阅读说明：本技术 一种宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器 (Radio frequency low noise amplifier with broadband and high interference elimination capability ) 是由 李秀萍 李昱冰 杨农军 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器,其解决了现有射频集成电路在强电磁干扰环境工作时,性能恶化的技术问题,其设有宽带输入匹配模块、双谐振负载模块、高干扰抑制率陷波滤波器模块、增益峰化模块。通过利用第二MOS管的漏极与第四MOS管的漏极短接,利用环路反馈产生负阻消除第四电感的损耗,同时第二MOS管工作在亚阈值区域的低功耗状态,接着第三电容作为第二MOS管的源退化电容,提高了干扰抑制陷波滤波器的品质因数,从而大大增强了电路的干扰抑制性能。本发明可广泛应于抗干扰能力强的低功耗射频前端电路设计领域。(The invention relates to a broadband radio frequency low noise amplifier with high interference elimination capability, which solves the technical problem of performance deterioration of the existing radio frequency integrated circuit when working in a strong electromagnetic interference environment. The drain electrode of the second MOS tube is in short circuit with the drain electrode of the fourth MOS tube, the loss of the fourth inductor is eliminated by utilizing the negative resistance generated by loop feedback, meanwhile, the second MOS tube works in a low-power consumption state of a subthreshold region, and then the third capacitor is used as a source degeneration capacitor of the second MOS tube, so that the quality factor of the interference suppression notch filter is improved, and the interference suppression performance of the circuit is greatly enhanced. The invention can be widely applied to the field of low-power-consumption radio frequency front-end circuit design with strong anti-jamming capability.)

一种宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频放大电路设计技术领域，特别是涉及一种宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器。

背景技术

随着射频集成电路工艺及技术的发展，无线技术朝着大数据容量、高速率方向发展，超宽带(UWB)技术是目前解决短距离高速通信应用问题的最具前景的无线通信技术。它具备保密性好、功耗低、数据率高、抗多径能力强等优势。在FCC标准下，3.1-10.6GHz的UWB频带要满足发射功率谱密度在-41.3dBm/MHz以下，在UWB频带内存在大量不同频点的干扰信号，将极大地降低宽带接收机的灵敏度性能。

低噪声放大器作为射频接收机中最重要的部分，需要对微弱信号进行无失真地放大，对于宽带低噪声放大器来说，通频带内存在较强的干扰信号，需要充分对干扰信号进行抑制，以防止由于干扰信号造成的有用信号失真以及后级电路的饱和。

射频集成电路内平面螺旋电感一般具有很低的品质因数(≈10)，使用片上电感对干扰频点进行陷波抑制往往无法获得高抑制率，无法达到系统设计需求。

发明内容

本发明为了解决现有射频集成电路在强电磁干扰环境工作时，性能恶化的技术问题，提供一种在强电磁干扰环境工作中性能优良的宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器。

本发明提供一种宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器，设有宽带输入匹配模块、双谐振负载模块、高干扰抑制率陷波滤波器模块和增益峰化模块；

宽带输入匹配模块，用于实现从宽带匹配和最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流；

双谐振负载模块，用于实现宽带增益，使宽带信号进行低噪声放大；

高干扰抑制率陷波滤波器模块，提高了品质因数，增强了电路的干扰抑制性能；

增益峰化模块用于实现高频增益扩展，实现更宽的带宽；

宽带输入匹配模块与双谐振负载模块连接，增益峰化模块同时与宽带输入匹配模块和双谐振负载模块连接，增益峰化模块还与高干扰抑制率陷波滤波器模块连接，宽带输入匹配模块与RFin连接，增益峰化模块与RFout连接。

优选地，宽带输入匹配模块包括第一电容、第一电感、第一MOS管；

双谐振负载模块包括第二电感、第三电感、第二电容；

高干扰抑制率陷波滤波器模块包括第三电容、第四电感、第二MOS管、第三MOS管；

增益峰化模块包括第四MOS管、第五MOS管、第五电感、第一电阻、第二电阻；

其中：

第一电容的第一端作为低噪声放大器的输入端，第一电容的另一端连接第一电感的第一端、第一MOS管的源极；

第一电感的另一端直接连接到地，第二电感的第一端与第一MOS管的漏极、与第三电感的第一端相连，第二电感的另一端与第一电源相连；

第一MOS管的栅极与第一偏置电压相连，第三电感的另一端与第二电容的第一端相连；

第二电容另一端与第一电阻的第一端、与第四MOS管的栅极相连，第一电阻的另一端与第二偏置电压相连；

第四MOS管的源极直接连接到地，第四MOS管的漏极与第二MOS管的漏极、与第四电感的第一端、与第五MOS管源极相连；

第二MOS管的栅极与第四电感的另一端相连，第二MOS管的源极与第三MOS管的漏极、与第三电容的第一端相连；

第三电容的另一端直接连接到地，第三MOS管的栅极连接第三偏置电压，第三MOS管的源极直接连接到地；

第五MOS管的栅极连接到第二电源电压，第五MOS管的漏极连接到第五电感的第一端作为低噪声放大器的输出端，第五电感的另一端与第二电阻的第一端相连，第二电阻的另一端连接到第二电源电压。

优选地，双谐振负载模块和增益峰化模块中，第二电感、第三电感和第五电感共同决定低噪声放大器的带宽，第二电阻决定低噪声放大器增益平坦度。

优选地，高干扰抑制率陷波滤波器模块中，第二MOS管工作在亚阈值，用于高效率地产生负阻，消除第四电感的内在电阻损耗，第三电容用以提高陷波滤波器的品质因数，改变第三偏置电压可以调节干扰抑制效果。

本发明还提供一种射频前端集成电路，包括如权利1-4任一宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器。

本发明的有益效果是：

本发明的低噪声放大器包括的宽带输入匹配模块，通过第一MOS管的共栅极结构，借助其内在的阻抗特性，获得了宽频带下接近于50Ω的匹配电阻，通过在第一MOS管的源极串联第一电感到地，消除了输入寄生电容在高频下对输入阻抗的影响，很大程度上扩展了输入匹配带宽，使得低噪声放大器能够在很宽的频带内工作。

本发明的低噪声放大器包括的双谐振负载模块，采用第二电感、第三电感作为第一MOS管的漏极负载，利用双谐振技术，将增益谐振峰推向高频和低频，不引入额外的功耗下，实现了宽带的增益。

本发明的低噪声放大器通过高干扰抑制率陷波滤波器模块，利用第二MOS管的漏极与第四MOS管的漏极短接，利用环路反馈产生负阻消除第四电感的损耗，同时第二MOS管工作在亚阈值区域的低功耗状态，接着第三电容作为第二MOS管的源退化电容，提高了干扰抑制陷波滤波器的品质因数，从而大大增强了电路的干扰抑制性能。

附图说明

图1是本发明集成电路模块连接图；

图2是本发明集成电路原理图；

图3是本发明高干扰抑制率陷波滤波器模块在不同第三电容Cn下的品质因数；

图4是本发明各级增益效果及整体增益叠加示意图；

图5是本发明电压增益的仿真结果图。

附图符号说明：

1.宽带输入匹配模块；2.双谐振负载模块；3.高干扰抑制率陷波滤波器模块；4.和增益峰化模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对可本发明做进一步说明，以使本发明所属技术领域的技术人员能够容易实施本发明。

如图1所示，为本发明提供的宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器集成电路模块连接图，该低噪声放大器集成电路包括：

宽带输入匹配模块1、双谐振负载模块2、高干扰抑制率陷波滤波器模块3和增益峰化模块4。

宽带输入匹配模块1用于实现从天线端到低噪声放大器的宽带50Ω匹配，实现最大功率传输，同时将交流小信号电压转化成交流小信号电流。

双谐振负载模块2用于实现宽带增益，使得实施例所示的低噪声放大器能够对宽带信号进行低噪声放大。

高干扰抑制率陷波滤波器模块3利用所述第二MOS管的漏极与所述第四MOS管的漏极短接，利用环路反馈产生负阻消除了所述第四电感的损耗，同时所述第二MOS管工作在亚阈值区域的低功耗状态，所述第三电容作为所述第二MOS管的源退化电容，提高了干扰抑制陷波滤波器的品质因数，从而大大增强了电路的干扰抑制性能。

增益峰化模块4用于实现高频增益扩展，实现更宽的带宽；

宽带输入匹配模块1与双谐振负载模块2连接，增益峰化模块4同时与宽带输入匹配模块1和双谐振负载模块2连接，增益峰化模块4还与高干扰抑制率陷波滤波器模块3连接，宽带输入匹配模块1与RFin连接，增益峰化模块4与RFout连接。

具体的，如图2所示，该实施例中：宽带输入匹配模块1包括第一电容Cb、第一MOS管M1、第一电感Lb；双谐振负载模块2包括第二电容Cs1、第二电感Lp1、第三电感Ls1；高干扰抑制率陷波滤波器模块3包括第三电容Cn、第四电感Ln、第二MOS管M4、第三MOS管M5；增益峰化模块4包括第五电感Lp2、第四MOS管M2、第五MOS管M3、第一电阻Rb、第二电阻Rs1；还设有输入端口Vin、输出端口Vout、第一电源电压VDD1、第二电源电压VDD2、第一偏置电压Vb1、第二偏置电压Vb2、第三偏置电压Vb3；其中：

第一电容Cb的第一端作为实施例中低噪声放大器的输入端Vin，第一电容Cb的另一端连接第一电感Lb的第一端、第一MOS管M1的源极。

第一电感Lb的另一端直接连接到地，第二电感Lp1的第一端与第一MOS管M1的漏极、第三电感Ls1的第一端相连，第二电感Lp1的另一端与第一电源VDD1相连。

第一MOS管M1的栅极与第一偏置电压Vb1相连，第三电感Ls1的另一端与第二电容Cs1的第一端相连。

第二电容Cs1另一端与第一电阻Rb的第一端、第四MOS管M2的栅极相连，第一电阻Rb的另一端与第二偏置电压Vb2相连。

第四MOS管M2的源极直接连接到地，第四MOS管M2的漏极与第二MOS管M4的漏极、第四电感Ln的第一端、第五MOS管M3源极相连。

第二MOS管M4的栅极与第四电感Ln的另一端相连，第二MOS管M4的源极与第三MOS管M5的漏极、第三电容Cn的第一端相连。

第三电容Cn的另一端直接连接到地，第三MOS管M5的栅极连接第三偏置电压Vb3，第三MOS管M5的源极直接连接到地。

第五MOS管M3的栅极连接到第二电源电压VDD2，第五MOS管M3的漏极连接到第五电感Lp2的第一端作为实施例低噪声放大器的输出端Vout，第五电感Lp2的另一端与第二电阻Rs1的第一端相连，第二电阻Rs1的另一端连接到第二电源电压VDD2。

对于图2本发明提供的宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器集成电路原理图的具体工作原理如下：

该具体实施例为工作在3.1-10.6GHz下的具有高干扰消除能力的低噪声放大器，宽带输入匹配模块1实现与宽带天线在3.1-10.6GHz下的宽带匹配，以实现最大功率传输和较好的噪声性能。

第一MOS管M1的跨导直接提供了输入匹配模块的实部阻抗，同时此实部阻抗理想情况下只与跨导大小有关，改变第一偏置电压Vb1可设置跨导为20mS，实现50Ω的实部阻抗产生。

使用第一电感Lb与第一MOS管M1源极电容谐振，从而实现宽带输入匹配。

在双谐振负载模块2中，第一MOS管M1的漏极电容与第二电感Lp1形成并联谐振，谐振中心频率为w_0，位于3.1-10.6GHz的中心频率，第三电感Ls1与第四MOS管M2的栅极电容形成串联谐振，谐振频率也为w_0，位于3.1-10.6GHz的中心频率，此两谐振网络形成并串双谐振负载网络，形成高频和低频两个谐振峰，从而实现了在宽带内的高增益。

在高干扰抑制率陷波滤波器模块3中，第二MOS管M4的漏极与第四MOS管M2的漏极短接，形成的环路产生负阻，使得在频率w_n处，从第四MOS管M2的漏极向高干扰抑制率陷波滤波器模块3看进去的输入阻抗Z_in的实部为0，从而消除了第四电感Ln作为陷波滤波器的损耗。进一步地，第三电容Cn作为第二MOS管M4的源退化电容，将高干扰抑制率陷波滤波器模块3的陷波频率拉高到w_n，从而获得在w_n处Z_in等于0，提高了陷波滤波器的品质因数，使频率为w_n的干扰完全被高干扰抑制率陷波滤波器模块3衰减。

请参见图3提供的高干扰抑制率陷波滤波器模块3在不同第三电容Cn下的品质因数，品质因数越大代表了对干扰的抑制效果越好。图3的横坐标为频率(GHz)，纵坐标为品质因数，不同的曲线代表不同第三电容Cn下的品质因数，原始第四电感Ln的品质因数为10，仿真结果证明了高干扰抑制率陷波滤波器模块3能够提高陷波滤波器的品质因数，同时调节第三电容Cn能够很方便地调节品质因数的大小。

请参见图4提供的宽带、高干扰消除能力的射频低噪声放大器集成电路的各级增益效果及整体增益叠加示意图，双谐振负载模块2高低频两个高增益点，高干扰抑制率陷波滤波器模块3抑制干扰频率处的增益，增益峰化模块4用于补偿高频处的增益，使宽带增益效果平坦。

请参见图5，其中图5的横坐标为频率(GHz)，纵坐标为功率增益(dB)，图5为图2电路仿真结果，在图2实施例提供的宽带、高线性度的射频低噪声放大器下，实现了最大功率增益16.05dB，高低频带3dB带宽为6.2-10.1GHz和3.3-4.6GHz,对5.8GHz干扰抑制比为40.9dB,高干扰抑制率陷波滤波器模块3只消耗0.456mA电流。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。