用于5GHzWiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統的制作方法

本發明涉及射頻接收前端阻抗匹配技術領域，特別涉及一種用于5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統。

背景技術：

隨著通信技術不斷發展以及信息交流日益頻繁，以無線方式接入有線網絡的無線局域網成為目前高數據率、短距離和低成本通信方式主流。根據國內外無線局域網要求和規定，無線局域網主要基于2.4GHz頻段Wireless Fidelity(WiFi) 標準協議--802.11b/g協議。近幾年，無線智能終端和其他一些電子設備大多數基于2.4GHz頻段通信，然而設備增多以及低頻段傳輸數據低等的特點導致信道擁堵影響通信質量。為了滿足日益增加通信需求，最新WiFi標準協議為采用5GHz頻段802.11ac，不但提高數據帶寬又避免大多數電子設備干擾。當然，5GHz頻段也有一些缺陷，比如衰減較大、系統復雜和功耗較高等。但是，高效率集成電路技術發展和通信需求使支持5GHz通信頻段WiFi協議研究越來越成為熱點。

隨著無線智能終端爆炸性增長，高數據、大容量和多設備通信要求的無線局域網部署也越來越多。如果無線智能終端距離無線局域網5GHz頻段WiFi發射設備較近，無線智能終端接收到信號幅度相對較強，仍按照之前模式進行放大和處理信號可能導致信號幅度過大造成信號失真影響通信質量。同時，無線局域網5GHz頻段WiFi發射設備部署位置比較靈活，并且設備節點也相對密集。為了保證無線智能終端正常通信，無線終端設備需要根據接收信號強弱靈活地控制接收系統信號處理模式。近幾年，根據接收信號強弱進行智能處理的方法和電路有很多，比如利用智能天線靈活地選擇接收信號方位或者利用不同類型接收系統。雖然這些方法在一定程度上保證通信質量，但增加了系統體積和復雜度。研究表明，射頻接收前端系統用于無線智能終端接收信號變頻和解調處理，在無線接收設備中起到至關重要的作用。其中，低噪聲放大器位于整個射頻接收系統前端，其噪聲系數、增益和功耗等性能直接影響整個射頻接收系統性能。因此，無線終端設備能否根據接收信號強弱靈活地信號處理主要取決于低噪聲放大器。針對低噪聲放大器智能處理方法和電路也有很多，一種比較常見方法是利用開關根據接收信號強弱選擇不同增益低噪聲放大器或者通過開關靈活地控制增益。比如專利為200710201298.2一種多頻帶可變增益的低噪聲放大器的發明專利中主要針對接收信號強弱選擇偏置控制電路來實現頻帶選擇以及開關控制反饋和負載實現增益的可調。雖然這種方法比較簡單，但額外低噪聲放大器增加了系統面積和功耗。另外一種利用開關形成不同增益模式下兩種信號通道低噪聲放大器方法越來越得到廣泛地應用。考慮到天線泄露和高效率傳送信號，一般無線智能設備都必須與天線進行阻抗匹配。目前無線智能設備使用天線輸出阻抗幾乎都是50歐姆，射頻接收系統前端尤其低噪聲放大器必須進行50歐姆阻抗匹配才能高效率接收信號。然而，不同增益模式下兩種信號通道低噪聲放大器阻抗匹配成為研究難點。例如，論文為Fully Integrated Switch-LNA Front-End IC Design in CMOS: A Systematic Approach for WLAN中主要針對2.5 GHz WLAN系統采用bypass開關通道進行控制低噪聲放大器高低增益模式如圖1所示。雖然bypass開關通道和其他開關能夠靈活地選擇通道進行信號處理實現信號增益可調，但是低噪聲放大器與bypass開關兩種通道匹配網絡簡單地進行復用而沒有特別處理，最終導致兩種通道信號處理性能都受到影響。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統，不論射頻接收系統處于信號強弱何種情況下，低噪聲放大器與bypass開關兩種通道都能實現良好地阻抗匹配高效率傳送信號。

為了實現以上目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統，其特點是，包含：

輸入匹配網絡，用于實現接收不同強度信號情況下輸入阻抗匹配；

低噪聲放大器，其輸入端連接輸入匹配網絡輸出端，用于對接收的第一強度信號低噪聲放大處理；

輸出匹配網絡，其輸入端連接低噪聲放大器輸出端，用于實現接收不同強度信號情況下輸出阻抗匹配；

bypass通道，其輸入端連接輸入匹配網絡的輸入端，輸出端連接輸出匹配網絡的輸出端，用于對接收第二強度信號處理；

所述的輸出匹配網絡包含：第二電感、第二電容、第三電容和第二開關管，所述的第二電感與第二電容并聯后串聯連接于第三電容，所述的第二開關管漏極和源極連接于第三電容兩端，其柵極連接于控制端。

當輸入一第一強度信號，所述的第二開關管接收控制信號使其處于關斷狀態，所述的低噪聲放大器處理第一強度信號。

當輸入一第二強度信號，所述的第二開關管接收控制信號使其處于開啟狀態，并使得所述的低噪聲放大器輸出端處于高阻狀態，且所述的第二強度信號經由bypass通道處理。

所述的輸入匹配網絡包含：

第一電容，其一端通過第一隔直電容連接于輸入端；

第一電感、第一開關管，所述的第一電容另一端連接于第一電感一端和第一開關管的漏極，所述的第一電感另一端連接于第一開關管的源極。

所述的低噪聲放大器包含共源管和共柵管，所述的共源管柵極連接于第一電感另一端，所述的共柵管的源極連接于共源管漏極，所述的共柵管漏極分別連接于第二電感、第二電容、第三電容的一端以及第二開關管的漏極。

所述的bypass通道包含：bypass電阻、bypass偏置電阻和bypass管，所述的第一電容一端連接于bypass管一漏極、bypass電阻和bypass偏置電阻的一端，所述的bypass電阻另一端和bypass管源極連接于第三電容另一端和第二開關管的源極。

該系統還包含偏置管和使能管，所述偏置管的漏極和源極分別相連接于電流源和接地，所述的使能管漏極連接于偏置管的柵極和第一開關管的源極，所述使能管柵極和源極分別連接于使能信號EN和接地。

所述的第一開關管和bypass管的柵極與控制端相連。

所述的第一強度大于第二強度。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

本發明能夠根據接收信號強弱選擇合適的信號處理通道，并且靈活地利用控制開關調整阻抗匹配而不是簡單匹配網絡復用，從而保證兩種通道信號通信質量。

附圖說明

圖1為現有技術中兩種模式低噪聲放大器電路圖；

圖2為本發明一種用于5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統的電路圖；

圖3A為本發明提出的輸入匹配網絡統一匹配電路圖；

圖3B為本發明提出的輸入匹配網絡一種通道的電路等效圖；

圖3C為本發明提出的輸入匹配網絡另一種通道的電路等效圖；

圖4A、4B分別為本發明在弱信號情況下S參數和噪聲系數NF仿真圖；

圖5A、5B為本發明在強信號情況下S參數和噪聲系數NF仿真圖。

具體實施方式

下面結合本發明附圖以及具體實施例，進一步闡述和說明本發明。應當注意，這些實施例僅用于說明本發明一般使用而不用于限制本發明的范圍。此外應當注意，在閱讀了本發明描述的內容之后，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下對本發明作各種改動或修改以及其他實施用途，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定范圍。

更加具體實施例，帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統如圖2所示，包含：輸入匹配網絡，用于實現接收不同強度信號情況下輸入阻抗匹配；低噪聲放大器，其輸入端連接輸入匹配網絡輸出端，用于對接收的第一強度信號低噪聲放大處理；輸出匹配網絡，其輸入端連接低噪聲放大器輸出端，用于實現接收不同強度信號情況下輸出阻抗匹配；bypass通道，其輸入端連接輸入匹配網絡的輸入端，輸出端連接輸出匹配網絡的輸出端，用于對接收第二強度信號處理。所述的輸入匹配網絡包含：第一電容、第一電感和第一開關管；所述的低噪聲放大器包含：共源管和共柵管；所述的輸出匹配網絡包含：第二電感、第二電容、第三電容和第二開關管。

其中，上述統一匹配系統具體包括第一隔直電容101、第一電容102、第一電感103、第一電阻104、第二電阻105、第二電感106、第二電容107、源極電感108、第三電容109、第二隔直電容110、第一開關管111、第二開關管112、共源管113、共柵管114、偏置管115、bypass管116、bypass電阻117、bypass偏置電阻118和使能管119。所述第一隔直電容101一端連接于輸入端RFIN，另一端連接于所述第一電容102、bypass管116的漏極、bypass電阻117和 bypass偏置電阻118的一端；所述第一電容102另一端連接于所述第一電感103一端以及第一開關管111的漏極；所述第一電感103另一端連接于所述第一電阻104一端、第一開關管111的源極以及共源管113的柵極；所述第一電阻104另一端連接于所述偏置管115的柵極以及使能管119的漏極；所述共源管113的漏極與所述共柵管114的源極相連接；所述共柵管114的漏極連接于所述第二電感106、第二電容107、第三電容109一端相連接以及第二開關管112的漏極；所述共柵管114的柵極連接于所述第二電阻105一端；所述第二電阻105、第二電感106一端和第二電容107另一端直接與電壓VDD相連接；所述第二隔直電容110一端連接于輸出端RFOUT；所述第二隔直電容110的另一端連接于所述bypass電阻117的另一端、所述第一開關管112的源極以及bypass管116的源極；所述偏置管115的漏極和源極分別相連接于電流源Ib和接地；所述bypass偏置電阻118另一端連接于電壓偏置Vb；所述第一開關管111、第二開關管112和bypass管116的柵極與控制端SW相連接，以及所述使能管119柵極和源極分別連接于使能信號EN和接地；根據接收信號的強弱靈活地通過調整控制信號SW和使能信號EN確定信號通路，保證通信質量。

由于低噪聲放大器輸出網絡阻抗處于50歐姆左右，bypass通道輸出端阻抗也50歐姆。如果只是簡單輸出網絡復用而沒有特別處理，整個bypass通道實際輸出網絡阻抗大約25歐姆左右，因此bypass通道信號通信將會受到影響。為了更加詳細地說明5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配電路阻抗匹配，下面重點介紹輸出網絡統一匹配系統如圖3A所示，主要包括LC并聯和一個電容組成諧振網絡，以及控制開關。當接收信號較弱時，接收設備必須利用低噪聲放大器將微弱信號進行放大處理，便于后續信號變頻和解調。低噪聲放大器通過控制信號SW使開關處于關斷狀態，開關管等效為一個非常大電容Coff如圖3B所示，其中LC并聯和等效電容Coff與電容C2并聯輸出網絡仍然在50歐姆左右。當接收信號較強時，接收設備仍然利用低噪聲放大器將微弱信號進行放大處理可能造成信號失真。為了保證正常通信要求，低噪聲放大器處于關斷狀態以及開關管處于開啟狀態，等效為一個較小電阻Ron如圖3C所示。其中，等效電阻Ron與電容C2并聯相當于短路，低噪聲放大器輸出端處于高阻狀態，整個bypass通道實際輸出網絡阻抗大約50歐姆左右。因此，用于5GHz WiFi通信射頻前端低噪聲放大器不論接收信號強弱都可以實現高效率傳送和處理信號。

為了進一步說明本發明工作原理，設計基于IBM 180nm SOI CMOS工藝，采用Cadence進行仿真驗證和分析。下面5GHz WiFi通信信號為例具體說明，當射頻輸入信號非常弱（大約-80dBm），無線接收設備對信號進行放大處理，通過調整控制信號SW為低電平（一般為0）以及使能信號EN為低電平（一般為0），這樣bypass通道以及控制開關處于關閉狀態而低噪聲放大器處于開啟狀態。低噪聲放大器通過合理地偏置信號以及電源電壓VDD信號使得共源管113和共柵管114處于飽和放大狀態，通過所述第一電容102、所述第一電感103、源極電感108以及共源管113形成輸入匹配，以及所述第二電感106、第二電容107和第三電容109構成輸出匹配網絡。當電源電壓為1.8V，偏置電流源為80uA，所述共源管113柵極電壓大約為615mV，處于飽和狀態。低噪聲放大器輸入網絡和輸出網路阻抗在5GHz處于諧振狀態，本發明提出統一匹配電路在弱信號下S參數和噪聲系數NF仿真圖如圖4A、4B所示。從圖中可以看出，仿真驗證表明本發明電路在5GHz，S11和S22均小于-10dB，S21大約為14dB，S12遠小于-20dB。同時，電流消耗大約7.5mA，以及噪聲系數大約為1.4dB，基本上等于最小噪聲系數，滿足5GHz WiFi通信射頻前端低噪聲放大器指標要求。當射頻輸入信號較強（大約-40~-10dBm），無線接收設備不需要低噪聲放大器對信號放大直接利用后級進行信號處理，通過調整控制信號SW為高電平（一般為VDD）以及使能信號EN為高電平（一般為VDD），這樣bypass通道以及控制開關處于開啟狀態而低噪聲放大器處于關閉狀態，這樣保證整個bypass通道實際輸入網絡和輸出網絡阻抗分別都在50歐姆左右，所述的bypass通道包含：bypass電阻117、bypass偏置電阻118和bypass管116。并且，bypass通道調整合理地偏置信號Vb使得所述bypass管116處于工作狀態，形成一個低損耗信號通道。當電源電壓為1.8V，bypass通道偏置電壓Vb大約為600mV，這樣保證整個bypass管正常工作，實際輸入網絡和輸出網絡阻抗分別都在50歐姆左右，本發明提出統一匹配電路在強信號下S參數和噪聲系數NF仿真圖如圖5A、5B所示。從圖中可以看出，仿真驗證表明本發明電路在5GHz，S11和S22均小于-15dB，S21大約為-2dB。同時，噪聲系數大約為2.4dB，基與最小噪聲系數相差大約0.2dB，能夠滿足5GHz WiFi通信射頻前端低噪聲放大器指標要求。因此，本發明提供5GHz WiFi通信帶bypass通道低噪聲放大器統一匹配系統不論信號強弱工作在何種模式下都能實現良好地阻抗匹配，保證信號通信質量。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。