專利名稱：一種cmos高增益寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種放大器電路，尤其涉及一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器。
背景技術：
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，無線寬帶技術已經成為大多數用戶升級的首選技術。寬帶低噪聲放大器是無線寬帶系統(tǒng)中非常關鍵的模塊，尤其是在無線接收機當中，低噪聲放大器一般位于接收機的最前端，如圖1所示，從天線饋入的微弱信號經過頻帶選通濾波器后要通過低噪聲放大器進行放大，再拿到后級進行處理，其性能直接影響到接收機的整體性能。它必須在很寬的頻帶范圍內實現輸入阻抗匹配、提供平坦的增益、引入盡可能低的噪聲，并保證有足夠的線性范圍容納可能出現的信號能量。因此設計一個大帶寬的LNA是無線系統(tǒng)設計中非常重要的環(huán)節(jié)。絕大多數應用要求低噪聲放大器具有50 Ω的輸入阻抗，從而使得低噪聲放大器的輸入可以直接作為片外射頻濾波器的終端負載，這是低噪聲放大器的設放大器的計中必須滿足的一個性能指標。當阻抗不匹配時，射頻濾波器到低噪聲放大器的功率傳輸會發(fā)生反射，嚴重惡化系統(tǒng)性能。目前可以提供電阻性輸入阻抗的寬帶匹配有共柵極輸入和匹配網絡匹配、電阻負反饋三種方式。共柵極輸入的方式不需要復雜的匹配網絡，但是它的增益不高，無法良好的抑制后級電路噪聲。而且在特別是在短溝道器件下，它的噪聲是相當高的。匹配網絡匹配能夠有較高增益，但需要采用片上電感，增加了芯片的面積和成本，同時電路的線性度也比較差，應用領域受到局限。帶有并聯(lián)電阻負反饋的共源結構能在寬帶下實現輸入匹配。但是其增益和噪聲性能不佳。并且輸入匹配和噪聲之間存在折中。由于輸入信號中有很大的噪聲，根據系統(tǒng)噪聲級聯(lián)公式可知，在接收端的低噪聲放大器必須提供足夠的增益以保證后級噪聲不會對系統(tǒng)性能造成過大的影響，同時，足夠的增益需要消耗高功耗才能實現，增益和帶寬需要折衷。寬帶工作頻率對于電路的增益也是一個挑戰(zhàn)，因為電路設計中，由于增益帶寬積的限制，帶寬和增益也需要折衷。

發(fā)明內容
針對上述現有技術，本發(fā)明提供一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器(LNA)。本發(fā)明放大器在輸入匹配、噪聲、增益、帶寬和線性度方面均具有一定的優(yōu)勢，其結構簡單，所具有的電子元器件的數量少，減小了芯片面積，不但便于集成，而且降低了成本，是一款具有較高性價比的CMOS寬帶低噪聲放大器。為了解決上述技術問題，本發(fā)明一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器予以實現的技術方案是:包括信號輸入級、噪聲抵消級和放大級，所述信號輸入級由電阻RF、NMOS管Ml-a和PMOS管Ml-b組成，所述信號輸入級利用所述電阻RF的負反饋實現輸入阻抗的匹配；所述噪聲抵消級由電阻R1、電容Cl和兩個NMOS晶體管M2、M3組成，所述噪聲抵消級用于實現所述信號輸入級的噪聲電壓相互抵消；所述放大級由電感L0、NM0S晶體管M4和電阻R2組成，所述放大級實現在不使噪聲惡化的前提下進一步放大信號；
上述各電子元器件之間的連接關系為:電阻RF的一端、NMOS管Ml_a的柵極、PMOS管Ml_b的柵極、NMOS管M2的柵極和NMOS管Ml-a的源極接地；PM0S管Ml_b的源極接電源VDD ;電阻RF的另一端與NMOS管Ml_a的漏極、PMOS管Ml-b的漏極和NMOS管M2的漏極連接后再與電容Cl連接，電容Cl的另一端與電阻Rl的一端和NMOS管M3的柵極連接，電阻Rl的另一端和NMOS管M3的漏極連接至電源VDD，NMOS管M3的源極與NMOS管M2的漏極連接至電感LO的一端，電感LO的另一端與NMOS管M4的柵極連接，NMOS管M4的源極接地，NMOS管M4的柵極與電阻R2連接后為信號的輸出端，電阻R2的另一端連接至電源VDD。與現有技術相比，本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的有益效果是:(I)將噪聲抵消技術、電流復用技術和電阻負反饋相結合，并且增加了一級共源放大級，不僅滿足輸入匹配還有較高的增益、較低的噪聲，滿足了現在需求越來越多無線寬帶技術的應用需求。(2)本發(fā)明采用CHRT0.18 μ mRF工藝，1.8V低電壓供電有較低的功。(3)本發(fā)明中只用了一個電感，有效的減小芯片面積，降低成本。(4)采用CMOS工藝，可以與采用同樣工藝的基帶電路集成在同一塊芯片上，實現片上系統(tǒng)，做成完整的寬帶收發(fā)電路。


圖1是低噪聲放大器在無線接收機中應用的示意圖；圖2是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的電路圖；圖3是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的噪聲的后仿真結果圖；圖4-1是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的正向電壓增益(S21)后仿真結果圖；圖4-2是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的輸入反射系數(Sll)后仿真結果圖；圖4-3是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的反向電壓增益(S12)后仿真結果圖；圖4-4是本發(fā)明CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的輸出反射系數(S22)后仿真結果圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。如圖1所示，本發(fā)明一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器的結構是包括信號輸入級、噪聲抵消級和放大級。其中，所述信號輸入級由電阻RF、NMOS管Ml_a和PMOS管Ml_b組成，所述信號輸入級利用所述電阻RF的負反饋實現輸入阻抗的匹配，并且通過電流復用的方法達到高增益、低功耗的目的。所述噪聲抵消級由電阻R1、電容Cl和兩個NMOS晶體管M2、M3組成，所述噪聲抵消級用于實現所述信號輸入級的噪聲電壓相互抵消。所述放大級由電感L0、NM0S晶體管M4和電阻R2組成；所述放大級實現在不使噪聲惡化的前提下進一步放大信號。由于所述信號輸入級的增益較高，并由級聯(lián)電路噪聲公式可知，本發(fā)明中后面放大級電路對噪聲性能影響較小。如圖2所示，上述各電子元器件之間的連接關系為:電阻RF的一端、NMOS管Ml-a的柵極、PMOS管Ml-b的柵極、NMOS管M2的柵極和NMOS管Ml_a的源極接地；PM0S管Ml_b的源極接電源VDD ；電阻RF的另一端與NMOS管Ml_a的漏極、PMOS管Ml_b的漏極和NMOS管M2的漏極連接后再與電容Cl連接，電容Cl的另一端與電阻Rl的一端和NMOS管M3的柵極連接，電阻Rl的另一端和NMOS管M3的漏極連接至電源VDD，NM0S管M3的源極與NMOS管M2的漏極連接至電感LO的一端，電感LO的另一端與NMOS管M4的柵極連接，NMOS管M4的源極接地，NMOS管M4的柵極與電阻R2連接后為信號的輸出端，電阻R2的另一端連接至電源VDD。圖2所示的本發(fā)明低噪聲放大器的工作原理如下:若只考慮輸入晶體管PMOS管Mlb和NMOS管Ml-a的熱噪聲電流In，此電流流過電阻RF和電阻RS到地，在Ml_a的漏極B和Ml-a和Ml-b的柵極A產生相位相同而幅度不等的噪聲電壓Vn, 8和Vn, A，。然后，噪聲電壓Vn, a被噪聲消除級的共源極NMOS M2放大至M2的柵極和M3的源極的連接點C點，噪聲電壓Vn,B經過NMOS管M3至C點，Vn；B和Vn, A放大后在C點結合，由于這兩路電壓相位相反，只要調整電路參數即NMOS管M2和NMOS管M3的寬長比，使其幅度相同，就可將噪聲完全抵消，信號放大，然后信號再經過放大級的共源極NMOS管M4放大。實施例:根據圖2所示的本發(fā)明一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器，其電路的仿真基于CHRT0.18 μ m RF工藝，采用Cadence SpectreRF工具。其中電源VDD電壓為1.8V，工作頻段在0.1-1.2GHz,圖3示出了給該低噪聲放大器的噪聲的后仿真結果圖，圖4-1至圖4_4給出了正向電壓增益S21、輸入反射系數S11、反向電壓增益S12和輸出反射系數S22的后仿真結果圖，由圖3和圖4-1、圖4-2、圖4-3和圖4-4可見，本發(fā)明實施例的噪聲為1.18-1.57dB，增益為30.80-32.95dB，輸入輸出匹配較好，說明本發(fā)明一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器在輸入匹配、噪聲、增益、帶寬方面有一定的優(yōu)勢。本發(fā)明可以實現在噪聲抵消級和放大級之間提供諧振，以抵消此處的容性寄生，降低米勒效應的影響，增加帶寬。盡管上面結合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器，包括信號輸入級、噪聲抵消級和放大級，其特征在于: 所述信號輸入級由電阻RF、NM0S管Ml-a和PMOS管Ml_b組成，所述信號輸入級利用所述電阻RF的負反饋實現輸入阻抗的匹配； 所述噪聲抵消級由電阻R1、電容Cl和兩個NMOS晶體管M2、M3組成，所述噪聲抵消級用于實現所述信號輸入級的噪聲電壓相互抵消； 所述放大級由電感L0、NMOS晶體管M4和電阻R2組成，所述放大級實現在不使噪聲惡化的前提下進一步放大信號； 上述各電子元器件之間的連接關系為: 電阻RF的一端、NMOS管Ml-a的柵極、PMOS管Ml_b的柵極、NMOS管M2的柵極和NMOS管Ml-a的源極接地；PM0S管Ml-b的源極接電源VDD ；電阻RF的另一端與NMOS管Ml_a的漏極、PMOS管Ml-b的漏極和NMOS管M2的漏極連接后再與電容Cl連接，電容Cl的另一端與電阻Rl的一端和NMOS管M3的柵極連接，電阻Rl的另一端和NMOS管M3的漏極連接至電源VDD，NMOS管M3的源極與NMOS管M2的漏極連接至電感LO的一端，電感LO的另一端與NMOS管M4的柵極連接，NMOS管M4的源極接地，NMOS管M4的柵極與電阻R2連接后為信號的輸出端，電阻R2的另一端連接至電源VDD。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS高增益寬帶低噪聲放大器(LNA)，包括信號輸入級、噪聲抵消級和放大級，所述信號輸入級由電阻RF、NMOS管M1-a和PMOS管M1-b組成，所述信號輸入級利用所述電阻RF的負反饋實現輸入阻抗的匹配；所述噪聲抵消級由電阻R1、電容C1和兩個NMOS晶體管M2、M3組成，所述噪聲抵消級用于實現所述信號輸入級的噪聲電壓相互抵消；所述放大級由電感L0、NMOS晶體管M4和電阻R2組成，所述放大級實現在不使噪聲惡化的前提下進一步放大信號。本發(fā)明放大器在輸入匹配、噪聲、增益、帶寬和線性度方面均具有一定的優(yōu)勢，其結構簡單，芯片面積小，便于集成，成本低。
文檔編號H03F1/42GK103117712SQ201310033810
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權日2013年1月29日
發(fā)明者秦國軒, 閆月星, 楊來春 申請人:天津大學