一种低噪声放大器结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低噪声放大器结构，包括带隙基准电路(Bandgap)、数控增益电路(DCG)、信号放大电路(Amplifier)和镜像抑制频率可调的陷波滤波电路(IRnotchfilter)。通过天线接收，将工作频率信号Vop加以放大，并遏制位于镜像频率下的镜像信号Vim，并通过电容电感谐振回路(LCtank)对有效信号进行进一步放大，得到一个从接收到输出的镜像抑制(IR)增益响应；采用数控部分对输入静态工作点加以控制，使得工作频点的增益最大化。镜像信号得以抑制，即通过陷波滤波网络降低镜像频率im的增益，负载谐振频率远于镜像频点来增强对镜像频率输出信号的抑制性能，提高低噪声放大器的性能，进而提高未来设计的超外差射频接收机的整体性能。
【专利说明】一种低噪声放大器结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及低噪声放大器电路，尤其涉及一种低噪声放大器结构。
【背景技术】
[0002]低噪声放大器作为射频接收机的第一个模块，也是工作频率最高的模块，承担着放大信号同时引入较小噪声的目的，对整个接收机的性能有着决定性的影响。由于接收机接收的信号一般不大(-100到-50dBm)，且整个系统的工作带宽较宽，而接收机中的mixer噪声是很大的(12dB左右)，如果直接接在后端接入一个mixer的话，会导致噪声幅度直接淹没信号，使真正的信息表示不出来，为此需进行信号的放大的同时只增加少量的噪声，这就是低噪声放大器的功能。
[0003]低噪声放大器需达到如下指标:在宽带输入范围内实现输入阻抗的匹配，避免能量损耗以及对天线的反射干扰；获得低噪声系数，提高接收机灵敏度；获得足够的增益幅度和增益平坦度，减少后级电路的噪声影响以及非线性失真；具有较低的功耗。
[0004]宽带接收机是超宽带无线通信的核心，而低噪声放大器作为接收机的第一级，其性能直接决定接收机的性能。低噪声放大器的功率匹配直接代表了整个接收机的功率匹配指标；整机的噪声性能也主要由第一级的噪声系数和增益来决定。应用于超宽带通信的超宽带低噪声放大器必须在在窄带低噪声放大器低噪声、功率匹配、高增益等指标要求的基础上增加超宽带特性的设计约束。接收机一般可分为镜像抑制型和零中频型，虽然零中频型接收机避免了镜像干扰，但由于其较大的直流失调和ι/f噪声，使得该结构性能不及镜频抑制型。镜频抑制型接收机射频前端主要由信号放大电路(Amplifier)、镜像滤波器和混频器构成，其中镜像滤波器可大幅抑制镜像信号。例如，泛欧数字无线电话系统(DECT)需采用镜像抑制比达SO-1OOdB的滤波器以保证性能。目前该滤波功能有多种方法可以实现，例如采用声表面滤波器(SAW)或陶瓷滤波器，但由于该类滤波器均为片外实现，大大增加了集成难度，因而无法实现单片系统集成。相比之下，片内陷波滤波器则无此限制。虽然有源陷波滤波器可利用晶体管负阻特性改善电感寄生以提高网络整体Q值的方法实现高性能，然而对于功耗问题无源滤波器可实现零功耗这一特性，在射频频段是可设计出高性能的无源陷波滤波器的。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型低噪声放大器结构。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有镜像信号抑制功能、数控增益可调功能、自偏置功能的新型低噪声放大电路。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种低噪声放大器结构，包括带隙基准模块和低噪声放大模块，所述带隙基准模块包含带隙基准单元、数控单元和控制信号产生器，所述带隙基准单元和所述控制信号产生器输出信号至所述数控单元，通过产生带隙电压，协同数控单元加以调整，校准带隙基准模块的输出电压，调整低噪声放大模块的直流偏置；所述低噪声放大模块包括信号放大电路和镜像抑制滤波器，所述信号放大电路接收所述数控单元的输出信号进行低噪声放大，并通过所述镜像抑制滤波器对镜像信号加以抑制。
[0008]进一步地，所述低噪声放大器结构工作频率为20GHz。
[0009]进一步地，所述信号放大电路在输出端采用LC并联回路。
[0010]进一步地，所述带隙基准单元采用带隙电压产生和复制增压技术，将温度相关性小且电压值高的带隙电压进行电压升高，同时保持低温度相关性。克服传统电压基准的固定低电压输出结构，增加带隙的设计灵活性。其中，温度相关性小是指温度系数小于10ppm/0C ;电压值高是指电压值为1.2v。
[0011]进一步地，所述数控单元将所述带隙基准单元产生的高电压基准信号进行电压-电流转换，保证其低的温度系数，并通过双极型电流镜，将基准电流进行电流-电压转换，确保对后级低噪声放大器的直流偏置，稳定工作点。
[0012]进一步地，所述控制信号产生器通过增益采样，产生数控信号Di (i = 1-3)输入至数控单元，产生相应的数字控制信号Ci(i = 1-8)，将带隙基准传入的高电压在进行电压-电流-电压转换时改变转换倍数，产生一个温度相关性小，大小可调的双极型器件的带隙电压，输出至低噪声放大器。其中，温度相关性小是指温度系数小于100ppm/°C。
[0013]进一步地，所述信号放大电路采用片上可调自偏置结构，对所述信号放大电路的增益和输入匹配均可调。
[0014]进一步地，所述信号放大电路采用共射共基结构。增强输入输出的隔离度，减小两端口的米勒效应，提高增益，降低噪声，减小负载LC电路对于输入的匹配贯通影响。
[0015]进一步地，所述镜像抑制滤波器通过在镜像频率下产生一个小于0.2Ω的电阻，将输入信号转换的跨导电流信号小信号接地，使得输出端含有小于10%的镜像分量的镜像放大；同时，确保工作频率下近似为高阻抗，保证工作频率下的信号不失真放大。其中，高阻抗大于2k Ω。
[0016]进一步地，所述镜像抑制滤波器采用片上无源元件制造，镜像抑制过程中不产生功耗，实现零功耗滤波结构。
[0017]为实现稳定的自偏置，本发明引入一个带隙基准单元，产生温度相关性小的带隙电压，并通过运放实现电压-电压的转换，得到与温度和工艺以及电源相关性小的高基准电压，为后续自偏置提供保障。电路采用数控模块，对高基准电压进行控制，进一步实现静态工作偏置。
[0018]为实现镜像抑制功能，本发明采用无源三阶陷波滤波器，在镜频信号下产生低阻抗，同时滤波器引入可变电容，使镜像频率可调，扩大镜像信号的工作频段，实现良好的镜像抑制功能，滤波器同时引入隔直电容，实现零功耗。
[0019]为实现高增益，本发明的放大部分采用共源共栅结构，增强输入输出隔离度，提高增益，并采用并联LC网络，对工作频段信号进行进一步放大，保证谐振频点为工作频点，实现增益最大化。
[0020]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】[0021]图1为本发明的一个较佳实施例的低噪声放大器结构系统示意图。
[0022]图2为本发明的一个较佳实施例的带隙基准单元的结构图。
[0023]图3为本发明的一个较佳实施例的控制信号产生器和数控单元的结构图。
[0024]图4为本发明的一个较佳实施例的信号放大电路和镜像抑制滤波器的结构图。
[0025]图5为本发明的一个较佳实施例的超高频具有镜像抑制功能的低噪声放大器S参数性能曲线。
[0026]图6为本发明的一个较佳实施例的超高频具有镜像抑制功能的低噪声放大器噪声性能曲线。
【具体实施方式】
[0027]如图所示，本发明解决的技术方案是:本发明提供了一种20GHz工作频率具有镜像抑制功能的低噪声放大器结构，包括带隙基准模块和低噪声放大模块，所述带隙基准模块包含带隙基准单元、数控单元和控制信号产生器，所述带隙基准单元和所述控制信号产生器输出信号至所述数控单元，通过产生带隙电压，协同数控单元加以调整，校准带隙基准模块的输出电压，调整低噪声放大模块的直流偏置；所述低噪声放大模块包括信号放大电路和镜像抑制滤波器，所述信号放大电路接收所述数控单元的输出信号进行低噪声放大，并通过所述镜像抑制滤波器对镜像信号加以抑制。
[0028]遏制位于镜像频率下的镜像信号Vim，并通过电容电感谐振回路对有效信号进行进一步放大，得到从接收到输出的镜像抑制(IR)增益响应，采用数控部分对输入静态工作点加以控制，使得工作频点的增益最大化，实现信号的低噪声放大和镜像抑制功能。具体实施方案参照图1，它由带隙基准单元、数控单元、控制信号产生器电路、信号放大电路和镜像抑制滤波器电路组成。其中带隙基准单元产生与温度、电源电压相关性低的基准电压，并通过数控单元对基准电压加以调整。其中数控单元的输入信号由控制信号产生器生成，将数控单元产生的校准带隙电压输入到低噪声放大器中，确保静态工作点的稳定。信号放大电路接收有效信号Vop和镜像信号Vim，并采用镜频滤波器电路对镜像信号加以释放，使电路输出端口呈现镜频抑制比高的输出信号。
[0029]图2示出了带隙基准单元电路原理图。该电路由启动电路、带隙核心电路、带隙电压倍压电路组成，其中PMOS管Pl、NMOS管N1、N2、N3和N4组成启动电路，其作用为在电源上电的过程中避免由于简并零点导致带隙基本模块无法启动。Pl处深度线性区，其作用为提供一个R常数，弱化由于上电引起的电压升高过快效应，而Ni (i = 1-4)应满足VDD应大于四个管子的阈值电压和，以确保4个N管导通，电流流出使Rl端电压升高。而在带隙基本模块处于工作状态后，Rl上端的电压与VDD的电压差应大于4个N管的阈值电压，以保证在工作状态下的启动电路没有电流的损耗。带隙基本模块由P管Ρ2、Ρ3和Ρ4，放大器Al，电阻Rl，R2，R3，R4还有双极型晶体管Ql，Q2和Q3组成。Ρ2与Ρ3为电流镜结构，保证流过该两路的电流Il与12相同，由于启动电路处于关断状态，因此电流Il将完全流入Rl，Ql支路，保证放大器Al下端两支路的电流相同。带隙产生由R3产生，Ql与Q2的电压差落在R3上，该电压差为:
【权利要求】
1.一种低噪声放大器结构，其特征在于，包括带隙基准模块和低噪声放大模块，所述带隙基准模块包含带隙基准单元、数控单元和控制信号产生器，所述带隙基准单元和所述控制信号产生器输出信号至所述数控单元，通过产生带隙电压，协同数控单元加以调整，校准带隙基准模块的输出电压，调整低噪声放大模块的直流偏置；所述低噪声放大模块包括信号放大电路和镜像抑制滤波器，所述信号放大电路接收所述数控单元的输出信号进行低噪声放大，并通过所述镜像抑制滤波器对镜像信号加以抑制。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述信号放大电路在输出端采用LC并联回路。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述带隙基准单元采用带隙电压产生和复制增压技术，将温度相关性小且电压值高的带隙电压进行电压升高，同时保持低温度相关性；克服传统电压基准的固定低电压输出结构，增加带隙的设计灵活性。
4.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述数控单元将所述带隙基准单元产生的高电压基准信号进行电压-电流转换，保证其低的温度系数，并通过双极型电流镜，将基准电流进行电流-电压转换，确保对后级低噪声放大器的直流偏置，稳定工作点。
5.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述控制信号产生器通过增益采样，产生数控信号Di (i = 1-3)输入至数控单元，产生相应的数字控制信号Ci (i =1-8)，将带隙基准传入的高电压在进行电压-电流-电压转换时改变转换倍数，产生一个温度相关性小，大小可调的双极型器件的带隙电压，输出至低噪声放大器。
6.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述信号放大电路采用片上可调自偏置结构，对所述信号放大电路的增益和输入匹配均可调。
7.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述信号放大电路采用共射共基结构；增强输入输出的隔离度，减小两端口的米勒效应，提高增益，降低噪声，减小负载LC电路对于输入的匹配贯通影响。
8.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述镜像抑制滤波器通过在镜像频率下产生一个小于0.2 Ω的电阻，将输入信号转换的跨导电流信号小信号接地，使得输出端含有小于10%的镜像分量；同时，确保工作频率下近似为高阻抗，保证工作频率下的信号不失真放大。
9.如权利要求1所述的低噪声放大器结构，其特征在于，所述镜像抑制滤波器采用片上无源元件制造，镜像抑制过程中不产生功耗，实现零功耗滤波结构。
【文档编号】H03F1/26GK104038158SQ201410247003
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】庄奕琪, 李振荣, 井凯, 李小明, 李聪, 刘伟峰, 曾志斌, 靳刚, 汤华莲 申请人:西安电子科技大学