专利名称：超宽带低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频集成电路设计技术领域，特别是应用于超宽带通信 系统的一种超宽带低噪声放大器。
背景技术：
目前，超宽带通信主要有两种方式， 一种是基带窄脉冲形式，通过
PPM等方式携带信息；另一种是带通调制载波形式，通过MB-OFDM， DS-UWB等调制方式携带信息。在这两种方案的通信系统中，接收机都 使用了宽带低噪声放大器(LNA)模块。
传统的CMOS宽带LNA的实现方式通常采用分布式和电阻并联负 反馈结构。
下面分析这两种结构的特点。
(1) 分布式放大器此种放大器能提供很好的输入匹配，提供宽频 范围内比较平坦的增益，以及较高的三阶交调点IIP3。但因为需要高Q 值的传输线，这就使得芯片面积加大，不利于降低成本;另外，由于CMOS 晶体管的增益特性，分布式放大器不能达到很高的增益，其平均增益大 约8dB左右。这在某些应用场合对接收UWB信号是不够的。而且分布 式放大器也消耗过多的直流功耗，也不符合低功耗UWB系统的要求。
(2) 电阻并联负反馈放大器此种放大器能提供宽带输入匹配，通 过反馈来降低噪声系数。但是由于CMOS晶体管的低跨导，导致要消耗 大的功耗去达到较高的单级环路增益，也无法适应低功耗UWB系统的 要求。而如采用多级放大来提高增益，则可能会引起稳定性问题。
在现有的UWBLNA技术，主要分为两种拓扑结构。 一种是采用一级放大结构，有两种方式。第一种方式是单端共源共 栅并利用联峰化技术扩展带宽和提高增益，其电路的优点是在超宽带频 段的低频段3.1GHz-5.2GHz增益能达到10dB左右，噪声系数在4dB左 右，同时功耗也比较小，芯片面积较小，缺点是在高频段，该拓扑结构 很难实现高增益与低噪声系数的相互折中；第二种方式是差分共源共栅
结构，利用负反馈技术来展宽带宽提高增益，其电路的优点是在超宽带
频段的低频段3.1GHz-5.2GHz增益平坦度小于ldB，最小噪声系数在 3.5dB，功耗14.4mW;缺点增益小于10dB且在高频段，该拓扑结构很 难实现高增益。
另一种采用两级结构，两极结构有两种方式。第一种方式是第一级 用共栅结构来扩展带宽，第二级用共源共栅结构来提高增益其电路拓扑 结构简单，增益也高于10dB，输入输出匹配较好，增益平坦度也较低， 缺点是噪声系数相对比较大；第二种方式是两级都用共源共栅结构，利 用负反馈技术来展宽带宽提高增益其优点是增益能达到很高，增益平坦 度很低，噪声系数也较小，缺点是功耗很大。
所以如何设计一种宽带低噪声放大器，使噪声系数、增益、输入输 出匹配的技术指标都有一定程度的提高，成为一个重要的开发课题。
在2006年9月13日公开的发明专利申请CN1832335A披露了一种 CMOS超宽带低噪声放大器，其放大电路采用差分共源共栅放大结构由 两个PMOS管和四个NMOS组成，在超宽带频段的低频段 3.1GHz-5.2GHz有着较高的增益和较低的噪声系数，但使用了两个PMOS 管分流，必然使系统功耗增加，对于UWB系统来说，这无法满足系统 低功耗的要求；同时其工作频段为低频段3.1GHz-5.2GHz，在高频段无 法达到系统高增益和低噪声系数的要求。
发明内容
技术问题本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，设 计一种在UWB的全频段内(3.1-10.6GHz)具有较好增益，噪声系数，
输入输出匹配，功耗性能指标的超宽带低噪声放大器集成电路。 技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组 成，所述放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口 网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一管的栅极， 第一输出端接第二 MOS管的漏极，第一 MOS管的栅极与第二 MOS管 的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第 二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的 漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一 MOS管、第三
MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二 MOS管、第四MOS管的源端。
所述第一反馈电路由第一反馈电阻、第一反馈电容、第一反馈电感 串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻、第二反馈电容、第二反馈电 感串联组成。
有益效果本发明放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，结 构简单、能耗低，并且在UWB全频段内(3.1-10.6GHz)都具有较好的 增益，噪声系数，输入输出匹配，功耗性能指标。
下面结合附图对本实用新型具体实施方式
进行详细说明。
图1:宽带LNA结构图； 图2:匹配级电路图； 图3:放大级电路图4:本发明超宽带低噪声放大器整体电路图； 图5:示例S21和NF仿真结果图； 图6:示例S11和S22仿真结果图。
具体实施例方式
如图l所示， 一种超宽带低噪声放太器，由匹配级l、放大级2、负 载级3依次连接组成。
如图3所示，放大级2由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大 级2为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端Vim 连接第一 MOS管Ml的栅极，第一输出端Vom接第二 MOS管M2的漏 极，第一 MOS管Ml的栅极与第二 MOS管M2的漏极之间连接第一反 馈电路；第二输入端Vip接第三MOS管M3的栅极，第二输出端Vop 接第四MOS管M4的漏极，第三MOS管M3的栅极与第四MOS管M4 的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一 MOS管Ml、 第三MOS管M3的漏端分别接两个共栅MOS管即第二 MOS管M2、第 四MOS管M4的源端。
第一反馈电路由第一反馈电阻Rfi、第一反馈电容Cfl、第一反馈电
感Lfl依次串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻Re、第二反馈电容 Cf2、第二反馈电感Lf2依次串联组成。第一、第二反馈电阻Rfl、 Ri2用来
控制反馈到栅极的反馈量。第一、第二隔直电容Cfl、 Cc用来减小直流 功耗，同时使交流信号反馈到栅极。第一、第二反馈电感Lfl、 Le的作 用是在放大器的高频段呈现一个很高的电抗，不允许电路在高频段有降 低增益的负反馈。通过降低高频段的负反馈来扩展带宽，同时也提高了 LNA在高频段的增益。
如图2所示，所述匹配级1为一个LC带通滤波器，用于展宽频带用。
如图4所示，所述负载级3为电感电阻串联电路，构成并联峰化负 载，形成了一个零点，扩展了电路的带宽，同时运用并联峰化负载也补 偿了电路的高频增益，提高了电路在整个工作带宽的增益平坦度。
同时为了测试的目的，输出端由4个MOS管构成源级跟随器，用 来驱动50Q的负载终端。
下面给出一个具体实现的例子。
相关的电路元件参数如下
Lu=L12=1.7nH， C产55fF, L2^4.85nH， Qj产C22=900fF; Rfi=Rfz=lKn， Lfl=LE=308pH， Cfl=CG = 80.5ff; Ru=Rl2-85" Lu=LL2=3.57nH;
WM =WM7=40nm， WM6=WM8=75pm0
所有MOS器件的长度为0.18Mm，电路工作电压Vdd为1.8V，主体 电路电流消耗10mA，源级跟随器电流消耗4mA，总功耗为25.2mW。
电路的仿真结果如图5，图6所示，电路工作频段3.1-10.6GHz，输 入匹配S 小于-13.72犯，输出匹配&小于-14.23< ，增益S21最大为 13.48dB，增益<S21最小为12.04dB，增益波动为1.44dB，噪声系数NF 为2.392-2.734dB。
权利要求
1.一种超宽带低噪声放大器，由匹配级(1)、放大级(2)、负载级(3)依次连接组成，其特征在于所述放大级(2)由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级(2)为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端(Vim)连接第一MOS管(M1)的栅极，第一输出端(Vom)接第二MOS管(M2)的漏极，第一MOS管(M1)的栅极与第二MOS管(M2)的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端(Vip)接第三MOS管(M3)的栅极，第二输出端(Vop)接第四MOS管(M4)的漏极，第三MOS管(M3)的栅极与第四MOS管(M4)的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管(M1)、第三MOS管(M3)的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)的源端。
2. 如权利要求1所述的一种超宽带低噪声放大器集成电路，其特征 在于所述第一反馈电路由第一反馈电阻(Rfi)、第一反馈电容(CfO、第一反馈电感(Lfl)串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻(Rf2)、第二反馈电容 (CC)、第二反馈电感(Lf2)串联组成。
全文摘要
本发明公开了一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组成，其中放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一MOS管的栅极，第一输出端接第二MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与第二MOS管的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管、第三MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管、第四MOS管的源端。本发明结构简单、能耗低，能满足超宽带通信系统在全频段内的功能要求。
文档编号H03F1/26GK101350592SQ20081002240
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者汪小军, 勇 王, 黄风义 申请人:东南大学