[发明专利]一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器

说明书

技术领域

本发明涉及射频接收机系统中的低噪声放大器，尤其是一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，采用CMOS工艺，在射频电路中具有较大优势，设计结构简单，在改善噪声性能与增益同时，将功耗大幅度降低，具有较高的增益与良好的输入匹配，且具有较小的噪声系数，适用于低成本、低电压、低功耗通信系统中。

背景技术

低噪声放大器是射频接收链路中的第一级有源电路，其本身应具有较低的噪声系数并提供足够的增益来抑制后级电路的噪声。对于几乎所有的射频接收机系统，必不可少的一个模块就是低噪声放大器。由于系统接收到的射频信号幅度通常很小，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，并且提供一定的电压增益，以提高输出的信噪比。

传统的共源结构放大器和共栅结构放大器广泛应用于低电压窄带低噪声放大器的设计中。其中源极电感负反馈共源低噪声放大器具有很低的噪声系数、适中的增益和线性度，是在硅衬底上实现窄带低噪声放大器的最常见的电路结构。传统的源极电感负反馈共源低噪声放大器电路如图1所示。信号由晶体管M1的栅极输入，通过调整M1的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1的电流大小，进而改变M1跨导g_m，其中L_g和L_s分别为栅极电感和源极电感，C_ex为栅源并联电容，完成电路的输入匹配，L_d和C_out完成电路的输出匹配。虽然源极电感负反馈共源低噪声放大器结构相对简单，且具有流程化的设计和优化步骤，理论上可以达到限定功耗条件下的最小噪声系数，但是在实际电路的设计和应用过程中，传统的共源结构放大器具有以下缺点：

第一是隔离度差，由于传统的共源结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

第二是电路鲁棒性较差，芯片键合线长度和寄生电感的大小会因工艺或人为等因素发生变化，键合线的寄生电感对放大器的输入匹配和噪声性能产生不可预知的影响。

与传统的共栅结构放大器相比，共源结构放大器的线性度较差。共栅结构的放大器在线性度、输入匹配、稳定性以及温度和工艺的鲁棒性等方面有着天然的优势。传统的共栅结构放大器电路如图2所示。信号由晶体管M1、M2源极输入，通过调整M1和M2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1和M2的电流大小，进而改变M1和M2的跨导g_m，使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。通过调整负载电阻R1和R2的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(g_m+g_mb)，其中g_m为输入晶体管跨导，g_mb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。

第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

最后是噪声大，传统的共栅结构放大器的噪声系数较大，往往超过4dB。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的共源结构放大器鲁棒性较差、线性度不高，传统的共栅结构放大器功耗大、增益低、隔离度差、噪声大的不足，提供一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，能在保证电路性能的基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益和隔离度。

本发明采取的技术方案如下：一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，其特征在于：设有输入主共栅放大单元、扼流单元、跨导增强共栅放大单元和负载单元，差分射频输入信号Vin+和Vin-分别连接输入主共栅放大单元的输入端和扼流单元的输出端，输入主共栅放大单元的输出端连接跨导增强共栅放大单元的输入端，跨导增强共栅放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号Vout+和Vout-；其中：