一种LNA及该LNA对信号进行放大的方法

摘要

本发明涉及通信领域，公开了一种LNA及该LNA对信号进行放大的方法，该LNA包括输入阻抗匹配及放大电路和输出谐振选频电路；所述输入阻抗匹配及放大电路和所述输出谐振选频电路相连；所述输入阻抗匹配及放大电路用于将至少两种不同频率的信号输入后进行阻抗匹配及放大处理；所述输出谐振选频电路用于根据频率将阻抗匹配及放大处理后的至少两种不同频率的信号分别输出。该LNA通过采用新颖的电路结构和实现方案，能将至少两种不同频率的信号同时进行放大,若将该LNA运用于GNSS多模多频接收机的射频前端，可以使GNSS多模多频接收机的射频前端支持接收GNSS所有频段，而且该射频前端采用的芯片面积小，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种LNA(LowNoiseAmplifier，低噪 声放大器)及该LNA对信号进行放大的方法。

背景技术

目前，GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem,全球卫星导航系统) 工作时所使用的射频频点如表1所示。

表1

GNSS模式 频点 单位(兆赫兹) GPS L1 1575.42 MHz Galileo 1575.42 MHz BeiDou B1 1561.098 MHz BeiDou B2 1207.14 MHz BeiDou B3 1268.52 MHz Glonass 1601.718 MHz

其中，GPSL1由美国的卫星导航系统使用，工作频率为1575.42MHZ；Galileo 由欧盟的卫星导航系统使用，工作频率也是1575.42MHZ；BeiDou(北斗)B1、 BeiDouB2及BeiDouB3由中国的卫星导航系统使用，工作频率分别为1561.098 兆赫兹、1207.14兆赫兹及1268.52兆赫兹；Glonass由俄罗斯的卫星导航系统使 用，工作频率为1601.718兆赫兹。

目前，市面上的射频接收机产品可以同时支持GPSL1、BeidouB1、Galileo 和Glonass，其中，Galileo和Glonass分别与GPSL1和BeidouB1的频率比较接 近,但是，该射频接收机不能同时支持频点较低的BeidouB2和BeidouB3。也就 是说，现有技术中的射频接收机只能接收频率在1.5MHz～1.6MHz的信号，无法 接收频点较低的BeidouB2和BeidouB3的信号。

射频接收机中包括天线及射频前端，其中，天线用于接收或发送信号，目 前有单频接收天线，也有多频接收天线，也就是说，天线可以实现同时接收不 同频率的功能；射频前端包括LNA和IQ(In-phaseQuadrature，同相正交信号) 混频器，主要用于实现射频放大的部分是LNA，IQ混频器用于混频。而现有技术 中的LNA采用载入载出的电路方案，具体如图1所示，这样的LNA只能放大GPSL1、 BeidouB1、Galileo和Glonass这些频率相同或接近的射频信号，不能同时放大 另一种频点较低的BeidouB2和BeidouB3的射频信号，这样就导致现有技术中 的射频接收机只能接收频率在1.5MHz～1.6MHz的信号，无法接收频点较低的 BeidouB2和BeidouB3的信号。

目前，如果要实现射频接收机产品同时支持GNSS所有频段，需要采用两套 芯片和更多外围元器件的方案，也就是说需要再增加一个LNA和一些外围元器 件，这样会使得射频前端的面积变的比较大，此外，这些外围元器件的价格也 比较昂贵，因此会使得整个射频前端的成本变高。

发明内容

本发明提供了一种LNA及该LNA对信号进行放大的方法，该LNA能将两种不同 频率的信号同时进行放大，若将该LNA运用于GNSS多模多频接收机的射频前端， 可以使GNSS多模多频接收机的射频前端支持接收GNSS所有频段，而且该射频前 端采用的芯片面积小，成本低。

为解决上述问题，本发明提供了一种LNA，包括输入阻抗匹配及放大电 路(1)和输出谐振选频电路(2)；所述输入阻抗匹配及放大电路(1)和所 述输出谐振选频电路(2)相连；

所述输入阻抗匹配及放大电路(1)用于将至少两种不同频率的信号输 入后进行阻抗匹配及放大处理；所述输出谐振选频电路(2)用于根据频率将 阻抗匹配及放大处理后的至少两种不同频率的信号分别输出。

本发明的实施方式还提供一种根据如上所述的LNA进行信号放大的方 法，包括：

将至少两种不同频率的信号输入后进行阻抗匹配及放大处理；

根据频率将阻抗匹配及放大处理后的至少两种不同频率的信号分别输 出。

本发明的实施方式相对于现有技术而言，可以对至少两种不同频率的信 号输入后进行阻抗匹配及放大处理；然后再根据频率将阻抗匹配及放大处理 后的至少两种不同频率的信号分别输出，实现了对多种频率的信号同时进行 放大的功能。若将该LNA运用于GNSS多模多频接收机的射频前端，可以 使GNSS多模多频接收机的射频前端支持接收GNSS所有频段，而且该射频 前端采用的芯片面积小，成本低。

优选地，在所述单入单出的LNA的电路结构中，所述输入阻抗匹配及放 大电路(1)包含直流DC耦合电感(L11)、交流AC耦合电容(C11)、第一晶体管 (M11)和第二晶体管(M12)；所述输出谐振选频电路(2)包含复用电感(LL)、 第一可变电容(C_h)及第二可变电容(C_l)；

所述AC耦合电容(C11)的正极与所述LNA的输入端相连；所述DC耦合 电感(L11)的一端接地，另一端与所述AC耦合电容(C11)的负极和所述第一晶 体管(M11)的源极相连，所述第一晶体管(M11)的栅极连接偏置电压Vbias， 所述第一晶体管(M11)的漏极与所述第二晶体管(M12)的源极相连；所述复 用电感(LL)、所述第一可变电容(C_h)及所述第二可变电容(C_l)并联连接； 所述并联连接的第一端与所述第二晶体管(M12)的漏极相连，并作为所述LNA 的输出端；所述并联连接的第二端与所述第二晶体管(M12)的栅极相连，并 连接至电源电压VDD。

与现有技术相比，在本发明对LNA的电路做了改进，改进之后的LNA的输入 阻抗匹配电路中M11采用共栅的宽带阻抗匹配方式，放大电路M11和M12采用共源 共栅的连接方式，可以增加隔离，输出采用高性能电感复用方案，使得改进之 后的射频前端不需要再增加芯片就可以实现接收GNSS所有频段的信号，实现 1.2GHz～1.6GHz频率覆盖，接收覆盖频率宽，阻抗匹配性能、噪声性能以及线 性度性能较好，功耗低，整体应用芯片面积小。

优选地，所述第一可变电容(C_h)包括：第一电感(L0)、第三晶体管 (M21)、第一电容(C0)、第二电容(C1)、所述第二可变电容(C_l)包括： 第二电感(L1)、第四晶体管(M22)、第三电容(C2)及第四电容(C3)；

所述第一电感(L0)的第一端与数字控制字相连，第二端与所述第三晶 体管(M21)的栅极相连，所述第三晶体管(M21)的漏极与所述第一电容(C0) 的负极相连，源极与所述第二电容(C1)的正极相连，所述第一电容(C0) 的正极与所述VDD相连，所述第二晶体管(M12)的漏极及所述第二电容(C1) 的负极与所述LNA的输出端相连；

所述第二电感(L1)的第一端与所述数字控制字相连，第二端与所述第 四晶体管(M22)的栅极相连，所述第四晶体管(M22)的漏极与所述第三电 容(C2)的负极相连，源极与所述第四电容(C3)的正极相连，所述第三电 容(C2)的正极与所述VDD相连，所述第二晶体管(M12)的漏极及所述第四电 容(C3)的负极与所述LNA的输出端相连。

作为本发明的进一步改进，在具体实现时，输出谐振选频电路中第一可 变电容和第二可变电容分别可以通过一个电感、一个晶体管及两个电容的连 接关系来实现，这样实现的第一可变电容和第二可变电容可以满足射频前端 的PVT(ProcessVoltageTemperature,工艺电压温度)成品率，可以将两个 不同频率的信号放大后输出，能够确保该输出谐振选频电路满足指标要求。

附图说明

图1是现有技术中的LNA的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的GNSS多模多频接收机的射频前端中的 LNA的电路结构示意图；

图3是现有技术中的GNSS多模多频接收机的射频前端结构示意图；

图4是根据本发明第二实施方式中LNA的电路组成图；

图5是根据本发明第二实施方式中LNA中的第一可变电容和第二可变电容 的具体电路组成图；

图6是将图5所示的第一可变电容和第二可变电容的具体电路组成图与图 4中前端的输入阻抗匹配及放大电路连接在一起后的LNA的电路图；

图7是根据本发明第二实施方式中另一种LNA的电路组成图；

图8是根据本发明第三实施方式中LNA的电路组成图；

图9是根据本发明第三实施方式中的根据第一、第二或第三实施方式所述 的LNA对信号进行放大的方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解， 在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细 节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改， 也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式提供一种LNA,如图2所示，包括：

输入阻抗匹配及放大电路和输出谐振选频电路；输入阻抗匹配及放大电 路和输出谐振选频电路相连；输入阻抗匹配及放大电路用于将至少两种不同 频率的信号输入后进行阻抗匹配及放大处理；输出谐振选频电路用于根据频 率将阻抗匹配及放大处理后的至少两种不同频率的信号分别输出。

现有技术中的GNSS多模多频接收机的射频前端，如图3所示，射频前 端包括天线、LNA和IQ混频器，LNA的输入端与接收机的天线相连，LNA的 输出与IQ混频器的输入相连。由于GNSS总共有两个频段的射频信号，而本 发明中的LNA至少可以放大处理两个频段的射频信号，若将本发明中的LNA 使用在GNSS接收机的射频前端，则可以使得GNSS接收机可以接收GNSS全频 段的信号，实现1.2GHz～1.6GHz频率覆盖，使得GNSS接收机具有接收多模 多频射频信号的功能，同时，接收覆盖频率变宽。

本发明的实施方式相对于现有技术而言，可以对至少两种不同频率的信 号输入后进行阻抗匹配及放大处理；然后再根据频率将阻抗匹配及放大处理 后的至少两种不同频率的信号分别输出，实现了对多种频率的信号同时进行 放大的功能。

需要说明的是，LNA的电路结构为单入单出结构或双入双出结构。本发 明第二实施方式提供一种LNA的具体电路结构图，该LNA为单入单出结构， 即LNA为一个输入一个输出的结构。第二实施方式为第一实施方式的具体实 施例，LNA的内部电路如图4所示，LNA包括输入阻抗匹配及放大电路1和输 出谐振选频电路2；其中，输入阻抗匹配及放大电路1包含DC(Direct Current，直流电)耦合电感L11、AC(AlternatingCurrent，交流电)耦 合电容C11、第一晶体管M11和第二晶体管M12；输出谐振选频电路2包含复 用电感LL、第一可变电容C_h及第二可变电容C_l。在输入阻抗匹配电路中，M11 为共栅连接方式；M11和M12形成放大电路，M11和M12为共栅共源的连接方 式，这样可以增加隔离；输出谐振选频电路2采用高性能电感复用方案。

具体的，AC耦合电容C11的正极与LNA的输入端相连，DC耦合电感L11 的一端接地，另一端与AC耦合电容(C11)的负极和第一晶体管(M11)的源极相 连，第一晶体管M11的栅极连接偏置电压Vbias，第一晶体管M11的漏极与 第二晶体管M12的源极相连，复用电感LL、第一可变电容C_h及第二可变电容 C_l并联连接，并联连接的第一端与第二晶体管(M12)的漏极相连，并作为LNA 的输出端；并联连接的第二端与第二晶体管(M12)的栅极相连，并连接至电 源电压VDD。

AC耦合电容C和DC耦合电感L均采用片外元件，假设输入阻抗为Zin， Zin可表示为：

$\mathrm{Zin}=\frac{1}{\mathrm{sC}}+\frac{1}{\mathrm{gm}}//\mathrm{sL}$

s＝jω

其中，C为AC耦合电容的容抗，L为DC耦合电感的感抗，s＝jω为信号的 复频率，j表示虚部，ω表示角频率，gm表示放大管的放大系数，当C和L 足够大时，根据Zin的表示公式，输入实际阻抗近似等于1/gm,与容抗、感 抗影响小，可以实现1.2GHz～1.6GHz的宽带阻抗匹配。

此外，输入阻抗匹配及放大电路还可以通过电阻反馈形式组成的输入阻 抗匹配及放大电路来替代，但这样的输入阻抗匹配及放大电路噪声性能比较 差。采用电阻反馈形式组成的输入阻抗匹配及放大电路为现有技术，在此不 做赘述。

如图4所示，输出谐振选频电路2包括复用电感LL,第一可变电容C_h和 第二可变电容C_l，C_h和C_l可以根据高低频自适应切换。其中LL和C_h组成的 回路用于将频率较高的信号选择出来；LL和C_l组成的回路用于将频率较低的 信号选择出来。以下以GNSS完成全频段接收为例来说明输出谐振选频电路 的工作原理：

若将该LNA运用于GNSS的接收机的射频前端，为了实现全频段接收， 可以设置C_h和C_l计算得到的谐振频率的中心频率ω_h和ω_l分别为1580MHZ和 1230MHZ，同时使得C_h和C_l满足如下关系C_l＝1.28C_h。

$1.6\mathrm{GHz}=2\pi \sqrt{\mathrm{LL}·C_l}$

${\omega }_l=\frac{1}{2\pi \sqrt{\mathrm{LL}·C_l}}$

$\frac{C_l}{C_h}={\left(\frac{{\omega }_h}{{\omega }_l}\right)}^2={\left(\frac{1580}{1230}\right)}^2=1.28$

其中，ω_h为根据容抗为C_h的电容计算得到的谐振频率，ω_l为根据容抗为 C_l的电容计算得到的谐振频率，π表示圆周率。

当信号通过LL和C_h时，通过改变C_h的电容值，可以改变谐振频率，从 而改变选频频率，在选择1.6GHz左右的高频信号时，可以调节C_h，使得C_h满 足从而可以将频率为1.6GHz左右的高频信号选出；当信 号通过LL和C_l时，通过改变C_l的电容值，可以改变谐振频率，从而改变选频 频率，在选择1.2GHz左右的低频信号时，可以调节C_l，使得C_l满足 可以将频率为1.2GHz左右的低频信号选出。

同理，可以调整C_h和C_l的电容值，将该LNA运用于其他的多模多频环 境中，对两种以上信号的频率进行放大处理。

具体的，如图5所示，在具体实现时，第一可变电容C_h包括：第一电感 L0、第三晶体管M21、第一电容C0和第二电容C1；第二可变电容C_l包括：第 二电感L1、第四晶体管M22、第三电容C2和第四电容C3，其中,C2＝2C0。

其中，第一电感L0的第一端与数字控制字相连，第二端与第三晶体管 M21的栅极相连，第三晶体管M21的漏极与第一电容C0的负极相连，源极与 第二电容C1的正极相连，第一电容C0的正极与VDD相连，第二晶体管M12 的漏极及第二电容C1的负极与LNA的输出端相连。

第二电感L1的第一端与数字控制字相连，第二端与第四晶体管M22的 栅极相连，第四晶体管M22的漏极与第三电容C2的负极相连，源极与第四电 容C3的正极相连，第三电容C2的正极与VDD相连，第二晶体管M12的漏极 及第四电容C3的负极与LNA的输出端相连。

图6为将图5所示的输出谐振选频电路与前端的输入阻抗匹配及放大电 路连接在一起后的电路图。

与现有技术相比，在本发明对LNA的输入阻抗匹配电路中M11采用共栅 的宽带阻抗匹配方式，放大电路M11和M12采用共源共栅的连接方式，可以 增加隔离，输出采用高性能电感复用方案，将该LNA运用于GNSS的接收机中， 可以使得改进之后的GNSS的射频前端不需要再增加芯片就可以实现接收 GNSS所有频段的信号，实现1.2GHz～1.6GHz频率覆盖，接收覆盖频率宽， 阻抗匹配性能、噪声性能以及线性度性能较好，功耗低，整体应用芯片面积 小。此外，在具体实现时，第一可变电容和第二可变电容分别可以通过一个 电感、一个晶体管及两个电容的连接关系来实现，这样实现的第一可变电容 和第二可变电容可以满足射频前端的PVT成品率，可以将两个不同频率的信 号放大后输出，能够确保该输出谐振选频电路满足指标要求。

此外，输出谐振选频电路还可以采用芯片外的高性能电感实现，本领域 的技术人员根据该提示完全能够实现该电路，在此不做赘述。

进一步的，通过增加输出谐振选频电路中的电容阵列的个数，本发明的 LNA可以实现对多个频率的信号进行放大处理。具体如图7所示。图7所示 的LNA的输出谐振选频电路中的电容阵列包括多个可变电容C_h、C_l……Cm及 Cn，其中，每一个可变电容可以实现将一个具体频率的信号选出的功能，图 中的电容阵列中包括两个以上的可变电容，因此，图7所示的LNA可以将两 个以上的不同频率的信号放大并选出。需要说明的是，具体实现时，电容阵 列中各可变电容的具体电路可以参考图6中的相关部分，在此不做赘述。

本发明第三实施方式提供一种LNA的具体电路结构图，该LNA为多入多 出的差分结构，即LNA为多个输入多个输出的结构，具体如图8所示。第三 实施方式为第一实施方式的具体实施例，本实施方式揭示的LNA的工作原理 与第二实施方式中的相类似，在此不做赘述。

本发明第四实施方式提供一种根据第一、第二或第三实施方式所述的 LNA进行信号放大的方法，如图9所示，包括：

901、将至少两种不同频率的信号输入后进行阻抗匹配及放大处理。

902、根据频率将阻抗匹配及放大处理后的至少两种不同频率的信号分 别输出。

本实施方式为与第一、第二或第三实施方式对应的方法实施例，根据第 一或第二实施方式所述的LNA进行信号放大的方法可以参考第一、第二或第 三实施方式中对LNA电路工作原理的相关描述及分析，在此不做赘述。

本发明的实施方式相对于现有技术而言，可以对至少两种不同频率的信 号输入后进行阻抗匹配及放大处理；然后再根据频率将阻抗匹配及放大处理 后的至少两种不同频率的信号分别输出，实现了对多种频率的信号同时进行 放大的功能。若将该LNA运用于GNSS多模多频接收机的射频前端，可以使 GNSS多模多频接收机的射频前端支持接收GNSS所有频段，而且该射频前端 采用的芯片面积小，成本低。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体 实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏 离本发明的精神和范围。