专利名称：一种增益可调低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种增益可调低噪声放大器。
背景技术：
增益控制机制广泛应用于现代通信系统中，通过增益控制，电路可以扩展接收信 号的动态范围，降低功耗和提高线性度。尤其在最近几年，便携式射频终端市场的快速发展 使得功耗成为一个愈发重要的考虑因素。信号的衰减和反射现象的存在造成了接收器前端 信号功率的变化，接收机的输入信号变化范围可以达到80dB以上，如从几个微伏的小信号 到几十毫伏的大信号，低噪声放大器LNA作为射频接收系统的第一级电路应具备接受处理 大动态范围射频信号的能力。增益可控既能有效地避免接收机元件的饱和，同时也可以使 手持设备工作在低增益、低功耗的模式下，从而延长其电池寿命。在接收机中，低噪声放大 器必须向下一级电路(混频器)输出适当的信号。信号过小，混频器无法检测；信号过大又 会对混频器造成过载，使线性度恶化。而低噪声放大器从天线接收到的信号是一个动态范 围很大的信号，因此LNA增益调节可控变得十分必要。增益控制技术主要有以下几种1开关负载法。主要优点是增益调节不会严重影 响电路噪声系数，但是，增益调节步长对于负载链上的寄生阻抗变化十分敏感，同时可能影 响电压偏置。2旁路开关法。信号可以从有源器件旁的另一条通路通过，此通路由开关控 制，从而实现不同地增益控制。开关通路会引起损耗，但是只要损耗在可接受的范围，这种 技术还是可行的，而增益和线性度确实不可控制的。3电流分离法。此法用旁路分离出放大 器的输出电流，但此电流与放大器输出电流之和不变，所以输出电流会变小，增益减小。这 种方法电路实现简单，而且功耗不变，但是在低增益模式下会严重恶化噪声系数。4改变偏 置。此法实质上是控制输入管跨导，或者是控制放大管跨导，容易实现，增益变化时增益平 坦度不会恶化，但噪声性能会恶化，且难以精确控制。
实用新型内容实用新型目的本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种不增加系 统噪声、不影响偏置和输入阻抗、不增加功耗、增益调节能精确控制的增益可调低噪声放大器。技术方案本实用新型所述的增益可调低噪声放大器，由输入匹配、放大级、增益 控制和输出LC谐振网络三部分组成，在主体共源共栅管上交叉并接两组共源共栅管，将跨 导管放大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流到负输出端，部分射频输入的负电流 流到正输出端，从而交叉抵消形成可实现低噪声放大器增益调节的增益控制电路，其中增 益控制电路可根据输入信号的强弱，控制交叉并接共源共栅管的通断，从而调节低噪声放 大器的增益。本实用新型所述的增益可调低噪声放大器，具体方案为包括输入放大级、增益控 制电路和输出谐振；所述输入放大级包括用作射频跨导管的N型金属氧化物晶体管(简称NMOS管)Ml、M2，用作共源共栅管(级连晶体管)的M3、M4，源简并电感Lsl、Ls2，栅电感Lgl、 Lg2，偏置电阻Rl、R2 ；所述增益控制电路由N型金属氧化物晶体管M5、M6、M7、M8组成，M5 和M6由Vcontl控制通断，M7和M8由VCont2控制通断；所述输出谐振包括谐振电感Ldl、 Ld2，以及由电容CA1、CA2、CA3、CA4开关管M9、M10、Mil、M12组成的开关电容阵列；射频输入正极连到电感Lgl的正端，电感Lgl的负端与Ml的栅极相连；射频输入 负极连到电感Lg2的正端，电感Lg2的负端与M2的栅极相连；Ml管的源极接电感Lsl的正 端，电感Lsl的负端接地；M2管的源极接电感Ls2的正端，电感Ls2的负端接地；偏置电阻 Rl的正端接Ml的栅极，R2的正端接M2的栅极，Rl与R2的负端接偏置电压；Ml的漏极接 M3的源级，M3的漏极接电感Ldl的负端，电感Ldl的正端接电源；M2的漏极接M4的源级， M4的漏极接电感Ld2的负端，电感Ld2的正端接电源；M3、M4的栅极接偏置电压；M5源极接 M4源极，漏极接M3漏极；M6源极接M3源极，漏极接M4漏极；M7源极接M4源极，漏极接M3 漏极；M8源极接M3源极，漏极接M4漏极；M5、M6的栅极接控制电压Vcontl，M7、M8栅极接 控制电压VCont2 ；电容CAl的上极板接M4的漏极，下极板接M9的漏极，M9的源极接地；电 容CA2的上极板接M3的漏极，下极板接MlO的漏极，MlO的源级接地；M9、MlO的栅极接控 制电压VCont3 ；电容CA3的上极板接M4的漏极，下极板接Mll的漏极，Mll的源极接地；电 容CA4的上极板接M3的漏极，下极板接M12的漏极，M12的源级接地；M11、M12的栅极接控 制电压VCont4 ；M3的漏极接射频输出正极，M4的漏极接射频输出负极。本实用新型增益可调低噪声放大器采用共源共栅源简并电感型共源放大器结构， 源简并电感型共源放大器具有噪声系数低、增益高、线性度好并可以实现输入阻抗匹配等 特点。采用差分结构，能很好地消除源级电感Ls变化对低噪放性能的影响，同时提高低噪 放对衬底耦合的抑制能力。源简并电感共源输入由Ml、M2、LsU Ls2、Lgl和Lg2组成，Lg、 Ls与放大管的Cgs谐振，使输入阻抗虚部为0，从而实现阻抗匹配。M3和M4作为共源共栅 管，可以提高放大器的输出阻抗，降低放大管Miller效应对放大器性能的影响，同时还提 高了反向隔离度，避免了稳定性问题。在输出端，电感Ldl、Ld2，开关电容阵列以及M3和 M4管总的漏端电容，组成输出LC谐振，开关电容阵列可以使输出准确地谐振在所需频率点 上，减少对后级电路的谐波干扰。增益控制部分由晶体管M5、M6、M7、M8组成，M5和M6由Vcontl控制通断，M7和M8 由VCont2控制通断。射频输入信号通过跨导管Ml、M2转化为射频电流，射频电流流过共源 共栅管，以及LC谐振负载，输出电压信号以驱动下一级的电容性负载(对于全集成的CMOS 接收机来说)。从共源共栅管M3 M8的源级看进去的电阻为MOS器件跨导的倒数l/gm，因 此分离出电流的大小取决于晶体管的跨导& 。如果设置M5、M6的栅极导通电压Vcontl与 M7、M8的栅极导通电压VCont2和M3、M4的偏置电压Vbias3都为电源电压，则^11的大小就 完全由晶体管自身的尺寸所决定。综上，根据所需增益控制的要求，合理设置交叉并接共源 共栅管的尺寸，便可以实现增益调节。本实用新型与现有技术相比，其有益效果是1、本实用新型增益可调低噪声放大 器，通过交叉并接的共源共栅管，把跨导管放大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流 到负输出端，部分射频输入的负电流流到正输出端，从而交叉抵消，实现增益的调节；2、低 噪声放大器的增益控制技术是基于交叉并接的共源共栅管，而共源共栅管的噪声对输出的 贡献是微乎其微的，所以此增益控制技术不增加系统噪声；同时分离电流由共源共栅管的尺寸决定，所以增益控制精确；分离电流来自跨导管的电流，因而总电流不变，所以不增加 功耗；同时本实用新型还具有不影响偏置和输入阻抗的特点。
图1为本实用新型的增益可调低噪声放大器电路结构示意图。图2为本实用新型的低噪声放大器的增益控制原理示意图；在主体共源共栅管上 交叉并接两组共源共栅管，把跨导管放大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流到负 输出端，部分射频输入的负电流流到正输出端，从而交叉抵消，来实现低噪声放大器的增益 调节。图3为本实用新型的低噪声放大器在四种增益模式下S21的仿真曲线图，其中黑 实线为最小增益模式，点虚线为最大增益模式；根据所需增益控制的要求，合理设置交叉并 接共源共栅管的尺寸，便可以实现所要求的增益调节效果。图4为本实用新型的低噪声放大器在四种增益模式下噪声系数NF的仿真曲线图， 其中黑实线为最小增益模式，点虚线为最大增益模式。
具体实施方式
以下结合附图，通过一个最佳实施例，对本实用新型技术方案进行详细说明，但是 本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。本实用新型的增益可调低噪声放大器，将吉尔伯特单元实现可变增益放大器的基 本思想应用于低噪声放大器，在主体共源共栅管上交叉并接两组共源共栅管，把跨导管放 大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流到负输出端，部分射频输入的负电流流到正 输出端，从而交叉抵消，来实现低噪声放大器的增益调节。如图1所示，本实用新型增益可调低噪声放大器包含输入放大级、增益控制电路 和输出谐振。输入放大级包含用作射频跨导管的N型金属氧化物晶体管(以下简称NMOS 管)Ml、M2，用作共源共栅管(级连晶体管)的M3、M4，源简并电感Lsl、Ls2，栅电感Lgl、 Lg2，偏置电阻Rl、R2。增益控制部分由NMOS管M5、M6、M7、M8组成，M5和M6由Vcontl控 制通断，M7和M8由VCont2控制通断。输出谐振部分包含谐振电感Ldl、Ld2，以及由电容 CA1、CA2、CA3、CA4开关管M9、M10、Mil、M12组成的开关电容阵列。射频输入正极连到电感Lgl的正端，电感Lgl的负端与Ml的栅极相连。射频输入 负极连到电感Lg2的正端，电感Lg2的负端与M2的栅极相连。Ml管的源极接电感Lsl的正 端，电感Lsl的负端接地。M2管的源极接电感Ls2的正端，电感Ls2的负端接地。偏置电阻 Rl的正端接Ml的栅极，R2的正端接M2的栅极，Rl与R2的负端接偏置电压。Ml的漏极接 M3的源级，M3的漏极接电感Ldl的负端，电感Ldl的正端接电源。M2的漏极接M4的源级， M4的漏极接电感Ld2的负端，电感Ld2的正端接电源。M3、M4的栅极接偏置电压。M5源极 接M4源极，漏极接M3漏极；M6源极接M3源极，漏极接M4漏极；M7源极接M4源极，漏极接 M3漏极；M8源极接M3源极，漏极接M4漏极。M5、M6的栅极接控制电压Vcontl，M7、M8栅 极接控制电压VCont2。电容CAl的上极板接M4的漏极，下极板接M9的漏极，M9的源极接 地。电容CA2的上极板接M3的漏极，下极板接MlO的漏极，MlO的源级接地。M9、MlO的栅 极接控制电压VCont3。电容CA3的上极板接M4的漏极，下极板接Mll的漏极，Mll的源极接地。电容CA4的上极板接M3的漏极，下极板接M12的漏极，M12的源级接地。M11、M12的 栅极接控制电压VCont4。M3的漏极接射频输出正极，M4的漏极接射频输出负极。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得 解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围 前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求1.一种增益可调低噪声放大器，其特征在于在主体共源共栅管上交叉并接两组共源 共栅管，将跨导管放大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流到负输出端，部分射频输 入的负电流流到正输出端，从而交叉抵消形成可实现低噪声放大器增益调节的增益控制电路。
2.根据权利要求1所述的增益可调低噪声放大器，其特征在于包括输入放大级、增益 控制电路和输出谐振；所述输入放大级包括用作射频跨导管的N型金属氧化物晶体管Ml、 M2，用作共源共栅管的M3、M4，源简并电感Lsl、Ls2，栅电感Lgl、Lg2，偏置电阻R1、R2 ；所述 增益控制电路由N型金属氧化物晶体管M5、M6、M7、M8组成，M5和M6由Vcontl控制通断， M7和M8由VCont2控制通断；所述输出谐振包括谐振电感Ldl、Ld2，以及由电容CA1、CA2、 CA3、CA4开关管M9、M10、M11、M12组成的开关电容阵列；射频输入正极连到电感Lgl的正端，电感Lgl的负端与Ml的栅极相连；射频输入负极 连到电感Lg2的正端，电感Lg2的负端与M2的栅极相连；Ml管的源极接电感Lsl的正端，电 感Lsl的负端接地；M2管的源极接电感Ls2的正端，电感Ls2的负端接地；偏置电阻Rl的 正端接Ml的栅极，R2的正端接M2的栅极，Rl与R2的负端接偏置电压；Ml的漏极接M3的 源级，M3的漏极接电感Ldl的负端，电感Ldl的正端接电源；M2的漏极接M4的源级，M4的 漏极接电感Ld2的负端，电感Ld2的正端接电源；M3、M4的栅极接偏置电压；M5源极接M4源 极，漏极接M3漏极；M6源极接M3源极，漏极接M4漏极；M7源极接M4源极，漏极接M3漏极； M8源极接M3源极，漏极接M4漏极；M5、M6的栅极接控制电压VContl，M7、M8栅极接控制电 压VCont2 ；电容CAl的上极板接M4的漏极，下极板接M9的漏极，M9的源极接地；电容CA2 的上极板接M3的漏极，下极板接MlO的漏极，MlO的源级接地；M9、MlO的栅极接控制电压 Vcont3 ；电容CA3的上极板接M4的漏极，下极板接Mll的漏极，Mll的源极接地；电容CA4 的上极板接M3的漏极，下极板接M12的漏极，M12的源级接地；M11、M12的栅极接控制电压 Vcont4 ；M3的漏极接射频输出正极，M4的漏极接射频输出负极。
专利摘要本实用新型公开一种增益可调低噪声放大器，在主体共源共栅管上交叉并接两组共源共栅管，将跨导管放大的电流交叉分流，部分射频输入的正电流流到负输出端，部分射频输入的负电流流到正输出端，从而交叉抵消形成可实现低噪声放大器增益调节的增益控制电路。本实用新型相对于传统的低噪放增益控制方法具有增益调节不增加系统噪声、增益控制精确、不影响偏置和输入阻抗、不增加功耗的特点。
文档编号H03F1/26GK201918964SQ20112000054
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者吴建辉, 张萌, 徐震, 李红, 杨世铎, 竺磊, 赵亮, 陈超 申请人:东南大学