专利名称：超高频rfid读写器中的工作频率可调的低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本技术设计一种工作频率可调的超高频RFID读写器中的低噪声放大器，该低噪 声放大器在保持传统的低噪声放大器性能的基础上，还实现了工作频率可调，属于模拟集 成电路领域。
背景技术：
RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术,是自动识别 技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数 据。按照工作频率可以将RFID系统分为1)低频系统工作频率一般为30 - 300KHz，典型 的工作频率为125KHz、133KHz ；2)中高频系统工作频率一般为3⑴30MHz，典型的工作频 率为13. 56MHz ；3)超高频和微波系统工作频率一般为300MHz⑴3GHz或大于3GHz，其典 型的工作频率为433. 92MHz,840 ⑴ 960MHz、2. 45GHz 和 5. 8GHz。随着对阅读距离、防碰撞性能以及抗邻道干扰等要求的提高，超高频射频识别技 术的发展显得尤为必要，而超高频射频识别读写器作为超高频射频识别系统的一个重要部 分，必然在未来的超高频射频识别领域发挥着至关重要的作用。低噪声放大器(LNA)的主要功能是将来自天线的微伏级的电压信号进行小信号 放大后传输到下一级电路。因此，LNA的性能对射频接收系统的性能起着决定性的作用。这 就要求它在获得较高增益的同时又要具有低的噪声系数(NF)，并且为了减少对输入信号的 反射，实现最大功率的传输，还要使其与天线匹配，即LNA的输入阻抗Zin ；要等于天线的特 征阻抗50 Ω。在实际设计中，增益、噪声系数和输入匹配这三者之间并非相互独立，而是相 互牵制、相互影响的。因此在进行LNA设计时，如何采用折衷原则兼顾各项指标是尤为重要 的。综上可知，低噪声放大器作为射频读写器接收端的第一个单元电路，应具有以下 四个特点a)低噪声。由通信系统的噪声理论可知，当第一级电路具有一定的增益时，一个系 统的噪声主要由第一级噪声所决定，所以低噪声放大器的噪声是影响整个射频接收机噪声 的关键。为了抑制后面各级噪声对整个系统噪声的影响，LNA必须具有一定的增益。b)高线性度。由于RFID读写器接收机所接收的信号微弱，而且自干扰信号特别 大，所以LNA必须具备高的三阶交调点(IP3)以及大的IdB压缩点，并且要具备良好的灵敏 度。c)匹配。LNA —般通过传输线直接和天线相连，因此LNA的输入阻抗必须要与传 输线特性阻抗匹配(一般为50欧姆)，以达到最小的反射和最大的传输功率。d)反向隔离性。为了减少本振信号(来自频率合成器)从混频器向天线的泄漏， LNA应具有反向隔离性。而在目前的LNA的设计中，其工作频率一般都是固定不变的，不能同时实现几个 工作频率相互转换，也即不能实现中心工作频率可调，这对需要在多个工作频率下工作的系统而言是一种很大的限制。
发明内容
鉴于上述所阐述的LNA存在的局限性，本发明所要解决的问题就是在LNA的输出 端通过添加开关电容，以改变输出端电容值的大小，从而实现中心工作频率可调；在输入端 采用二阶交调电流注入结构，以提高线性度。该发明提出的LNA工作在1.2V的供电电压下， 具有低电压、低功耗的特点，并在简化电路结构、降低功耗以及扩展中心工作频率点等方面 有很大的指导意义。为了实现上述目地，实现中心工作频率可调，采用MOS接电容的形式连接在LNA的 输出端，通过MOS的导通与截至从而实现输出端电容的开关特性。输出端两端分别接B0、 B1、B2和B3四个开关状态，通过这四个开关之间的组合，实现不同的工作频率之间的转换。
图1是超高频射频识别读写器收发机结构图。图2是开关电容结构图。图3是二阶交调电流注入结构图。图4是提出的LNA电路结构图。
具体实施例方式图1是超高频射频识别读写器收发机结构图。超高频射频识别读写器分为发射机 和接收机两大部分，低噪声放大器(LNA)是无线通信系统射频接收机前端的关键模块。图2为开关电容结构图，为一个MOS管和一个电容连接在一起，在MOS管的栅级接 一个与LNA工作电压值大小相同的电压源(1. 2V)，当栅极电压值为1. 2V时，MOS导通，此时 电容C被接入到输出端；当栅极电压值为OV时，MOS管断开，此时电容C也断开，不被接入 到输出端。但是这种开关电容的结构会产生寄生电容σ，最终在输出端形成的电容值并不 是所接电容值C，而是C+σ，但是由于该寄生电容为σ，不是很大，因此对整个电路的调节 影响不大。图3是二阶交调电流注入结构图，管子在静态工作点的小信号输出电流可以用泰 勒级数表示为id = gl (Vg-Vs) +g2 (Vg-Vs) 2+g3 (Vg-Vs)3+……(1)其中gi代表管子的i阶跨导系数，Vg和Vs分别代表管子栅极和源极电压。通过分 析可以知道两个不同角频率但是幅度相同的信号ω” ω2输入时，我们再注入一个低频、 大小为2x*C0S ( ω厂ω 2) t的二阶交调电流，则有ip+in = 2x*cos ( ω「ω 2) t(2)联立⑴式和⑵式可得在共源节点处频率为(ω「ω2)时的小信号源级电压Vs 为v\0)r0)l = g2A Oos(O)1-ω2) ⑶ \在其它三个二阶频率处(G^+G^JG^JG^)的幅度为(U/2，l/2)*’一。联立(3)式和(1)式，输出端频率为(2(^-0^)或(2(^-0^)时的三阶交调电流 为-容力吆’-广 解⑷因此，为消除三阶交调电流，只要令(4)式为零，得到 因此，注入电流为 由上面的推导可以看出，采用二阶交调电流注入结构，可以有效消除三阶交调电 流(IM3)，从而提高混频器的线性度。注入电流的相位必须没有偏差才能有效的消除三阶交调(IM3)电流。要做到相位 无偏差也比较容易，因为注入的二阶交调电流的频率比较低，为《i- 2。因此，这种技术可 以在比较大的频带范围内使用，因为此二阶交调电流的频率与RF频率无关，而只与频率差
有关。而且这种技术在大输入功率下也可以有效的工作，因为注入电流的输入信号 与LNA的输入信号是一致的。增加一个注入电流消除三阶交调电流的结构，功耗增加不到 lmff,但是可以大大提高线性度。图4是整个LNA的电路图，在LNA的输出端连接有4组开关电容，分别为BO、B1、 B2和B3，通过上述4组开关电容的不同组合，得出在输出端不同的电容值，也即实现了电容 的调节，输出端的电容与电感形成调谐网络，电感值L不变，电容值C改变。在根据调谐公
式7。可以看出，当电感值L不变，电容值C改变时，中心频率&会随之而发生改
变。本发明提出的中心工作频率可调的LNA就是基于上述理论实现的。下面只给出三个工作频率的调节情况，分别为860MHz、900MHz和960MHz。具体调 节情况如下
B0B1B2B3工作频率1100860MHz0010900MHz0001960MHz 综上可以看出，在射频输入端采用二阶交调电流注入结构，大大提高了线性度；由 电容和M0S管组成的开关电容结构接在LNA的输出端，通过M0S管的导通与断开，使得输出 端外接电容值C改变，最终实现工作频率可调。
权利要求
一种低噪声放大器，包括第一级NMOS管为源电流注入结构，第二级NMOS管构成差分输入对，第三级NMOS管构成差分输出对；输入端差分输入信号，输出端差分输出信号；差分输入端采用电容、电感的连接方式连接以实现输入端信号的匹配，输出端接电感以实现差分电路的两端输出匹配；第一级NMOS管的漏级与第二级晶体管的源级相连，为第二级NMOS管提供电流源，第二级差分对和第三级差分对构成cascode(共源共栅)结构。
2.如权利要求1所描述的低噪声放大器，还包括第一级NMOS管栅级采用二阶交调注 入结构，第三级输出端采用开关电容结构。
3.如权利要求2所描述的低噪声放大器，其特征是二阶交调电流注入结构由两个 NMOS管组成，在二阶交调注入结构与第一级NMOS管的栅级间接一个电容。
4.如权利2所描述的低噪声放大器，其特征是开关电容结构采用NMOS管和电容组成。
5.如权利要求1所描述的低噪声放大器，其特征在于第一级NMOS管M3组成，其为第 二级NMOS管提供源级电流，其中第二级NMOS管由M4、M5组成，第三级NMOS管由M6、M7组 成，第二级NMOS管M4、M5与第三级NMOS管由M6、M7构成cascode (共源共栅)结构结构。
6.如权利3所描述的低噪声放大器，其特征是二阶交调电流注入结构由NMOS管Ml、 M2组成，Ml、M2的栅极分别为输入信号的差分输入；Ml、M2的漏极连接于直流电压源；Ml、 M2的源级相连，并与M3管的栅级通过隔直电容相连。
7.如权利4所描述的低噪声放大器，其特征是输出级电感Li、L2与第三级NMOS管 M6、M7的漏极相连，输出差分信号由M6、M7漏极输出；开关电容结构由电容与NMOS管的漏 极相连，栅极接直流电压源，源级接地。
8.如权利4描述的低噪声放大器，其特征是在差分输出的正向输出端，电容CdPNMOS 管M8组成开关B0，电容C3和匪OS管M9组成开关Bi，电容C4和匪OS管MlO组成开关B2， 电容C5和NMOS管Mll组成开关B3 ；在差分输出的负向输出端，电容C6和NMOS管M12组成 开关B0，C7和NMOS管M13组成开关Bi，C8和NMOS管M14组成开关B2，C9和NMOS管M15组 成开关B3。
9.如权利1所描述的低噪声放大器，其特征是NM0S管M3的栅极接二阶交调注入结构 的输出端，源级接地，漏极接第二级NMOS管M4、M5的源级；M4、M5的栅极接射频输入信号， 其中M4的栅极接射频输入正向信号，M5的栅极接射频输入的反向信号；M4的漏极与M6的 源级相连，M5的漏极与M7的源级相连，M6的漏极与电感L2的一端相连，M6的栅极与电感 L1的另一端相连，M7的漏极与电感L2的一端相连，M7的栅极与电感L1的另一端相连,L1和 L2与直流电压源相连。
10.如权利1所描述的低噪声放大器，其特征是第一级NMOS管M3的栅极电压由电阻 R2通过直流电压源Vbl提供，第二级NMOS管M4、M5的栅极电压分别由电阻R3、R4通过直流 电压源Vbl、Vb2提供，第三级NMOS管M6、M7的栅极电压由直流电压源VCC直接提供。
11.如权利3所描述的低噪声放大器，其特征是NM0S管Ml和M2的漏极相连且连接于 直流电压源VCC，源级相连与电阻礼的一端，电阻R1的另一端接地，电容C1的一端连接在电 阻R1的一端，另一端与M3的栅极相连。
12.如权利4所描述的低噪声放大器，其特征是各开关级之间采用并列排序，开关管 M8、M9、M10、M11、M12、M13、M14、M15的栅极由直流电压源直接提供，直流电压源为OV和VCC，当供电电压为OV时，NMOS管截止，当供电电压为VCC时，NMOS管导通，此时电容C2、C3> C4、 (5、(6、(7、(8、(9接入至输出端。
13.如权利3所描述的低噪声放大器，其特征是第二级NMOS管M4、M5的栅极分别接 电容C2、C5的一端，C2、C5的另一端与射频差分输入正向信号和反向信号相连。
14.如权利3所描述的低噪声放大器，其特征是如权利要求2所描述的混频器，其特 征是NM0S管Ml和M2的源级相连，并与电阻R3的一端相连，R3的另一端接地。
全文摘要
本发明涉及一种中心频率可调的超高频RFID读写器中的低噪声放大器，通过在输入端采用二阶交调电流注入结构以提高线性度；而在输出端采用开关电容的结构实现中心工作频率可调。二阶交调电流注入结构是通过对MOS管的非线性特性进行分析，然后得出使三阶交调电流值为0时的注入电流值；在输出端，采用MOS管与电容的连接方式组成开关电容对，当MOS管导通时，电容被接入，当MOS截至时，电容断开，也即通过MOS的导通与断开实现了在输出端电容值的改变。根据可知，当电感值L不变，而电容值C改变时，中心工作频率也会随着电容值C的改变而改变，这就实现了低噪声放大器的中心工作频率可调。本发明提出的混频器的工作电压为1.2V，功耗低，符合低电压低功耗的要求，简化电路结构、降低功耗以及扩展中心工作频率点等方面有很大的指导意义。
文档编号H03F1/26GK101895261SQ200910227018
公开日2010年11月24日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者何海珍, 张秋晶, 易波, 汪飞, 王春华, 袁超, 许静, 郭小蓉, 郭胜强 申请人:湖南大学