一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入输出匹配电路、共源共栅放大电路和旁路电容；所述放大电路采用典型的源极电感负反馈的共源共栅结构，采用Chrt0.18μm?RF?CMOS工艺实现了片上的输入输出50欧姆匹配的电路设计。本发明同时实现了最优噪声匹配和输入阻抗匹配，不仅可以使电路具有最佳的噪声性能，而且可以使电路实现较好功率传输。同时本发明可以获得比较好的功率增益，使得电路结构具有非常高的实用价值。经过严格的仿真验证该电路的输入输出匹配良好，具有20dB以上的增益以及1.6dB的噪声。
【专利说明】—种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种射频低噪声放大器，特别是涉及一种实现片上输入输出50欧姆匹配的2.4GHz低噪声放大器。
【背景技术】
[0002]随着大规模以及差大规模混合信号集成电路技术的快速发展，集成了各种功能的便携式设备给我们的生活带来了极大的方便，如手机，蓝牙，无限网络等。低噪声放大器是这些射频设备接收器中最重要而且是必不可少的模块。低噪声放大器用来放大从天线接收到的微弱信号(-HOdBm — 40dBm即0.03mV到3mV数量级的电压)并且引入尽可能小的自身噪声。由于受到复杂通信环境的影响，射频信号在被天线接手之前往往会被多径衰减。所以一个性能良好的低噪声放大器对于射频接收机来讲是至关重要的。射频接收机的性能要求十分严格，不仅需要好的灵敏度而且需要优秀的噪声系数。图1为典型的射频接收机链路的框图，如图所示低噪声放大器处在射频接收机的前端，其噪声性能决定了整个接收机的噪声性能。对于一个性能良好的低噪声放大器的基本设计要求为足够低的噪声系数，较高的功率增益以降低后级电路噪声性能对整个射频接收机的影响，具有良好的稳定性和大的动态范围，以及较低的功耗。上面提到的各项指标是相互制约相互关联的，所以在设计的过程中需要对上述参量进行折衷，才能设计出性能良好的低噪声放大器。
[0003]通过对国内外近些年对低噪声放大器的研究发现，经典的共源共栅结构依然是被广为采用的低噪声放大器的电路结构如图2所示。但是由于大多数的芯片设计都会采用片外无源器件实现的输入输出匹配电路来实现好的噪声匹配和功率传输。另外随着集成电路产业的飞速发展，单一芯片中集成的功能越来越多，晶体管数量也不断增加，随之而来的是芯片的功耗在不断增加。尽管我们不断降低芯片的工作电压，不断改进工艺，不断使用各种方法降低芯片的功耗，但功耗仍然是当今集成电路设计中最令工程师头痛的问题之一。在低噪声放大器中同样存在低功耗问题，如何实现低功耗设计是目前的研究热点，特别是在功耗约束条件下实现最小噪声系数和最大功率传输的同时匹配。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术，本发明提供一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，目的是为了解决以上集成电路需要外挂器件实现输入输出匹配的问题以及电路低增益的问题。本发明采用共源共栅放大结构在提供较低的噪声系数的同时，实现了较高的增益及较大的输出电压摆幅。本发明基于Chrt0.18 μ m RF CMOS工艺，将所有电子元器件均集成在同一半导体衬底上，通过不断的设计优化，不仅实现了完全在片的50Ω输入输出匹配，而且同时实现了良好的噪声匹配和功率传输。本发明低噪声放大器的电路结构具有较低的噪声较高的增益，因此可以在射频接收系统中得到良好的应用，可直接应用于GPS，蓝牙，无线网络等领域。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入匹配电路、共源共栅结构放大电路和输出匹配电路；所述输入匹配电路由输入端电感LI ,MOS管Ml、并联电容Cl以及与MOS管Ml相连的源极电感L2组成；输入端RFin的射频信号通过输入端电感LI输入到MOS管Ml的栅极，MOS管Ml的源极通过源极电感L2接地，同时并联电容Cl并联在MOS管Ml的栅极和源极两端；所述共源共栅结构放大电路包括由MOS管Ml和M2组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻R1、电阻R2和MOS管M3组成的直流偏置电路；其中，MOS管M3和MOS管Ml组成电流镜结构用于实现所述MOS管Ml的电流偏置；M0S管M2的源极连接到MOS管Ml的漏极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L3连接到电源VDD上；电阻Rl —端连接到电源VDD上，另一端与栅漏相接的MOS管M3的漏极相连，MOS管M3的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M3的栅极和电感LI的输入端相接，从而为MOS管Ml提供直流偏置；所述输出匹配电路包括电感L3、电容C2和电容C3组成；所述电容C2和电容C3的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3的另一端接在电路的输出端RFout ;在电源VDD与接地之间设有旁路电容C4，以减小电源噪声对电路噪声性能的影响；通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。
[0006]本发明实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器中，所有的有源和无源器件均用Chrt0.18um CMOS集成电路工艺集成在同一半导体衬底上。所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件，以减小MOS管的衬底偏置效应对电路造成的影响。
[0007]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0008]( I)本发明实现了包括输入输出匹配网络在内的所有有源器件和无源器件在内的单片集成，不需要任何外部的无源器件进行匹配和优化且达到了良好的性能。
[0009](2)本发明在输入端的MOS管的栅源极两端并联了电容Cl来调节栅源电容(:、的大小。合理选取两个电感LI和L2的值，可以使电路谐振于工作频率Oci,同时获得50Ω的输入阻抗Zin(s)，为了使输入端口阻抗匹配，需要满足:
【权利要求】
1.一种实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，包括输入匹配电路、共源共栅结构放大电路和输出匹配电路； 所述输入匹配电路由输入端电感Ll、MOS管Ml、并联电容Cl以及与MOS管Ml相连的源极电感L2组成；输入端RFin的射频信号通过输入端电感LI输入到MOS管Ml的栅极，MOS管Ml的源极通过源极电感L2接地，同时并联电容Cl并联在MOS管Ml的栅极和源极两端； 所述共源共栅结构放大电路包括由MOS管Ml和M2组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻Rl、电阻R2和MOS管M3组成的直流偏置电路；其中，MOS管M3和MOS管Ml组成电流镜结构用于实现所述MOS管Ml的电流偏置；M0S管M2的源极连接到MOS管Ml的漏极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感L3连接到电源VDD上；电阻Rl —端连接到电源VDD上，另一端与栅漏相接的MOS管M3的漏极相连，MOS管M3的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管M3的栅极和电感LI的输入端相接，从而为MOS管Ml提供直流偏置； 所述输出匹配电路包括电感L3、电容C2和电容C3组成；所述电容C2和电容C3的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C2的另一端接地，所述电容C3的另一端接在电路的输出端RFout ； 在电源VDD与接地之间设有一旁路电容C4，以减小电源噪声对电路噪声性能的影响； 通过所述输入匹配电路同时实现噪声匹配和功率匹配。
2.根据权利要求1所述实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，其中，所有的有源和无源器件均用chrt0.18um CMOS集成电路工艺集成在同一半导体衬底上。
3.根据权利要求1所述实现片上输入输出50欧姆匹配的低噪声放大器，其中，所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件，以减小MOS管的衬底偏置效应对电路造成的影响。
【文档编号】H03F1/26GK103633946SQ201310648430
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】秦国轩, 杨来春, 闫月星 申请人:天津大学