专利名称：低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低噪声放大器。
背景技术：
低噪声放大器(Low-Noise Amplifier, LNA)作为射频前端的关键模块，其性能对 整个系统起着决定性的作用。低噪声放大器要求具有较低噪声的同时又能提供一定的增 益，从而来抑制混频器等后续模块的噪声。描述低噪声放大器的性能的主要参数有电压增益、输入损耗、输出损耗、反向隔 离度、线性度和噪声。由于这些参数是相互关联、相互制约的，因此采用何种折衷方案来提 高低噪声放大器的整体性能成了设计的主要难点。最近几年来，带源极电感负反馈的共源 共栅结构成为了大多数低噪声放大器的选择，这种结构综合性能较好，其典型的指标为增 益15dB，噪声系数3dB，输入输出匹配都小于-10dB。请参见图1，图1是一种现有技术的低噪声放大器的电路结构示意图。所述低噪声 放大器包括第一晶体管M'工、第二晶体管M' 2和第三晶体管M' 3。所述第一晶体管M'工 和所述低噪声放大器的信号输入端V' in之间连接有输入阻抗电路。所述输入阻抗电路包 括电感L' g、电感L' s和电容C' in。所述第二晶体管M' 2的源极连接所述第一晶体管 M'工漏极，所述第二晶体管M' 2的漏极经负载电感L' (1连接电源VDD，所述第二晶体管 M' 2的栅极连接所述电源VDD。所述第二晶体管M' 2的漏极和所述低噪声放大器的信号 输出端V'。ut之间连接有输出匹配电路。所述输出匹配电路包括电容C' d和电容C'。ut。 所述第三晶体管M' 3的源极接地，所述第三晶体管M' 3的栅极经偏置电阻R' bl连接所 述第一晶体管M'工的栅极，所述第三晶体管M' 3的漏极经另一偏置电阻R'㈣连接所述 电源VDD。近几年来，随着蓝牙技术的发展，出现了越来越多的蓝牙方案，有单芯片方案，也 有多芯片方案。对于多芯片方案，射频前端模块的需求也越来越多。在蓝牙应用中，对系统 的灵敏度要求较高，这就要求第一级的低噪声放大器能够提供较高的增益来抑制后续模块 的噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高增益的低噪声放大器。—种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，所述低噪声放大 器还包括偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；耦合电路，用于 将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；高频阻抗电路，用于将经过所 述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。本发明优选的一种技术方案，所述耦合电路包括耦合电容所述耦合电容连接在所 述第一晶体管的漏极和第二晶体管的栅极之间。本发明优选的一种技术方案，所述高频阻抗电路包括第一电感，所述第一电感连接于所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间。本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包括信号输入端和输入阻抗电 路，所述输入阻抗电路连接于所述信号输入端和所述第一晶体管之间。本发明优选的一种技术方案，所述输入阻抗电路包括第二电感、第三电感、第一电 容，所述第一晶体管的源极经由所述第二电感接地，所述第一晶体管的栅极经所述第一电 容和所述第三电感连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述第一晶体管的漏极经所述高 频阻抗电路连接所述第二晶体管的源极。本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包旁路电容，所述旁路电容连 接于所述第二晶体管的源极和地之间。本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包负载电感，所述第二晶体管的 源极经所述高频阻抗电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的栅极经所述耦合电 路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的漏极经所述负载电感连接直流电源。本发明优选的一种技术方案，所述低噪声放大器还包括信号输出端和输出匹配电 路，所述输出匹配电路连接于所述信号输出端和所述第二晶体管之间。本发明优选的一种技术方案，所述输出匹配电路包括第二电容、第三电容，所述第 二晶体管的漏极经所述第二电容连接所述信号输出端，所述第三电容连接于所述第二晶体 管的漏极和地之间。本发明优选的一种技术方案，所述偏置电路包括串接在直流电源和地之间的第三 晶体管、第四晶体管和第一偏置电阻。本发明优选的一种技术方案，所述偏置电路还包括第二偏置电阻和第三偏置电 阻，所述第三晶体管的漏极经所述第一偏置电阻连接所述直流电源，所述第三晶体管的漏 极连接所述第三晶体管的栅极，所述第三晶体管的栅极经由所述第二偏置电阻连接所述第 二晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极。本发明优选的一种技术方案，所述第四晶体管的源极接地，所述第四晶体管的栅 极经由所述第三偏置电阻连接所述第一晶体管的栅极，所述第四晶体管的栅极连接所述第 四晶体管的漏极。与现有技术相比，本发明的低噪声放大器的第一晶体管和第二晶体管之间连接有 耦合电路和高频阻抗电路。所述耦合电路把射频信号耦合到所述第二晶体管，所述高频阻 抗电路阻止射频信号经过所述高频阻抗电路，而直流电流可以流过所述高频阻抗电路，再 提供给所述第一晶体管，这样就实现了电流复用，节省了功耗。本发明的高增益低噪声放大 器是堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。
图1是一种现有技术的低噪声放大器的电路结构示意图。图2是本发明的低噪声放大器的电路结构示意图。图3是本发明的低噪声放大器与现有技术的低噪声放大器的性能参数比对表。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步
4的详细描述。请参阅图2，图2是本发明的低噪声放大器的电路结构示意图。所述低噪声放大器 包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、偏置电路、输入阻抗电路、输出匹配电路、耦合电路、高 频阻抗电路和负载电感Ld。所述第一、第二晶体管MpM2串联耦接。优选的，所述第一晶体 管M1和所述第二晶体管M2为MOS晶体管，所述第一晶体管M1的宽长比是400um/0. 18um,所 述第二晶体管M2的宽长比是80um/0. 18um。所述偏置电路用于向所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2提供偏置电压。所 述耦合电路连接于所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2之间，用于将经过所述第一晶体 管虬的射频信号耦合到所述第二晶体管M2。所述高频阻抗电路连接于所述第一晶体管M1 和第二晶体管M2之间，用于将经过所述第二晶体管M2的直流电流提供给所述第一晶体管M1 且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。优选的，所述耦合电路为耦合电容C1，所述耦合电 容(^的电容值为8. 455pF，所述高频阻抗电路为一电感，定义该电感为第一电感L1,所述第 一电感L1的电感值为10. 88nH。所述第二晶体管M2的源极经所述第一电感L1连接所述第一晶体管M1的漏极。所 述第二晶体管M2的栅极经所述耦合电容(^连接所述第一晶体管M1的漏极，所述第二晶体 管M2的漏极经负载电感Ld连接直流电源VDD。所述第二晶体管M2的源极和地之间连接旁 路电容C2，用于消除高频信号的影响。优选的，所述负载电感Ld的电感值为5. 784nH，所述 旁路电容C2的电容值为5. 125pF。所述输入阻抗电路连接于所述低噪声放大器的信号输入端Vin和所述第一晶体管 M1之间。所述输入阻抗电路包括第二电感Ls、第三电感Lg和第一电容Cin。所述第一晶体管 M1的源极经由所述第二电感Ls接地。所述第一晶体管M1的栅极经所述第一电容Cin和所述 第三电感Lg连接所述低噪声放大器的信号输入端Vin。所述第一晶体管M1的漏极经所述第 一电感L1连接所述第二晶体管M2的源极。所述第二电感Ls、所述第三电感Lg、所述第一电 容Cin和所述第一晶体管M1的栅源寄生电容Cgsl提供了所述低噪声放大器的输入阻抗。所 述第二电感Ls是源极负反馈电感。优选的，所述第一电容Cin的电容值为0.768pF，所述第 二电感Ls的电感值为0. 666nH,所述第三电感Lg的电感值为6. 054nH。当所述第一晶体管M1工作时，所述第二电感Ls、所述第三电感Lg提供了工作在 2. 4GHz处的输入匹配，输入阻抗如下Zin=LgS + -^- + ^其中，gffll是所述第一晶体管M1的跨导，Cgsl是所述第一晶体管M1的栅源电容。所述输出匹配电路连接于所述低噪声放大器的信号输出端V。ut和所述第二晶体管 M2之间。所述输出匹配电路包括第二电容C。ut和第三电容Cd，所述第二晶体管M2的漏极经 所述第二电容C。ut连接所述信号输出端V。ut。所述第三电容Cd连接于所述第二晶体管M2的 漏极和地之间。优选的，所述第二电容C。ut的电容值为0. 384pF，所述第三电容Cd的电容值 为 0.1202pF。所述偏置电路包括连接在所述直流电源VDD和地之间的第三晶体管M3、第四晶体 管M4、第一偏置电阻Rbl、第二偏置电阻Rb2和第三偏置电阻Rb3。要保证所述第二偏置电阻 Rb2和所述第三偏置电阻Rb3引入的噪声电流可以忽略，根据双端口噪声理论可以获知，所述第二偏置电阻Rb2和第三偏置电阻Rb3的电阻值在几百到几千欧姆比较合适。优选的，所述 偏置电路消耗的电流为233uA，提供给所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的电压分别 是0. 584V和1. 248V。优选的，所述第三晶体管M3的宽长比是10um/0. 18um，所述第四晶体 管M4的宽长比是10um/0. 18um,所述第一偏置电阻Rbl、第二偏置电阻Rb2和第三偏置电阻Rb3 的电阻值是2. 379k Ω。 所述第三晶体管M3的漏极经所述第一偏置电阻Rbl连接所述电源VDD，所述第三晶 体管M3的漏极连接所述第三晶体管M3的栅极，所述第三晶体管M3的栅极经由所述第二偏 置电阻Rb2连接所述第二晶体管M2的栅极，所述第三晶体管M3的源极连接所述第四晶体管 M4的漏极。所述第四晶体管M4的源极接地，所述第四晶体管M4的栅极经由所述第三偏置电 阻Rb3连接所述第一晶体管M1的栅极，所述第四晶体管M4的栅极连接所述第四晶体管M4的 漏极。所述低噪声放大器的输出阻抗如下
_4] Zi=V^其中，Cl是所述第三晶体管M3漏极的总寄生电容。射频电压信号经过所述第一晶体管M1转换成电流信号，在所述第一电感L1处产生 放大的射频电压信号，所述耦合电容C1把射频电压信号耦合到所述第二晶体管Μ2。因此， 所述第一电感L1必须提供一个较大的等效阻抗，阻止射频信号经过所述第一电感L1，而直 流电流可以流过所述第一电感L1，再提供给所述第一晶体管M1,这样就实现了电流复用，节 省了功耗。所述旁路电容C2消除了高频信号的影响。最后射频电压信号经过所述第二晶 体管M2转换成电流信号，流过负载电感Ld，最后转换成电压输出。与现有技术相比，本发明的低噪声放大器将射频电压信号经过所述第一晶体管M1 转换成电流信号，在所述第一电感L1处产生放大的射频电压信号，本发明的低噪声放大器 相当于经过两次放大，两次放大倍数乘起来，就相对比现有技术中的增益要大。与现有技术相比，本发明的低噪声放大器的第一晶体管M1和第二晶体管M2之间连 接有耦合电路和高频阻抗电路，即连接有所述耦合电容C1和所述第一电感Lp所述耦合电 容C1把射频电压信号耦合到所述第二晶体管M2,所述第一电感L1阻止信号经过所述第一电 感L1，而直流电流可以流过所述第一电感L1，再提供给所述第一晶体管M1，这样就实现了电 流复用，虽然经过两级放大，但是采用电流复用技术，只消耗了一路直流电流，节省了功耗。 本发明的高增益低噪声放大器是堆叠式结构，在增益、噪声和功耗等方面有较好的折衷。请参阅图3，图3是本发明的低噪声放大器与现有技术的低噪声放大器的性能参 数比对表。由图可见，当本发明的低噪声放大器工作在2. 4GHz时，增益为26dB，噪声系 数在1. 82dB,电路的功耗为8. 64mff,电源电压为1. 8V，输入和输出匹配在2. 4GHz处都小 于-13dB。本发明的低噪声放大器在消耗同等电流时，通过增加少量器件把增益提高了 8. 6dB,噪声仅仅下降了 0. OSdB0本发明电流复用的高增益低噪声放大器，不增加功耗，不牺 牲噪声，仅增加少量电感、电容、电阻和MOS管情况下，把增益提高到了 26dB。在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应 当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
权利要求
一种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，其特征在于，所述低噪声放大器还包括偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；耦合电路，用于将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；高频阻抗电路，用于将经过所述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述耦合电路包括耦合电容，所述 耦合电容连接在所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的栅极之间。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述高频阻抗电路包括第一电感， 所述第一电感连接于所述第一晶体管的漏极和所述第二晶体管的源极之间。
4.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器 还包括信号输入端和输入阻抗电路，所述输入阻抗电路连接于所述信号输入端和所述第一 晶体管之间。
5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入阻抗电路包括第二电感、 第三电感、第一电容，所述第一晶体管的源极经由所述第二电感接地，所述第一晶体管的栅 极经所述第一电容和所述第三电感连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述第一晶体管 的漏极经所述高频阻抗电路连接所述第二晶体管的源极。
6.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器 还包旁路电容，所述旁路电容连接于所述第二晶体管的源极和地之间。
7.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器 还包负载电感，所述第二晶体管的源极经所述高频阻抗电路连接所述第一晶体管的漏极， 所述第二晶体管的栅极经所述耦合电路连接所述第一晶体管的漏极，所述第二晶体管的漏 极经所述负载电感连接直流电源。
8.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器 还包括信号输出端和输出匹配电路，所述输出匹配电路连接于所述信号输出端和所述第二 晶体管之间。
9.如权利要求8所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括第二电容 和第三电容，所述第二晶体管的漏极经所述第二电容连接所述信号输出端，所述第三电容 连接于所述第二晶体管的漏极和地之间。
10.如权利要求1到3中任意一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路包 括串接在直流电源和地之间的第三晶体管、第四晶体管和第一偏置电阻。
11.如权利要求10所述的低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路还包括第二偏置 电阻和第三偏置电阻，所述第三晶体管的漏极经所述第一偏置电阻连接所述直流电源，所 述第三晶体管的漏极连接所述第三晶体管的栅极，所述第三晶体管的栅极经由所述第二偏 置电阻连接所述第二晶体管的栅极，所述第三晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极。
12.如权利要求10所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第四晶体管的源极接地，所 述第四晶体管的栅极经由所述第三偏置电阻连接所述第一晶体管的栅极，所述第四晶体管 的栅极连接所述第四晶体管的漏极。
全文摘要
本发明涉及一种低噪声放大器，包括串联耦接的第一晶体管和第二晶体管，所述低噪声放大器还包括偏置电路，用于向所述第一晶体管和第二晶体管提供偏置电压；耦合电路，用于将经过所述第一晶体管的射频信号耦合到所述第二晶体管；高频阻抗电路，用于将经过所述第二晶体管的直流电流提供给所述第一晶体管且阻止射频信号经过所述高频阻抗电路。本发明的低噪声放大器采用了电流复用技术，在提高增益的同时节省了功耗。
文档编号H03F1/26GK101944883SQ20101026388
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者冯程程 申请人:上海集成电路研发中心有限公司