专利名称：一种单片集成的射频高增益低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种射频低噪声放大器，特别是涉及一种工作于2.4GHz单片集成的高增益噪声放大器，它可以直接应用于电子通讯、蓝牙接收等领域。
背景技术：
近年来，随着集成电路技术的快速发展，我们的日常生活中越来越离不开无线通信产品，例如工作于880-915MHZ的GSM无线通信网络、工作于2.4Ghz的蓝牙通信产品等。射频低噪声放大器是这些产品中无线接收机模块前端的关键部分。它的作用是将通过天线接收到的微弱信号进行放大，以便接收机后面的模块进行处理。低噪声放大器是现代射频通信系统的关键部件，长期以来一直是人们研究的热点。低噪声放大器处于整个射频接收系统的最前端如
图1所示，其性能的好坏直接决定了整个接收机的性能，对整个接受系统性能的提高也起着决定性的作用。天线接收的信号在亚微伏量级，甚至会完全淹没在噪声里，将如此微弱的信号进行放大而不恶化信噪比是低噪声放大器设计的技术难题。对于低噪声放大器的基本要求为噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、较低的功耗和大的动态范围。由于这些指标相互关联、相互制约，因此找到合适的折衷方案来提高低噪声的整体性能成为设计的主要难点。根据国内外对低噪声放大器的研究发现，经典的共源共栅结构依然是被广为采用的低噪声放大器的电路结构如图2所示。但是这种结构的增益较低，而且要实现最优的阻抗及噪声匹配需要很大的栅极电感和源极电感因而往往需要挂片外器件，这给电路的单片集成带来了很大的挑战，因为大的电感在现有额工艺条件下很难实现并且大的电感会占据大的面积，而且集成电感的Q值比较低这会导致电路的噪声性能进一步恶化，并且会使电路的增益更低。然而为了抑制射频接收系统后级电路的噪声往往要求第一级电路具有较高的增益。另外共源共栅结构的输出电压摆幅也比较低
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，目的是为了解决以上集成电路需要外挂器件集成度不够的问题以及电路低增益低摆幅的问题。本发明采用两级放大结构在提供较低的噪声系数的同时，实现了较高的增益及较大的输出电压摆幅。本发明基于chrt0.18um CMOS RF工艺，将所有电子元器件均集成在同一半导体衬底上，通过优化，不但实现了完全在片的输入输出匹配，而且同时控制实现噪声匹配和功率匹配。本发明放大器的电路结构具有较低的噪声较高的增益，因此可以在射频接收系统中得到良好的应用，可直接应用于电子通讯、蓝牙接收等领域。为了解决上述技术问题，本发明一种单片集成的射频高增益低噪声放大器予以实现的技术方案是:包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路；所述输入匹配电路由输入端电感L2、M0S管M2、与MOS管M2的栅极并联的电容Cl以及与MOS管M2相连的源极电感L3组成；输入端的射频信号通过电感L2输入到MOS管M2的栅极，MOS管M2的源极通过电感L3接地，同时，电容Cl并联在MOS管M2的栅极两端；所述第一级放大电路，包括由MOS管M2和MOS管M3组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻Rl、电阻R2和MOS管Ml组成的第一直流偏置电路；其中，所述MOS管Ml和MOS管M2组成电流镜结构用于实现电流的复制；M0S管M3的源极连接到MOS管M2的栅极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感LI连接到电源VDD上；电阻Rl —端连接到电源VDD上，电阻Rl的另一端与栅漏相接的MOS管Ml的漏极相连，MOS管Ml的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管Ml的栅极和MOS管M2的栅极相接，从而为MOS管M2提供直流偏置；所述第二级放大电路包括由MOS管M5、电阻R5、电容C3以及电感L4组成的共源极放大电路，以及由电阻R3、电阻R4和MOS管M4组成的第二直流偏置电路；经过第一级电路放大后的信号通过电容C2耦合到MOS管M5的栅极，MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极通过一电感L3接到电源VDD上；所述电阻R5和电容C3连接在MOS管M5的栅漏极之间，构成反馈电路；电阻R3的一端连接到电源VDD上，电阻R3的另一端与栅漏相接的MOS管M4的漏极相连，MOS管M5的源极接地；所述输出匹配电路包括电感L4、电容C4和电容C5组成；所述电容C4和电容C5的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C4的另一端接地，所述电容C5的另一端接在电路的输出端；用chrt0.18um CMOS集成电路工艺实现将所有的有源和无源器件均集成在同一半导体衬底上。与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明单片集成的射频高增益低噪声放大器与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点:(I)本发明实现了包括输入输出匹配网络在内的所有有源器件和无源器件在内的单片集成，不需要任何匹配外部的匹配和优化且具有优秀的性能。(2)本发明在输入端的MOS管的栅源极两端并联了电容Cl来调节栅源电容C' gs的大小。合理选取两个电感L2和L3的L2和L3的值，可以使电路谐振于工作频率Oci，同时获得50Ω的输入阻抗Zin(s)，为了使输入端口阻抗匹配，需要满足:
权利要求
1.一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，其特征在于，包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路； 所述输入匹配电路由输入端电感L2、MOS管M2、与MOS管M2的栅极并联的电容Cl以及与MOS管M2相连的源极电感L3组成；输入端的射频信号通过电感L2输入到MOS管M2的栅极，MOS管M2的源极通过电感L3接地，同时，电容Cl并联在MOS管M2的栅极两端；所述第一级放大电路，包括由MOS管M2和MOS管M3组成的共源共栅放大电路、电感L1、以及由电阻R1、电阻R2和MOS管Ml组成的第一直流偏置电路；其中，所述MOS管Ml和MOS管M2组成电流镜结构用于实现电流的复制；M0S管M3的源极连接到MOS管M2的栅极，MOS管M3的栅极接到电源VDD上，MOS管M3的漏极通过电感LI连接到电源VDD上；电阻Rl 一端连接到电源VDD上，电阻Rl的另一端与栅漏相接的MOS管Ml的漏极相连，MOS管Ml的源极接地；所述电阻R2的两端分别与MOS管Ml的栅极和MOS管M2的栅极相接，从而为MOS管M2提供直流偏置； 所述第二级放大电路包括由MOS管M5、电阻R5、电容C3以及电感L4组成的共源极放大电路，以及由电阻R3、电阻R4和MOS管M4组成的第二直流偏置电路；经过第一级电路放大后的信号通过电容C2耦合到MOS管M5的栅极，MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极通过一电感L3接到电源VDD上；所述电阻R5和电容C3连接在MOS管M5的栅漏极之间，构成反馈电路；电阻R3的一端连接到电源VDD上，电阻R3的另一端与栅漏相接的MOS管M4的漏极相连，MOS管M5的源极接地； 所述输出匹配电路包括电感L4、电容C4和电容C5组成；所述电容C4和电容C5的一端共同接在MOS管M5的漏极，所述电容C4的另一端接地，所述电容C5的另一端接在电路的输出端； 用chrt0.18um CMOS集成电路工艺实现将所有的有源和无源器件均集成在同一半导体衬底上。
2.根据权利要求1所述一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，其特征在于，所有的MOS管均采用1.8V深N阱器件以减小MOS管的衬底偏置效应。
全文摘要
本发明公开了一种单片集成的射频高增益低噪声放大器，包括输入匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和输出匹配电路；所述第一级放大电路采用典型的带有源极电感负反馈的共源共栅结构，第二级放大电路为带电阻反馈的共源极结构，采用chrt0.18umRFCMOS工艺实现了所有的有源和无源器件完全在片集成的电路设计。本发明同时完成了最优噪声匹配和输入阻抗匹配，不仅可以使电路具有最佳的噪声性能，而且可以使电路实现较好功率传输。另外本发明在获得高增益的同时具有更好的稳定性，也使得电路结构具有更高的实用价值。经验证该电路的输入输出匹配良好，具有27dB以上的增益以及2dB的噪声。
文档编号H03F1/26GK103117711SQ201310033658
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者秦国轩, 杨来春, 闫月星 申请人:天津大学