CN104167993B - 一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器，其包括主共栅放大级(1)、有源跨导增强的放大级(2)、平衡非平衡变压器(3)和负载阻抗(4)。本发明采用有源跨导增强级和主共栅放大级级联的方式，对主共栅放大管的跨导进行了增强，另外对有源跨导增强的放大管也采用跨导增强技术，用低功耗实现较高的等效跨导；当第一级和第二级放大电路有相同的增益时可以抑制主共栅放大级的噪声贡献。采用差分结构使得电路对环境噪声有更强的干扰能力。本发明通过跨导二次增强和噪声抵消技术的结合，实现了低噪声系数和低功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分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，它的主要作用是在保持低噪声的条件下，放大天线从空中接收到的微弱信号并传输到后级。由于处于射频接收的最前端，低噪声放大器对于整个接收机性能有重要影响。输入输出端口匹配，噪声系数低，足够的增益，合适的功耗和线性度是低噪声放大器设计的基本要求。
传统的低噪声放大器一般采用源极电感反馈技术，但是需要片上电感，占据太大面积。传统的共栅放大器虽然可以容易的实现输入匹配和较低的功耗，但是噪声系数比较大。最近几年里无电感的低噪声放大器开始出现。它们一般可以分为两类：第一类是带有电阻反馈或者有源反馈的共源放大器，第二类是结合跨导增强或者噪声抵消的共栅放大器。但是这些结构在增益、噪声、线性度、功耗等性能中都有一定的折中选取。
共栅放大器因为提供比并联反馈放大器小的电压增益，所以线性度比较好。而且共栅放大器可以有效的利用栅端来实现跨导增强技术。图1，参考文献【1】(Sanghyun Woo,Woonyun Kim Chang-Ho Lee,Kyutae Lim,Joy Laskar,―A 3.6mW differential common-gate CMOS LNA with positive-negative feedback,‖ISSCC 2009/SESSION 12/RFBUILDING BLOCKS/12.2.)这种跨导增强结构经常被用来减少功耗。
虽然共栅放大器的线性度较好，但是噪声性能比采用并联反馈的放大器要差。所以采用共栅放大器结构还要克服噪声恶化的问题。图2，参考文献【2】(Chih-Fan Liao,Shen-Iuan Liu,―A Broadband Noise-Canceling CMOS LNA for 3.1–10.6-GHz UWBReceivers,‖IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.42,NO.2,FEBRUARY 2007.)提供了一种噪声消除的共栅放大器结构，可以有效降低共栅放大器的噪声。
为了克服低噪声放大器的性能缺点，一种宽带无电感低功耗的低噪声放大器被提出来了。图3，参考文献【3】(Hongrui Wang,Li Zhang,and Zhiping Yu,―A WidebandInductorless LNA With Local Feedback and Noise Cancelling for Low-Power Low-Voltage Applications,‖IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I:REGULARPAPERS,VOL.57,NO.8,AUGUST 2010.)它同时采用跨导增强和噪声消除技术来达到低功耗、低噪声的目标。但是文中采用的是单端电路，对于环境噪声的抗干扰能力不强。
发明内容
本发明目的在于提供一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器，解决现有低功耗共栅低噪声放大器的噪声系数较高、功耗大的问题。本发明放大器采用差分结构使得电路对环境噪声有更强的干扰能力，通过跨导二次增强和噪声抵消技术的结合，实现了低噪声系数和低功耗的性能。该设计可用在射频收发机CMOS集成电路中。
为此，本发明提供了如下的技术方案：
本发明技术方案：一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器，其包括主共栅放大级1、有源跨导增强的放大级2、平衡非平衡变压器3和负载阻抗4；输入信号从平衡非平衡变压器3的输入端口进入，其差分输出端口既与有源跨导增强的放大级2的源端和主共栅放大级1的源端直接耦合，也通过电容耦合到有源跨导增强的放大级2的栅端；有源跨导增强的放大级2采用NMOS和PMOS的对称结构，并且NMOS结构采用了cascode形式；有源跨导增强的放大级2的漏端通过电容耦合至主共栅放大级1的栅极；负载阻抗4与主共栅放大级1和有源跨导增强的放大级2的cascode管的漏极相接；电路的输出端位于主共栅放大级1的漏极。
其中，主共栅放大级1用两个相同的N型晶体管NM1和NM5作为输入放大管，NM1和NM5的栅端分别通过大电阻接到偏置电压，电容C1的两端分别接NM1的栅极、NM2和PM4的漏极以及NM3的源级，电容C2的两端分别接输入正信号和PM4的栅极，电容C3的两端分别接输入正信号和NM2的栅极，有源跨导增强的放大级2采用N型晶体管NM2和P型晶体管PM4作为输入放大管，差分信号的正信号通过电容耦合到NM2和PM4的栅端，差分信号的负信号直接接至NM2的源端，PM4的源端接电源，同时在NM2上加上共源共栅(cascode)结构的N型晶体管NM3，NM3源端接NM2和PM4的漏端，栅端通过大电阻接偏置电压，漏端接负载电阻Z1和Z3，PM4和NM2的栅端分别通过大电阻接偏置电压；平衡非平衡变压器3的单端输入端①连接至信号源，平衡输出端③直接耦合到NM1的源级和NM6的源级并且通过电容耦合到NM2和PM4的栅极，另一平衡输出端④直接耦合到NM2的源级和NM5的源级并且通过电容耦合到NM6和PM8的栅端，第2端②和第5端⑤接地；负载阻抗4由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4组成，Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接NM1的漏极和NM3的漏极。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.采用差分结构相比于单端结构对于消除寄生效应的影响有优势，使得电路对环境噪声有更强的抗干扰能力；
2.采用有源跨导增强的方法对主共栅放大器的跨导进行二次增强，并且对有源跨导增强管也采用跨导增强技术，用低功耗实现较大的等效跨导，降低了电路功耗；
3.经过合理的设计各个负载的阻值可以基本消除主共栅放大管的噪声，提高了整个电路的噪声性能。
4.采用共源共栅(cascode)结构，增强了反向隔离度。如果不采用cascode结构，对于噪声没有影响，但是功耗就可以继续降低。
5.本发明折中各种指标，为了降低噪声提高了功耗。但是相比于已经存在的电路结构达到了低噪声和高隔离度的性能。
附图说明
图1是现有的采用跨导增强的低噪声放大器；
图2是现有的一种采用噪声消除结构的共栅低噪声放大器；
图3是现有的一种采用跨导增强和噪声消除的低功耗低噪声放大器；
图4是本发明中采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器；
图5是本发明中放大器随频率变化的噪声系数(NF)与已存在的共栅放大器的噪声系数的仿真对比图；
图6是本发明中放大器随频率变化的电压增益(S21)仿真图；
图7是本发明中放大器随频率变化的散射系数(S11)仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图4所示：主共栅放大级1用两个相同的N型晶体管NM1和NM5作为输入放大管，NM1和NM5的栅端分别通过大电阻接到偏置电压，电容C1的两端分别接NM1的栅极、NM2和PM4的漏极以及NM3的源级，电容C2的两端分别接输入正信号和PM4的栅极，电容C3的两端分别接输入正信号和NM2的栅极。有源跨导增强的放大级2采用N型晶体管NM2和P型晶体管PM4作为输入放大管，差分信号的正信号通过电容直接耦合到NM2和PM4的栅端，差分信号的负信号直接接至NM2的源端，PM4的源端接电源。同时在NM2上加上共源共栅(cascode)结构的N型晶体管NM3。NM3源端接NM2和PM4的漏端，栅端通过大电阻接偏置电压，漏端接负载电阻Z1和Z3。PM4和NM2的栅端分别通过大电阻接偏置电压；平衡非平衡变压器3的单端输入端①连接至信号源，平衡输出端③直接耦合到NM1的源级和NM6的源级并且通过电容耦合到NM2和PM4的栅极，平衡输出端④直接耦合到NM2的源级和NM5的源级并且通过电容耦合到NM6和PM8的栅端，第2端②和第5端⑤接地；负载阻抗4由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4组成，本发明中采用电阻作为负载阻抗。Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接NM1的漏极和NM3的漏极。
通过附图5-7可以看得到本发明结构在增益3dB带宽内可以达到很好的匹配，噪声系数可低至3dB，从对比图可以看出优势。并且在供电电压为1V的条件下消耗的功耗只有3.5mW。
Claims (1)
1.一种采用有源跨导增强和噪声抵消技术的差分低功耗低噪声放大器，其特征在于，包括主共栅放大级(1)、有源跨导增强的放大级(2)、平衡非平衡变压器(3)和负载阻抗(4)；输入信号从平衡非平衡变压器(3)的输入端口进入，其差分输出端口既与有源跨导增强的放大级(2)的源端和主共栅放大级(1)的源端直接耦合，也通过电容耦合到有源跨导增强的放大级(2)的栅端；有源跨导增强的放大级(2)采用NMOS和PMOS的对称结构，并且NMOS结构采用了cascode形式；有源跨导增强的放大级(2)的漏端通过电容耦合至主共栅放大级(1)的栅极；负载阻抗(4)与主共栅放大级(1)和有源跨导增强的放大级(2)的cascode管的漏极相接；电路的输出端位于主共栅放大级(1)的漏极；
主共栅放大级(1)用两个相同的N型晶体管NM1和NM5作为输入放大管，NM1和NM5的栅端分别通过大电阻接到偏置电压，电容C1的两端分别接NM1的栅极、NM2和PM4的漏极以及NM3的源级，电容C2的两端分别接输入正信号和PM4的栅极，电容C3的两端分别接输入正信号和NM2的栅极，有源跨导增强的放大级(2)采用N型晶体管NM2和P型晶体管PM4作为输入放大管，差分信号的正信号通过电容耦合到NM2和PM4的栅端，差分信号的负信号直接接至NM2的源端，PM4的源端接电源，同时在NM2上加上共源共栅(cascode)结构的N型晶体管NM3，NM3源端接NM2和PM4的漏端，栅端通过大电阻接偏置电压，漏端接负载电阻Z1和Z3，PM4和NM2的栅端分别通过大电阻接偏置电压；平衡非平衡变压器(3)的单端输入端(①)连接至信号源，平衡输出端(③)直接耦合到NM1的源级和NM6的源级并且通过电容耦合到NM2和PM4的栅极，另一平衡输出端(④)直接耦合到NM2的源级和NM5的源级并且通过电容耦合到NM6和PM8的栅端，第2端(②)和第5端(⑤)均接地；负载阻抗(4)由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4组成，Z1的两端分别接到电源和NM3的漏极，Z2的两端分别接NM1的漏极和NM3的漏极。
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