一種帶隙自偏置的寬高頻低噪聲放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低噪聲放大電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為射頻接收機(jī)的第一個(gè)電路模塊，低噪聲放大器(LNA，low noise amplifier) 具有將有效信號(hào)（signal)放大，同時(shí)抑制噪聲(noise)的功能，而帶隙基準(zhǔn)(Bandgap)電路 則為低噪聲放大器電路提供電壓或電流偏置。整個(gè)電路的工作機(jī)制是，帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生 一個(gè)與溫度、工藝以及電源電壓相關(guān)性小的基準(zhǔn)電壓/電流，并將該信號(hào)加入到低噪聲放大 器中；在帶隙電壓的偏置下，低噪聲放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)得以確定，即確保了需要的輸入匹 配（Sll，input match)，信號(hào)增益（S21，power gain)和較小的噪聲系數(shù)(NF，noise figure) 等指標(biāo)，這時(shí)信號(hào)就可以以較小的損耗輸入低噪聲放大器，并通過該電路進(jìn)行放大，同時(shí)在 保證較小噪聲的前提下，噪聲信號(hào)的幅度得以有效的抑制。
[0003] 低噪聲放大器是對(duì)天線接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行合理幅值的放大，這就需要在寬帶 輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配，避免能量損耗以及對(duì)天線的反射干擾，實(shí)現(xiàn)較低的低噪 聲系數(shù)，提高接收機(jī)靈敏度;獲得足夠的增益和增益平坦度以減少后級(jí)電路的噪聲影響以 及非線性失真;并且應(yīng)具有較低的功耗，避免過多的能量損耗，造成不必要的損失。
[0004] 帶隙電路則是通過二極管電路產(chǎn)生與溫度和工藝等相關(guān)性小的電壓，將該電壓進(jìn) 行輸入，輸入到低噪聲放大器中。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)的原則為:具有良好的抗外界性能(抗溫 度變化，抗工藝變化以及抗電源電壓變化)并且應(yīng)減小外電路對(duì)帶隙電路的影響(如減小低 噪聲放大器對(duì)帶隙電路的影響）。
[0005] 目前的大多數(shù)電路設(shè)計(jì)擬將帶隙基準(zhǔn)偏置做在片外，進(jìn)行片外測(cè)試和片外偏置， 或?qū)峨娐穯为?dú)制作，將其產(chǎn)生的帶隙電壓信號(hào)輸入到低噪聲放大器中。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)一：
[0007] 浙江省嘉興聯(lián)星電子有限公司擁有的專利技術(shù)"一種寬電源電壓工作的低噪聲放 大器偏置電路"（公布號(hào)CN 103178788 A，申請(qǐng)?zhí)?01310036309.1，申請(qǐng)日2013.01.29)中公 開了一種是用于寬電源電壓工作的低噪聲放大器偏置電路。如圖1所示，該電路包括主偏置 電路，偏置穩(wěn)定反饋支路和一個(gè)偏置電流源電路。偏置穩(wěn)定反饋電路的兩個(gè)三極管為互補(bǔ) 的兩類管型，使偏置穩(wěn)定反饋支路的直流壓降接近于零。該電路的原理如下:通過偏置電流 源產(chǎn)生電路產(chǎn)生偏置電流，輸入到主偏置電路和偏置穩(wěn)定反饋支路，然后通過偏置穩(wěn)定反 饋支路的反饋性能，穩(wěn)定主偏置電路，將最終的偏置電壓加入到主放大電路中。
[0008] 該電路主要存在以下缺點(diǎn)：
[0009] 1.反饋支路的電壓壓降為零雖可以實(shí)現(xiàn)地電壓裕度，但由于該方案犧牲了三極管 Q2、Q4的電壓偏置，兩管會(huì)進(jìn)入線性區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)良好的反饋?zhàn)饔谩?br>[0010] 2.低噪聲放大器的Q0晶體管采用的源簡(jiǎn)并結(jié)構(gòu)，將電感Ls串聯(lián)在源極，實(shí)現(xiàn)晶體 管Q1和Q0的匹配。雖然在DC頻率下，電感并不會(huì)引入偏差，但由于片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的電感都具有較 高的電阻成分，因此Q0的直流環(huán)境與Q1并不相同。電感的寄生電阻會(huì)引入電流上的誤差。
[0011] 3.偏置電路給出了參考電流Iref，但是并沒有提出該電流的電路結(jié)構(gòu)，也未給出 其噪聲，抗工藝參數(shù)等條件，因此電路并不完善。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)二：
[0013] 美國(guó)佐治亞學(xué)校的Prabir K.Saha等人提出一種Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)的高頻低噪聲放大 器(會(huì)議名稱:RWS頁號(hào)：203-206年份:2012)。該電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用單級(jí)Cascode結(jié) 構(gòu)，提高輸入和輸出的隔絕，采用并聯(lián)-并聯(lián)反饋實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的50歐姆阻抗，并采用輸入Pi 型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了寬帶匹配。
[0014] 該電路存在以下缺點(diǎn)：電路只有LNA組件，并無偏置部分，所以需要外部電路的調(diào) 整來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明公開了一種帶隙自偏置的寬高頻低噪聲放大器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)低噪聲 放大器源簡(jiǎn)并結(jié)構(gòu)的電流失配問題、以及避免直流偏置的不理想帶來的影響。
[0016] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0017] -種帶隙自偏置的寬高頻低噪聲放大器，包括低噪聲放大電路和帶隙基準(zhǔn)電路， 其中帶隙基準(zhǔn)電路的電流量受控于數(shù)控單元，帶隙基準(zhǔn)電路輸出的電流經(jīng)過鏡像成倍放大 作為低噪聲放大電路的偏置電流;低噪聲放大電路采用共源共柵結(jié)構(gòu)，信號(hào)從In端口輸入 經(jīng)片內(nèi)電感L1接至晶體管Q8的基極，在In端口與電感L1之間的結(jié)點(diǎn)引出支路串聯(lián)電容C4接 地;信號(hào)在晶體管Q8經(jīng)過電壓-電流反饋，在晶體管Q9的集電極輸出端得到放大，并通過緩 沖單元Buf?輸出，完成信號(hào)的低噪聲放大功能。
[0018] 在以上方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還進(jìn)一步作了如下具體優(yōu)化：
[0019]所述電容C4由pad(接線墊板)的寄生電容提供。
[0020] 所述帶隙基準(zhǔn)電路包括啟動(dòng)電路部分、主體電路部分和電流輸出電路部分；
[0021] 在主體電路部分中：晶體管Q6、Q7和R3組成PTAT電路結(jié)構(gòu)，晶體管Q6的集電極經(jīng)電 阻R2、晶體管Q7的集電極經(jīng)電阻R4共同接至晶體管Q4的發(fā)射極，使得流入晶體管Q6、Q7這兩 個(gè)支路的電流相等；晶體管Q5與晶體管Q4構(gòu)成鏡像結(jié)構(gòu)，并在晶體管Q5發(fā)射極設(shè)置適配的 電阻R5,使晶體管Q5發(fā)射極的電壓與晶體管Q4的發(fā)射極的電壓相同，使晶體管Q5所在支路 提供精確穩(wěn)定的電流IR5;
[0022]電流輸出電路部分采用M0S晶體管構(gòu)建兩級(jí)電流鏡，所述晶體管Q5的集電極接第 二級(jí)電流鏡一側(cè)的漏極，同時(shí)還接第一級(jí)電流鏡的共柵結(jié)點(diǎn)，使得電流IR5在第二級(jí)電流鏡 另一側(cè)的漏極輸出一個(gè)鏡像且與需要相比較小的電流Iref。（由于電流是成倍放大，但為了 使參考電流的Iref值降低以優(yōu)化功耗，故而在此處提出需要相比較小的電流。）
[0023]所述啟動(dòng)電路部分中存在一正一負(fù)的兩路反饋，其中正反饋實(shí)現(xiàn)電路向簡(jiǎn)并點(diǎn)的 收斂，負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定，負(fù)反饋的環(huán)路增益大于正反饋的環(huán)路增益。
[0024]在晶體管Q5發(fā)射極設(shè)置適配的電阻R5采用兩種溫度系數(shù)的電阻串聯(lián)。
[0025] 數(shù)控單元的控制信號(hào)接至一組M0S晶體管M12、M14的柵極，M12、M14的漏極共接至 所述第二級(jí)電流鏡另一側(cè)的漏極。
[0026]數(shù)控單元的控制信號(hào)輸出端D1、D2分別經(jīng)兩個(gè)smith觸發(fā)器S1和S2連接M0S晶體管 M12、M14的柵極。
[0027]本發(fā)明通過聯(lián)合設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路將高性能電流輸出，并采用數(shù)控單元對(duì)電流 量進(jìn)行進(jìn)一步的控制，并將電流進(jìn)行鏡像，產(chǎn)生低噪聲放大器的偏置電流，穩(wěn)定電路性能。 另外，低噪聲放大器采用非源簡(jiǎn)并結(jié)構(gòu)，在確保寬高頻性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電流鏡的性能進(jìn)一 步優(yōu)化。具體有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0028] 1.采用未加源極電感的Q8,避免了額外引入的寄生電阻，避免造成噪聲性能的惡 化和偏置不匹配。
[0029] 2.電流偏置未引入額外線性區(qū)電路，避免直流偏置的不理想。
[0030] 3.該電流適用于超寬頻帶的低噪聲放大器。
【附圖說明】
[0031]圖1為現(xiàn)有技術(shù)一的不意圖。
[0032] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)二的示意圖。
[0033] 圖3為帶隙電路和低噪聲放大器的關(guān)系示意圖。
[0034]圖4為本發(fā)明的整體方案示意圖。
[0035] 圖5為帶隙基準(zhǔn)電路的主體結(jié)構(gòu)圖。
[0036] 圖6為圖5中的電流輸出電路部分的示意圖。
[0037] 圖7為帶隙基準(zhǔn)電流和低噪聲放大電路的組合結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 本發(fā)明提出的新電路結(jié)構(gòu)，是將帶隙基準(zhǔn)電路和低噪聲放大電路聯(lián)合設(shè)計(jì)，共用 其中的高耗能部分，實(shí)現(xiàn)一種降低能耗的射頻接收電路。
[0039] 圖3表示了兩部分電路的關(guān)系（注：圖中將帶隙電路和低噪聲放大器分開，是為了 說明相互的關(guān)系，在本發(fā)明的具體電路結(jié)構(gòu)中兩者是整體聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的）。兩個(gè)電路部分均由 電源VDD提供電壓，而帶隙基準(zhǔn)可自身產(chǎn)生一個(gè)與影響因素相關(guān)性小的帶隙電壓VB，該電壓 進(jìn)入LNA中，進(jìn)行偏置。輸入信號(hào)Vin由片外天線接收，進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行放大，產(chǎn)生A ? Vin的信號(hào)，其中A為該放大器的增益。通過上述的電路，就可以產(chǎn)生一個(gè)放大信號(hào)了。
[0040] 本發(fā)明的帶隙電路部分和低噪聲放大器部分的整體方案如圖4所示，帶隙基準(zhǔn)產(chǎn) 生基準(zhǔn)電流Iref，該電流受數(shù)控單元的兩信號(hào)D1和D2控制，即該兩信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)Iref的調(diào)整。 Q1與Q2為低噪聲放大器的電流鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于低噪聲放大器內(nèi)，而非帶隙基準(zhǔn)中。通過 對(duì)Iref的放大，實(shí)現(xiàn)需要的工作電流II?？傮w看來，該電路最顯著的特點(diǎn)在于：電流鏡位于 低噪聲放大器部分，且Iref?可通過數(shù)控位進(jìn)行調(diào)整。
[0041]圖5為帶隙基準(zhǔn)電路的結(jié)構(gòu)示意圖，電路通過將Q6與Q7的電壓差作用在電阻R3,以 產(chǎn)生一與溫度相關(guān)的電流IR3,并通過晶體管Q4和Q5復(fù)制該電流至IR5,并結(jié)合電阻R5的溫 度特性產(chǎn)生一與溫度相關(guān)性小