一種可變增益寬帶低噪聲放大器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)為一種可變增益寬帶低噪聲放大器，涉及射頻集成電路技術(shù)，本發(fā)明專利技術(shù)主要由共源共柵輸入級、有源反饋結(jié)構(gòu)、開關(guān)控制的高增益和低增益模式的反饋環(huán)路以及相應(yīng)工作模式對應(yīng)的可變負載電阻組成。通過開關(guān)控制電流鏡是否在在反饋環(huán)路里正常工作的方法即可實現(xiàn)低噪聲放大器在高增益模式與低增益模式兩種工作方式下切換，反饋環(huán)路由有源器件和電阻共同構(gòu)成。本發(fā)明專利技術(shù)電路中不包含電感，很大程度上節(jié)省了芯片面積，同時由于只含有一級放大電路，與采用兩級甚至更多級放大電路來控制增益相比，在功耗、噪聲等性能上均有一定程度的改善，適合用于多標準無線通信接收系統(tǒng)中。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于射頻集成電路設(shè)計
，應(yīng)用于接收器的射頻前端，是一種適用于多種無線通信標準的寬帶低噪聲放大器，同時可實現(xiàn)在高增益和低增益兩種模式下切換工作。
技術(shù)介紹
隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，給人們的生活帶來了諸多的便利，軍事國防等相關(guān)領(lǐng)域也離不開電子信息行業(yè)的推動，如今高科技信息產(chǎn)業(yè)的競爭日益激烈，而無線通信也隨之變得備受人類的重視。近些年來，我國逐步加強了對集成電路產(chǎn)業(yè)的重視程度，設(shè)計出高性能的芯片已成為微電子領(lǐng)域的專家以及工程師們的共同目標。在射頻集成電路中，低噪聲放大器一般作為接收器的第一級，需要提供足夠的增益來克服后續(xù)電路帶來的噪聲，噪聲特性的好壞決定了接收器的靈敏度。此外放大器要同時需要保證接收大信號而不產(chǎn)生失真，因此線性度是低噪聲放大器的一項重要指標，一個低噪聲放大器的性能的好壞對整個接收器的性能起著至關(guān)重要的作用。由于與天線相連接，因此低噪聲放大器的輸入信號源通常表現(xiàn)為一個特定的阻抗，例如50 Ω或75 Ω。低噪聲放大器在接收器的所起的作用決定了它的研究價值，寬帶低噪聲放大器性能的優(yōu)劣由帶寬、噪聲系數(shù)、反射系數(shù)、線性度、增益、功耗等多項指標共同來衡量。窄帶低噪聲放大器只能處理某一個頻段的射頻信號，在某些領(lǐng)域已不能滿足要求，例 如軟件無線電領(lǐng)域，如果采用多個窄帶低噪聲放大器來實現(xiàn)，那么會占用很大的芯片面積，也使得電路復(fù)雜化，因此寬帶低噪聲放大器成為目前射頻集成電路研究的熱點。寬帶低噪聲放大器能處理多個頻段的射頻信號，從而節(jié)約了成本。由于低噪聲放大器所接收的信號強度不一，因此使其增益可變成為了解決這個問題的關(guān)鍵。在輸入信號較弱時使用高增益放大模式，相反輸入信號較強時使用低增益放大模式。然而，許多學者在設(shè)計可變增益低噪聲放大器時，使用了兩級甚至多級結(jié)構(gòu)即第一級為固定增益，用第二級甚至更多級實現(xiàn)增益控制功能。典型的有源反饋結(jié)構(gòu)可變增益寬帶低噪聲放大器如圖1所示，器件麗1、麗2、麗3、MN4、MP1、R1構(gòu)成電路第一級結(jié)構(gòu)，麗1、 麗2、MP1、R1實現(xiàn)了放大信號的功能，麗3、MN4實現(xiàn)了有源反饋用以實現(xiàn)阻抗匹配。第二級包括器件麗5、MN6、MP2、R2、R3、Cl，通過Vb3開關(guān)控制便可實現(xiàn)可變增益。這樣雖然輸入匹配、可變增益都可以實現(xiàn)，但是任何時刻下兩級電路都在同時工作，相比于只有一級放大器的電路來說，第二級結(jié)構(gòu)會使電路功耗加大，噪聲系數(shù)變差，線性度等因素也受到了一定程度的影響。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了解決以往可變增益寬帶低噪聲放大器的多級結(jié)構(gòu)所帶來的電路復(fù)雜化，并且也解決了反饋環(huán)路受輸出節(jié)點電壓波動的問題，與典型的可變增益寬帶低噪聲放大器相比，本專利技術(shù)只采用一級放大電路，通過同時改變反饋環(huán)路和負載阻抗來實現(xiàn)寬帶低噪聲放大器的可變增益功能。本專利技術(shù)的核心思想是基于有源反饋為主體，改變負載電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)高增益和低增益兩種工作模式。這兩種工作模式之間的切換可通過開關(guān)MOS晶體管來實現(xiàn)，如圖2中框圖所示，本專利技術(shù)的可變增益寬帶低噪聲放大器主體部分為負載可變的放大器，在保持放大器的輸入跨導恒定的條件下，調(diào)節(jié)放大器的負載電阻即可實現(xiàn)可變增益。同時也包括有高增益和低增益兩種反饋網(wǎng)絡(luò) ，由于輸入信號從低噪聲放大器的柵極進入，若要實現(xiàn)輸入阻抗匹配，則需要加入反饋網(wǎng)絡(luò)的方法來解決。這樣在放大器增益變化的情況下，通過對反饋網(wǎng)絡(luò)做適當?shù)奶幚砭湍軐崿F(xiàn)在不同增益模式下的輸入阻抗匹配，這種處理可以通過改變有源反饋中的電阻阻值來實現(xiàn)。通過“二選一”開關(guān)在高增益和低增益間進行選擇， 實質(zhì)上二者總是有一個正常工作的，而另一個被屏蔽，具體電路實現(xiàn)時只需要在兩個反饋網(wǎng)絡(luò)控制端之間加入一個反相器即可實現(xiàn)單開關(guān)控制方式。圖2中的Lp、Cp分別為焊盤帶來的鍵合電感和寄生電容，根據(jù)工藝的經(jīng)驗參數(shù)，仿真時取Lp = 1. 5nH, Cp = 0. 4pF。由圖2可見，通過開關(guān)在高增益和低增益中進行選擇，實質(zhì)上二者總是有一個正常工作的。兩種反饋網(wǎng)絡(luò)均為有源反饋網(wǎng)絡(luò)，將在下面進行分析，有源MOS器件正常工作所需要的電流可通過MOS晶體管做鏡像電流源獲得，若沒有鏡像電流，則有源反饋器件不能正常工作，此時相當于反饋網(wǎng)絡(luò)停止工作。而有源反饋MOS器件能否抽取到電流源中的電流就可以通過上面所述的開關(guān)來控制，兩種工作模式的開關(guān)控制電平相反，說明始終有一路是可以抽取電流正常工作，而另一路是無法抽取電流從而被屏蔽掉。本專利技術(shù)的可變增益寬帶低噪聲放大器電路原理圖如圖3所示，包括共源共柵輸入級、有源反饋結(jié)構(gòu)、開關(guān)控制的高增益和低增益模式的反饋環(huán)路以及相應(yīng)工作模式對應(yīng)的可變負載電阻。MOS晶體管麗1、MPl構(gòu)成推挽放大電路，同時麗1、MPl與麗2構(gòu)成共源共柵放大器，R6作為高增益模式下的負載，R6、R7、MP2構(gòu)成了低增益工作模式下的負載，上述器件共同構(gòu)成了本專利技術(shù)的可變增益放大器的調(diào)節(jié)增益部分。MN3、R1、R2、C1、C2構(gòu)成高增益模式反饋環(huán)路，MN4、麗5、MN6為高增益反饋環(huán)路提供鏡像電流。麗7、R3、R4、C3、C4構(gòu)成低增益模式反饋環(huán)路，MN8、MN9、MN10為低增益反饋環(huán)路提供鏡像電流。開關(guān)Swith用于實現(xiàn)兩種不同增益工作模式的切換，中間通過反相器(Inverter)保證兩個反饋環(huán)路只有一個正常工作，另一個則被屏蔽。由于上面所述的不同工作模式的有源反饋環(huán)路均可實現(xiàn)輸入阻抗匹配，因此輸入信號Vin可經(jīng)過共源共柵放大器(由MN1、MP1、MN2組成)進行信號的正常放大，并通過改變負載電阻而改變信號的增益，放大后的輸出信號為Vout。本專利技術(shù)所提出的基于變化匹配網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)輸入阻抗匹配的可變增益寬帶低噪聲放大器只需要一級放大電路即可實現(xiàn)，與以往的寬帶低噪聲放大器加入第二級放大器來實現(xiàn)可變增益相比，節(jié)省了一級的功耗，同時相當于去除了第二級電路帶來的噪聲影響。本專利技術(shù)的兩種增益模式高增益工作模式下放大器的增益為20dB，低增益工作模式下放大器增益為lldB。在工作帶寬為0. 2-3GHz內(nèi)均可實現(xiàn)良好的輸入匹配，這個工作帶寬包含了 433MHz、915MHz、2. 45GHz等重要的通信頻段，并且噪聲、線性度、功耗等指標都符合典型寬帶低噪聲放大器設(shè)計的標準，適用于無線寬帶通信。附圖說明圖1是已有技術(shù)中典型的有源反饋可變增益寬帶放大器。圖2是本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本專利技術(shù)可變增益寬帶低噪聲放大器的電路原理圖。圖4是本專利技術(shù)寬帶低噪聲放大器的輸入端反射系數(shù)仿真曲線。圖5是本專利技術(shù)寬帶低噪聲放大器的增益仿真曲線。圖6是本專利技術(shù)寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)仿真曲線。圖7是本專利技術(shù)寬帶低噪聲放大器的三階輸入交調(diào)點仿真曲線。 具體實施例方式下面結(jié)合圖3對本專利技術(shù)的可變增益寬帶低噪聲放大器做進一步的說明。本專利技術(shù)的可變增益寬帶低噪聲放大器包括共源共柵輸入級、有源反饋結(jié)構(gòu)、開關(guān)控制的高增益和低增益模式的反饋環(huán)路以及相應(yīng)工作模式對應(yīng)的可變負載電阻。各部分的連接關(guān)系以及所起的作用如下Vin為射頻輸入輸入，Vout為射頻輸出信號，Vb為輸入級直流偏置端口，Switch為開關(guān)控制端口。匪OS晶體管麗1、PMOS晶體管MPl、匪OS晶體管麗2共同構(gòu)成共源共柵放大器結(jié)構(gòu)，PMOS晶體管MPl起到電流舵分支的作用，可以分得麗1的部分電流從而緩解負載電阻的壓降帶來的“壓力”，同時增加了放大本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
１．一種可變增益寬帶低噪聲放大器，包括共源共柵輸入級、有源反饋結(jié)構(gòu)、開關(guān)控制的高增益模式和低增益模式的反饋環(huán)路以及相應(yīng)工作模式對應(yīng)的可變負載電阻。其特征在于：所述的輸入級由ＭＯＳ晶體管ＭＮ１和ＭＰ１組成的推挽放大電路，同時ＭＮ１和ＭＰ１與ＭＮ２構(gòu)成共源共柵輸入級，起放大輸入信號作用；所述的有源反饋結(jié)構(gòu)，由器件ＭＮ３、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２構(gòu)成高增益模式反饋環(huán)路，由器件ＭＮ７、Ｒ３、Ｒ４、Ｃ３、Ｃ４構(gòu)成低增益模式反饋環(huán)路，起到在不同增益模式下均可實現(xiàn)寬帶輸入阻抗匹配的作用；所述的可變負載由器件Ｒ６、Ｒ７、ＭＰ２組成，高增益模式下負載為Ｒ６，低增益模式下由Ｒ６、Ｒ７、ＭＰ２共同構(gòu)成，同時改變反饋環(huán)路和負載，便可實現(xiàn)高增益和低增益兩種工作模式；所述的控制反饋環(huán)路由開關(guān)（Ｓｗｉｔｃｈ）執(zhí)行，高增益模式和低增益模式的控制端之間通過一個反向器（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）連接，ＭＮ４、ＭＮ５、ＭＮ６為高增益反饋環(huán)路提供鏡像電流，ＭＮ８、ＭＮ９、ＭＮ１０為低增益反饋環(huán)路提供鏡像電流，開關(guān)Ｓｗｉｔｃｈ用于實現(xiàn)兩種不同工作模式的切換，反相器Ｉｎｖｅｒｔｅｒ保證兩個反饋環(huán)路有一個正常工作，另一個被屏蔽；由于上面所述的不同工作模式的有源反饋環(huán)路均可實現(xiàn)輸入阻抗匹配，因此輸入信號Ｖｉｎ可經(jīng)過共源共柵放大器（由ＭＮ１、ＭＰ１、ＭＮ２組成）進行信號的正常放大，并通過改變負載電阻而改變信號的增益，放大后的輸出信號為Ｖｏｕｔ。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉洋，于奇，楊帆，孫明遠，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：90