專利名稱：一種放大器及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種放大器及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
近年來，無線通信是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一。無線通信技術(shù)的總趨勢(shì)是高速化、 大帶寬。而未來的短距離無線通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)“任何人，任何時(shí)間，任何地點(diǎn)”的連接性，就 要求綜合現(xiàn)在和未來無線通信系統(tǒng)，包括廣域網(wǎng)(WANs)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線個(gè)域網(wǎng) (WPAN)、無線體域網(wǎng)(WBAN)、移動(dòng)自組織網(wǎng)(ad-hoc)和家庭網(wǎng)等。可以連接各種不同的設(shè) 備，包括計(jì)算機(jī)和各種娛樂設(shè)備。在各種無線通信技術(shù)中，包括IEEE 802. IUIEEE 802.15、 藍(lán)牙(Bluetooth)、家庭射頻(Home RF)等，新興的超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn) WPAN的首選技術(shù)。UffB是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因 此其占用的頻譜范圍很寬，一般認(rèn)為-10增益(dB)相對(duì)帶寬超過25%，或者-IOdB絕對(duì)帶 寬超過500MHz，就稱為超寬帶。UffB技術(shù)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，利用頻譜極寬的超短脈沖進(jìn) 行通信，主要用于軍用雷達(dá)、定位和通信系統(tǒng)中。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)此項(xiàng)新技術(shù) 進(jìn)行反復(fù)論證，認(rèn)為超寬帶系統(tǒng)可以在3. IGHz 10. 6GHz之間以有限功率運(yùn)行，并于2002 年2月14號(hào)正式批準(zhǔn)了將UWB技術(shù)應(yīng)用于民用通信的議案。超寬帶有別于其他現(xiàn)存的一 些通信技術(shù)，其最根本的區(qū)別在于無需載波，可以直接發(fā)射沖激脈沖序列，因而具有很寬的 頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，提高頻譜利用率，大大降低了發(fā)射和接收 設(shè)備的復(fù)雜性。UWB的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下八方面(1)無需載波；(2)功耗低；(3)傳輸速 率高；(4)隱蔽性好，安全性高；(5)多徑分辨能力強(qiáng)；(6)系統(tǒng)容量大；(7)高精度的距離 分辨力；(8)穿透能力強(qiáng)。因此，超寬帶技術(shù)在高速無線個(gè)人網(wǎng)(HDR-WPAN)、無線以太網(wǎng)接 口鏈路(WEIL)、智能天線區(qū)域網(wǎng)(IWAN)、室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(OPPN)、傳感器、定位和識(shí)別網(wǎng)絡(luò) (SPIN)領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。在超寬帶接收機(jī)系統(tǒng)中，低噪聲放大器(low noise amplifier，簡(jiǎn)稱LNA)是接收 前端的最重要模塊之一。它處于天線和射頻濾波器后的第一級(jí)，必須對(duì)射頻濾波器表現(xiàn)為 一個(gè)50歐姆(Ω)的負(fù)載特性，以保證最大的功率傳輸，其噪聲特性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的 噪聲性能，進(jìn)而決定接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)工作范圍。與普通放大器相比，低噪聲放大器一 方面可以減小系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面可以放大系統(tǒng)的信號(hào)，保證系 統(tǒng)工作的正常運(yùn)行。低噪聲放大器的性能不僅制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，而且，對(duì)于整個(gè) 接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。因此，研制合適的高性能、更低噪聲的放 大器，已經(jīng)成為超寬帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容之一。低噪聲放大器的研究己經(jīng)比較成熟，UWB LNA伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)特別是CMOS工藝 的進(jìn)步而得到飛速的發(fā)展，目前的難點(diǎn)和熱點(diǎn)在于如何適應(yīng)無線通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是 如何適應(yīng)超寬帶技術(shù)及3G技術(shù)的要求，提高低噪聲放大器的噪聲性能、線性度和帶寬，進(jìn)一步降低電壓和功耗，實(shí)現(xiàn)單片集成；由于UWB系統(tǒng)有著廣闊的市場(chǎng)前景，因此設(shè)計(jì)高性能 的超寬帶LNA是很有價(jià)值的研究。在超寬帶接收機(jī)中，超寬帶低噪聲放大器必須向下一級(jí)電路(混頻器)輸出適當(dāng) 的信號(hào)。信號(hào)過小，混頻器無法檢測(cè)；信號(hào)過大，又會(huì)對(duì)混頻器造成過載，使線性度惡化。而 LNA從天線接收到的信號(hào)是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的，這就要求LNA的增益可控。其次，具有增益可調(diào)功 能，能做出各種參數(shù)的不同折中，能適用實(shí)際應(yīng)用中的多種需要，具有更大的靈活性。再次， 增益和功耗有一定的關(guān)系，具有增益可調(diào)功能的低噪聲放大器能很好地降低功耗。目前窄 帶的增益可調(diào)低噪聲放大器已存在，但目前還沒有實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬下的具有連續(xù)增益可調(diào) 功能的低噪聲放大器?，F(xiàn)有的增益可調(diào)技術(shù)有以下四種1.旁路選擇(Switched Gain)旁路選擇的方式，是一種離散的的增益控制，一般是通過一個(gè)高增益模式和一個(gè) 低增益模式，適合于窄帶和寬帶。這種方法可以通過控制端的通斷來實(shí)現(xiàn)寬范圍的增益可 調(diào)，但缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的增益控制。2.反饋(Feedback Techniques)采用反饋結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器的增益跟反饋?zhàn)杩褂嘘P(guān)，所以通過調(diào)節(jié)反饋?zhàn)杩箍?以實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)連續(xù)增益變化；缺點(diǎn)是目前只應(yīng)用在窄帶中，如果應(yīng)用 于超寬帶中，在增益變化時(shí)帶內(nèi)增益平坦度會(huì)惡化，且變化范圍比較小，噪聲系數(shù)不是特別 好，增益變化時(shí)功耗會(huì)增加。3.(Current Splitting)電流分離技術(shù)實(shí)質(zhì)上采用的吉爾伯特是(Gilbert)結(jié)構(gòu)(一種電路結(jié)構(gòu))，當(dāng) 控制電壓VC從小到大變化時(shí)，在所控制的場(chǎng)效應(yīng)管(CMOS，ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，電壓控制的一種放大器件)。沒開啟之前，相當(dāng) 于斷路，增益為最大，開啟之后VC繼續(xù)增大，流經(jīng)此CMOS管的漏極電流會(huì)慢慢增加，但此電 流與放大器的輸出電流之和不變，所以輸出電流會(huì)變小，增益會(huì)逐漸減小，故又稱電流分離 技術(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)連續(xù)增益變化，且功耗不變；缺點(diǎn)是目前只應(yīng)用在窄帶 中，如果應(yīng)用于超寬帶中，與反饋技術(shù)相比在增益變化時(shí)帶內(nèi)增益平坦度會(huì)惡化更加嚴(yán)重， 且變化范圍比較小。4.分布式放大器分布式放大器(Distributed Amplifiers)具有優(yōu)越的寬帶頻率特性，另外還具有 良好的輸入輸出阻抗匹配特性。但是，分布式放大器采用了多個(gè)放大器，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 使得芯片面積很大，功耗較高，不符合現(xiàn)在電路低功耗低電壓趨勢(shì)。5.改變偏置改變偏置的方法實(shí)質(zhì)上是控制輸入管跨導(dǎo)，或者是控制放大管的跨導(dǎo)，這種方法 雖然容易實(shí)現(xiàn)，但會(huì)影響輸入匹配和增益平坦度，且難以精確控制。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬下的具有連續(xù)增益可調(diào)功能的低噪聲放 大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種放大器及其實(shí)現(xiàn)方法，用以實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬下的具有連 續(xù)增益可調(diào)功能的低噪聲放大器。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種放大器包括輸入匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；以及將所述放大器的 輸入信號(hào)輸出給增益可調(diào)放大電路單元；增益可調(diào)放大電路單元，用于對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的 信號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及接收輸入的控制電壓，并通過所述控制電壓，調(diào)整所述 放大器的增益；輸出匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配；以及，將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路 單元處理后得到的信號(hào)輸出。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種放大器的實(shí)現(xiàn)方法包括通過輸入匹配電路單元實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；通過增益可調(diào)放大電路單元對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，以及利用輸入的控制電 壓，調(diào)整所述放大器的增益；通過輸出匹配電路單元實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配，以及將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路單 元處理后得到的信號(hào)輸出。本發(fā)明實(shí)施例中，輸入匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；以及 將所述放大器的輸入信號(hào)輸出給增益可調(diào)放大電路單元；增益可調(diào)放大電路單元，用于對(duì) 所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的信號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及輸入 控制電壓，并通過所述控制電壓，調(diào)整所述放大器的增益；輸出匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸 出阻抗匹配；以及，將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路單元處理后得到的信號(hào)輸出。從而實(shí)現(xiàn)了 具有增益連續(xù)可調(diào)的應(yīng)用于超寬帶的低噪聲放大器。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A為本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS管Ml的噪聲源示意圖；圖2B為本發(fā)明實(shí)施例提供的CMOS管Ml的噪聲等效電路示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的N溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體(NM0S， N-Mental-Oxide-Semiconductor)；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的電路的仿真結(jié)果示意圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有各種低噪聲放大器的性能對(duì)比示意圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種放大器的實(shí)現(xiàn)方法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提供了一種低噪聲放大器及其實(shí)現(xiàn)方法，用以實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬下的 具有連續(xù)增益可調(diào)功能的低噪聲放大器。本發(fā)明實(shí)施例所述的超寬帶帶寬，是指3GHz 5GHz范圍的帶寬。本發(fā)明實(shí)施例涉及場(chǎng)效應(yīng)管(CMOS，ComplementaryMetal OxideSemiconductor) 射頻集成電路領(lǐng)域，具體說是實(shí)現(xiàn)一種工作在3GHz 5GHz的具有增益連續(xù)可調(diào)的CMOS超 寬帶低噪聲放大器，該放大器電路采用兩極的共源共柵電路結(jié)構(gòu)，采用二階切比雪夫?yàn)V波 器作為輸入，源極跟隨器作為輸出，在帶內(nèi)獲得了良好的輸入輸出匹配和噪聲性能。通過控 制第二級(jí)放大電路的偏置電流，獲得了 36dB的連續(xù)增益可調(diào)，并且不影響輸入輸出匹配。為了實(shí)現(xiàn)超寬帶低噪聲放大器連續(xù)增益可調(diào)，且輸入輸出匹配，以及增益平坦度 不惡化的功能，本發(fā)明實(shí)施例提供的電路避免了現(xiàn)有增益可調(diào)技術(shù)的不足，即在LNA工作 頻帶在3GHz 5GHz的第一代超寬帶系統(tǒng)中，在增益變化過程中，不影響輸入輸出匹配，增 益平坦度也沒有惡化，且各方面性能也比其他超寬帶低噪聲放大器要好得多。本發(fā)明實(shí)施例提供的低噪聲放大器的電路如圖1所示，總體包括四個(gè)部分輸入匹配單元采用二階切比雪夫?yàn)V波器，可以達(dá)到良好的反射系數(shù)及噪聲系數(shù)。放大電路單元采用兩級(jí)共源共柵結(jié)構(gòu)。第一級(jí)放大電路，主要是為了實(shí)現(xiàn)良好的輸入匹配，抑制米勒(Miller)效應(yīng)，實(shí) 現(xiàn)更高的反向隔離度和更好的噪聲性能。第二級(jí)放大電路，為增益控制電路，通過控制電路第二級(jí)的偏置電流(第二級(jí)放 大電路工作在放大狀態(tài)下的漏極電流)而控制整個(gè)電路的增益，并在增益變化的時(shí)候保持 很好的增益平坦度和反向隔離度，同時(shí)沒有影響輸入輸出匹配。輸出匹配單元輸出緩沖器，采用源級(jí)跟隨器(一種放大電路)匹配50Ω的負(fù)載。偏置電路單元采用的是電流鏡。參見圖1，下面給出該圖所示電路的具體單元和計(jì)算仿真結(jié)果的說明。一、具體單元1、輸入匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；以及將放大器的輸 入信號(hào)輸出給增益可調(diào)放大電路單元中的第一級(jí)放大電路單元。輸入匹配電路單元，通過場(chǎng)效應(yīng)管Ml與第一級(jí)放大電路單元相連。在超寬帶LNA設(shè)計(jì)中，利用電感電容(LC)階梯網(wǎng)絡(luò)作為輸入可以在很寬的帶寬內(nèi) 獲得很好的功率和噪聲匹配。本發(fā)明實(shí)施例采用二階切比雪夫?yàn)V波器作為輸入匹配電路單元，相比于三階切比 雪夫?yàn)V波器，能達(dá)到更優(yōu)的噪聲性能，而且減小了芯片面積。圖1所示電路的輸入阻抗為
Γηηβ- Ζ. = Ls Il ———l· Ls H-----l· a>TL，
_3」m g CgdS ^ {Cp+Cgs)s T s 其中，Lg表示CMOS管Ml的柵極電感；S是拉普拉斯變換中的復(fù)變量Cgd表示CMOS 管Ml的柵漏電容；LS表示CMOS管Ml的源極電感；Cgs表示CMOS管Ml的柵源電容；《表
7示CMOS管Ml的截止頻率。并且，ωT = gm/ (Cgs+Cp) = gm/Ct，其中，gm 表示 CMOS 管 Ml 的跨導(dǎo);Ct = Cgs+Cp。Zin的實(shí)部(OtLs = Rs = 50 Ω，但是由于CMOS管Ml的柵漏電容Cgd的存在，因此在 設(shè)計(jì)超寬帶低噪聲放大器的時(shí)候，要使實(shí)部比《TLS小，所以CMOS管Ml的源極電感Ls要稍 大于Rs/ωT，Zin的諧振由LgiP Cgd+Ct/(I-O2LsCt)決定，其中ω表示頻率，所以Lg要設(shè)置成 比L1-Ls大些，Ct比C1-Cgd小點(diǎn)。這樣就很容易利用切比雪夫?yàn)V波器在3GHz 5GHz頻帶內(nèi) 實(shí)現(xiàn)近似50 Ω的輸入阻抗。2、增益可調(diào)放大電路單元，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的信 號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及輸入控制電壓，并通過控制電壓，調(diào)整所述放大器的增
權(quán)利要求
一種放大器，其特征在于，該放大器包括輸入匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；以及將所述放大器的輸入信號(hào)輸出給增益可調(diào)放大電路單元；增益可調(diào)放大電路單元，用于對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的信號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及接收輸入的控制電壓，并通過所述控制電壓，調(diào)整所述放大器的增益；輸出匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配；以及，將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路單元處理后得到的信號(hào)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述增益可調(diào)放大電路單元包括第一級(jí)放大電路單元，用于對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的信號(hào)輸 出給第二級(jí)放大電路單元；第二級(jí)放大電路單元，用于對(duì)所述第一級(jí)放大電路單元輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理，并 將處理后得到的信號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及輸入控制電壓，并通過所述控制電壓， 調(diào)整所述放大器的增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其特征在于，所述輸入匹配電路單元，為二階切比雪 夫?yàn)V波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器，其特征在于，所述第一級(jí)放大電路單元和所述第二 級(jí)放大電路單元，采用共源共柵源極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器，其特征在于，所述輸入匹配電路單元，通過場(chǎng)效應(yīng)管 Ml與所述第一級(jí)放大電路單元相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大器，其特征在于，所述第一級(jí)放大電路包括場(chǎng)效應(yīng)管Ml 和M2、電感Ld、電阻Rd、電容C2 ；電感Ld與電阻Rd相連，電阻Rd與場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏級(jí)相連，所述放大器的供電電壓從 電感Ld輸入，電容C2的一端與場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏級(jí)和電阻Rd相連，電容C2的另一端與所述 第二級(jí)放大電路單元相連；第一級(jí)放大電路對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理后，將處理后得到的信號(hào)通過電容C2輸 出給第二級(jí)放大電路單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的放大器，其特征在于，所述第二級(jí)放大電路包括場(chǎng)效應(yīng)管M3 和M4、電感Lp電阻& ；場(chǎng)效應(yīng)管M3和場(chǎng)效應(yīng)管M4相連，所述第一級(jí)放大電路輸出的信號(hào)從場(chǎng)效應(yīng)管M3的柵 極輸入，控制電壓從場(chǎng)效應(yīng)管M4的柵極輸入，場(chǎng)效應(yīng)管M4的漏級(jí)與電阻Rl相連；電感LL與 電阻&相連，所述放大器的供電電壓從電感k輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一權(quán)項(xiàng)所述的放大器，其特征在于，該放大器還包括偏置電路單元，用于向所述第一級(jí)放大電路單元、所述第二級(jí)放大電路單元以及所述輸出匹配電路單元提供偏置電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其特征在于，所述偏置電路單元，采用場(chǎng)效應(yīng)管電流 鏡結(jié)構(gòu)。
10. 一種放大器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法包括通過輸入匹配電路單元實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；通過增益可調(diào)放大電路單元對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，以及利用輸入的控制電壓，調(diào) 整所述放大器的增益；通過輸出匹配電路單元實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配，以及將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路單元處 理后得到的信號(hào)輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種放大器及其實(shí)現(xiàn)方法，用以實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬下的具有連續(xù)增益可調(diào)功能的低噪聲放大器。本發(fā)明提供的一種放大器包括輸入匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配以及噪聲匹配；以及將所述放大器的輸入信號(hào)輸出給增益可調(diào)放大電路單元；增益可調(diào)放大電路單元，用于對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將處理后得到的信號(hào)輸出給輸出匹配電路單元；以及接收輸入的控制電壓，并通過所述控制電壓，調(diào)整所述放大器的增益；輸出匹配電路單元，用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配；以及，將經(jīng)過所述增益可調(diào)放大電路單元處理后得到的信號(hào)輸出。
文檔編號(hào)H03G3/00GK101997489SQ201010509609
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者楊凱 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司