一种超宽带低噪声放大器及其反馈前置输入级电路的制作方法

本实用新型属于射频集成电路技术领域，特别是指一种超宽带低噪声放大器及其反馈前置输入级电路。

背景技术：

随着移动通信业务的不断升级，设备的更新换代会越来越多的考虑到除性能以外的如尺寸、集成度等与成本高度相关的因素的制约。超宽带技术的提出解决了单一器件支持多种通信标准和各种不同的应用的问题，能够打造出可复用的硬件平台。

作为无线收发机前端的第一级有源电路，低噪声放大器(lna)或功率放大器(pa)在无线收发系统中扮演着非常重要的角色，通过它输入信号能够使信号得到充分放大，并且在输出端可实现所需的信噪比或功率。但是，对面向多模多标准应用的超宽带低噪声放大器来说，现有技术的关注重点主要在于增益和匹配的带宽拓展、噪声的抑制和低功耗三个方面。例如：

jonathanborremans,pietwambacq,charlottesoens等人在ieeejssc2008，第2422-2433页的文章“low-areaactive-feedbacklow-noiseampliferdesigninscaleddigitalcmos”中提出了一种有源反馈式lna。该lna仅采用了一个cascode单元，配合有源反馈技术，在较低的功耗下表现出了0.5～6.5ghz的宽带性能。但是该lna的输入、输出均无片上隔直电容，使用时需外接电容，因此该器件不适用于对集成度和成本要求较高的场合。

yo-shenglin,chang-zhichen,hong-yuyang等人在ieeetmtt2010，第287-296页的文章“analysisanddesignofacmosuwblnawithdual-rlc-branchwidebandinputmatchingnetwork”中提出一种用于lna的双rlc支路输入匹配网络，该lna的工作带宽可以达到1.3～12.1ghz，但这种方案不能解决低频匹配的问题，而且同样存在上述的隔直电容问题。

hsien-kuchen,yo-shenglin,shey-shilu在ieeetmtt2010，第2092-2104页的文章“analysisanddesignofa1.6-28ghzcompactwidebandlnain90-nmcmosusingaπ-matchinputnetwork”中提出了一种带输入隔直电容的超宽带lna，但该lna无法兼顾1.6ghz以下频率的电路性能。

杨格亮、许仕龙、杜克明等人在申请号为201510220400.8的实用新型专利“一种自偏置的超宽带低功耗低噪声放大器”中提出了一种基于有源器件做负载和电阻负反馈技术的超宽带lna，但该lna仍然存在上述的隔直电容问题。

杨格亮、曲明、陈明辉等人在申请号为201920979820.8的实用新型专利“一种用于低噪声放大器的高倍频程超宽带输入匹配电路”中提出了一种具有明显噪声抑制能力的超宽带输入匹配电路，但将该电路用于lna设计时需要重新评估加入片上隔直电容后的影响。

可见，现有技术中的lna和超宽带lna普遍缺少隔直电容，而在超宽带lna中引入隔直电容后又存在无法兼顾低频匹配性能的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提出一种超宽带低噪声放大器及其反馈前置输入级电路，本实用新型集成有隔直电容，且能够兼顾超宽带lna的低频匹配性能。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于超宽带低噪声放大器的反馈前置输入级电路，包括第一电容器c1、有源放大单元以及反馈支路；第一电容器c1的一端与有源放大单元的放大输入端连接，反馈支路的一端连接到有源放大单元的放大输出端并作为与后级电路相连的连接节点，反馈支路的另一端与第一电容器c1的另一端相连并作为输入级电路的信号输入端。

进一步的，所述反馈支路包括串联的第二电容器cf和电阻器rf。

进一步的，所述有源放大单元包括晶体管m1和电感l1，所述晶体管m1的栅极为有源放大单元的放大输入端，漏极为有源放大单元的放大输出端，晶体管m1的源极与电感l1的一端相连，电感l1的另一端接地。

此外，本实用新型还提供一种超宽带低噪声放大器，包括输入级电路、偏置电路、负载网络以及后级电路，所述输入级电路为如上任一项所述的反馈前置的输入级电路，所述后级电路与输入级电路的连接节点连接，所述负载网络的一端与电源连接，另一端与输入级电路的连接节点连接，所述偏置电路的一端与电源连接，另一端与有源放大单元的放大输入端连接。

本实用新型与现有技术相比所具有的有益效果在于：

1)本实用新型所提出的输入级结构将反馈支路的反馈点前置到信号输入端，能够明显优化低频输入匹配，且几乎不影响输入级电路的噪声性能。

2)本实用新型的输入级电路将反馈点前置，能够在不影响电路性能的前提下缩小片上电容器的尺寸，从而避免了将输入级集成在超宽带低噪声放大器上时所造成的性能与尺寸无法兼顾的问题，有利于提高超宽带低噪声放大器的集成度。

附图说明

图1是本实用新型实施例中反馈前置输入级电路的原理图；

图2(a)是本实用新型实施例中一种带有优选反馈前置输入级电路的超宽带低噪声放大器的原理图；

图2(b)是与图2(a)相对应的反馈支路非前置的超宽带低噪声放大器的原理图；

图3是图2(a)中反馈前置输入级电路所对应的小信号等效电路。

图4是图2(a)和图2(b)的s11仿真曲线对比图。

图5是图2(a)和图2(b)的nf仿真曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

如图1所示，一种用于超宽带低噪声放大器的反馈前置输入级电路，包括第一电容器c1、有源放大单元以及反馈支路；第一电容器c1的一端与有源放大单元的放大输入端连接，反馈支路的一端连接到有源放大单元的放大输出端并作为与后级电路相连的连接节点，反馈支路的另一端与第一电容器c1的另一端相连并作为输入级电路的信号输入端。

进一步的，所述反馈支路包括串联的第二电容器cf和电阻器rf，第二电容器cf和电阻器rf的串联方式没有先后之分。

图2(a)所示为一种超宽带低噪声放大器，其中包括一种优选的反馈前置输入级电路。具体来说，该超宽带低噪声放大器包括一个晶体管m1，一个电阻rf，一个电感l1，一个偏置电路，一个负载网络，两个电容器c1、cf，以及后级电路。其中：

晶体管m1的栅极为有源放大单元的放大输入端，漏极为有源放大单元的放大输出端。电容cf的一端与电阻rf的一端串联作为反馈支路。电容c1的一端与电容cf的另一端相连后作为信号输入端。电阻rf的另一端连接到晶体管m1的漏极。电容c1的另一端连接到晶体管m1的栅极。晶体管m1的源极与电感l1的一端相连，电感l1的另一端接地。偏置电路的一端连接到晶体管m1的栅极，另一端连接到电源vdd。负载网络的一端连接到晶体管m1的漏极，另一端连接到电源vdd。晶体管漏极作为与后级电路相连的连接节点。

上述超宽带低噪声放大器中，偏置电路、负载网络和后级电路均为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。

图3是图2(a)中反馈前置输入级电路的小信号等效电路，其中，rg是晶体管m1的栅寄生电阻，cgs是晶体管m1的栅源寄生电容，cgd是晶体管m1的栅漏寄生电容，gm为晶体管m1的跨导，vgs是晶体管m1的栅源电压，cl为后级电路的输入等效电容。对图2进行分析可以得出，该超宽带低噪声放大器的反馈前置输入级电路能够明显优化低频输入匹配，且几乎不影响电路噪声性能的内在机理。具体分析如下：

令p1、q1、x1、y1为：

式中，s＝jω，j为虚数单位，ω为角频率，则，当输入级电路的工作频率比较低时，输入阻抗zin满足如下公式

所以，图2(a)的输入阻抗为：

其中g为输入级电路的增益。

在反馈支路非前置的通常情况下，如图2(b)所示，(1)式中的p1、q1、x1、y1改变为p’1、q’1、x’1、y’1：

因此，图2(b)的输入阻抗为：

对比式(3)和式(5)可知，在反馈支路非前置的通常情况下，片上电容c1的值需要取到无限大才能达到反馈支路前置的匹配效果。实际上，受限于芯片面积，片上电容不能做到无限大，因此，对于同样大小的c1，反馈支路前置的方案比非前置的普通方案能够得到更好的低频输入匹配。

图4是图2(a)与图2(b)电路的输入匹配参数s11仿真曲线对比图。从仿真曲线的对比可以看出，图2(a)电路的低频输入匹配性能优于反馈支路非前置的图2(b)电路的输入匹配性能，因此，仿真结果与理论分析的结果是一致的。

根据两端口网络的噪声公式，图2(a)的噪声系数f^(a)为：

其中，γ和gd0是晶体管自身的特征常数，k和c分别为：

k＝[1+(gm+scgs)sl1]，c＝cgs+cgd(7)

由于c的大小为ff量级而c1的大小为pf量级，因此，式(6)可改写为：

根据两端口网络的噪声公式，图2(b)的噪声系数f^(b)为：

对比式(8)和式(9)可知，反馈前置的方案与非前置的普通方案在噪声性能方面几乎是一样的。

图5是图2(a)与图2(b)电路的噪声系数仿真曲线对比图。从仿真曲线的对比可以看出，图2(a)电路的噪声性能与反馈支路非前置的图2(b)电路的噪声性能不相上下，因此，仿真结果与理论分析的结果是一致的。

上述的理论分析与仿真结果证实了本实用新型超宽带低噪声放大器的反馈前置输入级电路是有效的。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。