CN102163955A - 单端输入差分输出的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单端输入差分输出的低噪声放大器，包括：包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接输出匹配网络；包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路；跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；以及与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。本发明的优点包括：1）输出信号的差分对称；2）放大器整体增益在各种PVT下的相对恒定。

Description

单端输入差分输出的低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种集成电路领域，特别涉及一种单端输入差分输出的低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器是通常接收系统的第一级，需要提供足够的增益来减小后级模块等效到接收机输入端的噪声贡献，此外，其自身也必须具有很低的噪声系数，因为其所具有的噪声系数将1∶1的体现到接收机整体噪声系数。

在模拟集成电路中，各增益模块级都是电压放大器，因此希望各放大器具有尽量高的输入阻抗和尽量低的输出阻抗。但是由于低噪声放大器是芯片的第一级，需要连接片外的声表面波滤波器(SAW滤波器)或其他器件，通常这些器件都具有标准的输入输出阻抗(如50Ω)，因此，低噪声放大器的输入阻抗也必需要匹配到这些标准值，否则将会带来严重的信号反射，影响各模块的正常工作。

在片上系统(SoC)中，模拟射频电路模块很容易受到数字模块干扰的影响，由于全差分结构具有很好的抑制共模干扰、噪声的能力，因此全差分结构被广泛地应用于模拟射频电路。但是，现实的物理世界是一个“单端”的系统，因此，需要将接收的单端信号转化为差分信号。为了尽可能抑制共模干扰的影响，需要在接收机的最前端进行单端到差分转换。

实现单端到差分转换的一个最直接的方法就是在低噪声放大器输入端前加入片外双向式的平衡至非平衡转换器(BALUN)，再使用全差分结构的低噪声放大器，这种方法在输入信号进入芯片前就转换为差分，具有最好的抑制共模干扰的能力。然而，片外无源的BALUN没有增益，但却有1～2dB的插入损耗，根据Friis级联公式，这1～2dB的插入损耗将直接加在系统的整体噪声系数上，从而恶化接收机的灵敏度；此外，片外BALUN不是宽带器件，只能在很窄的频带能实现较好的差分输出特性，一旦超出标称频率，输出差分的信号的相位、幅度非平衡就会急剧变差；还有，片外BALUN成本相对较高，体积大，不利于小型化集成。

为了解决上述问题，中国专利CN.101282110B公开了一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器。该低噪声放大器通过在第一级放大电路后加入对称的第二级共源以及共栅放大电路，并通过第一、第二级之间平面电感构成的控制电路实现直流偏置与射频信号的隔离。然而受集成电路工艺所限，平面电感的感抗值很难做大，因此经由第二级共源、共栅放大电路放大后射频信号很难达到完全的差分对称。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单端输入差分输出的低噪声放大器。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的单端输入差分输出的低噪声放大器，包括输入匹配网络，包含电阻的输出匹配网络，还包括：包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络，用于放大耦合入的信号；包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路；跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；以及与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。

综上所述，本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器通过在电路中增加耦合补偿电路提高了输出信号的差分对称性。

附图说明

图1为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的电路示意图。

图2为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的偏置电路示意图。

图3为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的参考电流源电路示意图。

图4为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的小信号分析简化模型示意图。

图5为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的输出差分信号幅度与相位失配示意图。

图6a与6b为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的增益随PVT的变化直方图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器包括：输入匹配网络、第一电路11、第二电路12、尾电流源管电路13、补偿电路14、偏置电路及输出匹配网络15。

所述输入匹配网络的输入阻抗基于低噪声放大器所连接的器件来确定。例如，所述低噪声放大器所连接的器件为声表面波滤波器，则所述输入匹配网路提供的输入阻抗与该声表面波滤波器的输出阻抗相匹配，例如为50欧姆等。由于输入匹配网络已为本领域技术人员所知悉，故在此不再详述。

所述第一电路11包括至少一第一场效应管，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络15，用于放大耦合入的信号。

优选地，如图1所示，所述第一电路11包括：第一场效应管M₁、与第一场效应管M₁连接的场效应管M₃及负反馈电感L_s、以及用于耦合输入匹配网路输出的信号的电容C_ex1。其中，第一场效应管M₁的栅级通过大电阻R_B1接入栅极偏置电压V_B2，电容C_ex1用来降低输入匹配网络的Q值；场效应管M₃采用共栅(Cascode)管，其栅极接入电源电压V_DD。共栅管M₃的使用减小了第一场效应管M₁的米勒效应，增加输入输出的隔离，提高稳定性。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，所述第一电路的结构并非以所示为限，事实上，其可以采用其他电路结构，例如，包含3个或3个以上级连的场效应管、场效应管采用PMOS管等等。

所述第二电路12包括至少一第二场效应管，其与所述第一电路11连接并形成差分对结构，其输出连接所述输出匹配网络15。

优选地，如图1所示，所述第二电路12包括第二场效应管M₂、与所述第二场效应管M₂连接的场效应管M₄以及连接在所述第二场效应管M₂栅源之间的电容C_ex2。其中，第二场效应管M₂的栅极通过电阻R_B2接入偏置电压V_B2、源极连接第一电路11的负反馈电感L_s，场效应管M₄栅极接入电源电压V_DD，由此，第二电路12与第一电路11构成对称的差分对结构。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，所述第二电路的结构也并非以所示为限，事实上，其可以采用其他电路结构，例如，包含3个或3个以上级连的场效应管、场效应管采用PMOS型等等。

所述尾电流源管电路13连接在第一电路11与第二电路12公共连接点，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路12。

优选地，所述尾电流源管电路13包括尾电流源管M₀，该尾电流源管M₀的漏极连接在负反馈电感L_s与第二场效应管M₂源极的公共连接点、其栅极连接偏置电压V_B1、源极接地。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，尾电流源管电路的结构也并非以所示为限，事实上，其可以采用其他电路结构，例如，采用共源共栅电流源电路等等。

所述补偿电路14跨接在第一电路11与第二电路12之间，用于对所述第二电路12输出信号进行补偿以使所述第二电路12输出的信号与所述第一电路11输出的信号匹配。

优选地，所述补偿电路14包括电容C_c，该电容C_c一端连接第一场效应管M₁的漏极、另一端连接第二场效应管M₂的漏极，其对第二电路12的补偿作用容后陈述。

所述偏置电路与所述第一电路11、第二电路12及尾电流源管电路13连接，用于向各电路提供偏置电压等。

优选的，所述偏置电路包括：由参考电流源及电阻连接成的栅极电压提供电路，用于向所述第一电路11与第二电路12包含的场效应管提供栅极电压。此外，所述栅极电压提供电路还包括与所述尾电流源构成镜像的镜像管。

例如，如图2所示，所述偏置电路包括由参考电流源I_ref、与所述参考电流源I_ref连接的电阻R_B1、电阻R_B2、电阻R_B3、及电容C_big、以及与电阻R_B3连接的镜像管M₀₀。其中，镜像管M₀₀和尾电流源管M₀将参考电流源I_ref按比例放大，作为第一场效应管M₁和第二场效应管M₂的尾电流源。偏置电压V_B2通过大电阻R_B1加到第一场效应管M₁的栅极，并通过大电阻R_B2加到第二场效应管M₂的栅极。

优选的，所述参考电流源I_ref可采用共源共栅(cascode)的恒定跨导结构来形成。例如，如图3所示的cascode恒定跨导结构的参考电流源I_ref(后续将对该电路进行详细说明)。

所述输出匹配网络15根据连接在所述单端输入差分输出的低噪声放大器输出端的负载电路来确定，其可以采用电阻构成的匹配网络，也可采用射极跟随器等构成的匹配网络等。

在本实施例中，所述输出匹配网络15包括连接在第一电路11输出端(即场效应管M₃漏极的电阻R_L1以及连接在第二电路12输出端的电阻R_L2。

以下将对补偿电容C_c的补偿原理及偏置电路进行详细说明。

1、电容补偿原理

所述低噪声放大器的小信号分析简化电路如图4所示，如前所述，在尾电流源管M₀和补偿电容C_C的作用下，电路可以实现有源单端输入到差分输出的转换。若输入信号V_s被输入匹配网络放大Q_in倍，并由第一场效应管M₁转换为电流信号：

i_L＝Q_ing_m1V_s(1)

理想情况下，该电流信号i_L将被尾电流源管M₀完全转向右侧支路。但是，由于尾电流源管M₀有限的输出阻抗和P点寄生电容的存在，部分信号电流会从P点泄露到地。流入第二电路12的信号电流大小为

i′_R＝pQ_ing_m1V_s(2)

其中p是模值小于1的复数。因此，第二电路12的信号强度将会弱于第一电路11的信号强度。第一电路11与第二电路12信号强度的差异会造成差分输出信号不匹配。因此，在第一场效应管M₁管的漏极和第二场效应管M₂管的栅极间跨接一个补偿电容C_C。该电容C_C能够将反相的输入信号引入到第二电路12，从而补偿第一电路11与第二电路12信号强度不等带来的输出失配。若M₃管的跨导为g_m3，则第一场效应管M₁管漏端小信号电压为-Q_ing_m1V_s/g_m3，那么在第二电路12引入的补偿电流为

i″_R＝(qQ_ing_m1V_s/g_m3)g_m2(3)

其中

$q=\frac{C_C}{C_{\mathrm{gs}2}+C_{\mathrm{ex}2}+C_C}---\left(4\right)$

可见，当

i_L＝i′_R+i″_R(5)

时，第一电路11与第二电路12信号相等，将公式(1)、(2)和(3)代入(5)，上式可以化简为

$p+\frac{g_{m2}}{g_{m3}}q=1---\left(6\right)$

因此，通过合理选择补偿电容C_C的值，可以改善差分对的输出特性。通过对所述低噪声放大器电路的仿真，表明电容补偿后的输出幅度和相位失配可以控制在一个非常微小的范围。图5为采用补偿电容C_C的低噪声放大器输出幅度与相位失配仿真结果示意图，由图可见，在1～1.5GHz范围内，差分输出信号幅度失配小于0.2dB，相位失配小于0.5°。

2、偏置电路

如图2所示，镜像管M₀₀和尾电流源管M₀将参考电流源I_ref按比例放大，作为第一场效应管M₁和第二场效应管M₂的尾电流源。偏置电压V_B2通过大电阻R_B1加到第一场效应管M₁的栅极，射频输入信号则通过电容交流耦合的方式直接加到第一场效应管M₁的栅极。其中，参考电流源I_ref的电路原理图如图3所示，Cascode管的加入能够减小电流镜两侧由于共源管漏源电压V_DS不同引起的电流误差。忽略M_B2管的衬底效应后我们可以算出输出电流为：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2k^{\′}{(W/L)}_{B1}{R}_{\mathrm{ref}}^2}---\left(7\right)$

其中，W/L为场效应管沟道的宽长比，k’＝μ_nC_ox，μ_n是电子迁移率，C_ox是单位面积栅氧化层电容。

再回到图4中，M₀₀的跨导为：

$g_{m,00}=\sqrt{2k^{\′}{(W/L)}_{00}{I}_{\mathrm{ref}}}\∝\frac{1}{R_{\mathrm{ref}}}---\left(8\right)$

流过M₁的直流电流是M₀的一半，因此，

$\frac{g_{m1}}{g_{m0}}=\frac{\sqrt{2k^{\′}{(W/L)}_1{I}_1}}{\sqrt{2k^{\′}{(W/L)}_0{I}_0}}=\sqrt{\frac{{(W/L)}_1}{2{(W/L)}_0}}---\left(9\right)$

因此，M₁管的跨导g_m1也与R_ref成反比，即：

$g_{m1}\∝\frac{1}{R_{\mathrm{ref}}}---\left(10\right)$

带有差分输出的低噪声放大器的增益为：

G＝2Q_in·g_m1R_L(11)

其中，R_L＝R_L1＝R_L2，可见，增益G和跨导g_m1及负载电阻R_L的阻值乘积成正比，而公式(10)表明跨导g_m1和电阻R_ref成反比。那么，低噪声放大器的增益表示为：

$G=K\frac{R_L}{R_{\mathrm{ref}}}---\left(12\right)$

如果偏置电路中R_ref和低噪声放大器的负载R_L采用同一种电阻类型，由于CMOS工艺中电阻阻值之比相对固定，那么低噪声放大器增益将不随工艺、电源电压以及温度(ProcessVoltage Temperature，PVT)的变化而变化。图6a及图6b示出了低噪声放大器增益在各个PVT极端情况下的对比示意图，从图中可以明显看出，使用恒定跨导偏置后低噪声放大器的增益相对恒定。

综上所述，本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的优点包括：1)用有源的方法实现了单端输入差分输出的低噪声放大器，避免了片外BALUN的使用，此外，在电路中增加耦合补偿电容提高了输出信号的差分对称性；2)通过采用恒定跨导偏置电路达到了放大器整体增益在各种PVT下的相对恒定，提高了电路的稳定性。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种单端输入差分输出的低噪声放大器，包括输入匹配网络，包含电阻的输出匹配网络，其特征在于还包括：

包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络，用于放大耦合入的信号；

包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；

连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路；

跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；

与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。

2.如权利要求1所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于：所述补偿电路包括补偿电容。

3.如权利要求1所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路包括：由参考电流源及电阻连接成的栅极电压提供电路，用于向所述第一电路与第二电路包含的场效应管提供栅极电压。

4.如权利要求3所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于：所述尾电流管电路包括尾电流源管，所述栅极电压提供电路还包括与所述尾电流源构成镜像的镜像管。

5.如权利要求3或4所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于：所述参考电流源采用共源共栅的恒定跨导结构来形成。

6.如权利要求3或4所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路包含的电阻与所述输出匹配网络包含的电阻采用相同的电阻类型。

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