一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的制作方法

本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其涉及一种工作于0.5～1.5ghz的宽带高输出阻抗匹配的低噪声放大器。

背景技术：

随着无线通信的发展，低噪声放大器成为现代无线通信、雷达、电子对抗、波束和成等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。如果在接收机系统前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器的增益足够高的情况下，就能抑制后级电路的噪声，整个接收机的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果接收机的噪声降低，那么灵敏度将大大提高，对于整个接收系统水平的提高，也起到了决定性的作用。

目前存在多种宽带低噪声放大器设计方法。全局负反馈结构可以缓和阻抗匹配和噪声系数之间严峻的折衷关系，但增益较低而需要多级级联，将会导致不稳定的问题。共栅放大器利用输入管的跨导实现宽带匹配，噪声系数与工作频率和带宽关系不大而相对平坦，电路具有极好的反向隔离性能和较高的线性度，但噪声系数较高。电阻并联反馈共源放大器降低输入端的品质因子从而实现带宽拓展和增益平坦化，但电阻本身会引入噪声，会恶化输入端的噪声特性。分布式放大器需要多晶体管级联和大量的电感，或需要高质量的传输线，增加了面积和功耗，提高了成本。

而且在传统波束合成中lna的输出阻抗对真延时单元的设计有很大影响。如果lna的输出阻抗在整个工作频率范围内变化起伏大，则会导致真延时单元的延时起伏在整个频带内变化不定，降低波束合成的效果。传统阻抗匹配的方法往往应用smith圆图，利用电感电容来实现阻抗匹配，但是这种方法存在一个严重的问题就是面积消耗比较大。因此如何权衡面积与输出阻抗间的问题变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器，具有高输出阻抗匹配能力，使得后级模块不会因前级模块的阻抗变化造成性能的变化，应用噪声抵消技术，具有较低的噪声，同时兼顾较高的线性度、高增益和较低的功耗。而且结构简单，具有较小的芯片面积。本发明采用cmos0.18um工艺实现，设计具有可复制性。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器，包括：输入匹配级、噪声抵消级和输出匹配级。输入匹配级采用cmos互补共栅结构，实现宽频内输入匹配，利用电路复用技术节省功耗。噪声抵消级利用共源共栅放大器和源跟随器的工作原理，抵消输入匹配器件的沟道热噪声，从而降低整个电路的噪声系数。输出匹配级采用负载为cmos管的源跟随器，实现宽频内稳定且优良的输出匹配。技术方案如下：

所述输入匹配级包括：第一晶体管(m1)、第二晶体管(m2)和第三晶体管(m3)；

其中，所述第一晶体管(m1)的栅极与第二晶体管(m2)的栅极、第一电阻(r1)的第一端、输入信号(in)和第四晶体管(m4)的栅极连接；

所述第二晶体管(m2)的漏极与第一晶体管(m1)的漏极、第一电阻(r1)的第二端和第一电容(c1)的第一端连接；

所述第二晶体管(m2)的源极与第三晶体管(m3)的漏极连接。

所述噪声抵消级包括：第四晶体管(m4)、第五晶体管(m5)和第六晶体管(m6)；

其中，所述第四晶体管(m4)的漏极与第五晶体管(m5)的源极连接；

所述第五晶体管(m5)的漏极与第二电容(c2)的第一端、第六晶体管(m6)的源极连接；

所述第六晶体管(m6)的栅极与第一电容(c1)的第二端和第二电阻(r2)的第一端连接。

所述输出匹配级包括：第七晶体管(m7)和第八晶体管(m8)；

其中，所述第七晶体管(m7)的漏极与第八晶体管(m8)的源极和输出信号(out)连接；

所述第八晶体管(m8)的栅极与第二电容(c2)的第二端和第三电阻(r3)的第一端连接。

所述第三晶体管(m3)的源极、第三晶体管(m2)的衬底、第二晶体管(m2)的衬底、第六晶体管(m6)的漏极、第八晶体管(m8)的漏极、和第二电阻(r2)的第二端和第三电阻(r3)的第二端均与第一电压源(v1)连接；

所述第三晶体管(m3)的栅极与第二电压源(v2)连接；

所述第五晶体管(m5)的栅极与第三电压源(v3)连接；

所述第七晶体管(m7)的栅极与第四电压源(v4)连接；

所述第一晶体管(m1)的源极、第一晶体管(m1)的衬底、第四晶体管(m4)的源极、第四晶体管(m4)的衬底、第五晶体管(m5)的衬底、第六晶体管(m6)的衬底、第七晶体管(m7)的源极、第七晶体管(m7)的衬底和第八晶体管(m8)的衬底均与接地端连接；

所述第二晶体管(m2)和第三晶体管(m3)均为pmos晶体管，其余均为nmos晶体管。

所述第一电压源(v1)提供直流偏置电压，且电压值为1.8v。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案的有益效果是：

(1)本发明采用噪声抵消技术，在宽带实现良好的输入匹配和较低的噪声。

(2)本发明具有高输出阻抗匹配能力，使得后级模块不会因本模块输出阻抗变化造成性能的变化。

(3)本发明中使用的器件主要包括mos管、电阻和电容，整体电路不含电感，从而节省芯片面积，降低了成本。

(4)本发明的实现采用主流cmos工艺，可以与普通采用cmos工艺的数字基带电路集成在同一块芯片上，容易实现片上系统集成。

(5)本发明采用深亚微米0.18umcmos工艺实现，1.8v低电源电压供电，其功耗消耗较低。

附图说明

图1是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的输入反射系数的仿真结果图。

图3是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的输出反射系数的仿真结果图。

图4是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的增益的仿真结果图；

图5是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的噪声系数的仿真结果图；

图6是本发明一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器的线性度的仿真结果图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器，具有高输出阻抗匹配能力，使得后级模块不会因前级模块的阻抗变化造成性能的变化，应用噪声抵消技术，具有较低的噪声，同时兼顾较高的线性度、高增益和较低的功耗。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

所述输入匹配级包括：第一晶体管m1、第二晶体管m2和第三晶体管m3；其中，所述第一晶体管m1的栅极与第二晶体管m2的栅极、第一电阻r1的第一端、输入信号in和第四晶体管m4的栅极连接；所述第二晶体管m2的漏极与第一晶体管m1的漏极、第一电阻r1的第二端和第一电容c1的第一端连接；所述第二晶体管m2的源极与第三晶体管m3的漏极连接。

本发明的实施例中，采用电阻并联反馈的电流复用结构，利用晶体管跨导提供输入阻抗，保证在较宽的频带内具有良好的输入匹配特性，且在相同的偏置电流下，层叠的nmos晶体管m1和pmos晶体管m2将单管跨导增大到两管跨导之和，在不增加功耗的情况下提高电路增益。该结构还能提高电路的鲁棒性，可以降低寄生效应、温度以及工艺变化对功率增益和输入阻抗匹配的影响。

所述噪声抵消级包括：第四晶体管m4、第五晶体管m5和第六晶体管m6；其中，所述第四晶体管m4的漏极与第五晶体管m5的源极连接；所述第五晶体管m5的漏极与第二电容c2的第一端、第六晶体管m6的源极连接；所述第六晶体管m6的栅极与第一电容c1的第二端和第二电阻r2的第一端连接。

本发明的实施例中，晶体管m1的热噪声在节点x与y产生同相的噪声电压，源跟随器m6将y点的噪声电压同相放大，共源共栅晶体管m4与晶体管m5将x点的噪声电压反相放大。在第二电容c2的第一端处被抵消。输入信号in在节点x与y产生反向的有用信号，源跟随器m6将y点的有用信号电压同相放大，共源共栅晶体管m4与晶体管m5将x点的有用信号电压反相放大。在第二电容c2的第一端处被同相叠加放大。在抵消噪声的同时，增大有用信号的增益。

所述输出匹配级包括：第七晶体管m7和第八晶体管m8；其中，所述第七晶体管m7的漏极与第八晶体管m8的源极和输出信号out连接；所述第八晶体管m8的栅极与第二电容c2的第二端和第三电阻r3的第一端连接。

本发明的实施例中，增加晶体管m7和晶体管m8用来做输出阻抗匹配，通过调节晶体管的宽长比控制晶体管m7和晶体管m8等效的电阻，使得晶体管m7和晶体管m8的等效电阻并联值为需要匹配的阻抗值，从而实现良好的阻抗匹配功能。

本发明的实施例中，所述第三晶体管m3的源极、第三晶体管m2的衬底、第二晶体管m2的衬底、第六晶体管m6的漏极、第八晶体管m8的漏极、和第二电阻r2的第二端和第三电阻r3的第二端均与第一电压源v1连接；所述第三晶体管m3的栅极与第二电压源v2连接；所述第五晶体管m5的栅极与第三电压源v3连接；所述第七晶体管m7的栅极与第四电压源v4连接；所述第一晶体管m1的源极、第一晶体管m1的衬底、第四晶体管m4的源极、第四晶体管m4的衬底、第五晶体管m5的衬底、第六晶体管m6的衬底、第七晶体管m7的源极、第七晶体管m7的衬底和第八晶体管m8的衬底均与接地端连接。

本文采用华宏cmos0.18um工艺，利用cadencerfspectre对电路进行仿真验证。

图2为本发明所述宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器输入反射系数的仿真结果。由此可以看出，在0.5～1.5ghz频带范围内，s11<-15，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内实现了良好的输入匹配。

图3为本发明所述宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器输出反射系数的仿真结果。由此可以看出，在0.5～1.5ghz频带范围内，s22<-34，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内实现了良好的输出匹配。

图4为本发明所述宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器噪声系数的仿真结果。由此可以看出，在0.5～1.5ghz频带范围内，噪声系数在3.64～3.78db，表明本发明的低噪声放大器在整个频带内具有良好的噪声系数。

图5为本发明所述宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器增益的仿真结果。由此可以看出，s21的单位是10.2db～11.6db，表明本发明的低噪声放大器具有较高的增益。

图6为本发明所述宽带输出阻抗稳定的低噪声放大器线性度的仿真结果。在频率为1ghz时输处1db压缩点为-3.21411dbm，表明本发明的低噪声放大器具有良好的线性度。

以上实施例仅用以说明本发明的电路结构，而非对其限制。此外，根据上述配置的示例性实施方式可有本领域技术人员理解和实施；可以对前述各实施例所记载的电路结构进行修改，或者对其中部分电路结构进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应电路结构的本质脱离本发明各实施例技术方案的基本特征。本发明的范围应根据权利要求来解释。