专利名称：一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器及设计方法
技术领域：
本发明属于深亚微米RF CMOS集成电路领域，具体涉及一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器及设计方法。
背景技术：
射频前端将天线接收到的信号进行放大，混频，和模数转换，完成射频信号到基带信号的转换。低噪声放大器一般处于最前端，对接收机的灵敏度有着极为重要的作用。它需要提供足够的增益来放大信号并且自身的噪声系数较小，进而抑制后级电路对整体噪声的贡献，并保证信道中的信号有足够的信噪比；同时它的增益又不能过大，以防后级混频器过载而产生非线性失真；为了功率的最大传输，它的输入端必须和前级的天线或者天线滤波器进行阻抗匹配；此外，低噪声放大器还应该有较小的功耗，以满足电池容量的需求。如果要接收双频段的射频信号，目前的方式主要有如下几种第一是采用两套独立的窄带放大器分别匹配在不同的频段，这样的电路设计简单，易于实现，但是需要建立多个链路，从而不可避免的会增加尺寸、功耗和成本，而在不同频段之间切换也较为不便。第二就是宽带放大器，要在整个频带内实现足够大的增益，足够低的噪声系数和较好的输入阻抗匹配，因而大大增加了设计难度。近年来的宽带低噪声放大器的设计很多 分布式放大器有较宽的带宽，输入输出匹配良好，但是高功耗和大尺寸难以避免；电阻并联负反馈放大器增益平坦，但是噪声性能不够良好且功耗较大；共栅放大器芯片面积较小，但是噪声系数偏大，不适于噪声系数限制比较高的地方；LC-Ladder匹配放大器有较大的带宽和较低的功耗，但是匹配网络通常为三阶无源滤波器，会占用过大的面积。上述方法要么增大了电路的功耗和面积，要么不能实现双频段信号的并行接收， 要么引入了过多的干扰和噪声，如何设计一个并行接收两个频段信号的放大器，而不带来功耗、面积和尺寸的增加，且在双频段同时达到比较好的噪声性能，就成了研究的目标。而且，常见的低噪声放大器在输入级要么达到噪声匹配，要么达到输入阻抗匹配，两者只能居其一，如何能够并行的在两个频段内达到输入阻抗和噪声的同时匹配也成为研究的目标。此外，由于低噪声放大器在射频前端中的位置，它与前端的天线直接相连，之后将放大信号传输给后级的混频器(mixer)进行下一步处理。天线是单端输出的，而为了防止衬底耦合对电路性能的影响和抑制本振信号泄露到输出端，混频器通常采用双平衡混频器，此时的解决方案主要有使用单端低噪声放大器，在低噪声放大器和混频器之间加巴伦 (balun)；或者采用差分低噪声放大器，在天线和低噪声放大器之间加巴伦。但是，这样做的缺点是首先，巴伦很难片上集成，通常需要引入片外元件，影响集成度和系统成本，而且将会带来l_3dB的损耗，影响系统的灵敏度；而有着较低损耗的高性能巴伦通常是窄带的，不能应用于双频接收，适用于双频接收的宽带巴伦不仅有较高损耗，还会给系统引入较大噪声。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，公开了一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器及设计方法，可应用于数字电视、无线通信和导航接收机。主要包括输入匹配网络，主放大电路，输出网络和单端转差分电路。主放大电路采用共源共栅结构，具有良好的反向隔离度；输入匹配网络使得放大器在输入级在双频段同时实现阻抗匹配和噪声匹配， 保证最大功率传输的同时提高了电路的噪声性能；单端转双端输出电路使得本低噪声放大器可直接与前端天线和后端混频电路级联，更易于集成。一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，该低噪声放大器包括单端输入的主放大电路，源极耦合电感，输入匹配网络，单端转差分输出级和输出网络。单端输入的主放大电路包括第一共源晶体管M1，第一共栅晶体管M2，第三电阻R3, 第四电阻R4,第三电容C3和并联在第一共源晶体管M1的栅极和源极之间的栅源电容Cra。第一共源晶体管M1的栅极与输入匹配网络的第一电感L1相连，源极通过源极耦合电感Ls接地，漏极与第一共栅晶体管M2的源极相连；第一共栅晶体管M2的栅极与电源VCC相连，漏极通过第一电阻R1与电源VCC相连。第三电阻R3的一端接第一共源晶体管M1的栅极，另一端接低压偏置电压源Vbias ；第四电阻R4的一端接第二共源晶体管M3的栅极，另一端接低压偏置电压源Vbias。第三电容(3的一端与第一共源晶体管的M1的栅极相连，另一端接地，是用于滤除高频噪声的旁路电容。并联在第一共源晶体管M1的栅极和源极之间的栅源电容 Cex，使得可以同时实现噪声匹配和输入阻抗匹配。上述低压偏置电压源Vbias采用有源偏置网络，以获得更好的稳定性和温度特性。此外，第一共源晶体管M1的沟道宽度根据功耗约束下噪声优化的原则选择，可以在功耗约束的条件下获得较好的噪声匹配。源级耦合电感Ls采用绑定线电感。输入匹配网络包括第一电容C1，第二电容C2，第一电感L1和第二电感L2 ；第一电容 C1的一端输入射频信号，另一端与并联的第二电感L2和第二电容C2串联，然后串联第一电感！^的一端，第一电感L1的另一端与第一共源晶体管M1的栅极相连。其中第一电容C1是隔直电容，可以防止低压偏置电流源Vbias的偏置电压经匹配网络流到GND。单端转差分输出级包括第二共源晶体管M3、第二共栅晶体管M4和耦合电容C4，第二共源晶体管M3的栅极通过耦合电容C4与第一共源晶体管M1的漏极相连，源极接地，漏极与第二共栅晶体管M4的源极相连；第二共栅晶体管M4的栅极与电源VCC相连，漏极通过第二电阻&与电源VCC相连。输出网络包括第一电阻R1，第二电阻&，第五电容C5至第八电容C8以及第三电感 L3，第四电感L4。第一电阻R1—端接电源VCC，另一端接第一共栅晶体管M2的漏极。第五电容C5的一端接第一共栅晶体管M2的漏极；另一端通过第三电感L3接地，同时通过第七电容C7输出。第二电阻& 一端接电源VCC，另一端接第二共栅晶体管M4的漏极。第六电容C6 的一端接第二共栅晶体管M4的漏极；另一端通过第四电感L4接地，同时通过第八电容C8输出。其中第三电感L3和第四电感L4是为了消除放大电路输出电容的影响，第五电容C5至第八电容C8提高了输出端匹配度的同时增加了与后级的隔离度，防止后级电流倒流。所述的第一共源晶体管M1、第一共栅晶体管M2、第二共源晶体管M3、第二共栅晶体管M4为N型MOS管，衬底均和其所对应的源极相连，且具有相同的沟道宽度和沟道长度。
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一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器的设计方法，其特征在于步骤如下步骤一选定低噪声放大器的两个工作频率《工和ω2，得到中间频率
权利要求
1.一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于，包括单端输入的主放大电路，源极耦合电感，输入匹配网络，单端转差分输出级和输出网络；单端输入的主放大电路包括第一共源晶体管礼和第一共栅晶体管M2;第一共源晶体管 M1的栅极与输入匹配网络的第一电感L1相连，源极通过源极耦合电感Ls接地，漏极与第一共栅晶体管M2的源极相连；第一共栅晶体管M2的栅极与电源VCC相连，漏极通过第一电阻 R1与电源VCC相连；源级耦合电感Ls采用绑定线电感；输入匹配网络包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2 ；第一电容C1的一端输入射频信号，另一端与并联的第二电感L2和第二电容C2串联，然后串联第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端与第一共源晶体管M1的栅极相连；单端转差分输出级包括第二共源晶体管M3、第二共栅晶体管M4和耦合电容C4,第二共源晶体管M3的栅极通过耦合电容C4与第一共源晶体管的漏极相连，源极接地，漏极与第二共栅晶体管M4的源极相连；第二共栅晶体管M4的栅极与电源VCC相连，漏极通过第二电阻 &与电源VCC相连；输出网络包括第一电阻礼、第二电阻&、第五电容C5至第八电容C8、第三电感L3和第四电感L4 ；第一电阻R1 —端接电源VCC，另一端接第一共栅晶体管M2的漏极；第五电容C5的一端接第一共栅晶体管礼的漏极，另一端通过第三电感1^3接地，同时通过第七电容C7输出； 第二电阻& 一端接电源VCC，另一端接第二共栅晶体管M4的漏极；第六电容C6的一端接第二共栅晶体管M4的漏极，另一端通过第四电感L4接地，同时通过第八电容C8输出；所述的第一共源晶体管M1、第一共栅晶体管M2、第二共源晶体管M3、第二共栅晶体管M4 为N型MOS管，衬底均和其所对应的源极相连。
2.根据权利要求1所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于所述单端输入的主放大电路还包括用于为第一共源晶体管M1和第二共源晶体管M2提供偏置的第三电阻R3和第四电阻R4,第三电阻R3的一端接第一共源晶体管M1的栅极，另一端接低压偏置电压源Vbias ；第四电阻R4的一端接第二共源晶体管M3的栅极，另一端接低压偏置电压源Vbias。
3.根据权利要求2所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于所述的低压偏置电压源Vbias采用有源偏置网络。
4.根据权利要求1所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于所述单端输入的主放大电路还包括第三电容C3，第三电容C3的一端与第一共源晶体管的M1的栅极相连，另一端接地，是用于滤除高频噪声的旁路电容。
5.根据权利要求1所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于第一共源晶体管M1的栅极和源极之间接入栅源电容Cra，使得放大器能够同时实现噪声匹配和输入阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于第一共源晶体管M1的沟道宽度根据功耗约束下噪声优化的原则选择。
7.根据权利要求1所述一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器，其特征在于所述的第一共源晶体管M1、第一共栅晶体管M2、第二共源晶体管M3、第二共栅晶体管M4 的沟道宽度和沟道长度均相同。
8. 一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器的设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一选定放大器两个工作频率Q1和ω2，得到中间频率
全文摘要
本发明公开了一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器(LNA)及设计方法，可应用于数字电视、无线通信和导航接收机。主要包括输入匹配网络，主放大电路，输出网络和单端转差分电路。主放大电路采用共源共栅结构，具有良好的反向隔离度；输入匹配网络使得本低噪声放大器在输入级在双频段同时实现阻抗匹配和噪声匹配，保证最大功率传输的同时提高了电路的噪声性能；单端转差分输出电路使得本低噪声放大器可直接与前端天线和后端混频电路级联，更易于集成。本发明不仅设计简单，而且并行双频接收减小了系统功耗和面积。
文档编号H03F1/26GK102355200SQ20111021819
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者张晓林, 申晶 申请人:北京航空航天大学