一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，其包括主共柵放大級(1)、有源跨導增強的放大級(2)、平衡非平衡變壓器(3)和負載阻抗(4)。本發(fā)明采用有源跨導增強級和主共柵放大級級聯(lián)的方式，對主共柵放大管的跨導進行了增強，另外對有源跨導增強的放大管也采用跨導增強技術，用低功耗實現(xiàn)較高的等效跨導；當?shù)谝患壓偷诙壏糯箅娐酚邢嗤脑鲆鏁r可以抑制主共柵放大級的噪聲貢獻。采用差分結構使得電路對環(huán)境噪聲有更強的干擾能力。本發(fā)明通過跨導二次增強和噪聲抵消技術的結合，實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低功耗。
【專利說明】一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，具有低噪聲系數(shù)低功耗的特點，屬于射頻集成電路【技術領域】。

【背景技術】
[0002]低噪聲放大器是無線傳輸系統(tǒng)中接收機的關鍵模塊，它的主要作用是在保持低噪聲的條件下，放大天線從空中接收到的微弱信號并傳輸?shù)胶蠹?。由于處于射頻接收的最前端，低噪聲放大器對于整個接收機性能有重要影響。輸入輸出端口匹配，噪聲系數(shù)低，足夠的增益，合適的功耗和線性度是低噪聲放大器設計的基本要求。
[0003]傳統(tǒng)的低噪聲放大器一般采用源極電感反饋技術，但是需要片上電感，占據(jù)太大面積。傳統(tǒng)的共柵放大器雖然可以容易的實現(xiàn)輸入匹配和較低的功耗，但是噪聲系數(shù)比較大。最近幾年里無電感的低噪聲放大器開始出現(xiàn)。它們一般可以分為兩類:第一類是帶有電阻反饋或者有源反饋的共源放大器，第二類是結合跨導增強或者噪聲抵消的共柵放大器。但是這些結構在增益、噪聲、線性度、功耗等性能中都有一定的折中選取。
[0004]共柵放大器因為提供比并聯(lián)反饋放大器小的電壓增益，所以線性度比較好。而且共柵放大器可以有效的利用柵端來實現(xiàn)跨導增強技術。圖1，參考文獻【I】(SanghyunWoo, Woonyun Kim Chang-Ho Lee,Kyutae Limj Joy Laskarj — A 3.6mW differentialcommon-gate CMOS LNA with positive-negative feedback, Il ISSCC 2009/SESS10N 12/RF BUILDING BLOCKS/12.2.)這種跨導增強結構經(jīng)常被用來減少功耗。
[0005]雖然共柵放大器的線性度較好，但是噪聲性能比采用并聯(lián)反饋的放大器要差。所以采用共柵放大器結構還要克服噪聲惡化的問題。圖2，參考文獻【2】(Chih-FanLiao, Shen-1uan Liu, —A Broadband Noise-Canceling CMOS LNA for 3.1 - 10.6-GHz UWBReceivers, Il IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, N0.2, FEBRUARY 2007.)提供了一種噪聲消除的共柵放大器結構，可以有效降低共柵放大器的噪聲。
[0006]為了克服低噪聲放大器的性能缺點，一種寬帶無電感低功耗的低噪聲放大器被提出來了。圖 3,參考文獻【3】(Hongrui Wang, Li Zhang, and Zhiping Yu, — A WidebandInductorless LNA With Local Feedback and Noise Cancelling for Low-PowerLow-Voltage Applicat1ns, Il IEEE TRANSACT1NS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—1:RE⑶LAR PAPERS, VOL.57，N0.8，AUGUST 2010.)它同時采用跨導增強和噪聲消除技術來達到低功耗、低噪聲的目標。但是文中采用的是單端電路，對于環(huán)境噪聲的抗干擾能力不強。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，解決現(xiàn)有低功耗共柵低噪聲放大器的噪聲系數(shù)較高、功耗大的問題。本發(fā)明放大器采用差分結構使得電路對環(huán)境噪聲有更強的干擾能力，通過跨導二次增強和噪聲抵消技術的結合，實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)和低功耗的性能。該設計可用在射頻收發(fā)機CMOS集成電路中。
[0008]為此，本發(fā)明提供了如下的技術方案:
[0009]本發(fā)明技術方案:一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，其包括主共柵放大級1、有源跨導增強的放大級2、平衡非平衡變壓器3和負載阻抗4 ;輸入信號從平衡非平衡變壓器3的輸入端口進入，其差分輸出端口既與有源跨導增強的放大級2的源端和主共柵放大級I的源端直接耦合，也通過電容耦合到有源跨導增強的放大級2的柵端；有源跨導增強的放大級2采用NMOS和PMOS的對稱結構，并且NMOS結構采用了 cascode形式；有源跨導增強的放大級2的漏端通過電容耦合至主共柵放大級I的柵極；負載阻抗4與主共柵放大級I和有源跨導增強的放大級2的cascode管的漏極相接；電路的輸出端位于主共柵放大級I的漏極。
[0010]其中，主共柵放大級I用兩個相同的N型晶體管匪I和匪5作為輸入放大管，匪I和匪5的柵端分別通過大電阻接到偏置電壓，電容Cl的兩端分別接匪I的柵極、匪2和PM4的漏極以及匪3的源級，電容C2的兩端分別接輸入正信號和PM4的柵極，電容C3的兩端分別接輸入正信號和匪2的柵極，有源跨導增強的放大級2采用N型晶體管匪2和P型晶體管PM4作為輸入放大管，差分信號的正信號通過電容耦合到匪2和PM4的柵端，差分信號的負信號直接接至匪2的源端，PM4的源端接電源，同時在匪2上加上共源共柵(cascode)結構的N型晶體管匪3，匪3源端接匪2和PM4的漏端，柵端通過大電阻接偏置電壓，漏端接負載電阻Zl和Z3，PM4和匪2的柵端分別通過大電阻接偏置電壓；平衡非平衡變壓器3的單端輸入端①連接至信號源，平衡輸出端③直接耦合到匪I的源級和NM6的源級并且通過電容耦合到匪2和PM4的柵極，另一平衡輸出端④直接耦合到匪2的源級和匪5的源級并且通過電容耦合到NM6和PM8的柵端，第2端②和第5端⑤接地；負載阻抗4由阻抗Zl、Z2、Z3和TA組成，Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接匪1的漏極和匪3的漏極。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0012]1.采用差分結構相比于單端結構對于消除寄生效應的影響有優(yōu)勢，使得電路對環(huán)境噪聲有更強的抗干擾能力；
[0013]2.采用有源跨導增強的方法對主共柵放大器的跨導進行二次增強，并且對有源跨導增強管也采用跨導增強技術，用低功耗實現(xiàn)較大的等效跨導，降低了電路功耗；
[0014]3.經(jīng)過合理的設計各個負載的阻值可以基本消除主共柵放大管的噪聲，提高了整個電路的噪聲性能。
[0015]4.采用共源共柵(cascode)結構，增強了反向隔離度。如果不采用cascode結構，對于噪聲沒有影響，但是功耗就可以繼續(xù)降低。
[0016]5.本發(fā)明折中各種指標，為了降低噪聲提高了功耗。但是相比于已經(jīng)存在的電路結構達到了低噪聲和高隔離度的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有的采用跨導增強的低噪聲放大器；
[0018]圖2是現(xiàn)有的一種采用噪聲消除結構的共柵低噪聲放大器；
[0019]圖3是現(xiàn)有的一種采用跨導增強和噪聲消除的低功耗低噪聲放大器；
[0020]圖4是本發(fā)明中采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器；
[0021]圖5是本發(fā)明中放大器隨頻率變化的噪聲系數(shù)(NF)與已存在的共柵放大器的噪聲系數(shù)的仿真對比圖；
[0022]圖6是本發(fā)明中放大器隨頻率變化的電壓增益(S21)仿真圖；
[0023]圖7是本發(fā)明中放大器隨頻率變化的散射系數(shù)(Sll)仿真圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0025]如圖4所示:主共柵放大級I用兩個相同的N型晶體管匪I和匪5作為輸入放大管，匪I和匪5的柵端分別通過大電阻接到偏置電壓，電容Cl的兩端分別接NMl的柵極、匪2和PM4的漏極以及匪3的源級，電容C2的兩端分別接輸入正信號和PM4的柵極，電容C3的兩端分別接輸入正信號和匪2的柵極。有源跨導增強的放大級2采用N型晶體管匪2和P型晶體管PM4作為輸入放大管，差分信號的正信號通過電容直接耦合到匪2和PM4的柵端，差分信號的負信號直接接至匪2的源端，PM4的源端接電源。同時在匪2上加上共源共柵(cascode)結構的N型晶體管匪3。匪3源端接匪2和PM4的漏端，柵端通過大電阻接偏置電壓，漏端接負載電阻Zl和Z3。PM4和NM2的柵端分別通過大電阻接偏置電壓；平衡非平衡變壓器3的單端輸入端①連接至信號源，平衡輸出端③直接耦合到匪I的源級和NM6的源級并且通過電容耦合到匪2和PM4的柵極，平衡輸出端④直接耦合到匪2的源級和匪5的源級并且通過電容耦合到NM6和PM8的柵端，第2端②和第5端⑤接地；負載阻抗4由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4組成，本發(fā)明中采用電阻作為負載阻抗。Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接匪1的漏極和匪3的漏極。
[0026]通過附圖5-7可以看得到本發(fā)明結構在增益3dB帶寬內(nèi)可以達到很好的匹配，噪聲系數(shù)可低至3dB，從對比圖可以看出優(yōu)勢。并且在供電電壓為IV的條件下消耗的功耗只有 3.5mff0
【權利要求】
1.一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，其特征在于，包括主共柵放大級(I)、有源跨導增強的放大級(2)、平衡非平衡變壓器(3)和負載阻抗(4);輸入信號從平衡非平衡變壓器(3)的輸入端口進入，其差分輸出端口既與有源跨導增強的放大級(2)的源端和主共柵放大級(I)的源端直接耦合，也通過電容耦合到有源跨導增強的放大級(2)的柵端；有源跨導增強的放大級(2)采用NMOS和PMOS的對稱結構，并且NMOS結構采用了 cascode形式；有源跨導增強的放大級(2)的漏端通過電容耦合至主共柵放大級(I)的柵極；負載阻抗(4)與主共柵放大級(I)和有源跨導增強的放大級(2)的cascode管的漏極相接；電路的輸出端位于主共柵放大級(I)的漏極。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種采用有源跨導增強和噪聲抵消技術的差分低功耗低噪聲放大器，其特征在于，主共柵放大級(I)用兩個相同的N型晶體管匪I和匪5作為輸入放大管，匪I和匪5的柵端分別通過大電阻接到偏置電壓，電容Cl的兩端分別接匪I的柵極、匪2和PM4的漏極以及匪3的源級，電容C2的兩端分別接輸入正信號和PM4的柵極，電容C3的兩端分別接輸入正信號和匪2的柵極，有源跨導增強的放大級(2)采用N型晶體管匪2和P型晶體管PM4作為輸入放大管，差分信號的正信號通過電容耦合到匪2和PM4的柵端，差分信號的負信號直接接至匪2的源端，PM4的源端接電源，同時在匪2上加上共源共柵(cascode)結構的N型晶體管匪3，匪3源端接匪2和PM4的漏端，柵端通過大電阻接偏置電壓，漏端接負載電阻Zl和Z3，PM4和匪2的柵端分別通過大電阻接偏置電壓；平衡非平衡變壓器(3)的單端輸入端(①)連接至信號源，平衡輸出端(③)直接耦合到匪I的源級和NM6的源級并且通過電容耦合到匪2和PM4的柵極，另一平衡輸出端(④)直接耦合到匪2的源級和匪5的源級并且通過電容耦合到NM6和PM8的柵端，第2端(②)和第5端(⑤)接地；負載阻抗⑷由阻抗Zl、Z2、Z3和TA組成，Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接匪1的漏極和匪3的漏極。
【文檔編號】H03F1/26GK104167993SQ201410431317
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權日:2014年8月28日
【發(fā)明者】張蓉, 孫景業(yè), 刁盛錫, 傅忠謙, 林福江 申請人:中國科學技術大學