低噪声放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及无线通信【技术领域】，公开了一种低噪声放大器，所述低噪声放大器采用共源共栅结构，包括一个跟随电容，所述跟随电容的两端分别连接共源结构MOS管的栅极和地。本实用新型通过在共源结构MOS管的栅极和参考地之间设置一个跟随电容，并折中优化其电容值来提高线性度。本实用新型的电路结构简单，功耗降低，能够有效提高输入三阶交调点IIP3，提高低噪声放大器的增益，而对接收系统中后级的噪声系数不产生影响，进而改善了线性度，能够从整体上优化低噪声放大器的性能。
【专利说明】低噪声放大器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线通信【技术领域】，更具体地说，涉及一种低噪声放大器。
【背景技术】
[0002]低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier) —般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。低噪声放大器作为射频接收机前端的主要部分，影响其性能优劣的重要指标除了噪声系数、增益、阻抗匹配、功耗等之外，线性度也是衡量其性能优劣的重要指标之一。因为当在强干扰信号的情况下接收一个弱信号时，未经滤除的干扰信号会送入LNA的输入端，由于放大器本身的非线性会产生互调分量，其中的一部分将进入有用信道，对其中有用的信号产生干扰，造成接收灵敏度降低(或称为阻塞)，为避免这种情况，就要求LNA在接收强信号时需保持高线性度。
[0003]在现代多模多频段的通信系统中，相互之间的干扰尤其严重。比如有线电视(Cable TV)接收机中，多达上百个信道(channel)同时传送信号,每个channel传送的信号功率都在-1OdBm左右。当接收机接收某一个信道的信号时，其它信道的信号对当前接收信道都是干扰源，它们的交调频率会进入当前接收信道内，阻塞接收机中的低噪声放大器，影响接收的灵敏度。
[0004]再如现在广泛应用的多模多频段智能手机中，通常同时有GSM、DCS、WCDMA, WiF1、GPS等收发系统。GPS的接收信号强度很低，在_150dBm以下，极易受到其它信号的干扰。例如:DCS-1800与PCS-1900的发射交调频率在GPS的频段内；GSM850与WIFI的发射交调频率也会落在GPS的频段内；还有WCDMA与PCS的发射交调频率也会落在GPS频带内；如果GPS LNA的线性度不好，这些幅度相对很高的交调分量会阻塞GPS的接收LNA，导致GPS灵敏度下降。
[0005]线性度的指标有输入/输出IdB压缩点(IPldB/OPldB)和输入/输出三阶交调点(IIP3/0IP3)。其中IIP3能直接反映交调情况，故常用IIP3来衡量低噪声放大器的线性度。IIP3越高，对应的IdB压缩点也越高，LNA线性工作的范围越大，其抗交调干扰的能力越强。因此，为了准确阐述本实用新型对线性度的改善，可用IIP3的来表征低噪声放大器的线性度。
[0006]现有的低噪声放大器通常采用共源共栅结构(cascode)，一个典型的共源共栅结构的低噪声放大器如图1所示:其中，第一 NMOS管101是共源结构，第二 NMOS管102是共栅结构，第一电容103是输入端的隔直电容，第二电容105连在第二 NMOS管102与地之间，在102的栅极形成一个交流接地点，保证第二 NMOS管102的共栅连接。第一电阻104和第二电阻106的分别接第一 NMOS管101和第二 NMOS管102的栅极，偏置电路分别通过Vgl和Vg2管脚为101和102提供栅压偏置。第一电感108串联在102的漏极与电源VDD之间，第三电容109串联在102的漏极与输出端RFout之间，108与109通过谐振形成一个选频网络，作为LNA的输出匹配。第一 NMOS管101的源极通过第二电感107接地，源极串联的第二电感107可以提高输入阻抗的实部，起到输入阻抗匹配的作用。现有的共源共栅结构低噪声放大器具有增益高、隔离效果好等优点。
[0007]但对于现有的低噪声放大器，为了提高其线性度，一般只能是通过降低增益来实现，考虑到输出三阶交调点0IP3恒定，增益每降低ldB，IIP3即提高ldB。降低增益一般是通过减小输出阻抗值来实现的，故常采用增大图1中的第三电容109的电容值，同时减小第一电感108的电感值来实现。但是，这种靠牺牲增益的方法来达到改善IIP3的效果有限，因为低噪声放大器还必须保证足够的增益，而不能降得太多，否则不能抑制接收系统中后级的噪声。图2显示了图1所述的低噪声放大器在双音测试信号下的三阶交调分量的显示结果，其三阶交调分量值是_81dBm。
实用新型内容
[0008]针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何在不影响增益的情况下提高低噪声放大器的线性度。
[0009]为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种低噪声放大器，采用共源共栅结构，所述放大器包括一个跟随电容，所述跟随电容的两端分别连接共源结构MOS管的栅极和地。
[0010]优选地，所述跟随电容的电容值为0.3?0.5pF。
[0011]优选地，所述低噪声放大器包括:共源结构MOS管、共栅结构MOS管、隔直电容、接地电容、输出电容、跟随电容、第一电感、第二电感、第一电阻以及第二电阻。
[0012]优选地，所述低噪声放大器中:
[0013]所述共源结构MOS管的栅极同时与所述隔直电容、第一电阻以及跟随电容的一端相连接，所述隔直电容的另一端连接信号输入端口，所述第一电阻的另一端连接于第一偏置电压输入端口，所述跟随电容的另一端与所述第一电感的一端相连接，然后二者共同接地，所述第一电感的另一端连接于所述共源结构MOS管的源极；所述共源结构MOS管的漏极和所述共栅结构MOS管的源极相连接；
[0014]所述共栅结构MOS管的栅极同时与所述第二电阻和所述接地电容的一端相连接，所述第二电阻的另一端与第二偏置电压输入端口连接，所述接地电容的另一端接地；所述共栅结构MOS管的漏极通过所述输出电容连接于信号的输出端，同时通过所述第二电感连接于外部电源。
[0015]优选地，所述跟随电容与所述第一电感的公共节点是键合线连接到地。
[0016]优选地，所述键合线的寄生电感的电感值等效为0.5nH。
[0017]优选地，所述MOS管为NMOS管。
[0018]与现有技术相比，本实用新型所提供的一种低噪声放大器，可应用于射频集成电路中用于提高线性度，通过在共源的场效应管栅极和参考地之间设置一个电容，并折中优化其电容值，电路结构简单，功耗低，集成度高，能够有效提高输入三阶交调点IIP3，提高低噪声放大器的增益，也对接收系统中后级的噪声系数不产生影响，进而改善了线性度，从整体上优化了低噪声放大器的性能。【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是现有技术中的低噪声放大器的电路图；
[0020]图2是现有技术的低噪声放大器在双音测试信号下的三阶交调分量结果示意图；
[0021]图3是本实用新型的一个实施例中的低噪声放大器的电路结构图；
[0022]图4是本实用新型的一个实施例中低噪声放大器在双音测试信号下的三阶交调分量结果示意图；
[0023]图5是现有技术与本实用新型的一个实施例中的低噪声放大器噪声系数结果对比的不意图；
[0024]图6是本实用新型另一个实施例中低噪声放大器的电路结构图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本实用新型的较佳实施方式，所述描述是以说明本实用新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026]为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词，简写或缩写总结如下:
[0027]MOS 管:金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应管；IP3:Third-order Intercept Point,三阶交调截取点，一个在射频或微波多载波通讯系统中衡量线性度或失真的重要指标。IMD3:the-third_order intermodulation distort,三阶交调(互调)分量值。
[0028]如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，低噪声放大器采用共源共栅结构，共源共栅放大器是一个两级高增益的放大器，共源极产生与输入电压成正比的小信号漏电流，将输入电压信号转变成电流信号，共栅极将使源极的电流信号通过放大传输到输出端口。采用该电路结构具有更好的输入输出隔离，更好的增益，提高了带宽，同时输入阻抗高，输出阻抗更高，稳定性好。在图3的实施例中，本实用新型相对于图1的现有技术最大的改进在于电路中包括一个跟随电容210，所述跟随电容210的两个极板分别连接共源结构MOS管201的栅极输入端和地。本实用新型中，通过对跟随电容210的大小进行优化，保证在提高线性度的同时增益不会过多降低，噪声系数不会出现恶化；优选地，跟随电容210的电容值为0.3?0.5pF。当然，在不同的电路中，对跟随电容210的电容值会有不同的选择或设计，在此不作出具体限定。
[0029]更具体地，在图3所示的实施例中，低噪声放大器包括:共源结构MOS管201、共栅结构MOS管202、隔直电容203、接地电容205、输出电容209、跟随电容210、第一电感207、第二电感208、第一电阻204以及第二电阻206。其中，所述共源结构MOS管201的栅极，分别与所述隔直电容203、第一电阻204以及跟随电容210的一端相连接，所述隔直电容203的另一端连接于信号输入端口 RFin,所述第一电阻204的另一端连接于第一偏置电压输入端口 Vgl，偏置电路将通过所述第一偏置电压输入端口 Vgl为所述共源结构MOS管201提供栅极偏置电压，所述跟随电容210的另一端与所述第一电感207的一端相连接，然后二者共同接参考地，所述第一电感207的另一端连接于所述共源结构MOS管201的源极。
[0030]所述共源结构MOS管201的漏极和所述共栅结构MOS管202的源极相连接。
[0031 ] 所述共栅结构MOS管202的栅极，分别与所述第二电阻206和接地电容205的一端相连接，所述第二电阻206的另一端与第二偏置电压输入端口 Vg2连接，所述接地电容205的另一端接地，在所述共栅结构MOS管202的栅极形成一个交流接地点，偏置电路将通过所述第二偏置电压输入端口为所述共栅结构MOS管202提供栅极偏置电压。
[0032]所述共栅结构MOS管202的漏极，通过所述输出电容209连接于信号的输出端RFout，同时作为整个电路的电源端口通过所述第二电感208连接于外部电源VDD。其中，第二电感208起到抑制交流信号、通直流信号的作用，同时与所述输出电容209 —起可通过并联谐振形成一个LC选频网络。
[0033]优选地，所述MOS管进一步为N型MOS管。
[0034]为具体说明本实用新型实施例对低噪声放大器线性度的改善，以GPS低噪声放大器为例，采用DCS (Distributed Control System,即分散控制系统)信号1712.7MHz和PCS(Personal Communications Service,即个人通讯服务)信号1850MHz作为输入的双音测试信号。
[0035]2X1712.7MHz_1850MHz = 1575.4MHz (I)
[0036]根据公式(1)，它们的交调分量下边带1575.4MHz落在GPS频段，通过测试1575.4MHz的功率，即得到MD3。
[0037]输入三阶交调点`IIP3则是根据三阶交调分量值MD3外推计算得到的，计算公式如(2):
[0038]/")3 = Pinl + 士.- (/MD3 - Gain))( 2 )
[0039]图4是本实用新型实施例电路结构的双音测试结果，其三阶交调分量值是-91dBm，与现有技术图2的双音测试结果相比，可见MD3改善了 10dB。从图2和图4对比还能看出:放大器的增益降低了 1.2dB。根据前述公式(2)，可以计算得出，本实用新型实施例电路的ΠΡ3提高了 4.4dB。
[0040]图5是本实用新型实施例中两种低噪声放大器的噪声系数结果对比图，图中实线是图3所示的本实用新型电路结构的噪声系数，虚线是图1所示的现有技术的噪声系数。可见，有用频带内的噪声系数没有变化。因此，本实用新型实施例所设计的低噪声放大器不会对后继噪声系数产生影响。
[0041]图6是本实用新型的另一个实施例。考虑到在实际应用中，图2中第一电感207和跟随电容210的公共节点是通过键合线连接到地的，设计中必须把键合线的寄生电感(ESL，即等效串联电感)考虑进去。如图6所示，其与图2的电路结构基本相同，重复部分不再赘述，本实施例中主要考虑了键合线的寄生电感611，其电感值可以根据键合线的实际长度近似得到，通常在实际电路中，将其等效成0.5nH的电感是较为合理的。此时，共源结构MOS管的源极电感分成两部分，即串联的第一电感和键合线的寄生电感611。而跟随也对寄生电感611具有一定的影响，故考虑到寄生电感611的作用，可适当优化减小跟随电容的电容值。
[0042]本实用新型提供了一种低噪声放大器，通过在共源结构MOS管的栅极和参考地之间设置一个跟随电容，并折中优化其电容值来提高线性度。本实用新型的电路结构简单，功耗降低，能够有效提高输入三阶交调点IIP3，提高低噪声放大器的增益，而对接收系统中后级的噪声系数不产生影响，进而改善了线性度，能够从整体上优化低噪声放大器的性能。
[0043]上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种低噪声放大器，采用共源共栅结构，其特征在于，所述低噪声放大器中包括一个跟随电容，所述跟随电容的两端分别连接共源结构MOS管的栅极和地。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述跟随电容的电容值为0.3?0.5pF0
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器包括:共源结构MOS管、共栅结构MOS管、隔直电容、接地电容、输出电容、跟随电容、第一电感、第二电感、第一电阻以及第二电阻。
4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器中: 所述共源结构MOS管的栅极同时与所述隔直电容、第一电阻以及跟随电容的一端相连接，所述隔直电容的另一端连接信号输入端口，所述第一电阻的另一端连接于第一偏置电压输入端口，所述跟随电容的另一端与所述第一电感的一端相连接，然后二者共同接地，所述第一电感的另一端连接于所述共源结构MOS管的源极；所述共源结构MOS管的漏极和所述共栅结构MOS管的源极相连接； 所述共栅结构MOS管的栅极同时与所述第二电阻和所述接地电容的一端相连接，所述第二电阻的另一端与第二偏置电压输入端口连接，所述接地电容的另一端接地；所述共栅结构MOS管的漏极通过所述输出电容连接于信号的输出端，同时通过所述第二电感连接于外部电源。
5.如权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述跟随电容与所述第一电感的公共节点是键合线连接到地。
6.如权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述键合线的寄生电感的电感值等效为0.5nH。
7.如权利要求1-6中任一项所述的低噪声放大器，其特征在于，所述MOS管为NMOS管。
【文档编号】H03F1/32GK203377844SQ201320494747
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】黄清华, 王宇晨, 陈高鹏 申请人:锐迪科创微电子（北京）有限公司