CN103219951A

CN103219951A - 一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器

Info

Publication number: CN103219951A
Application number: CN2013100952325A
Authority: CN
Inventors: 李治; 孙利国; 黄鲁
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: CN103219951B

Abstract

本发明提供了一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，包括平衡非平衡变压器(1)、电容交叉耦合的共栅放大级(2)、前馈噪声抵消级(3)、主共栅放大级(4)和负载阻抗(5)。本发明采用电容交叉耦合的共栅放大级和主共栅放大级级联的方式，对跨导进行了二次增强，用低功耗实现较高的等效跨导；前馈噪声抵消级，可以减小电容交叉耦合的共栅放大级的噪声贡献；电容交叉耦合的共栅放大级和前馈噪声抵消级提供的增益可以抑制主共栅放大级的噪声贡献。本发明通过跨导二次增强和前馈噪声抵消技术的结合，实现了低噪声系数和低功耗。

Description

一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，具有低噪声系数低功耗的特点，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

低噪声放大器是无线传输系统中接收机的关键模块，它一般与天线相连，放大接收到的微弱信号，并尽量减少对信号的恶化。端口匹配，增益，噪声系数，功耗和线性度是低噪声放大器的主要技术参数。

传统的低噪声放大器采用源级电感反馈技术，可以提供窄带输入匹配和较低的噪声系数，但是这种结构需要片上电感，而且不适合用于宽带系统。采用噪声抵消技术的低噪声放大器能够在宽带实现较低的噪声系数，但是功耗较大。采用共栅结构的低噪声放大器具有宽带输入匹配的特性和较低的功耗，但是噪声系数较大。

图1为改进后的共栅结构低噪声放大器，采用了差分电容交叉耦合技术。改进的共栅结构低噪声放大器由平衡非平衡变压器(1)、电容交叉耦合的共栅放大级(2)和负载级(3)组成。平衡非平衡变压器(1)将单端信号转化为差分信号并为NM1和NM2提供源级直流偏置。电容交叉耦合的共栅放大级(2)由共栅放大管NM1和NM2组成，交叉耦合的电容C1和C2将差分输入信号耦合到相对的晶体管的栅极，使得共栅放大管NM1和NM2的栅源间信号电压增加一倍，从而增加共栅放大管的等效跨导，降低了噪声系数和功耗。负载级(3)由电容，电阻，电感等无源器件中的一种或多种组成。只考虑共栅放大管的噪声贡献，在输入阻抗和源阻抗完全匹配的假设下，该电路的噪声系数为：

F=1+γ/2 (1)

为了进一步降低功耗，可以采用二次跨导增强技术，即在电容交叉耦合共栅放大器之后级联一级主共栅放大器，主共栅放大器的源级与输入差分信号相连，如图2所示,参考文献【1】(F.Belmas,F.Hameau,and J.-M.Fournier,“A Low Power Inductorless LNA with DoubleGm Enhancement in 130nm CMOS,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.47,no.5,pp.1094–1103,May.2012.)。这样的结构可以用很小的功耗实现较大的等效跨导，提供较好的输入匹配和较高的增益。这样的结构可以抑制主共栅放大管的噪声贡献，但是对于交叉电容耦合共栅放大管的噪声抑制不够，使得整个电路的噪声系数较高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，通过跨导二次增强和前馈噪声抵消技术的结合，实现了低噪声系数和低功耗，解决现有低功耗共栅低噪声放大器的噪声系数较高的问题。

本发明提供了如下的技术方案：一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，包括平衡非平衡变压器1、电容交叉耦合的共栅放大级2、前馈噪声抵消级3、主共栅放大级4和负载阻抗5。电容交叉耦合的共栅放大级2和主共栅放大级4级联；平衡非平衡变压器1的两个平衡输出端与电容交叉耦合的共栅放大级2和主共栅放大级4的输入端直接耦合，即平衡非平衡变压器1的两个平衡输出端与两级共栅放大器的源级相连，同时平衡非平衡变压器1两个平衡输出端与前馈噪声抵消级3的栅端通过电容耦合方式连接；前馈噪声抵消级3的漏端连接至电容交叉耦合的共栅放大级2的漏端，并通过电容耦合连接至主共栅放大级4的栅极；负载阻抗5与主共栅放大级4的漏极相接；前馈噪声抵消级3作为负载晶体管叠在电容交叉耦合的共栅放大级2之上，共用直流电流，可以降低功耗；且前馈噪声抵消级3为电容交叉耦合的共栅放大级2提供了额外的噪声抵消路径，可以降低共栅放大管NM1和NM2在差分输出端Vo的噪声贡献；

电容交叉耦合的共栅放大级2采用两个相同的N型晶体管NM1和NM2作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R1和R2接到偏置电压vb1，电容C1的两端分别接NM1的源级和NM2的栅极，电容C2的两端分别接NM2的源级和NM1的栅极；

主共栅放大级4用两个相同的N型晶体管NM3和NM4作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R3和R4接到偏置电压vb2；

平衡非平衡变压器1的单端输入1连接至信号源，平衡输出端2直接耦合到NM1的源级和NM4的源级，平衡输出端3直接耦合到NM2的源级和NM3的源级，第4端和第5端接地；

前馈噪声抵消级3)由两个相同的P型晶体管PM1和PM2组成，PM1和PM2的源级接到电源，PM1的漏极与NM1的漏极相连并通过电容C5耦合到NM3，PM2的漏极与NM2的漏极相连并通过电容C6耦合到NM4，PM1和PM2的栅极分别通过大电阻R5和R6接到偏置电压vb3；电容交叉耦合的共栅放大级2和前馈噪声抵消级3通过电容耦合，C4的两端分别接到NM1的源级和PM2的栅极，C3的两端分别接到NM2的源级和PM1的栅极；

负载阻抗5由阻抗Z1和Z2组成，由电阻，电感，电容无源器件中的一种或者几种组合而成，Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接到电源和NM4的漏极。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明中的电容交叉耦合的共栅放大级和主共栅放大级级联，平衡非平衡变压器的两个平衡输出端分别与两级共栅放大器的源级相连，这种连接方式可以对跨导进行二次增强，用低功耗实现较大的等效跨导，降低了电路功耗；

（2）本发明的前馈噪声抵消级为电容交叉耦合的共栅放大级提供了额外的噪声抵消路径，可以降低共栅放大管NM1和NM2在差分输出端Vo的噪声贡献；

（3）本发明的前馈噪声抵消级叠在电容交叉耦合的共栅放大级之上，PM1和PM2同时作为负载晶体管，前馈噪声抵消级和交叉耦合的共栅放大级共用直流电流，降低功耗了功耗；

（4）本发明的前馈噪声抵消级用P型晶体管PM1和PM2实现，叠在电容交叉耦合的共栅放大级的N型晶体管NM1和NM2之上，这样的连接方式需要的电压裕度较少，可以采用低电压供电，降低了功耗；

（5）本发明的前馈噪声抵消级用P型晶体管PM1和PM2实现，因此电容交叉耦合的共栅放大级的输出阻抗为晶体管的漏端阻抗并联，电容交叉耦合的共栅放大级的高增益有助于抑制主共栅放大器的噪声贡献，也有助于整个低噪声放大器的高增益；

附图说明

图1是现有技术中采用差分电容交叉耦合的共栅低噪声放大器；

图2是现有技术中采用二次跨导增强技术的共栅低噪声放大器；

图3是本发明提供的采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器结构示意图；

图4是平衡非平衡变压器抵消噪声的原理图；

图5是电容交叉耦合抵消噪声的原理图；

图6是主共栅放大级抵消噪声的原理图；

图7是前馈噪声抵消级抵消噪声的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，如图3所示，包括平衡非平衡变压器1、电容交叉耦合的共栅放大级2、前馈噪声抵消级3、主共栅放大级4和负载阻抗5。

电容交叉耦合的共栅放大级2用两个相同的N型晶体管NM1和NM2作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R1和R2接到偏置电压vb1，电容C1的两端分别接NM1的源级和NM2的栅极，电容C2的两端分别接NM2的源级和NM1的栅极；

主共栅放大级4用两个相同的N型晶体管NM3和NM4作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R3和R4接到偏置电压vb2;

前馈噪声抵消级3由两个相同的P型晶体管PM1和PM2组成，PM1和PM2的源级接到电源，PM1的漏极与NM1的漏极相连并通过电容C5耦合到NM3，PM2的漏极与NM2的漏极相连并通过电容C6耦合到NM4，PM1和PM2的栅极分别通过大电阻R5和R6接到偏置电压vb3；

电容交叉耦合的共栅放大级2和前馈噪声抵消级3通过电容耦合，C4的两端分别接到NM1的源级和PM2的栅极，C3的两端分别接到NM2的源级和PM1的栅极；

负载阻抗5由电阻Z1和Z2组成，无电感的设计有助于节省成本，Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接到电源和NM4的漏极。

共栅放大器的主要噪声源是共栅放大晶体管的沟道热噪声，可以等效为一个从晶体管漏极流向源级的噪声电流。以NM1的沟道热噪声为例，噪声电流从NM1的漏极流向源级，在NM1源级产生一个正相的噪声电压，在NM1漏极产生一个反相的噪声电压，进一步在NM3的漏极产生一个同相的噪声电压。除了平衡非平衡变压器，电容交叉耦合以及主共栅放大级三条噪声抵消通路，本发明设计了额外的噪声前馈路径，在NM4的漏端产生相干的同相噪声电压，从而差分输出端Vo可以抵消大部分的NM1噪声贡献。

本发明采用的四条噪声抵消路径，其原理如下：

1、平衡非平衡变压器

平衡非平衡变压器抵消噪声的原理如图4所示。晶体管NM1的源级噪声电压会耦合到晶体管NM2的源级，由于理想平衡非平衡变压器的相互耦合作用，NM2的源级产生的噪声电压与NM1源级的噪声电压幅度相同而相位相反。NM2的源级噪声电压经过NM2的共栅放大到NM2的漏端，NM2漏级的噪声电压与NM2源级的噪声电压同相，也与NM1漏极的噪声电压同相。NM2漏极的噪声电压经过电容C6耦合到NM4的栅极并经过NM4的放大到NM4的漏极，产生的噪声电压与NM2漏极噪声电压反相，与NM3漏极噪声电压同相。这样差分输出端可以抵消一部分的共模噪声，降低了电路的噪声系数。

2、电容交叉耦合

电容交叉耦合结构抵消噪声的原理如图5所示。晶体管NM1的源级噪声电压通过电容C1耦合到NM2的栅极，NM2栅极噪声电压与NM1源级噪声电压幅度相同相位相同。NM2栅极噪声电压通过NM2的共源放大到NM2的漏极，NM2的漏极噪声电压与NM2栅极噪声电压反相，与NM1漏极噪声电压同相。NM2漏极的噪声电压经过电容C6耦合到NM4的栅极并经过NM4的放大到NM4的漏极，产生的噪声电压与NM2漏极噪声电压反相，与NM3漏极噪声电压同相。因此，差分输出端可以抵消一部分的共模噪声，降低了电路的噪声系数。

3、主共栅放大级

主共栅放大级抵消噪声的原理如图6所示。晶体管NM1的源级噪声电压直接耦合到NM4的源级，NM4源极噪声电压通过NM4共栅放大到NM4的漏极，产生的噪声电压与NM4源极噪声电压同相，与NM3漏极噪声电压同相。因此，差分输出端可以抵消一部分的共模噪声，降低了电路的噪声系数。

4、前馈噪声抵消级

前馈噪声抵消级抵消噪声的原理如图7所示。晶体管NM1的源级噪声电压通过电容C4耦合到PM2的栅极，PM2栅极噪声电压与NM1源级噪声电压幅度相同相位相同。PM2栅极噪声电压通过PM2的共源放大到PM2的漏极（即NM2的漏极），NM2的漏极噪声电压与PM2栅极噪声电压反相，与NM1漏极噪声电压同相。NM2漏极的噪声电压经过电容C6耦合到NM4的栅极并经过NM4的放大到NM4的漏极，产生的噪声电压与NM2漏极噪声电压反相，与NM3漏极噪声电压同相。因此，差分输出端可以抵消一部分的共模噪声，降低了电路的噪声系数。

在上述四条噪声抵消路径的作用下，在NM4的漏极产生了一个和NM3的漏级同相的噪声电压。额外的噪声抵消路径，使得差分输出端可以抵消更多晶体管NM1的噪声。由于全差分电路的对称性，差分输出端同样可以抵消更多的晶体管NM2的噪声。

电容交叉耦合共栅放大级和前馈噪声放大级在主共栅放大级之前提供了一定的增益，这样可以抑制主共栅放大管NM3，NM4的噪声贡献。这样，四个共栅放大管，NM1，NM2，NM3，NM4的噪声贡献都得到了抑制，整个电路的噪声系数减小了。

本发明通过额外噪声抵消路径的设计，使得共栅放大管的噪声在差分输出端被抵消，降低了电路的噪声系数。

采用本发明具体实施方式提供的技术方案，能够实现以下的技术效果：

1、本发明用两级共栅放大器对跨导进行二次增强，用低功耗实现较大的等效跨导，降低了电路功耗；

2、本发明的前馈噪声抵消级为电容交叉耦合的共栅放大级提供了额外的噪声抵消路径，可以降低共栅放大管NM1和NM2在差分输出端Vo的噪声贡献；

3、本发明的前馈噪声抵消级叠在电容交叉耦合的共栅放大级之上，PM1和PM2同时作为负载晶体管，前馈噪声抵消级和交叉耦合的共栅放大级共用直流电流，降低功耗了功耗；

4、本发明的前馈噪声抵消级用P型晶体管PM1和PM2实现，叠在电容交叉耦合的共栅放大级的N型晶体管NM1和NM2之上，这样的连接方式需要的电压裕度较少，可以采用低电压供电，降低了功耗；

5、本发明的前馈噪声抵消级用P型晶体管PM1和PM2实现，因此电容交叉耦合的共栅放大级的输出阻抗为晶体管的漏端阻抗并联，电容交叉耦合的共栅放大级的高增益有助于抑制主共栅放大器的噪声贡献，也有助于整个低噪声放大器的高增益。

总之，本发明采用电容交叉耦合的共栅放大级和主共栅放大级级联的方式，对跨导进行了二次增强，用低功耗实现较高的等效跨导；前馈噪声抵消级，可以减小电容交叉耦合的共栅放大级的噪声贡献；电容交叉耦合的共栅放大级和前馈噪声抵消级提供的增益可以抑制主共栅放大级的噪声贡献。本发明通过跨导二次增强和前馈噪声抵消技术的结合，实现了低噪声系数和低功耗。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种采用噪声抵消技术的低功耗低噪声放大器，其特征在于：包括平衡非平衡变压器(1)、电容交叉耦合的共栅放大级(2)、前馈噪声抵消级(3)、主共栅放大级(4)和负载阻抗(5)；电容交叉耦合的共栅放大级(2)和主共栅放大级(4)级联；平衡非平衡变压器(1)的两个平衡输出端与电容交叉耦合的共栅放大级(2)和主共栅放大级(4)的输入端直接耦合，即平衡非平衡变压器(1)的两个平衡输出端与两级共栅放大器的源级相连，同时平衡非平衡变压器(1)两个平衡输出端与前馈噪声抵消级(3)的栅端通过电容耦合方式连接；前馈噪声抵消级(3)的漏端连接至电容交叉耦合的共栅放大级(2)的漏端，并通过电容耦合连接至主共栅放大级(4)的栅极；负载阻抗(5)与主共栅放大级(4)的漏极相接；

电容交叉耦合的共栅放大级(2)采用两个相同的N型晶体管NM1和NM2作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R1和R2接到偏置电压vb1，电容C1的两端分别接NM1的源级和NM2的栅极，电容C2的两端分别接NM2的源级和NM1的栅极；

主共栅放大级(4)用两个相同的N型晶体管NM3和NM4作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻R3和R4接到偏置电压vb2；

平衡非平衡变压器(1)的单端输入1连接至信号源，平衡输出端2直接耦合到NM1的源级和NM4的源级，平衡输出端3直接耦合到NM2的源级和NM3的源级，第4端和第5端接地；

前馈噪声抵消级(3)由两个相同的P型晶体管PM1和PM2组成，PM1和PM2的源级接到电源，PM1的漏极与NM1的漏极相连并通过电容C5耦合到NM3，PM2的漏极与NM2的漏极相连并通过电容C6耦合到NM4，PM1和PM2的栅极分别通过大电阻R5和R6接到偏置电压vb3；

电容交叉耦合的共栅放大级(2)和前馈噪声抵消级(3)通过电容耦合，C4的两端分别接到NM1的源级和PM2的栅极，C3的两端分别接到NM2的源级和PM1的栅极；

负载阻抗(5)由阻抗Z1和Z2组成，由电阻，电感，电容无源器件中的一种或者几种组合而成，Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接到电源和NM4的漏极。