一种可变增益低噪声放大器的制作方法

本发明涉及射频前端电路设计技术领域，特别是涉及一种可变增益低噪声放大器。

背景技术

lna(lownoiseamplifier，低噪声放大器)作为射频接收机关键模块，其增益对接收系统灵敏度及动态范围至关重要，可变增益的低噪声放大器的设计可改善系统动态范围、简化系统设计、降低系统成本，因此需要优化设计。

图1为一种传统低噪声放大器的结构示意图。如图1所示，该传统低噪声放大器(lna)包括输入放大电路10、输出放大电路20、偏置电路30。其中，输入放大电路10由nmos管mmt、输入耦合电容cg、补偿电容cex以及反馈电感ls组成，用于将输入信号rfin进行初步放大；输出放大电路20由nmos管mo、输出耦合电容co、偏置电阻rb1以及负载电感ld、负载电容cd组成，用于将输入放大电路10的输出进一步放大并输出rfout信号至后续电路；偏置电路30由偏置电感lg或偏置电阻rb2组成，用于给nmos管mmt提供偏置电压。

图2为一种传统传统电流复用低噪声放大器的结构示意图，如图2所示，该传统传统电流复用低噪声放大器(lna)在输入放大电路10和输出放大电路20间还包含一级间耦合电路40，其由级间耦合电容cc、阻塞电感li、接地电容cgnd组成，用于将输入放大电路10的输出传输至输出放大电路20的输入端并进行电流复用。

具体地，输入信号rfin连接至输入耦合电容cg的一端，输入耦合电容cg的另一端连接至偏置电感lg或偏置电阻rb2(电流复用lna)的一端、补偿电容cex的一端、nmos管mmt的栅极，偏置电感lg或偏置电阻rb2(电流复用lna)的另一端连接至偏置电压vb，nmos管mmt的源极连接反馈电感ls的一端和补偿电容cex的另一端，反馈电感ls的另一端连接至地，nmos管mmt的漏极连接至nmos管mo的源极和衬底或通过阻塞电感li连接至nmos管mo的源极和衬底(电流复用lna)，nmos管mo的栅极通过偏置电阻rb1连接至电源vdd，nmos管mo的漏极通过负载电感ld、负载电容cd连接至电源vdd，nmos管mo的漏极通过输出耦合电容co连接至输出端rfout。传统电流复用低噪声放大器(lna)的级间电容cc连接在nmos管mo的栅极和nmos管mmt的漏极间，接地电容cgnd则连接在nmos管mo的源极和地间提供交流通路。

然而，图1的传统低噪声放大器(lna)使用电感做负反馈，增益较低，不适用于低功耗应用；图2的传统电流复用低噪声放大器(lna)虽然增益高，但是其增益不可控，无法自由切换。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种可变增益低噪声放大器，以实现一种电流复用可控选择增益模式的低功耗增益可编程变化的低噪声放大器。

为达上述及其它目的，本发明提出一种可变增益低噪声放大器，包括：

输入放大电路，用于将输入信号rfin进行初步放大；

输出放大电路，用于将所述输入放大电路的输出进一步放大并输出rfout信号至后续电路；

偏置电路，用于给所述输入放大电路的输入放大管提供偏置电压；

开关模块，用于在增益模式控制电压cr的控制下选择增益模式，并在增益控制电压vc的控制下连续调节所述输出放大电路的增益。

优选地，所述开关模块在所述增益模式控制电压cr的控制下选择将所述输入放大电路输出的射频信号连接至所述输出放大电路的nmos管栅极或源极以组成不同的增益模式，并在所述增益控制电压vc的控制下连续调节输出放大电路的增益。

优选地，所述开关模块实现电流复用模式控制可选，使电路工作于单级放大低增益及电流复用双级放大高增益模式。

优选地，采用串联-串并联射频开关结构的射频单刀双掷开关，其并联支路接地或电源，并联支路栅端接所述增益控制电压vc，分流控制所述低噪声放大器的偏置电流，控制增益连续变化。

优选地，所述输入放大电路的输入放大管mmt的漏极连接至所述开关模块的射频单刀双掷开关的公共端口a，所述射频单刀双掷开关的第一输出口b连接至所述输出放大电路的nmos管的源极和衬底，所述射频单刀双掷开关的第二输出口c通过耦合电容cc连接至所述输出放大电路的nmos管的栅极，增益模式控制电压cr连接至所述射频单刀双掷开关的控制端，所述射频单刀双掷开关第一输出口还通过所述并联支路接地或电源，所述并联支路栅端接所述增益控制电压vc。

优选地，所述开关模块包括电平位移器ls1、第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2、并联开关支路sw3以及阻塞电感li和其寄生电阻ri，所述增益控制电压vc连接至所述并联开关支路sw3的控制端，所述并联开关支路的一射频端连接至所述射频单刀双掷开关的第一输出口b，所述并联开关支路的另一射频端接电源或地，所述增益模式控制电压cr连接至所述电平位移器ls1的输入端，所述电平位移器ls1的第一输出连接至所述射频单刀双掷开关的第一串联开关支路sw1的控制端，所述电平位移器ls1的第二输出连接至所述射频单刀双掷开关的第二串联开关支路sw2的控制端,所述第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2串联在第一输出口b与第二输出口c之间，其中间节点连接公共端口a，阻塞电感li的一端连接所述射频单刀双掷开关的公共端口a，阻塞电感li的另一端通过其寄生电阻ri连接至所述射频单刀双掷开关的第一输出口b。

优选地，所述第一串联开关支路sw1包括公共控制电阻rc1、第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1、第一至第n漏源电阻rds11～rdsn1、第一至第nnmos开关管msw11～mswn1以及第一至第n体区偏置二极管pdio11～pdion1，第二串联开关支路sw2包括公共控制电阻rc2、第一至第n栅极控制电阻rg12～rgn2、第一至第n漏源电阻rds12～rdsn2、第一至第nnmos开关管msw12～mswn2以及第一至第n体区偏置二极管pdio12～pdion2，所述并联开关支路sw3包括公共控制电阻rc3、第一至第n栅极控制电阻rg13～rgn3、第一至第n漏源电阻rds13～rdsn3、第一至第nnmos开关管msw13～mswn3以及第一至第n体区偏置二极管pdio13～pdion3组成，所述第一串联开关支路sw1与第二串联开关支路sw2及并联开关支路sw3的第一至第nnmos开关管依次级联，所述第一串联开关支路sw1的第一nmos开关管msw11漏极接第一输出口b，第nnmos开关管mswn1源极接公共端口a及第二串联开关支路sw2，所述第二串联开关支路sw2的第一nmos开关管msw12漏极接第二输出口c，第nnmos开关管mswn2源极接公共端口a及第二串联开关支路的第nnmos开关管mswn1源极，所述并联开关支路sw3的第一nmos开关管msw13漏极接第一输出口b，第nnmos开关管mswn3源极电源电压vdd或地gnd，第一串联开关支路sw1与第二串联开关支路sw2的公共电阻rc1、rc2的一端连接至电平位移器ls1，并联开关支路sw3的公共电阻rc3一端连接至增益控制电压vc，各公共电阻rc1/rc2/rc3的另一端连接各自第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1/rg12～rgn2/rg13～rgn3的公共端，第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1/rg12～rgn2/rg13～rgn3的另一端分别连接至第一至第nnmos开关管msw11～mswn1/msw12～mswn2/msw13～mswn3的栅极，第一至第n漏源电阻rds11～rdsn1/rds12～rdsn2/rds13～rdsn3分别连接至相应的nmos开关管漏极和源极之间，第一至第n体区偏置二极管pdio11～pdion1/pdio12～pdion2/pdio13～pdion3分别连接至相应的nmos开关管的栅极和体区之间。

优选地，所述开关模块的各开关支路的级联数目可相同或不同。

优选地，当增益模式控制电压cr＝0时，第二串联开关支路sw2关断，该串联支路表现为关断电容coff，第一串联开关支路sw1开启，该串联支路表现为导通小电阻ron，电路工作为单级共源共栅放大器，为低增益模式，所述并联开关支路sw3等效为可变电阻，所述增益控制电压vc控制放大器工作电流连续变化实现增益连续可变。

优选地，当增益模式控制电压cr＝1时第一串联开关支路sw1关断，该串联支路表现为关断电容coff，与阻塞电感li谐振以提供电流复用所需级间射频阻塞，所述阻塞电感li同时还提供电流复用直流通路，所述第二串联开关支路sw2开启，该串联支路表现为导通小电阻ron，该导通小电阻ron与耦合电容cc串联实现rf信号耦合，电路工作为电流复用模式，等效两级放大器级联，为高增益模式，所述并联开关支路sw3等效为可变电阻，所述增益控制电压vc控制放大器工作电流连续变化实现增益连续可变。

与现有技术相比，本发明一种可变增益低噪声放大器通过引入射频开关控制技术，使得电流复用可选、增益模式可控，增益可变，实现了一种电流复用可控选择增益模式的低功耗增益可编程变化的低噪声放大器，有助于简化系统设计、降低系统成本。

附图说明

图1为一种传统低噪声放大器的结构示意图；

图2为一种传统传统电流复用低噪声放大器的结构示意图；

图3为本发明一种可变增益低噪声放大器的结构示意图；

图4为本发明中开关模块40的细部结构图；

图5为本发明具体实施例中射频单刀双掷开关的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2和并联开关支路sw3的细部结构图；

图7a与图7b分别为本发明具体实施例中增益模式控制电压cr为0与为1时的等效电路图；

图8为本发明具体实施例的仿真示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种可变增益低噪声放大器的结构示意图。如图3所示，本发明一种可变增益低噪声放大器包括输入放大电路10、输出放大电路20、偏置电路30以及开关模块40。

其中，输入放大电路10由nmos管mmt、输入耦合电容cg、输入匹配电感lg、补偿电容cex以及反馈电感ls组成，用于将输入信号rfin进行初步放大；输出放大电路20由nmos管mo、输出耦合电容co、偏置电阻rb1、耦合电容cc以及负载电感ld、负载电容cd组成，用于将输入放大电路10的输出进一步放大并输出rfout信号至后续电路；偏置电路30由偏置电阻rb2组成，用于给输入放大管nmos管mmt提供偏置电压；开关模块40为串联-串并联射频开关结构的射频单刀双掷开关rfspdt，该串联-串并联射频开关结构用于在增益模式控制电压cr的控制下选择增益模式，即在增益模式控制电压cr的控制下用于选择将输入放大电路10输出的射频信号连接至输出放大电路20的nmos管mo栅极或源极以组成不同的增益模式，并在增益控制电压vc的控制下连续调节输出放大电路20的增益。

输入信号rfin连接至输入耦合电容cg的一端，输入耦合电容cg的另一端连接至偏置电阻rb2的一端和输入匹配电感lg的一端，偏置电阻rb2的另一端接偏置电压vb，输入匹配电感lg的另一端连接至补偿电容cex的一端以及nmos管mmt的栅极，nmos管mmt的源极和衬底连接反馈电感ls的一端和补偿电容cex的另一端，反馈电感ls的另一端连接至地，nmos管mmt的漏极连接至开关模块40的射频单刀双掷开关rfspdt的公共端口a，射频单刀双掷开关rfspdt的第一输出口b连接至nmos管mo的源极和衬底，射频单刀双掷开关rfspdt的第二输出口c通过耦合电容cc连接至nmos管mo的栅极，nmos管mo的栅极还通过偏置电阻rb1连接至电源vdd，nmos管mo的漏极通过负载电感ld、负载电容cd连接至电源vdd，nmos管mo的漏极通过输出耦合电容co连接至输出端rfout，增益控制电压vc连接至开关模块40的并联开关支路sw3的控制端，并联开关支路sw3的一射频端连接至射频单刀双掷开关rfspdt的第一输出口b，并联开关支路sw3的另一射频端接电源或地(vdd/gnd)。

图4为本发明中开关模块40的细部结构图，图5则为本发明具体实施例中射频单刀双掷开关的结构示意图，如图4及图5所示，电平位移器ls1、第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2、并联开关支路sw3以及阻塞电感li和其寄生电阻ri组成射频单刀双掷开关rfspdt，输入射频信号连接至公共端口a，b为第一输出口，c为第二输出口，增益模式控制电压cr连接至电平位移器ls1的输入端，第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2串联在第一输出口b与第二输出口c之间，其控制端均由电平位移器ls1控制，即电平位移器ls1的第一输出连接至射频单刀双掷开关rfspdt的第一串联开关支路sw1的控制端，电平位移器ls1的第二输出连接至射频单刀双掷开关rfspdt的第二串联开关支路sw2的控制端，公共端口a连接至第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2之间的中间节点，阻塞电感li的一端连接射频单刀双掷开关rfspdt的公共端口a，阻塞电感li的另一端通过其寄生电阻ri连接至射频单刀双掷开关rfspdt的第一输出口b，增益模式控制电压cr连接至射频单刀双掷开关rfspdt的控制端，在第一输出口b还并联有并联开关支路sw3，增益控制电压vc连接至并联开关支路sw3的控制端。

图6为本发明具体实施例中第一串联开关支路sw1、第二串联开关支路sw2和并联开关支路sw3的细部结构图。如图6所示，第一串联开关支路sw1由公共控制电阻rc1、第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1、第一至第n漏源电阻rds11～rdsn1、第一至第nnmos开关管msw11～mswn1以及第一至第n体区偏置二极管pdio11～pdion1组成，第二串联开关支路sw2由公共控制电阻rc2、第一至第n栅极控制电阻rg12～rgn2、第一至第n漏源电阻rds12～rdsn2、第一至第nnmos开关管msw12～mswn2以及第一至第n体区偏置二极管pdio12～pdion2组成，并联开关支路sw3由公共控制电阻rc3、第一至第n栅极控制电阻rg13～rgn3、第一至第n漏源电阻rds13～rdsn3、第一至第nnmos开关管msw13～mswn3以及第一至第n体区偏置二极管pdio13～pdion3组成，具体地，第一串联开关支路sw1与第二串联开关支路sw2及并联开关支路sw3的第一至第nnmos开关管依次级联，以第一串联开关支路sw1为例，即第一至第nnmos开关管msw11～mswn1中的各nmos开关管依次级联，第一nmos开关管msw11漏极接第一输出口b，源极接第二nmos开关管msw21漏极，第二nmos开关管msw21源极接第三nmos开关管msw31漏极，…第nnmos开关管mswn1源极接公共端口a及第二串联开关支路sw2，这里需说明的是，第二串联开关支路sw2的第一nmos开关管msw12漏极接第二输出口c，第nnmos开关管mswn2源极接公共端口a及第二串联开关支路的第nnmos开关管mswn1源极，并联开关支路sw3的第一nmos开关管msw13漏极接第一输出口b，第nnmos开关管mswn3源极电源电压vdd或地gnd。

第一串联开关支路sw1与第二串联开关支路sw2的公共电阻rc1、rc2的一端连接至电平位移器ls1，并联开关支路sw3的公共电阻rc3一端连接至增益控制电压vc，各公共电阻rc1/rc2/rc3的另一端连接各自第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1/rg12～rgn2/rg13～rgn3的公共端，第一至第n栅极控制电阻rg11～rgn1/rg12～rgn2/rg13～rgn3的另一端分别连接至第一至第nnmos开关管msw11～mswn1/msw12～mswn2/msw13～mswn3的栅极，第一至第n漏源电阻rds11～rdsn1/rds12～rdsn2/rds13～rdsn3分别连接至相应的nmos开关管漏极和源极之间，第一至第n体区偏置二极管pdio11～pdion1/pdio12～pdion2/pdio13～pdion3分别连接至相应的nmos开关管的栅极和体区之间。开关支路当然也可以使用其他形式的结构，各支路级联数目也不一定相同，在此不予赘述。

在本发明具体实施例之串联-串并联射频开关结构中，cr＝1时为高增益模式，cr＝0时为低增益模式，具体说明如下：

当cr＝1时，串并联中第一串联开关支路sw1断开，在公共端口a和第一输出口b间表现为关断电容coff，该coff并联阻塞电感li和其寄生电阻ri后为nmos管mo提供电流复用dc通路，阻塞电感li和其寄生电阻ri与第一串联开关支路sw1的关断电容coff谐振提供电流复用所需的级间射频阻塞，可以减小对阻塞电感感值的要求，节省面积；并联支路由独立连续电压vc控制，等效为可变电阻支路分dc电流实现增益连续可变；

图7a与图7b分别为本发明具体实施例中增益模式控制电压cr为0与为1时的等效电路图。

cr＝0：第二串联开关支路sw2关断，该串联支路表现为关断电容coff，coff为小电容，等效为rf开路，第一串联开关支路sw1开启，该串联支路表现为导通小电阻ron，该小电阻ron短路阻塞电感li，电路工作为单级共源共栅放大器，为低增益模式，并联开关支路sw3等效为可变电阻rvga，控制电压vc控制放大器工作电流连续变化实现增益连续可变；

cr＝1：第一串联开关支路sw1关断，该串联支路表现为关断电容coff，coff为小电容，与阻塞电感li谐振以提供电流复用所需级间射频阻塞，阻塞电感li同时还提供电流复用dc通路，第二串联开关支路sw2开启，该串联支路表现为导通小电阻ron，电阻ron与耦合电容cc串联实现rf信号耦合，电路工作为电流复用模式，等效两级放大器级联，为高增益模式，并联开关支路sw3等效为可变电阻rvga，控制电压vc控制放大器工作电流连续变化实现增益连续可变。

图8为本发明具体实施例的仿真示意图。如图8所示，可见，本发明通过增益模式控制电压cr控制选择切换高低增益模式，高增益最大为27.3db，可变增益范围为18.33-27.3，约9db可变控程连续变化，低增益最大为17.99db，可变增益范围为17.99-8.78，约9.2db可变控程连续变化，低噪声系数nf＝1db-2.4db，可见本发明实现了一种电流复用可控选择增益模式的低功耗增益可编程变化的低噪声放大器。

综上所述，本发明一种可变增益低噪声放大器通过引入射频开关控制技术，使得电流复用可选、增益模式可控，增益可变，实现了一种电流复用可控选择增益模式的低功耗增益可编程变化的低噪声放大器，有助于简化系统设计、降低系统成本，本发明可适用于低功耗应用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。