一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器的制造方法

文档序号:9930811阅读:625来源:国知局
一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低噪声放大电路。
【背景技术】
[0002] 作为射频接收机的第一个电路模块,低噪声放大器(LNA,low noise amplifier) 具有将有效信号(signal)放大,同时抑制噪声(noise)的功能,而带隙基准(Bandgap)电路 则为低噪声放大器电路提供电压或电流偏置。整个电路的工作机制是,带隙基准电路产生 一个与温度、工艺以及电源电压相关性小的基准电压/电流,并将该信号加入到低噪声放大 器中;在带隙电压的偏置下,低噪声放大器的静态工作点得以确定,即确保了需要的输入匹 配(Sll,input match),信号增益(S21,power gain)和较小的噪声系数(NF,noise figure) 等指标,这时信号就可以以较小的损耗输入低噪声放大器,并通过该电路进行放大,同时在 保证较小噪声的前提下,噪声信号的幅度得以有效的抑制。
[0003] 低噪声放大器是对天线接收到的射频信号进行合理幅值的放大,这就需要在宽带 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,实现较低的低噪 声系数,提高接收机灵敏度;获得足够的增益和增益平坦度以减少后级电路的噪声影响以 及非线性失真;并且应具有较低的功耗,避免过多的能量损耗,造成不必要的损失。
[0004] 带隙电路则是通过二极管电路产生与温度和工艺等相关性小的电压,将该电压进 行输入,输入到低噪声放大器中。在设计该电路时的原则为:具有良好的抗外界性能(抗温 度变化,抗工艺变化以及抗电源电压变化)并且应减小外电路对带隙电路的影响(如减小低 噪声放大器对带隙电路的影响)。
[0005] 目前的大多数电路设计拟将带隙基准偏置做在片外,进行片外测试和片外偏置, 或将带隙电路单独制作,将其产生的带隙电压信号输入到低噪声放大器中。
[0006] 现有技术一:
[0007] 浙江省嘉兴联星电子有限公司拥有的专利技术"一种宽电源电压工作的低噪声放 大器偏置电路"(公布号CN 103178788 A,申请号201310036309.1,申请日2013.01.29)中公 开了一种是用于宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路。如图1所示,该电路包括主偏置 电路,偏置稳定反馈支路和一个偏置电流源电路。偏置稳定反馈电路的两个三极管为互补 的两类管型,使偏置稳定反馈支路的直流压降接近于零。该电路的原理如下:通过偏置电流 源产生电路产生偏置电流,输入到主偏置电路和偏置稳定反馈支路,然后通过偏置稳定反 馈支路的反馈性能,稳定主偏置电路,将最终的偏置电压加入到主放大电路中。
[0008] 该电路主要存在以下缺点:
[0009] 1.反馈支路的电压压降为零虽可以实现地电压裕度,但由于该方案牺牲了三极管 Q2、Q4的电压偏置,两管会进入线性区,难以实现良好的反馈作用。
[0010] 2.低噪声放大器的Q0晶体管采用的源简并结构,将电感Ls串联在源极,实现晶体 管Q1和Q0的匹配。虽然在DC频率下,电感并不会引入偏差,但由于片内实现的电感都具有较 高的电阻成分,因此Q0的直流环境与Q1并不相同。电感的寄生电阻会引入电流上的误差。
[0011] 3.偏置电路给出了参考电流Iref,但是并没有提出该电流的电路结构,也未给出 其噪声,抗工艺参数等条件,因此电路并不完善。
[0012] 现有技术二:
[0013] 美国佐治亚学校的Prabir K.Saha等人提出一种Pi型匹配网络的高频低噪声放大 器(会议名称:RWS页号:203-206年份:2012)。该电路的结构如图2所示,采用单级Cascode结 构,提高输入和输出的隔绝,采用并联-并联反馈实现小信号的50欧姆阻抗,并采用输入Pi 型网络实现了宽带匹配。
[0014] 该电路存在以下缺点:电路只有LNA组件,并无偏置部分,所以需要外部电路的调 整来实现静态工作点。

【发明内容】

[0015] 本发明公开了一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器,旨在解决现有技术低噪声 放大器源简并结构的电流失配问题、以及避免直流偏置的不理想带来的影响。
[0016] 本发明的技术方案如下:
[0017] -种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器,包括低噪声放大电路和带隙基准电路, 其中带隙基准电路的电流量受控于数控单元,带隙基准电路输出的电流经过镜像成倍放大 作为低噪声放大电路的偏置电流;低噪声放大电路采用共源共栅结构,信号从In端口输入 经片内电感L1接至晶体管Q8的基极,在In端口与电感L1之间的结点引出支路串联电容C4接 地;信号在晶体管Q8经过电压-电流反馈,在晶体管Q9的集电极输出端得到放大,并通过缓 冲单元Buf?输出,完成信号的低噪声放大功能。
[0018] 在以上方案的基础上,本发明还进一步作了如下具体优化:
[0019]所述电容C4由pad(接线垫板)的寄生电容提供。
[0020] 所述带隙基准电路包括启动电路部分、主体电路部分和电流输出电路部分;
[0021] 在主体电路部分中:晶体管Q6、Q7和R3组成PTAT电路结构,晶体管Q6的集电极经电 阻R2、晶体管Q7的集电极经电阻R4共同接至晶体管Q4的发射极,使得流入晶体管Q6、Q7这两 个支路的电流相等;晶体管Q5与晶体管Q4构成镜像结构,并在晶体管Q5发射极设置适配的 电阻R5,使晶体管Q5发射极的电压与晶体管Q4的发射极的电压相同,使晶体管Q5所在支路 提供精确稳定的电流IR5;
[0022]电流输出电路部分采用M0S晶体管构建两级电流镜,所述晶体管Q5的集电极接第 二级电流镜一侧的漏极,同时还接第一级电流镜的共栅结点,使得电流IR5在第二级电流镜 另一侧的漏极输出一个镜像且与需要相比较小的电流Iref。(由于电流是成倍放大,但为了 使参考电流的Iref值降低以优化功耗,故而在此处提出需要相比较小的电流。)
[0023]所述启动电路部分中存在一正一负的两路反馈,其中正反馈实现电路向简并点的 收敛,负反馈实现电路稳定,负反馈的环路增益大于正反馈的环路增益。
[0024]在晶体管Q5发射极设置适配的电阻R5采用两种温度系数的电阻串联。
[0025] 数控单元的控制信号接至一组M0S晶体管M12、M14的栅极,M12、M14的漏极共接至 所述第二级电流镜另一侧的漏极。
[0026]数控单元的控制信号输出端D1、D2分别经两个smith触发器S1和S2连接M0S晶体管 M12、M14的栅极。
[0027]本发明通过联合设计的带隙基准电路将高性能电流输出,并采用数控单元对电流 量进行进一步的控制,并将电流进行镜像,产生低噪声放大器的偏置电流,稳定电路性能。 另外,低噪声放大器采用非源简并结构,在确保宽高频性能的同时,实现电流镜的性能进一 步优化。具体有以下优点:
[0028] 1.采用未加源极电感的Q8,避免了额外引入的寄生电阻,避免造成噪声性能的恶 化和偏置不匹配。
[0029] 2.电流偏置未引入额外线性区电路,避免直流偏置的不理想。
[0030] 3.该电流适用于超宽频带的低噪声放大器。
【附图说明】
[0031]图1为现有技术一的不意图。
[0032] 图2为现有技术二的示意图。
[0033] 图3为带隙电路和低噪声放大器的关系示意图。
[0034]图4为本发明的整体方案示意图。
[0035] 图5为带隙基准电路的主体结构图。
[0036] 图6为图5中的电流输出电路部分的示意图。
[0037] 图7为带隙基准电流和低噪声放大电路的组合结构示意图。
【具体实施方式】
[0038] 本发明提出的新电路结构,是将带隙基准电路和低噪声放大电路联合设计,共用 其中的高耗能部分,实现一种降低能耗的射频接收电路。
[0039] 图3表示了两部分电路的关系(注:图中将带隙电路和低噪声放大器分开,是为了 说明相互的关系,在本发明的具体电路结构中两者是整体联合实现的)。两个电路部分均由 电源VDD提供电压,而带隙基准可自身产生一个与影响因素相关性小的带隙电压VB,该电压 进入LNA中,进行偏置。输入信号Vin由片外天线接收,进入低噪声放大器进行放大,产生A ? Vin的信号,其中A为该放大器的增益。通过上述的电路,就可以产生一个放大信号了。
[0040] 本发明的带隙电路部分和低噪声放大器部分的整体方案如图4所示,带隙基准产 生基准电流Iref,该电流受数控单元的两信号D1和D2控制,即该两信号实现对Iref的调整。 Q1与Q2为低噪声放大器的电流镜结构,该结构位于低噪声放大器内,而非带隙基准中。通过 对Iref的放大,实现需要的工作电流II。总体看来,该电路最显著的特点在于:电流镜位于 低噪声放大器部分,且Iref?可通过数控位进行调整。
[0041]图5为带隙基准电路的结构示意图,电路通过将Q6与Q7的电压差作用在电阻R3,以 产生一与温度相关的电流IR3,并通过晶体管Q4和Q5复制该电流至IR5,并结合电阻R5的温 度特性产生一与温度相关性小
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