专利名称：超宽带低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频集成电路设计技术领域，特别是应用于超宽带通信系统的一种超宽带低噪声放大器。
背景技术：
目前，超宽带通信主要有两种方式，一种是基带窄脉冲形式，通过PPM等方式携带信息；另一种是带通调制载波形式，通过MB-OFDM，DS-UffB等调制方式携带信息。在这两种方案的通信系统中，接收机都使用了宽带低噪声放大器(LNA)模块。传统的CMOS宽带LNA的实现方式通常采用分布式和电阻并联负反馈结构。下面分析这两种结构的特点。(I)分布式放大器此种放大器能提供很好的输入匹配，提供宽频范围内比较平坦的增益，以及较高的三阶交调点IIP3。但因为需要高Q值的传输线，这就使得芯片面积加大，不利于降低成本；另外，由于CMOS晶体管的增益特性，分布式放大器不能达到很高的增益，其平均增益大约8dB左右。这在某些应用场合对接收UWB信号是不够的。而且分布式放大器也消耗过多的直流功耗，也不符合低功耗UWB系统的要求。(2)电阻并联负反馈放大器此种放大器能提供宽带输入匹配，通过反馈来降低噪声系数。但是由于CMOS晶体管的低跨导，导致要消耗大的功耗去达到较高的单级环路增益，也无法适应低功耗UWB系统的要求。而如采用多级放大来提高增益，则可能会引起稳定性问题。在现有的UWB LNA技术，主要分为两种拓扑结构。一种是采用一级放大结构，有两种方式。第一种方式是单端共源共栅并利用联峰化技术扩展带宽和提高增益，其电路的优点是在超宽带频段的低频段3. lGHz-5. 2GHz增益能达到IOdB左右，噪声系数在4dB左右，同时功耗也比较小，芯片面积较小，缺点是在高频段，该拓扑结构很难实现高增益与低噪声系数的相互折中；第二种方式是差分共源共栅结构，利用负反馈技术来展宽带宽提高增益，其电路的优点是在超宽带频段的低频段
3.lGHz-5. 2GHz增益平坦度小于ldB，最小噪声系数在3. 5dB，功耗14. 4mff ;缺点增益小于IOdB且在高频段，该拓扑结构很难实现高增益。另一种采用两级结构，两极结构有两种方式。第一种方式是第一级用共栅结构来扩展带宽，第二级用共源共栅结构来提高增益其电路拓扑结构简单，增益也高于10dB，输入输出匹配较好，增益平坦度也较低，缺点是噪声系数相对比较大；第二种方式是两级都用共源共栅结构，利用负反馈技术来展宽带宽提高增益其优点是增益能达到很高，增益平坦度很低，噪声系数也较小，缺点是功耗很大。所以如何设计一种宽带低噪声放大器，使噪声系数、增益、输入输出匹配的技术指标都有一定程度的提高，成为一个重要的开发课题。在2006年9月13日公开的发明专利申请CN1832335A披露了一种CMOS超宽带低噪声放大器，其放大电路采用差分共源共栅放大结构由两个PMOS管和四个NMOS组成，在超宽带频段的低频段3. lGHz-5. 2GHz有着较高的增益和较低的噪声系数，但使用了两个PMOS管分流，必然使系统功耗增加，对于UWB系统来说，这无法满足系统低功耗的要求；同时其工作频段为低频段3. lGHz-5. 2GHz，在高频段无法达到系统高增益和低噪声系数的要求。
发明内容
技术问题本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，设计一种在UWB的全频段内(3. 1-10. 6GHz)具有较好增益，噪声系数，输入输出匹配，功耗性能指标的超宽带低噪声放大器集成电路。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组成，所述放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一管的栅极，第一输出端接第二 MOS管的漏极,第一 MOS管的栅极与第二 MOS管的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一 MOS管、第三MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二 MOS管、第四MOS管的源端。所述第一反馈电路由第一反馈电阻、第一反馈电容、第一反馈电感串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻、第二反馈电容、第二反馈电感串联组成。有益效果本发明放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，结构简单、能耗低，并且在UWB全频段内(3. 1-10. 6GHz)都具有较好的增益，噪声系数，输入输出匹配，功耗性能指标。
下面结合附图对本实用新型具体实施方式
进行详细说明。图1:宽带LNA结构图；图2:匹配级电路图；图3:放大级电路图；图4 :本发明超宽带低噪声放大器整体电路图；图5 :示例S21和NF仿真结果图；图6 :示例Sll和S22仿真结果图。
具体实施例方式如图1所示，一种超宽带低噪声放大器，由匹配级1、放大级2、负载级3依次连接组成。如图3所示，放大级2由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级2为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端Vim连接第一MOS管Ml的栅极,第一输出端Vom接第二 MOS管M2的漏极，第一 MOS管Ml的栅极与第二 MOS管M2的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端Vip接第三MOS管M3的栅极，第二输出端Vop接第四MOS管M4的漏极，第三MOS管M3的栅极与第四MOS管M4的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一 MOS管Ml、第三MOS管M3的漏端分别接两个共栅MOS管即第二 MOS管M2、第四MOS管M4的源端。第一反馈电路由第一反馈电阻Rfl、第一反馈电容Cfl、第一反馈电感Lfl依次串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻Rf2、第二反馈电容Cf2、第二反馈电感Lf2依次串联组成。第一、第二反馈电阻Rfl、Rf2用来控制反馈到栅极的反馈量。第一、第二隔直电容Cfl、Cf2用来减小直流功耗，同时使交流信号反馈到栅极。第一、第二反馈电感Lfl、Lf2的作用是在放大器的高频段呈现一个很高的电抗，不允许电路在高频段有降低增益的负反馈。通过降低高频段的负反馈来扩展带宽，同时也提高了 LNA在高频段的增益。如图2所示，所述匹配级I为一个LC带通滤波器，用于展宽频带用。如图4所示，所述负载级3为电感电阻串联电路，构成并联峰化负载，形成了一个零点，扩展了电路的带宽，同时运用并联峰化负载也补偿了电路的高频增益，提高了电路在整个工作带宽的增益平坦度。同时为了测试的目的，输出端由4个MOS管构成源级跟随器，用来驱动50 Q的负
载终端。下面给出一个具体实现的例子。相关的电路元件参数如下L11 = L12 =1. 7nH, C1 = 55fF, L2 = 4. 85nH, C21 = C22 = 900fF ；Rfl = Rf2 = IK Q , Lfl = Lf2 = 308pH, Cfl = Cf2 = 80. 5fF ；Rli = Rl2 = 85 Q , Lli = Ll2 = 3. 57nH ；Wmi = Wm3 = 110 u m, ffM2 = ffM4 = 70 U m ；ffM5 = ffM7 = 40 u m, ffM6 = ffM8 = 75 ii m。所有MOS器件的长度为0. 18 iim，电路工作电压Vdd为1. 8V，主体电路电流消耗10mA，源级跟随器电流消耗4mA，总功耗为25. 2mW。电路的仿真结果如图5，图6所示，电路工作频段3. 1-10. 6GHz，输入匹配S11小于-13. 72dB,输出匹配S22小于-14. 23dB,增益S21最大为13. 48dB,增益S21最小为12. 04dB,增益波动为1. 44dB,噪声系数NF为2. 392-2. 734dB。
权利要求
1.一种超宽带低噪声放大器，由匹配级(I)、放大级(2)、负载级(3)依次连接组成，其特征在于所述放大级⑵由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级⑵为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端(Vim)连接第一 MOS管(Ml)的栅极,第一输出端(Vom)接第二 MOS管(M2)的漏极，第一 MOS管(Ml)的栅极与第二 MOS管(M2)的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端(Vip)接第三MOS管(M3)的栅极，第二输出端(Vop)接第四MOS管(M4)的漏极，第三MOS管(M3)的栅极与第四MOS管(M4)的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一 MOS管(Ml)、第三MOS管(M3)的漏端分别接两个共栅MOS管即第二 MOS管(M2)、第四MOS管(M4)的源端。
2.如权利要求1所述的一种超宽带低噪声放大器集成电路，其特征在于所述第一反馈电路由第一反馈电阻(Rfl)、第一反馈电容(Cfl)、第一反馈电感(Lfl)串联组成；第二反馈电路由第二反馈电阻(Rf2)、第二反馈电容(Cf2)、第二反馈电感(Lf2)串联组成。
全文摘要
本发明公开了一种超宽带低噪声放大器，由匹配级、放大级、负载级依次连接组成，其中放大级由四个MOS管和两个反馈电路组成，放大级为四端口网络，两个输入端，两个输出端；其中，第一输入端连接第一MOS管的栅极，第一输出端接第二MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与第二MOS管的漏极之间连接第一反馈电路；第二输入端接第三MOS管的栅极，第二输出端接第四MOS管的漏极，第三MOS管的栅极与第四MOS管的漏极之间连接第二反馈电路；两个共源MOS管即第一MOS管、第三MOS管的漏端分别接两个共栅MOS管即第二MOS管、第四MOS管的源端。本发明结构简单、能耗低，能满足超宽带通信系统在全频段内的功能要求。
文档编号H03F1/26GK103066924SQ20111031980
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年10月20日
发明者施金伟 申请人:苏州微体电子科技有限公司