专利名称：可调增益低噪声放大器的制作方法
技术领域：
发明涉及信号与信息处理领域，尤其是涉及射频发射接收技术。
背景技术：
目前射频接收电路的实现方式有超再生结构，超外差结构，低中频结构，零中频结 构等。
图1所示为一个简化的零中频接收电路，射频信号经由天线接收后通过低噪声放大 器放大和本地振荡器产生的振荡信号混频到中频，中频信号通过一级中频放大器放大进入 滤波电路，滤波器滤除带外信号，得到的基带信号再经二级中频放大器放大供后级解调电 路解调。图1所示零中频接收电路的射频低噪声放大器作为天线接收信号后的第一级模 块，其噪声性能对接收机的灵敏度有至关重要的影响，因此低噪声放大器设计一直是射频 接收电路设计中的关键技术之一。在实际应用中要求接收电路具有大的动态范围，即要求 接收信号幅度从小到大变化几十甚至百万倍时，接收电路仍然能正常工作。通常采取增加 自动增益控制环路的方式保证大动态范围，即当接收信号较大时，通过检测到的信号强度 反馈回去，适当降低信号通路中部分模块的信号增益以保证其后级模块的输入信号在其动 态范围以内，从而保证系统工作正常。低噪声放大器作为接收机的第一级，降低其信号增益 可以降低其后所有模块对动态范围的要求，但是增加低噪声放大器的增益控制的同时不能 使噪声性能恶化，否则接收机的灵敏度将受影响。目前低噪声放大器增益的调节可采用连续时间调节和数字开关调节两种实现方 式。其中，连续时间调节的方式一般要求增益和控制电压为对数线性关系，即增益的分贝数 dB(Gain)和增益控制电压Vc成正比，这样在不同信号大小下，自动增益控制环路的稳定时 间一致。连续时间可调增益低噪声放大器(LNA)可以通过调节负载大小、增加前置/后置 衰减器、或者调节工作电流等方法实现，其中可变负载一般由处于线性区的MOS电阻组成， 连续时间衰减器也多是基于MOS电阻，同采用调节工作电流的方法一样，由于MOS管的I-V 特性满足平方率关系，不能直接实现增益和增益控制电压的对数线性关系。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种在给定的控制电压可调范围内实现增 益在最小限定增益和最大限定增益之间对数线性控制的可调增益低噪声放大器。可调增益低噪声放大器，包括可调增益模块、预失真器和最小增益模块射频输入到所述可调增益模块和所述最小增益模块；所述预失真器将增益控制电压Vc和参考电压Vref比较后，转换为第一偏置电流 rtias，所述第一偏置电流Ibias提供给可调增益模块；所述最小增益模块提供最小增益控制，最小增益模块输入第二偏置电流rtiad 调节其增益；所述可调增益模块的输出和所述最小增益模块的输出合并作为可调增益低噪声放大器的射频输出。所述最小增益模块的第二偏置电流n3ias2由预失真器产生或者由外部电路提{共。所述可调增益模块包括第一跨导和负载&，所述预失真器输出的第一偏置电流 Ibias提供给所述第一跨导的第一输入端，所述射频输入连接第一跨导的第二输入端，所述 第一跨导的输出端经负载4接地或电源，第一跨导和负载4的连接处连接射频输出端，第 一跨导的跨导值8111和负载A的乘积决定可调增益模块的增益值，可调增益模块通过改变第 一偏置电流rtias的大小改变跨导gm的值，进而调节可调增益模块的增益。所述预失真器包括第一电流镜、第四晶体管M4、第五晶体管M5和电流源，所述第 四晶体管M4和第五晶体管M5组成共源差分对，第四晶体管M4和第五晶体管M5的栅极分 别输入增益控制电压Vc和参考电压Vref，所述第一电流镜将第四晶体管M4的电流按一定 比例镜像为第一偏置电流rtias供给可调增益模块，若所述第四晶体管M4和第五晶体管M5 为NMOS管，则所述共源差分对的共同源级通过电流源接地，若所述第四晶体管M4和第五 晶体管M5为PMOS管，则所述共源差分对的共同源级通过电流源连接电源。第一偏置电流 Ibias与增益控制电压为非线性关系，所以称此模块为预失真器。所述预失真器还可包括第二电流镜，所述第二电流镜将第五晶体管M5的电流按 一定比例镜像为第二偏置电流供给最小增益模块。所述最小增益模块包括第二跨导，所述第二跨导的第一输入端接收第二偏置电流 rtiad，所述第二跨导的第二输入端连接射频输入，第二跨导的输出端连接射频输出端。第 二跨导的大小按照最小增益的要求设定。所述射频输入信号和射频输出信号不限于单端信号，若为双端信号，则第一跨导 与第二跨导也均为双端电路。可调增益低噪声放大器的工作方法(1)当增益控制电压Vc >参考电压Vref时，电流源的电流主要流过第四晶体管 M4，并通过第一电流镜镜像产生第一偏置电流rtias提供给所述可调增益模块0 的第一 跨导，电流源的小部分电流流过第五晶体管M5，并通过第二电流镜镜像产生第二偏置电流
提供给所述最小增益模块04)的第二跨导，此时第一跨导工作在饱和区，同第一跨 导相比第二跨导可以忽略，所述可调增益低噪声放大器工作在大增益状态。(2)当增益控制电压Vc <参考电压Vref时，电流源的电流主要流过第五晶体管 M5，第四晶体管M4进入亚阈值区，同时第四晶体管M4的电流通过第一电流镜镜像到可调增 益模块(22)，使得可调增益模块0 中的第一跨导也工作在亚阈值区。若忽略沟道调制效 应，亚阈值区晶体管的I-V特性为
wV -V,(1) L nVT其中η和Idtl为与工艺有关的常量，Vt为热电势KT/q，约等于^mV。W，L为MOS晶 体管栅极的宽和长，Vgs为栅源电压差，Vth为MOS晶体管阈值电压。由此推 算晶体 管跨导
(2)式表明，晶体管的跨导和偏置电流Ids成正比。第四晶体管M4处于亚阈值区，则第一偏置电流为
权利要求
1.可调增益低噪声放大器，其特征在于包括可调增益模块、预失真器和最小增益模块射频输入到所述可调增益模块和所述最小增益模块；所述预失真器将增益控制电压Vc和参考电压Vref比较后，转换为第一偏置电流 rtias，所述第一偏置电流Ibias提供给可调增益模块；所述最小增益模块提供最小增益控制，最小增益模块输入第二偏置电流调节 其增益；所述可调增益模块的输出和所述最小增益模块的输出合并作为可调增益低噪声放大 器的射频输出。
2.如权利要求1所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述最小增益模块的第二偏 置电流rtiad由预失真器产生或者由外部电路提供。
3.如权利要求1所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述可调增益模块包括第 一跨导和负载，所述预失真器输出的第一偏置电流Ibias提供给所述第一跨导的第一输入 端，所述射频输入连接第一跨导的第二输入端，所述第一跨导的输出端经负载接地或电源， 第一跨导和负载的连接处连接射频输出端，第一跨导的跨导值gm和负载&的乘积决定可调 增益模块的增益值，可调增益模块通过改变第一偏置电流rtias的大小改变跨导gm的值， 进而调节可调增益模块的增益。
4.如权利要求1所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述预失真器包括第一电流 镜、第四晶体管M4、第五晶体管M5和电流源，所述第四晶体管M4和第五晶体管M5组成共 源差分对，第四晶体管M4和第五晶体管M5的栅极分别输入增益控制电压Vc和参考电压 Vref,所述第一电流镜将第四晶体管M4的电流按一定比例镜像为第一偏置电流Ibias供给 可调增益模块，若所述第四晶体管M4和第五晶体管M5为NMOS管，则所述共源差分对的共 同源级通过电流源接地，若所述第四晶体管M4和第五晶体管M5为PMOS管，则所述共源差 分对的共同源级通过电流源连接电源。
5.如权利要求4所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述预失真器还包括第二电 流镜，所述第二电流镜将第五晶体管M5的电流按一定比例镜像为第二偏置电流rtiad供 给最小增益模块。
6.如权利要求1所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述最小增益模块包括第二 跨导，所述第二跨导的第一输入端接受第二偏置电流rtiaS2，所述第二跨导的第二输入端 连接射频输入，第二跨导的输出端连接射频输出端。
7.如权利要求4所述可调增益低噪声放大器，其特征在于(1)当增益控制电压Vc>参考电压Vref时，电流源的电流主要流过第四晶体管M4，并 通过第一电流镜镜像产生第一偏置电流提供给所述可调增益模块的第一跨导，电流源的小 部分电流流过第五晶体管M5，并通过第二电流镜镜像产生第二偏置电流rtiad提供给所 述最小增益模块的第二跨导，此时第一跨导工作在饱和区，同第一跨导相比第二跨导可以 忽略，所述可调增益低噪声放大器工作在大增益状态；(2)当增益控制电压Vc<参考电压Vref时，电流源的电流主要流过第五晶体管M5，第 四晶体管M4进入亚阈值区，同时第四晶体管M4的电流通过第一电流镜镜像到可调增益模 块，使得可调增益模块中的第一跨导也工作在亚阈值区；(3)当增益控制电压Vc远小于Vref，第一偏置电流Ibias减小使得可调增益模块的第 一跨导小于最小增益模块的第二跨导时，可调增益低噪声放大器的总增益完全由第二跨导 确定，电路工作在设定的最小增益状态。
8.如权利要求3所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述可调增益模块中的第一 跨导包括第二晶体管M2、第三晶体管M3、第一电阻R1、第一电容Cl和为第二晶体管M2提 供直流偏置的电感Ls，所述第三晶体管M3的漏极为第一跨导的第一输入端，第三晶体管M3 将第一偏置电流Ibias按比例镜像给第二晶体管M2，第一电阻Rl和第一电容Cl构成低通 滤波电路连接在第二晶体管M2和第三晶体管M3的栅极之间，以滤除预失真器和第三晶体 管M3产生的射频噪声，同时第一电容Cl将第二晶体管M2栅极交流接地，第一跨导的第二 输入端为第二晶体管M2的源级，第一跨导的输出端为第二晶体管M2的漏极；所述最小增益 模块包括第一晶体管Ml、第六晶体管M6、第二电阻R2、第二电容C2，所述第六晶体管M6的 漏极为所述第二跨导的第一输入端，第六晶体管M6将第二偏置电流rtiad镜像给第一晶 体管M1，第二电阻R2和第二电容C2构成低通滤波电路滤除偏置电路产生的射频噪声，同时 第二电容C2将第一晶体管Ml栅极交流接地，第二跨导的第二输入端为第一晶体管Ml的源 级，第二跨导的输出端为第一晶体管Ml的漏极。
9.如权利要求3所述可调增益低噪声放大器，其特征在于所述可调增益模块中的第一 跨导包括第二晶体管M2、第十二晶体管M12、第三晶体管M3、第一电阻R1、第三电阻R3、第四 电阻R4、第五电阻R5和第一电容Cl，其中第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5分别连接 在第二晶体管M2、第十二晶体管M12、第三晶体管M3的源级和地之间，所述第三晶体管M3 将第一偏置电流Ibias转换为栅极电压，栅极电压经过第一电阻Rl和第一电容Cl构成的 低通滤波电路连接到第二晶体管M2和第十二晶体管M12的共同栅极，第二晶体管M2和第 十二晶体管M12的源极分别作为第一跨导的两个输入端连接射频输入的两端，第二晶体管 M2和第十二晶体管M12的漏极作为第一跨导的两个输出端；所述可调增益模块中的第一负 载、:的一端和第二负载A2的一端分别连接在第一跨导的两个输出端，另一端连接到电源； 所述最小增益模块中的第二跨导包括第一晶体管Ml、第十一晶体管Mil、第六晶体管M6，第 二电阻R2、第六电阻R6和第二电容C2，所述第六电阻R6连接在第六晶体管M6的源级提供 直流偏置，所述第六晶体管M6将第二偏置电流rtiad转换为栅极电压，此电压经过第二电 阻R2和第二电容C2构成的低通滤波电路连接到第一晶体管Ml和第十一晶体管Mll的共 同栅极，所述第一晶体管Ml和第十一晶体管Mll的源极作为第二跨导的两个输入端，分别 连在第一跨导的两个输入端上，所述第一晶体管Ml和第十一晶体管Mll的漏极作为第二跨 导的两个输出端，分别连接在第一跨导的两个输出端上。
全文摘要
本发明提供了可调增益低噪声放大器，其中预失真器将增益控制电压Vc和参考电压Vref比较，转换为第一偏置电流Ibias，第一偏置电流Ibias提供给可调增益模块；最小增益模块提供最小增益控制，最小增益模块输入第二偏置电流Ibias2调节其增益；可调增益模块的输出和最小增益模块的输出合并作为可调增益低噪声放大器的射频输出。通过预失真后的偏置信号控制可调增益模块的增益，使得可调低噪声放大器的增益在基准电压附近与增益控制电压为对数线性关系，同时通过最小增益模块的设置实现可调增益低噪声放大器最大增益和最小增益的精确控制。采用偏置电流控制增益的另一个优势是，当信号较大时放大器工作电流大大降低，节省了功耗。
文档编号H03F3/189GK102064773SQ20091015384
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者胡铁刚, 蔡康康 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司