宽带低噪声放大器

摘要

宽带低噪声放大器是一种用于放大宽带射频信号的低噪声放大器以及一种宽带输入匹配设计方法。该低噪声放大器包括差分放大器单元(10)、输出单元(20)、反馈单元(30)；该放大器采用差分结构，以并联-并联负反馈结构实现在宽带范围内的输入阻抗匹配，优化电路的噪声性能。而且反馈电路同时为输入晶体管提供直流偏置，将交流反馈和提供直流偏置的功能结合在了一起，使得直流工作点更加稳定。

权利要求

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于该低噪声放大器包括差分放大器单元(10)、输出单元(20)、反馈单元(30)；其中：差分放大器单元(10)的正射频信号输入端(A1)用来输入正射频信号VIN+并接反馈单元(30)的第一反馈输出端(C3)，差分放大器单元(10)的负射频信号输入端(A2)用来输入负射频信号VIN-并接反馈单元(30)的第二反馈输出端(C4)；输出单元(20)的第一正输出端(B3)用来输出正信号VOUT+并接反馈单元(30)的第一反馈输入端(C1)，输出单元(20)的第二负输出端(B4)用来输出负信号VOUT-并接反馈单元(30)的第二反馈输入端(C2)；差分放大器单元(10)的第一射频信号输出端(A3)接输出单元(20)的第一信号输入端(B1)，差分放大器单元(10)的第二射频信号输出端(A4)接输出单元(20)的第二信号输入端(B2)； 所述的差分放大器单元(10)中，第一负载电阻器(101)、第三共栅晶体管(103)、第五输入晶体管(105)和第七负反馈电阻器(107)构成差分放大器单元(10)的左半边电路，第二负载电阻器(102)、第四共栅晶体管(104)、第六输入晶体管(106)和第八负反馈电阻器(108)构成差分放大器单元(10)的右半边电路；其左半边电路和右半边电路都采用共源共栅结构，提高增益和反相隔离度，减少密勒效应的影响，扩展带宽；所述的差分放大器单元(10)的第五输入晶体管(105)的源极带有第七负反馈电阻器(107)，第六输入晶体管(106)的源极带有第八负反馈电阻器(108)，用以提高线性度，扩大动态范围； 所述的输出单元(20)包括第一输出晶体管(201)和第二输出晶体管(202)，采用源极跟随器结构，增加反相隔离，提供输出匹配； 所述的反馈单元(30)采用并联-并联负反馈类型，结合了为输入管提供直流电压偏置和交流反馈的功能，第一晶体管(303)和第二晶体管(304)上的直流压降分别为差分放大器单元的正负输入端的第五输入晶体管(105)、第六输入晶体管(106)提供直流电压偏置；第三电阻器(307)第四电阻器(308)通过交流反馈机制为此低噪声放大器提供输入匹配；第一电容(305)和第二电容(306)用以补偿晶体管的寄生电容，扩展带宽； 反馈单元(30)采用并联-并联负反馈类型，第二电阻器(302)，第二电容(306)和第四电阻器(308)串接成环，第二电阻器(302)与第二电容(306)的连接点为反馈单元(30)的第一反馈输入端(C1)，第二电容(306)与第四电阻器(308)的连接点为反馈单元(30)的第一反馈输出端(C3)，第二电阻器(302)与第四电阻器(308)的连接点接第二晶体管(304)的漏极；第一电阻器(301)，第一电容(305)和第三电阻器(307)串接成环，第一电阻器(301)与第一电容(305)的连接点为反馈单元(30)的第二反馈输入端(C2)，第一电容(305)与第三电阻器(307)的连接点为反馈单元(30)的第二反馈输出端(C4)，第一电阻器(301)与第三电阻器(307)的连接点接第一晶体管(303)的漏极；第一晶体管(303)和第二晶体管(304)的栅极接第二偏置电压(Vbias2)，第一晶体管(303)和第二晶体管(304)的源极接地。

说明书

宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种射频接收机中的宽带低噪声放大器，尤其涉及一种负反馈的宽 带匹配方法。

背景技术

在无线通信系统的射频接收机中，射频信号经天线接收之后，经过频带选通滤 波器，而后进入射频接收机芯片。在射频接收机芯片中，低噪声放大器一般位于接 收机的最前段，实现良好的输入阻抗匹配，同时提供适中的增益放大射频信号，并 且抑制后级电路模块对整个系统噪声的贡献。低噪声放大器必须与片外滤波器实现 良好的阻抗匹配，理想情况下是提供一个50Q的纯电阻，用于避免或降低信号传输 过程中的功率损耗,故输入阻抗匹配是低噪声放大器的一项关键问题.
传统的低噪声放大器采用带有电感负反馈的共源放大器，使得负反馈电感和放 大器的输入电容在输入信号频率处发生谐振，可以获得良好的输入匹配性能，但是 其工作带宽受到电路谐振限制， 一般只能应用于窄带射频接收机芯片。而且这种结 构必须使用片上螺旋电感，占用很大的芯片面积，增大了成本。
为了在宽带范围内能够得到良好的输入匹配，目前广泛应用的宽带低噪声放大 器的匹配方法有： 一是将一个50Q的电阻直接并联在共源放大器的输入端，二是采 用共栅输入结构，三是釆用带有并联电阻反馈的共源结构。
将一个50Q的电阻直接并联在一个共源放大器的输入端，在不考虑寄生电阻的
情况下可以实现50Q输入阻抗，但是会使晶体管前的射频信号衰减，而且会带来自 身的热噪声，这使得电路一般具有一个比较高的噪声系数。
对于共栅输入结构，不考虑寄生电容，其输入阻抗为^=1/&，其中gm为晶体
管的跨导，因此合适的选择器件的尺寸和偏置电流，能够在宽带下实现50Q的阻抗 匹配，但是它的增益不高，无法良好的抑制后级电路噪声。而且在特别是在短沟道 器件下，它的噪声是相当高的。带有并联电阻反馈的共源结构能在宽带下实现输入匹配。但是其增益和噪声性 能不佳。可以通过增大反馈电阻来克服，但是同时也带来了功耗高的问题。
差分结构为了达到单端放大器相同的噪声系数，其功耗是单端放大器的两倍。但 是差分放大器能够有效抑制共模干扰，而且能大幅提高线性度。所以在要求高的线 性度，而功耗要求不是特别严格的情况下，使用差分结构是不错的选择。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种应用 于射频接收机芯片的宽带低噪声放大器电路和一种宽带匹配方法。采用并联一并联 电阻负反馈技术，把交流反馈和直流偏置功能结合在一起，在不影响电路噪声和增 益性能的情况下，实现宽带输入阻抗匹配，优化电路的噪声性能，同时使得直流工 作点更加稳定。
技术方案：根据本发明的宽带低噪声放大器包括：差分放大器单元、输出单元、 反馈单元；其中：差分放大器单元的正射频信号输入端用来输入正射频信号Vjn+并 接反馈单元的第一反馈输出端，差分放大器单元的负射频信号输入端用来输入负射 频信号VtN-并接反馈单元的第二反馈输出端；输出单元的第一正输出端用来输出正 信号VouT+并接反馈单元的第一反馈输入端，输出单元的第二负输出端用来输出负信 号VouT.并接反馈单元的第二反馈输入端；差分放大器单元的第一射频信号输出端接 输出单元的第一信号输入端，差分放大器单元的第二射频信号输出端接输出单元的 第二信号输入端。
所述的差分放大器单元的左半边电路和右半边电路都采用共源共栅结构，提高 增益和反相隔离度，减少密勒效应的影响，扩展带宽。
所述的差分放大器单元的第五输入晶体管的源极带有第七负反馈电阻，第六输 入晶体管的源极带有第八负反馈电阻，用以提高线性度，扩大动态范围。
所述的输出单元采的第一输出晶体管和第二输出晶体管都采用源极跟随器结 构，增加反相隔离，提供输出匹配。
所述的反馈单元包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第 一电容、第二电容、第一晶体管、第二晶体管、以及地端；所述的反馈电路采用并 联一并联负反馈类型，结合了为输入管提供直流电压偏置和交流反馈的功能，第一 晶体管和第二晶体管上的直流压降分别为差分放大器单元的正负输入端的第五输入晶体管、第六输入晶体管提供直流电压偏置；第三电阻第四电阻通过交流反馈机制 为此低噪声放大器提供输入匹配；第一电容和第二电容用以补偿晶体管的寄生电容， 扩展带宽。
反馈单元采用并联一并联负反馈类型，第二电阻器，第二电容和第四电阻器串 接成环，第二电阻器与第二电容的连接点为反馈单元的第一反馈输入端，第二电容 与第四电阻器的连接点为反馈单元的第一反馈输出端，第二电阻器与第四电阻器的 连接点接第二晶体管的漏极；第一电阻器，第一电容和第三电阻器串接成环，第一 电阻器与第一电容的连接点为反馈单元的第二反馈输入端，第一电容与第三电阻器 的连接点为反馈单元的第二反馈输出端，第一电阻器与第三电阻器的连接点接第一 晶体管的漏极；第一晶体管和第二晶体管的栅极接第二偏置电压，第一晶体管和第 二晶体管的源极接地。
差分放大器单元10用来放大接收的输入射频信号，输出单元20紧接差分放大 器输出信号，减小输出阻抗，实现输出匹配。本发明的突出特点是使用跨接在输入 和输出之间的反馈单元30，通过并联一并联负反馈减小电路的输入阻抗，实现宽带 的输入阻抗匹配，优化低噪声放大器的噪声性能，同时反馈单元为输入管提供直流 偏置，将交流反馈和直流偏置功能结合在一起。
在差分放大器单元10中，第五输入晶体管105的栅极用来输入正射频信号 VIN+，第六输入晶体管106的栅极用来输入负射频信号VIN-。第五输入晶体管105 的漏极接第三共栅晶体管103的源极，第六输入晶体管106的漏极接第四共栅晶体 管104的源极，组成两对共源共栅结构。第三共栅晶体管103和第四共栅晶体管104 的栅极接第三偏置电压Vbias3。第三共栅晶体管103的漏极接第一负载电阻器101 的一端，第一负载电阻器101的另一端接电源。第四共栅晶体管104的漏极接第二 负载电阻器102的一端，第二负载电阻器102的另一端接电源。第五输入晶体管105 的源极接第七负反馈电阻器107的一端，第七负反馈电阻器107的另一端接第九晶 体管109的漏极，第六输入晶体管106的源极接第八负反馈电阻器108，第八负反馈 电阻器108的另一端接第九晶体管109的漏极。第九晶体管109的漏极的栅极接第 一偏置电压Vbiasl，源极接第十反馈电阻器110的一端，第十反馈电阻器110的另 一端接地。差分放大器单元10的第一射频信号输出端A3为第四共栅晶体管104的 漏极，第二射频信号输出端A4为第三共栅晶体管103的漏极。
在输出单元20中，包括第二输出晶体管202和第一输出晶体管201，组成的两
6个源极跟随器。第一输出晶体管201的栅极为输出单元20的第一信号输入端Bl， 源极为输出单元20的第一正输出端B3，漏极接电源。第二输出晶体管202的栅极 为输出单元的第二信号输入端B2，源极为输出单元的第二负输出端B4，漏极接电源。
在反馈单元30中，第二电阻器302，第二电容306和第四电阻器308串接成环， 第二电阻器302与第二电容306的连接点为反馈单元30的第一反馈输入端Cl，第 二电容306与第四电阻器308的连接点为反馈单元30的第一反馈输出端C3，第二 电阻器302与第四电阻器308的连接点接第二晶体管304的漏极。第一电阻器301， 第一电容305和第三电阻器307串接成环，第一电阻器301与第一电容305的连接 点为反馈单元30的第二反馈输入端C2，第一电容305与第三电阻器307的连接点 为反馈单元30的第二反馈输出端C4，第一电阻器301与第三电阻器307的连接点 接第一晶体管303的漏极。第一晶体管303和第二晶体管304的栅极接第二偏置电 压Vbias2，两者源极接地。
有益效果：本实用新型的有益效果是，通过并联一并联负反馈结构，实现宽带 的输入阻抗匹配，优化低噪声放大器的噪声性能。并且将直流偏置和交流反馈结合 在一起实现，省去了直流偏置电路的设计，使得其直流工作点更加稳定。而且因为 去除了一般偏置中的阻断电容，所以一定程度上提高了线性度。

附图说明

图1为本发明的宽带低噪声放大器框图。
图2为本发明的宽带低噪声放大器的差分放大器单元。
图3为本发明的宽带低噪声放大器的输出单元。
图4为本发明的宽带低噪声放大器的反馈单元。
具体实施方式：
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见图1，图1为本发明的宽带低噪声放大器的框图。本发明的宽带低噪声放大 器包括差分放大器单元10、输出单元20、反馈单元30;其中：差分放大器单元IO
的正射频信号输入端Al用来输入正射频信号V^+并接反馈单元30的第一反馈输出 端C3，差分放大器单元10的负射频信号输入端A2用来输入负射频信号Vjn-并接反 馈单元30的第二反馈输出端C4;输出单元20的第一正输出端B3用来输出正信号VouT+并接反馈单元30的第一反馈输入端Cl，输出单元20的第二正输出端B4用来 输出负信号VouT-并接反馈单元30的第二反馈输入端C2;差分放大器单元10的第 一射频信号输出端A3接输出单元20的第一信号输入端Bl，差分放大器单元10的 第二射频信号输出端A4接输出单元20的第二信号输入端B2。
差分放大器单元10用来放大接收的输入射频信号，输出单元20紧接差分放大 器输出信号，减小输出阻抗，实现输出匹配。本发明的突出特点是使用跨接在输入 和输出之间的反馈单元30，通过并联一并联负反馈减小电路的输入阻抗，实现宽带 的输入阻抗匹配，优化低噪声放大器的噪声性能，同时反馈单元为输入管提供直流 偏置，将交流反馈和直流偏置功能结合在一起。
在差分放大器单元10中，第五输入晶体管105的栅极用来输入正射频信号V!N+， 第六输入晶体管106的栅极用来输入负射频信号VtN.。第五输入晶体管105的漏极 接第三共栅晶体管103的源极，第六输入晶体管106的漏极接第四共栅晶体管104 的源极，组成两对共源共栅结构。第三共栅晶体管103和第四共栅晶体管104的栅 极接第三偏置电压Vbias3。第三共栅晶体管103的漏极接第一负载电阻器101的一 端，第一负载电阻器101的另一端接电源。第四共栅晶体管104的漏极接第二负载 电阻器102的一端，第二负载电阻器102的另一端接电源。第五输入晶体管105的 源极接第七负反馈电阻器107的一端，第七负反馈电阻器107的另一端接第九晶体 管109的漏极，第六输入晶体管106的源极接第八负反馈电阻器108，第八负反馈电 阻器108的另一端接第九晶体管109的漏极。第九晶体管109的漏极的栅极接第一 偏置电压Vbiasl，源极接第十反馈电阻器110的一端，第十反馈电阻器110的另一 端接地。差分放大器单元10的第一射频信号输出端A3为第四共栅晶体管104的漏 极，第二射频信号输出端A4为第三共栅晶体管103的漏极。
在输出单元20中，包括第二输出晶体管202和第一输出晶体管201组成的两个 源极跟随器。第一输出晶体管201的栅极为输出单元20的第一信号输入端Bl，源 极为输出单元20的第一输正出端B3，漏极接电源。第二输出晶体管202的栅极为 输出单元的第二信号输入端B2，源极为输出单元的第二负输出端B4，漏极接电源。
在反馈单元中，第二电阻器302，第二电容306和第四电阻器308串接成环， 第二电阻器302与第二电容306的连接点为反馈单元30的第一反馈输入端Cl，第 二电容306与第四电阻器308的连接点为反馈单元30的第一反馈输出端C3，第二 电阻器302与第四电阻器308的连接点接第二晶体管304的漏极。第一电阻器301，
8第一电容305和第三电阻器307串接成环，第一电阻器301与第一电容305的连接 点为反馈单元30的第二反馈输入端C2，第一电容305与第三电阻器307的连接点 为反馈单元30的第二反馈输出端C4,第一电阻器301与第三电阻器307的连接点 接第一晶体管303的漏极。第一晶体管303和第二晶体管304的栅极接第二偏置电 压Vbias2，两者源极接地。
本发明的宽带低噪声放大器的突出特点是采用并联一并联负反馈的反馈单元。 第一电阻器301与第三电阻器307结合，第二电阻器302与第四电阻器308结合， 实现交流反馈，降低电路的输入阻抗，实现输入阻抗匹配，优化噪声性能。第一电 容305和第二电容306用来补偿寄生电容，扩展电路的带宽。第一晶体管303和第 二晶体管304用来给差分放大器单元10提供输入直流偏置，所以反馈单元将交流 反馈和提供直流偏置的功能结合在了一起，使得直流工作点更加稳定。