一种低噪声放大器及芯片的制作方法

1.本发明涉及微波低噪声放大器技术领域，尤其涉及一种低噪声放大器及芯片。


背景技术：

2.射频接收机前端链路需要具备足够增益的放大器，对天线接收下来的信号进行放大，并对该放大器的噪声系数有着严格要求；这种放大器即为低噪声放大器(lna)，其性能对整个接收系统的信噪比起着决定性作用。在满足噪声要求的前提下，具备宽带特性的放大器相较于窄带更受欢迎，可同时应用于多个工作频段，提高电路的可利用性。近年来，随着通信速率不断提升，宽带可变增益放大器越来越受到研究人员的关注。通过控制增益，低噪声放大器可在接收弱信号时提高灵敏度，而在接收信号太强时避免信号压缩，增强了接收机的动态范围。此外，已有的接收机结构分别采用低噪声放大器(lna)和可变增益放大器(vga)来控制接收机的总体增益，由于分别使用了两个模块，增加了接收机链路中的功耗、面积和设计复杂性。相比起来，在lna中集成可变增益的功能可以在接收链路中省去单独设计vga的需要，从而显著降低功耗、减小芯片面积和节约成本。因此，增益可变的宽带低噪声放大器研究受到了广泛关注，但目前尚缺少一种比较完善的技术方案。


技术实现要素：

3.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种低噪声放大器及芯片。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种低噪声放大器，包括：
6.噪声抵消电路，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；
7.所述增益可变宽带低噪声放大器的输入端均与所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的源极和所述第三晶体管的栅极连接，所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的漏极与所述第四晶体管的栅极连接，所述第四晶体管的漏极与所述第三晶体管的漏极连接，并作为所述噪声抵消电路的输出端，所述第一晶体管的源极和所述第三晶体管的源极均接地；
8.增益调节电路，包括第五晶体管、第六晶体管和增益调谐单元；
9.所述第五晶体管的栅极与所述噪声抵消电路的输出端连接，所述第五晶体管的漏极与所述第六晶体管的源极连接，所述第六晶体管的栅极连接调控电压，所述第六晶体管的漏极与增益调谐单元的一端连接，所述增益调谐单元的另一端连接电源电压，所述第六晶体管的漏极作为所述增益调节电路的输出端，所述第五晶体管的源极接地。
10.进一步，所述增益可变宽带低噪声放大器还包括源极跟随器；
11.所述源极跟随器用于对输出阻抗进行变换，所述源极跟随器的输入端连接所述增益调节电路的输出端。
12.进一步，所述源极跟随器包括第七晶体管、第八晶体管和偏置电阻；
13.所述第八晶体管的栅极连接所述增益调节电路的输出端，所述第八晶体管的漏极连接电源电压，所述第八晶体管的源极与所述第七晶体管的漏极连接，所述第七晶体管的栅极连接偏置电压，所述第七晶体管的源极接地；
14.所述偏置电阻并联在所述第八晶体管的栅极与所述第八晶体管的漏极之间。
15.进一步，所述增益调谐单元为rlc并联网络。
16.本发明所采用的另一技术方案是：
17.一种射频前端芯片，包括如上所述的一种低噪声放大器。
18.本发明的有益效果是：本发明通过第一晶体管和第二晶体管构成噪声抵消环路，消除电路中噪声；另外，在第二晶体管处使用了gm-boosting技术，降低了对第二晶体管m2尺寸的要求。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
20.图1是本发明实施例中一种低噪声放大器的电子电路图；
21.图2是本发明实施例中第一晶体管和第二晶体管环路的噪声抵消原理示意图；
22.图3是本发明实施例中第三晶体管作为噪声抵消辅助路径的示意图；
23.图4是本发明实施例中放大器在不同控制电压下的增益变化曲线示意图；
24.图5是本发明实施例中放大器的噪声系数特性的示意图；
25.图6是本发明实施例中放大器的输入回波损耗的示意图。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
29.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。
30.如图1所示，本实施例提供一种低噪声放大器，包括：
31.噪声抵消电路，包括第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3和第四晶体管m4；
32.增益可变宽带低噪声放大器的输入端与第一晶体管m1的栅极、第二晶体管m2的源极和第三晶体管m3的栅极连接，第一晶体管m1的漏极与第二晶体管m2的栅极连接，第二晶体管m2的漏极与第四晶体管m4的栅极连接，第四晶体管m4的漏极与第三晶体管m3的漏极连接，作为噪声抵消电路的输出端，第一晶体管m1的源极和第三晶体管m3的源极均接地；
33.增益调节电路，包括第五晶体管m5、第六晶体管m6和增益调谐单元；
34.第五晶体管m5的栅极与噪声抵消电路的输出端连接，第五晶体管m5漏极与第六晶体管m6的源极连接，第六晶体管m6的栅极连接调控电压，第六晶体管m6的漏极与增益调谐单元的一端连接，增益调谐单元的另一端连接电源电压，第六晶体管m6的漏极作为增益调节电路的输出端，第五晶体管m5的源极接地。
35.在本实施例的放大器中，射频信号的走向具体如下：
36.如图1所示，射频信号在输入端分为三路，输入端到第一晶体管m1栅极、输入端到第二晶体管m2源极以及输入端到第三晶体管m3栅极。以下详述每路信号的具体走向：
37.①
输入端到第三晶体管m3栅极
38.射频信号由输入端到第三晶体管m3的栅极，经过共源管m3被反向放大，在结点a得到输出信号。
39.②
输入端到第二晶体管m2源极与输入端到第一晶体管m1栅极
40.射频信号由输入端到第二晶体管m2源级，经过共栅管m2(也即第二晶体管)同向放大，在第二晶体管m2漏级输出；同时射频信号由输入端到第一晶体管m1栅极，经过共源管m1(也即第一晶体管)一次反向放大，放大后的信号经过第二晶体管m2管二次反向放大，在第二晶体管m2漏级输出。两路得到的放大信号在第二晶体管m2管漏级叠加，并经过共源管m4反向放大，在结点a得到输出信号。
41.③
上述
①
和
②
两路输出信号在结点a处叠加作为第一级电路(即噪声抵消电路)整体的输出。
42.在本实施例中，噪声抵消电路为基于噪声抵消结构的lna，通过第一晶体管m1与第二晶体管m2组成了一个噪声抵消环路，该环路结构在宽带内为整体电路提供平坦的低噪声系数和输入匹配。
43.以下结合附图对噪声抵消环路的工作原理进行详细解释说明。
44.噪声抵消电路的噪声抵消可分为两个部分。
45.①
由第一晶体管m1和第二晶体管m2构成的噪声抵消环路
46.如图2所示，共栅管m2的噪声电流在第二晶体管m2的漏级和源极分别产生两个极性相反的噪声电压，第二晶体管m2源极处的噪声电压经过共源管m1的第一次反向放大得到与m2漏级极性相同的噪声电压，该噪声电压经过共源管m2二次反向放大与m2管源极处原本的噪声电压在m2管的源极进行抵消。
47.②
由第三晶体管m3作为辅助路径对第二晶体管m2产生的噪声电压进行抵消
48.经过
①
中环路的抵消，若第二晶体管m2漏级处仍存在未抵消完全的噪声，电路则
存在如下步骤的噪声抵消。如图3所示，第二晶体管m2在源极和漏级的噪声电压分别通过共源管m3(也即第三晶体管)和共源管m4(也即第四晶体管)放大，且在结点a处相消。
49.第二级为增益调节电路，在本实施例中，主要由一个cascode结构组成。通过调节cascode管的共栅管m6(也即第六晶体管)的栅极偏置来实现增益控制，如图4所示，第六晶体管m6的栅压则是通过dac进行控制。
50.在一些可选的实施例中，第六晶体管m6的漏级与一个rlc并联网络相连，该rlc并联网络用于增益调谐。在本实施例中，增益调谐指的是：调节增益极点所在的频率位置。
51.进一步作为可选的实施方式，增益可变宽带低噪声放大器还包括源极跟随器；该源极跟随器包括第七晶体管m7、第八晶体管m8和偏置电阻rc；
52.第八晶体管m8的栅极连接增益调节电路的输出端，第八晶体管m8的漏极连接电源电压，第八晶体管m8的源极与第七晶体管m7的漏极连接，第七晶体管m7的栅极连接偏置电压，第七晶体管m7的源极接地；
53.偏置电阻rc并联在第八晶体管m8的栅极与第八晶体管m8的漏极之间。
54.该源极跟随器用于输出阻抗变换，仅用作测试目的。
55.需要注意的是，在增益可变宽带低噪声放大器中还包括隔直电容cb和偏置电阻rb，但是这些电容和电阻并非本发明的要点，故不在此赘述。其中，隔直电容起到隔离直流的作用；偏置电压通过偏置电阻rb给到晶体管栅极，电阻rb起到隔绝射频信号，传送直流电压的作用。
56.本实施例的放大器基于噪声抵消结构进行了降噪处理，极大地缓解了噪声系数和带宽之间存在的严重折中。具体地，由于第二晶体管m2采用的是共栅结构，共栅放大器具有噪声系数高，带宽宽的特点；采用噪声抵消结构，抵消由共栅管产生的噪声，在保持宽带特性的同时降低噪声系数。图5为本实施例放大器的噪声系数曲线的示意图，在-3db带宽2.46～4.5ghz内，噪声系数为2.95～3.25db。图6为本实施例低噪声放大器的输入回波损耗示意图。此外，基于传统的噪声抵消结构，还采用了gm-boosting技术，第二晶体管m2的栅级与第一晶体管m1的漏级相连，第二晶体管m2的源极与第一晶体管m1的栅极相连，通过第一晶体管m1的引入可使得输入端跨导得到提升，降低了对第二晶体管m2尺寸的要求，进而在一定程度上缓解了噪声抵消结构功耗较高的缺点。
57.关于增益控制模块，本实施例中采用了控制第二级cascode管的共栅管的栅压来控制增益变化。该方法可以更灵活地控制增益变化，电路也更为简单，几乎不占用额外的面积。图4为不同栅压控制下电路的增益曲线，增益可调范围为-7～20db。
58.作为可选的实施方式，本实施例的基于噪声抵消结构的增益可变低噪声放大器能够工作在c波段，适用于射频前端系统中的接收机链路。
59.本实施例还提供一种射频前端芯片，该射频前端芯片包括上所述的一种低噪声放大器。该射频前端芯片具有与上述增益可变宽带低噪声放大器对应的有益效果及作用效果。
60.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或
者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
62.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。