聲消除特性，需要進(jìn)行電流鏡參數(shù)與放大器跨導(dǎo)設(shè)計(jì)。本發(fā)明在輸入匹配、噪聲、帶寬方面性能良好，且電路結(jié)構(gòu)簡單，芯片面積小，便于集成。
【IPC分類】H03F1/26, H03F3/45
【公開號(hào)】CN105656433
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】李欣, 王子珺, 苑喬, 鄒光南
【申請(qǐng)人】航天恒星科技有限公司
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2014年11月27日