CN104883135A - 一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，属于集成电路领域。该放大器为差分输入/输出结构，包括电阻反馈输入级、电流镜放大级级、噪声消除辅助级、负阻级；射频信号V_RF+由输入级输入，然后分为两路的信号流向：主路径上，经过输入管转化为电流信号，然后经过电流镜的放大和负阻管的倍增作用，信号传递到输出节点I_out+；噪声消除辅助路径上，输入信号经过反相器的转化，转为信号电流传递到输出节点I_out-，两路差分电流信号为等幅反向信号。本发明可以在较宽的频带内显著提高跨导放大器的增益，改善噪声、线性度性能。

Description

一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种低噪声跨导放大器。

背景技术

随着GHz频带内众多通讯协议的广泛应用(比如3-4G移动通信，WIFI，以及蓝牙等)，兼容多协议的软件无线电技术变得愈发重要。对应地，对宽带射频收发技术的研发变得日益迫切。同时注意到伴随着CMOS工艺的等比例缩减，CMOS晶体管的线性度却由于电源电压递减和迁移率的退化而恶化。

过去很长一段时间，电路设计者习惯于使用电压信号变量来分析表征电路的特性，即一种基于电压域的电路设计技术理念。随着射频集成电路工作频率越来越高，在高速和低压低功耗的应用环境中，电压模式电路已不能很好地应对电路信号的处理，非线性等缺点逐渐暴露出来。而以电流为信号变量表征载体的电流模式电路可以解决电压模式电路在速度、带宽、低压、低功耗方面的瓶颈。近年来，电流模式电路在模拟/混合信号处理中的潜在优势正逐渐被挖掘，并快速推动基于电流域工作的电路设计技术的发展。目前，在射频集成电路领域以电流模式工作的电路比较有代表性的如电流镜式低噪声放大器，电流换向型混频器等。

尤其近年来，以跨导器、电流换向型无源混频器为组成单元的射频接收前端，以良好的噪声、线性特性赢得了学术界和产业界的广泛关注和研发投入。如图1所示，该跨导器位于接收链路的第一级，其噪声至关重要，所以在宽带内的噪声优化问题成为了宽带接收技术的首要难点。此外，低噪声的获得也不能用大功耗来交换，因为低功耗一直是芯片设计的基本出发点。

迄今为止，对低噪声跨导器的研发普遍借鉴了低噪声放大器的设计技术。典型代表如图2所示，为德州农工大学使用噪声消除技术设计的基于电压域放大的低噪声跨导器(H.M.Geddada,et.al.,“Wide-band inductorless low-noise transconductance amp lifiers with high large-signal linearity,”IEEE trans.microwave theory and techn.,vol.62,no.7,2014)。该研究取得了优越的噪声性能，以及良好的线性特性。但是该电路结构存在较多的电压-电流转换，制约了其线性性能。也注意到澳门大学的研究者直接使用电阻反馈的NMOS、PMOS反相器结构作为跨导器，如图3所示(Zhicheng Lin；Pui-In Mak；Martins,1.4-mW 59.4-dB-SFDR 2.4-GHzZigBee/WPAN Receiver Exploiting a“Split-LNTA +50％LO”Topology in 65-nm CMOS，IEEEtrans.microwave theory and techn.,Volume:62,Issue:7.2014)。注意到此结构存在输入匹配和噪声的紧密相关关系，使得两个性能之间很难同时满足设计需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获得低噪声指数、高线性、又具有低功耗的宽带低噪声跨导放大器。

本发明采用以下技术手段解决上述技术问题的：如图4所示，一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其结构如图4所示，整体电路为镜像对称结构，包括呈镜像对称的第一电阻反馈共源输入级和第二电阻反馈共源输入级、呈镜像对称的第一电流镜放大级和第二电流镜放大级、呈镜像对称的第一负阻级和第二负阻级、呈镜像对称的第一噪声消除辅助级和第二噪声消除辅助级；

所述第一电阻反馈共源输入级包括NMOS晶体管M_n1、M_n2、电流源晶体管M_bias及反馈电阻R_F，第一电流镜放大级包括PMOS管M_p4、M_p5，所述第一噪声消除辅助级包括NMOS晶体管M_n3和PMOS晶体管M_p3，所述第一负阻级包括晶体管M_p6；所述第二电阻反馈共源输入级包括NMOS晶体管M_n1'、M_n2'、电流源晶体管M_bias'和反馈电阻R_F'，第二电流镜放大级包括PMOS晶体管M_p4'、M_p5'，所述第二噪声消除辅助级包括NMOS晶体管M_n3'和PMOS晶体管M_p3'，所述第二负阻级包括晶体管M_p6'；

所述共源输入晶体管M_n1的源极接地，其栅极通过节点A接至电阻R_F负端，其漏极通过节点B连接至反馈晶体管M_n2栅极；

NMOS管M_n2的源极连接至电阻R_F的正端和电流源晶体管M_bias的漏极，晶体管M_bias的源极接地，NMOS管M_n2的漏极连接至电源V_DD；

所述NMOS管M_n3的源极连接至地，其栅极连接至节点A，其漏极通过节点C连接至PMOS管M_p3的漏极；所述PMOS管M_p3的栅极通过隔直电容C_b连接至节点A，其源极连接至电源V_DD，电源V_b为M_p3提供偏置电压；

所述PMOS管M_p4的漏极与栅极都连接至节点B，其源极连接至电源V_DD；所述PMOS管M_p5的栅极连接至节点B，其漏极通过节点C'连接至第二噪声消除辅助级的NMOS管M_n3'的漏极，其源极连接至电源V_DD；

所述晶体管M_p6的漏极连接至节点B，其栅极连接至第二负阻级的晶体管M_p6'的漏极，其源极连接至电源V_DD；

所述第二电阻反馈共源输入级、第二电流镜放大级、第二负阻级及第二噪声消除辅助级的结构与其呈镜像的相应结构的连接关系相同，节点A'、B'、C'分别为节点A、B、C的镜像对称节点；

如图5所示，省去偏置和隔直电容后的低噪声跨导放大器的差分信号V_in+由节点A输入，然后分为两路的信号流向：主路径上，经过第一电阻反馈输入级转化为电流信号，然后经过第一电流镜放大级的放大作用、第一负阻级的倍增作用、信号传递到输出节点C'；辅助路径上，信号V_in-由节点A'输入，经过第二噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点C'；两条路径的信号电流进行同相叠加产生输出信号I_out+。同理，差分信号V_in-由节点A'输入，然后分为两路的信号流向：主路径上，经过第二电阻反馈输入级转化为电流信号，然后经过第二电流镜放大级的放大作用、第二负阻级的倍增作用、信号传递到输出节点C；辅助路径上，信号V_in+由节点A输入，经过第一噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点C；两条路径的信号电流进行同相叠加产生输出信号I_out-；由此，获得输出端共模信号I_out。

本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的噪声消除原理可以如是理解：如图5所示，M_n1的沟道热噪声在节点B产生正向的热噪声电压，该噪声电压经过主路径上，经电流镜M_p4、M_p5的放大和负阻管M_p6的倍增作用，噪声电压被反向传递到输出节点C'；B节点的正向热噪声电压同时经过反馈晶体管M_n2传递到辅助路径上，并经过反相器M_n3、M_p3的转化，转为反向的噪声电流传递到输出节点C；这两个噪声电压信号为等幅反向，通过取两路差分信号，M_n1的沟道热噪声在输出端口得以消除。

作为优化的结构，本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器还包含了共模反馈电路CMFB，该共模反馈电路的输入端连接到节点C、C'。通过检测输出节点I_out的共模电压，并与V_DD/2的参考电压V_ref做比较，得到的误差信号来调整M_n3的栅极偏置电压，使得I_out的静态偏置电压稳定在V_DD/2附近，以获得好的线性摆幅。而且，电路主路径为电流域的信号放大，信号不易产生压缩，辅助路径中的M_n3为主要的非线性源，基于导数抵消原理，使用M_p3来部分抵消M_n3的非线性系数，进而提升电路的线性度。

本发明的有益效果是：

本发明可以在一定功耗下，在宽带范围内显著降低CMOS跨导放大器的噪声指数，并具备良好的线性度特性；本发明提出的电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的噪声消除特性使得该电路具有良好的噪声性能，其电流域放大使之兼有良好的线性度，所采用的负阻技术和电流复用技术节约了电路功耗。

附图说明

图1是由跨导器、电流换向型无源混频器构成的射频接收前端原理图；

图2是基于噪声消除技术的电压域低噪声跨导器原理图；

图3是基于电阻反馈反相器跨导器的接收前端原理图；

图4是本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的原理图

图5是本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的噪声消除示意图；

图6是本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的增益结果曲线；

图7是本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的噪声结果曲线；

图8是本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的IIP3结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其结构如图4所示，包括电阻反馈共源输入级、电流镜放大级、负阻级、噪声消除辅助级。

电阻反馈输入级主要作用是在宽带内取得输入阻抗匹配，电流镜放大级的主要功能是在电流域对信号进行放大。同时，负阻级有效地倍增该放大作用，以降低主路径的功耗。此外，噪声消除辅助级，用于消除共源输入管的噪声，其使用堆叠结构利于低功耗的实现。通过对电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器的小信号分析，其跨导增益可以表示为：

$G_M=\frac{g_{\mathrm{mn}1}{g}_{\mathrm{mp}4}N}{g_{\mathrm{mp}4}-g_{\mathrm{mp}6}}+g_{\mathrm{mn}3}+g_{\mathrm{mp}3}---\left(1\right)$

其中，g_mn1，g_mn3，g_mp3，g_mp4，g_mp6依次代表晶体管M_n1，M_n3，M_p3，M_p4，M_p6的跨导，参数N是晶体管M_p5与M_p4的W/L比例系数。为了满足平衡的差分信号输出，有下面条件需要满足：

$\frac{g_{\mathrm{mn}1}{g}_{\mathrm{mp}4}}{g_{\mathrm{mp}4}-g_{\mathrm{mp}6}}=g_{\mathrm{mn}3}+g_{\mathrm{mp}3}---\left(2\right)$

由上式可以看到，负阻级的引入，使得共源输入管的跨导、比例系数N可以降低，这对于电路的低功耗是具有积极意义，相关的理论推导也表明N越大，电路功耗越大，尽管噪声可以改善。输入阻抗匹配条件为：

$R_s=R_{\mathrm{in}}=\frac{R_F+1/g_{\mathrm{mn}2}}{1+\frac{g_{\mathrm{mn}1}}{g_{\mathrm{mp}4}-g_{\mathrm{mp}6}}}---\left(3\right)$

其中，R_s和R_in分别是电路的信号源阻抗和输入阻抗；g_mn2、R_F依次代表晶体管M_n2的跨导和反馈电阻；因为电阻反馈式结构自身具备宽带的特点，晶体管M_n2的引入又避免了无源电阻负反馈带来的电压增益退化。

电路的公式推导也表明，公式(2)也是晶体管M_n1的沟道热噪声消除条件；进一步我们也注意到，M_n2，M_p4，M_p5的噪声也可以通过该噪声消除结构得以部分消除，最终使得M_n3、M_p3为电路的主要噪声贡献者，通过设计大的跨导值，可以降低此噪声贡献到一个可以接受的水平。类似于噪声消除原理，M_n1的非线性分量也得以消除。电流镜M_p4、M_p5自身又具有优越的线性度，使得噪声消除辅助级的非线性为制约电路线性度的主要瓶颈。通过对晶体管M_n3M_p3进行信号电流的泰勒展开分析，如下：

i_n＝g_n1(υ_i)+g_n2(υ_i)²+g_n3(υ_i)³   (4)

i_p＝g_p1(-υ_i)+g_p2(-υ_i)²+g_p3(-υ_i)³   (5)

其中，v_i是输入信号，g_n1～3依次代表M_n3的一阶、二阶、三阶项；g_p1～3依次代表M_p3的一阶、二阶、三阶项，于是输出电流信号为：

$i_o=i_n-i_p=(g_{n1}+g_{p1}){\mathrm{\υ}}_i+(g_{n2}-g_{p2}){\mathrm{\υ}}_i^2+(g_{n3}+g_{p3}){\mathrm{\υ}}_i^3---\left(6\right)$

调整M_p3的偏压，M_n3的二阶、三阶非线性项可以部分消除，线性度得以改善。

实施例

本实施例提供的LNTA电路采用0.18μm RF CMOS工艺实现，采用1.8V电源供电，参数R_F为240Ω，参数N取2，电路的偏置电流为14mA。图6给出了LNTA增益曲线，表明在3dB带宽(0.1～1.5GHz)内得到了约41.2mS的跨导增益，图7给出了噪声指数结果，在0.1～1.5GHz的带宽内，其噪声指数NF约为2.6dB。采用间隔5MHz的等幅双音信号分别在1GHz频点测试低噪声放大器的线性度，如图8所示，其输入三阶交调(IIP3)仿真结果为-5.5dBm。以上结果表明，该LNTA在1.8V供电条件下，工作电流为14mA，和现有的低噪声放大器相比，该放大器容易实现低电压和低功耗应用。

Claims (5)

1.一种电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，整体电路结构为镜像对称结构，其特征在于，包括呈镜像对称的第一电阻反馈共源输入级和第二电阻反馈共源输入级、呈镜像对称的第一电流镜放大级和第二电流镜放大级、呈镜像对称的第一负阻级和第二负阻级、呈镜像对称的第一噪声消除辅助级和第二噪声消除辅助级；

差分信号V_in+由第一电阻反馈共源输入级输入，然后分为两路的信号流向：主路径上，经过第一电阻反馈共源输入级转化为电流信号，然后经过第一电流镜放大级的放大作用、第一负阻级的倍增作用后，信号传递到输出节点C'；辅助路径上，信号V_in-由第二电阻反馈共源输入级输入，经过第二噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点C'；两条路径的信号电流进行同相叠加产生输出信号I_out+；

差分信号V_in-由第二电阻反馈共源输入级输入，然后分为两路的信号流向：主路径上，经过第二电阻反馈共源输入级转化为电流信号，然后经过第二电流镜放大级的放大作用、第二负阻级的倍增作用后，信号传递到输出节点C；辅助路径上，信号V_in+由第一电阻反馈共源输入级输入，经过第一噪声消除辅助级转为信号电流传递到输出节点C；两条路径的信号电流进行同相叠加产生输出信号I_out-；由此，获得输出端共模信号I_out。

2.根据权利要求1所述的电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其特征在于，所述第一电阻反馈共源输入级包括NMOS晶体管M_n1、M_n2、电流源晶体管M_bias及反馈电阻R_F；所述第二电阻反馈共源输入级包括NMOS晶体管M_n1'、M_n2'、电流源晶体管M_bias'和反馈电阻R_F'；

所述共源输入晶体管M_n1的源极接地，其栅极通过节点A接至电阻R_F负端，其漏极通过节点B连接至反馈晶体管M_n2栅极；NMOS管M_n2的源极连接至电阻R_F的正端和电流源晶体管M_bias的漏极，晶体管M_bias的源极接地，NMOS管M_n2的漏极连接至电源V_DD。

3.根据权利要求2所述的电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其特征在于，所述第一噪声消除辅助级包括NMOS晶体管M_n3和PMOS晶体管M_p3；所述第二噪声消除辅助级包括NMOS晶体管M_n3'和PMOS晶体管M_p3'；

所述NMOS管M_n3的源极接地，其栅极连接至节点A，其漏极通过节点C连接至PMOS管M_p3的漏极；所述PMOS管M_p3的栅极通过隔直电容C_b连接至节点A，其源极连接至电源V_DD，电源V_b为M_p3提供偏置电压。

4.根据权利要求3所述的电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其特征在于，所述第一电流镜放大级包括PMOS晶体管M_p4、M_p5，所述第一负阻级包括晶体管M_p6；第二电流镜放大级包括PMOS晶体管M_p4'、M_p5'，所述第二负阻级包括晶体管M_p6'；

所述PMOS晶体管M_p4的漏极与栅极都连接至节点B，其源极连接至电源V_DD；所述PMOS管M_p5的栅极连接至节点B，其漏极通过节点C'连接至第二噪声消除辅助级的NMOS管M_n3'的漏极，其源极连接至电源V_DD；所述晶体管M_p6的漏极连接至节点B，其栅极连接至第二负阻级的晶体管M_p6'的漏极，其源极连接至电源V_DD；

所述第二电阻反馈共源输入级、第二电流镜放大级、第二负阻级及第二噪声消除辅助级的各个器件连接关系与其呈镜像的相应结构的连接关系相同；差分信号V_in+由节点A输入，差分信号V_in-由节点A'输入。

5.根据权利要求4所述的电阻反馈式噪声消除宽带低噪声跨导放大器，其特征在于，还包括共模反馈电路CMFB，所述共模反馈电路的输入端连接到节点C、C'；通过检测输出节点信号I_out的共模电压，并与参考电压V_ref＝V_DD/2做比较，得到的误差信号用于调整M_n3的栅极偏置电压，使得共模信号I_out的静态偏置电压稳定在V_DD/2附近，以获得好的线性摆幅。