CN101494441B - 宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带低噪声放大器，包括：共栅极输入电路，接收外部输入信号，实现输入匹配并提供低频段增益；共源共栅极放大电路，输入端通过第一电容器耦合到共栅极输入电路的输出端，提供高频增益并实现反向隔离；共源支路，包括第一MOS管，第一MOS管的栅极通过第二电容器耦合到共栅极输入电路的输入端，源极接地，漏极连接到共源共栅极放大电路的共源管的漏极；源极跟随器输出电路，输入端连接到共源共栅极放大电路的输出端，输出经过低噪声放大处理的信号。通过合理的设计共源管第一MOS管的跨导，可以抵消共栅极输入电路的噪声，从而实现很小的噪声系数。

Description

宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及CMOS集成电路中的射频集成电路，更具体地讲，涉及一种采用共源支路实现噪声消除效果的共栅极宽带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器(LNA)在微波/射频接收系统中处于接收机的前端，其性能的好坏对接收机的性能有很大的影响。特别地，低噪声放大器需要实现很小的噪声系数。宽带低噪声放大器一直是低噪声放大器的热点，它在超宽带(UWB)等射频领域有重要的作用。

图1示出了传统技术的射频接收机的框图。如图1所示，天线接收到的信号经过带通滤波器滤波后进入低噪声放大器。低噪声放大器对接收的信号进行放大，并将放大的信号输入到混频器。混频器对输入的信号进行下变频得到所需的基带信号。本地振荡器提供两路时钟，它们的相位相差90度，从而可得到正交I/Q信号。基带信号经过可变增益放大器和低通滤波器后进入基带处理的模拟数字转换器，从而经过转换得到数字信号。

参考文献“An Ultra-Wide-Band 0.4-10-GHz LNA in 0.18-um CMOS”(Ke-Hou Chen，Jian-Hao Lu，etc.IEEE Transactions on Circuits and Systems-IIExpress Briefs.VOL.54.No.3.March 2007)提出了一种超宽带CMOS低噪声放大器，该文献通过引用包含于此。图2是示出该文献提出的低噪声放大器的电路图。图2所示的低噪声放大器属于常见的单端LNA结构。参照图2，所述低噪声放大器包括三级电路，即共栅极输入电路、共源共栅极放大电路和源极跟随器输出电路。在宽带低噪声放大电路设计中，如何在输入端实现宽带匹配一直是宽带低噪声放大器的难点，而如图2所示的共栅极输入电路可以在很宽的带宽内很好地实现50Ω输入匹配，同时提供低频段增益。这是因为共栅极输入电路的输入电阻为

所以仅需要设计 $\frac{1}{g_m}=50\mathrm{\Ω},$ 就可以实现输入匹配。在共栅极输入电路中，MOS管M1的漏极通过电阻R1连接到工作电压Vdd，其源极通过电感器L1接地，电感器L1与MOS管M1的栅源电容Cgs谐振从而提供输入匹配。共源共栅极放大电路提供高频增益，并且可以实现很好的反向隔离。共栅极输入电路的输出端通过电容器Cp(其电容容量为皮法级)耦合到共源共栅极放大电路的输入端，即共源管M2管的栅极。电容器Cp为耦合电容，其电容量优选为5pF。共源管M2的源极接地，漏极与共栅管M3的源极相连接，共栅管M3的漏极通过电阻器R2和电感器L2连接到工作电压Vdd，其栅极也连接到工作电压Vdd。源极跟随器输出电路输出经过低噪声放大处理的信号，并且能够提供50Ω输出匹配。在源极跟随器输出电路中，MOS管M5作为源极跟随器的负载，其源极接地，漏极与源极跟随器的MOS管M4的源极相连接。MOS管M4的漏极连接到工作电压Vdd。在图2中，Vbias1、Vbias2和Vbias3是三级电路的偏置。通过如上构造，在宽带低噪声放大器设计中可以实现很好的输入匹配(S11)，增益(S21)和反向隔离(S12)。

然而，如图2所示的宽带低噪声放大器虽然可以很好地实现宽带输入匹配，但是存在着噪声较大的问题。根据噪声系数的定义，噪声系数F等于总的噪声输出功率除以输入噪声源引起的噪声输出功率。根据噪声级联公式，电路后级的噪声的影响会被前级的增益所减弱。因此，当第一级电路可以提供相当增益的情况下，系统的噪声系数主要由第一级的噪声决定。

对如图2所示的宽带低噪声放大器，仅考虑第一级共栅极输入电路的MOS管的热噪声对系统的影响，可以得到如下的噪声系数。

$F\≥1+\frac{\left(4\mathrm{kT\γ}{g}_{d0}\right)/{g_m}^2}{4\mathrm{kT}{R}_s}---\left(1\right)$

其中，γ为由工艺决定的常数，R_s为宽带低噪声放大器的输入阻抗，g_m为共栅极输入电路的MOS管跨导，g_d0＝g_m|V_ds＝0，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

设 $\mathrm{\α}=\frac{g_m}{g_{d0}},$ 当共栅极输入电路的MOS管实现输入匹配 $\frac{1}{g_m}=R_s$ 时，得到如下的噪声系数。

$F\≥1+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

对于长沟道器件，噪声系数F的最低值约为2.2dB，而对现代深亚微米工艺的短沟道器件，γ/α＝2，因此F约为4.8dB。在高频段同时考虑栅电流噪声时，噪声系数将变得很差。对处于射频接收系统前端的低噪声放大器，这是无法接受的。

因此，需要一种能够减小MOS管的噪声并实现很小的噪声系数的宽带低噪声放大器。

发明内容

在下面的描述中将部分地阐明本发明另外的方面和/或优点，通过描述，其会变得更加清楚，或者通过实施本发明可以了解。

根据本发明的一方面，提供了一种宽带低噪声放大器，包括：共栅极输入电路，接收外部输入信号，实现输入匹配并提供低频段增益；共源共栅极放大电路，输入端通过第一电容器耦合到共栅极输入电路的输出端，提供高频增益并实现反向隔离；共源支路，包括第一MOS管，第一MOS管的栅极通过第二电容器耦合到共栅极输入电路的输入端，源极接地，漏极连接到共源共栅极放大电路的共源管的漏极，所述共源支路用于实现噪声消除；源极跟随器输出电路，输入端连接到共源共栅极放大电路的输出端，输出经过低噪声放大处理的信号，并且提供输出匹配。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1示出了传统技术的射频接收机的框图；

图2是示出现有技术的低噪声放大器的电路图；

图3是根据本发明实施例的采用共源支路实现消除MOS管M1噪声的共栅极宽带低噪声放大器的电路图；

图4是根据本发明的共源共栅极放大电路的共源管M2与共源支路的MOS管M2n实现噪声消除的原理的示意图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图3是根据本发明实施例的采用共源支路实现消除MOS管M1噪声的共栅极宽带低噪声放大器的电路图。

参照图3，根据本发明实施例的宽带低噪声放大器包括共栅极输入电路、共源共栅极放大电路、共源支路和源极跟随器输出电路，其中，共栅极输入电路、共源共栅极放大电路和源极跟随器输出电路的结构和功能与如图2所示的现有技术的低噪声放大器中的相应电路的结构和功能相同。如图3所示，在如图2所示的现有技术的低噪声放大器中添加了共源支路M2n。共栅极输入电路的输入端通过电容器C(其电容容量为皮法级)耦合连接到共源支路中的MOS管M2n的栅极，M2n的源极接地，漏极与共源共栅极放大电路中的共源管M2的漏极相连。电容器C为耦合电容，其电容量优选为5pF。通过添加共源支路，使得共栅极输入电路中的MOS管M1的噪声分别通过M2和M2n进行放大，并在M2的漏极相抵消。

图4是根据本发明的共源共栅极放大电路的共源管M2与共源支路的MOS管M2n实现噪声消除的原理的示意图。

参照图3和图4，从MOS管M1的源极(X点)和漏极(Y点)向所述宽带低噪声放大器内部看，单独考虑MOS管M1的等效噪声电流I_n，M1在共栅极输入电路负载R_L上的电压，通过共源管M2造成的节点Z处的输出电流In，out1如等式(3)所示。

$I_{n,\mathrm{out}1}=\frac{I_{n,M1}}{1+g_{m1}{R}_s}{R}_L{g}_{m2}---\left(3\right)$

其中，g_m1是MOS管M1的跨导，g_m2是共源管M2的跨导，R_s是根据本发明的宽带低噪声放大器的输入阻抗(在射频接收系统中一般为50Ω)。在图4中，对于交流信号而言，g_m2V_gs2＝I_n，out1，其中，V_gs2是共源管M2的栅源电压。

考虑MOS管M1的等效噪声电流I_n，M1在宽带低噪声放大器的输入阻抗R_s上的电压，通过MOS管M2n造成节点Z处的输出电流In，out2如等式(4)所示。

$I_{n,\mathrm{out}2}=\frac{I_{n,M1}}{1+g_{m1}{R}_s}{R}_s{g}_{m2n}---\left(4\right)$

其中，g_m2n是MOS管M2n的跨导。在图4中，对于交流信号而言，g_m2nV_gs2n＝I_n，out1，其中，V_gs2n是MOS管M2n的栅源电压。

仅考虑MOS管M1的等效噪声电流，分别通过M2和M2n进行放大，在节点Z处相加，可以得到节点Z处由MOS管M1引起的输出噪声电流，所述输出噪声电流如等式(5)所示。

$I_{n,\mathrm{out}}=I_{n,\mathrm{out}1}+I_{n,\mathrm{out}2}=\frac{I_{n,M1}}{1+g_{m1}{R}_s}{R}_L{g}_{m2}-\frac{I_{n,M1}}{1+g_{m1}{R}_s}{R}_s{g}_{m2n}---\left(5\right)$

通过合理设计，使得共源管M2和MOS管M2n的跨导满足如下等式(6)。

g_m2R_L＝g_m2nR_s                     (6)

此时，可以得到节点Z处由MOS管M1引起的输出噪声电流等于零，如等式(7)所示。

I_n，out＝0                        (7)

同时，对于输入信号，在节点Z处看到的跨导如等式(8)所示。

g_m＝g_m1R_Lg_m2+g_m2n                 (8)

根据本发明的实施例，MOS管M1的噪声电流在共栅极输入电路的负载R_L上的压降经过共源管M2转换为M2的漏极电流，而M1的等效噪声电流在输入阻抗R_s上的压降经过MOS管M2n转换为M2n的漏极电流，两个电流在共源管M2的漏极相叠加。由于MOS管M1的等效噪声电流在负载R_L和输入阻抗R_s上的压降是反向的，因此通过合理的设计共源管M2和MOS管M2n，使它们的跨导满足公式(6)就可以消除MOS管M1的噪声，从而减小了根据本发明实施例的宽带低噪声放大器的噪声，使得该电路在深亚微米工艺下可以达到很小的噪声系数。

虽然已经结合本发明的示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改和改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种宽带低噪声放大器，包括：

共栅极输入电路，所述共栅极输入电路接收外部输入信号，用于实现输入匹配并提供低频段增益；

共源共栅极放大电路，所述共源共栅极放大电路的输入端通过第一电容器耦合到所述共栅极输入电路的输出端，用于提供高频增益并实现反向隔离；

共源支路，包括第一MOS管，所述第一MOS管的栅极通过第二电容器耦合到所述共栅极输入电路的输入端，其源极接地，其漏极连接到所述共源共栅极放大电路的共源管的漏极；

源极跟随器输出电路，所述源极跟随器输出电路的输入端连接到所述共源共栅极放大电路的输出端，用于输出经过低噪声放大处理的信号，

其中，所述共源管和所述第一MOS管的跨导满足如下等式：

g_m2R_L＝g_m2nR_s，

其中，g_m2是所述共源管的跨导，g_m2n是所述第一MOS管的跨导，R_L是所述共栅极输入电路的负载阻抗，R_s是所述宽带低噪声放大器的输入阻抗。

2.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器是耦合电容，它们的电容容量均为5pF。

Images