[发明专利]宽带低噪声放大器

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS集成电路中的射频集成电路，更具体地讲，涉及一种 采用共源支路实现噪声消除效果的共栅极宽带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器(LNA)在微波/射频接收系统中处于接收机的前端，其性 能的好坏对接收机的性能有很大的影响。特别地，低噪声放大器需要实现很 小的噪声系数。宽带低噪声放大器一直是低噪声放大器的热点，它在超宽带 (UWB)等射频领域有重要的作用。

图1示出了传统技术的射频接收机的框图。如图1所示，天线接收到的 信号经过带通滤波器滤波后进入低噪声放大器。低噪声放大器对接收的信号 进行放大，并将放大的信号输入到混频器。混频器对输入的信号进行下变频 得到所需的基带信号。本地振荡器提供两路时钟，它们的相位相差90度，从 而可得到正交I/Q信号。基带信号经过可变增益放大器和低通滤波器后进入 基带处理的模拟数字转换器，从而经过转换得到数字信号。

参考文献“An Ultra-Wide-Band 0.4-10-GHz LNA in 0.18-um CMOS” (Ke-Hou Chen，Jian-Hao Lu，etc.IEEE Transactions on Circuits and Systems-II Express Briefs.VOL.54.No.3.March 2007)提出了一种超宽带CMOS低噪声 放大器，该文献通过引用包含于此。图2是示出该文献提出的低噪声放大器 的电路图。图2所示的低噪声放大器属于常见的单端LNA结构。参照图2， 所述低噪声放大器包括三级电路，即共栅极输入电路、共源共栅极放大电路 和源极跟随器输出电路。在宽带低噪声放大电路设计中，如何在输入端实现 宽带匹配一直是宽带低噪声放大器的难点，而如图2所示的共栅极输入电路 可以在很宽的带宽内很好地实现50Ω输入匹配，同时提供低频段增益。这是 因为共栅极输入电路的输入电阻为所以仅需要设计1gm=50Ω,]]>就可以实 现输入匹配。在共栅极输入电路中，MOS管M1的漏极通过电阻R1连接到 工作电压Vdd，其源极通过电感器L1接地，电感器L1与MOS管M1的栅 源电容Cgs谐振从而提供输入匹配。共源共栅极放大电路提供高频增益，并 且可以实现很好的反向隔离。共栅极输入电路的输出端通过电容器Cp(其电 容容量为皮法级)耦合到共源共栅极放大电路的输入端，即共源管M2管的 栅极。电容器Cp为耦合电容，其电容量优选为5pF。共源管M2的源极接地， 漏极与共栅管M3的源极相连接，共栅管M3的漏极通过电阻器R2和电感器 L2连接到工作电压Vdd，其栅极也连接到工作电压Vdd。源极跟随器输出电 路输出经过低噪声放大处理的信号，并且能够提供50Ω输出匹配。在源极跟 随器输出电路中，MOS管M5作为源极跟随器的负载，其源极接地，漏极与 源极跟随器的MOS管M4的源极相连接。MOS管M4的漏极连接到工作电 压Vdd。在图2中，Vbias1、Vbias2和Vbias3是三级电路的偏置。通过如上 构造，在宽带低噪声放大器设计中可以实现很好的输入匹配(S11)，增益(S21) 和反向隔离(S12)。

然而，如图2所示的宽带低噪声放大器虽然可以很好地实现宽带输入匹 配，但是存在着噪声较大的问题。根据噪声系数的定义，噪声系数F等于总 的噪声输出功率除以输入噪声源引起的噪声输出功率。根据噪声级联公式， 电路后级的噪声的影响会被前级的增益所减弱。因此，当第一级电路可以提 供相当增益的情况下，系统的噪声系数主要由第一级的噪声决定。

对如图2所示的宽带低噪声放大器，仅考虑第一级共栅极输入电路的 MOS管的热噪声对系统的影响，可以得到如下的噪声系数。