CN101834566B

CN101834566B - 基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器

Info

Publication number: CN101834566B
Application number: CN 201010186662
Authority: CN
Inventors: 黄沫
Original assignee: RISING MICRO ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: RISING MICRO ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: CN101834566A

Abstract

本发明实施例公开了一种基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器，本发明的方法是将两个过失真场效应管的栅极，分别通过隔直电容与各自对应的低噪声放大器输入管的漏极连接，从矢量角度分析，产生了可与低噪声放大器的放大电路的三阶交调系数矢量抵消的三阶交调系数矢量，实现了通过过失真方式提高所述低噪声放大器线性度的目的，更重要的是：该方法有效降低了过失真方法中在低噪声放大器输入管上形成的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，从而减小了寄生电容降低放大器增益的影响，保证了低噪声放大器噪声性能；同时，由于所述寄生电容的减少，其输入阻抗的变化不大，从而给所述低噪声放大器片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

Description

基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器。

背景技术

线性度是指输出与输入系统能否像理想系统那样保持正常值比例关系(即线性关系)的一种度量。对无线通信来说，较差的线性度会降低无线通信系统的频谱利用率，并使误码率恶化；为了达到较好的线性度，常常需要对无线通信系统中的设备进行线性度提升，由于位于所述无线通信系统最前端的设备是低噪声放大器，提高所述低噪声放大器线性度可大大降低所述系统后级其他模块线性度的要求，并能降低整个芯片的功耗及芯片面积，因此提高所述低噪声放大器线性度成为提高整个系统线性度的较为理想的选择。

三阶交调截取点IP3是衡量上述线性度或失真的重要指标，IP3值越高表示线性度越好和更少的失真；其中与信号输入相关的三阶交调截取点以IIP3表示，所述IIP3可以公式

表示：其中，g₃称为三阶交调系数，Rs为系统输入阻抗的实部，根据公式所示，g₃值越小，所述IIP3的值越大。

现有技术中，采用过失真的方法提高所述低噪声放大器的线性度应用较为广泛，如图1所示，该方法将低噪声放大器中的过失真MOS管MA1和MA2的栅极通过各自对应的隔直电容C1和C2与主支路的输入MOS管M1、M2栅极连接，所述MA1的漏极与所述M1的漏极连接，且所述MA2的漏极与所述M2的漏极连接，所述MA1和MA2的源级接地处理，该方法实现了将过失真MOS管MA1、MA2提供给与主支路输入MOS管M1、M2极性相反的三阶交调系数，所述过失真电路提供的三阶交调系数的相移与主支路三阶交调系数矢量相加后，达到抵消三阶交调系数的作用，从而提高所述低噪声放大器的IIP3值。

然而，以上现有技术至少存在如下缺点：虽然该方法一定程度上实现了提高低噪声放大器的线性度的要求，但因为其过失真MOS管MA1和MA2的栅极通过隔直电容C1和C2直接连接至主支路输入MOS管M1、M2的栅极，增加了所述主支路输入MOS管的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，且由于这些寄生电容对于放大器增益的干扰，降低了低噪声放大器的噪声性能(信噪比SNR，放大器输出电压与同时输出的噪声电压的比值)；同时，由于所述寄生电容的实际存在，其给所述低噪声放大器的片外阻抗匹配带来了困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器，以减小在提高低噪声放大器线性度的过失真方法中形成的寄生电容，从而在所述过失真方法中保证了低噪声放大器噪声性能，且方便了低噪声放大器的片外阻抗匹配。

一种基于低噪声放大器的过失真方法，包括：

将第一过失真场效应管的栅极通过第一隔直电容与所述低噪声放大器的第一输入管的漏极连接；

将第二过失真场效应管的栅极通过第二隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接。

上述方法是将两个过失真场效应管的栅极，分别通过隔直电容与各自对应的低噪声放大器输入管的漏极连接，本发明的方法从矢量角度分析，产生了可与低噪声放大器放大电路的三阶交调系数矢量抵消的三阶交调系数矢量，实现了通过过失真方式提高所述低噪声放大器线性度的目的，更重要的是：该方法有效降低了过失真方法中在低噪声放大器输入管上形成的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，从而减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能；同时，由于所述寄生电容的减少，其输入阻抗的变化不大，从而给所述低噪声放大器片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

优选地，所述方法还包括：

将所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接；

将所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接。

上述方法中，将过失真场效应管漏极与所述低噪声放大器的共源共栅场效应管的漏极连接，由于所述共源共栅场效应管的隔离作用，其寄生电容可以忽略，因此进一步降低了低噪声放大器总体上的寄生电容的产生量。

优选地，所述第一过失真场效应管的源极与所述第二过失真场效应管的源极接地。

优选地，所述低噪声放大器具体为共源共栅差分低噪声放大器，所述第一输入管与所述第二输入管具体为输入MOS管。

优选地，所述过失真场效应管具体为过失真MOS管。

优选地，所述过失真MOS管工作于弱反型区，所述第一输入管与所述第二输入管工作于饱和区。

作为优选，所述第一输入管与所述第二输入管工作在饱和区，以获得较优的特征频率和跨导而实现较优的噪声性能；

作为优选，所述过失真MOS管工作于弱反型区，所消耗的电流少，减少了功能损耗。

优选地，所述共源共栅场效应管具体为共源共栅MOS管。

一种低噪声放大器，包括：

第一过失真场效应管、第二过失真场效应管、第一隔直电容和第二隔直电容，其中：

所述第一过失真场效应管的栅极通过第一隔直电容与所述低噪声放大器的第一输入管的漏极连接；

所述第二过失真场效应管的栅极通过第二隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接。

本发明中的低噪声放大器中包含了与输入管相接的过失真场效应管(具体为过失真MOS管)，第一过失真场效应管与第二过失真场效应管分别通过各自对应的隔直电容，与低噪声放大器的第一输入管与第二输入管的漏极连接，该连接方式及构造不仅从过失真方法角度提高低噪声放大器的线性度，更重要的是该连接方式实现了降低输入管的寄生电容的目的，且给所述低噪声放大器的片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

优选地，所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接；

所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接；

所述第一过失真场效应管的源极与所述第二过失真场效应管的源极接地。

优选地，所述第一共源共栅场效应管的漏极与所述第二共源共栅场效应管的漏极交叉耦合连接，所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接；所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例将两个过失真场效应管的栅极，分别通过一个隔直电容与各自对应的低噪声放大器输入管的漏极连接，本发明的方法从矢量角度分析，产生了可与低噪声放大器的放大电路的三阶交调系数矢量抵消的三阶交调系数矢量，实现了通过过失真方式提高所述低噪声放大器线性度的目的，更重要的是：该方法有效降低了过失真方法中在低噪声放大器输入管上形成的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，从而减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能；同时，由于所述寄生电容的减少，其输入阻抗的变化不大，从而给所述低噪声放大器片外匹配电路的阻抗匹配带来方便；另外，将过失真场效应管漏极与所述低噪声放大器的共源共栅场效应管的漏极连接，由于所述共源共栅场效应管的隔离作用，其寄生电容可以忽略，因此进一步降低了低噪声放大器总体上的寄生电容的产生量。本发明还公开了一种低噪声放大器，低噪声放大器中包含了与输入管相接的过失真场效应管(具体为过失真MOS管)，第一过失真场效应管与第二过失真场效应管分别通过一个隔直电容，与所述低噪声放大器的第一输入管与第二输入管的漏极连接，该连接方式及构造不仅从过失真方法角度提高低噪声放大器的线性度，更重要的是该构造减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能，且给所述低噪声放大器的片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种低噪声放大器结构示意图；

图2a为本发明实施例公开的一种基于低噪声放大器的过失真方法流程图；

图2b为本发明实施例公开的一种基于低噪声放大器的过失真方法三阶交调系数曲线示意图；

图3为本发明又一实施例公开的一种基于低噪声放大器的过失真方法流程图；

图4a为本发明实施例公开的一种低噪声放大器结构示意图；

图4b为本发明又一实施例公开的一种低噪声放大器结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：

MOS管：金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应管；

IP3：Third-order Intercept Point，三阶交调截取点，一个在射频或微波多载波通讯系统中衡量线性度或失真的重要指标。

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。

本发明实施例公开了基于低噪声放大器的过失真方法和低噪声放大器，以减小在提高低噪声放大器线性度的过失真方法中形成的寄生电容，从而在所述过失真方法中保证了低噪声放大器噪声性能，且方便了低噪声放大器的片外阻抗匹配。

图2a示出了一种基于低噪声放大器的过失真方法，包括：

步骤201：将第一过失真场效应管的栅极通过第一隔直电容与所述低噪声放大器的第一输入管的漏极连接；

步骤202：将第二过失真场效应管的栅极通过第一隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接。

结合图2b的曲线，进行矢量角度的分析，该实施例中，低噪声放大器具体为共源共栅差分低噪声放大器，其放大电路中的第一输入管与第二输入管工作在饱和区，以获得较优的特征频率和跨导，从而保证较优的噪声性能，对于输入管为MOS管而言，其小信号输出电流可用幂函数展开：

i_d(V_gs)＝g1^*V_gs+g^2*V_gs ²+g^3*V_gs ³：

其中g1是小信号跨导，g2定义了二阶交调非线性系数，g3定义了三阶交调非线性系数，更高阶的交调系数则可以忽略。在完全对称的情况下，g2将被抵销，因而线性度主要就由g3决定。在常见的偏置范围内，g3＜0，本实施例中，所述过失真场效应管具体为过失真MOS管，工作在弱反型区时，三阶项系数g3为正值；

从理论上讨论：对于无电感的低噪声放大器，g3in(所述低噪声放大器三阶交调系数曲线)和g3a(所述过失真场效应管的连接方式产生的三阶交的调系数曲线)的相位正好是相差180°的，由于总的三阶交调系数g3是所述g3in和g3a的矢量之和，因此，调节过失真MOS管的偏置电压，使得二者大小相等，就能使g3＝g3in+g3a＝0，如图2b，g3在0.5V～0.6V区间为0，合理选择过失真MOS管的尺寸和偏置电压，可以使得总的g3(g3in和g3a的矢量和)为0，如图2b中Vgs在0.4V～0.6V的区间所示，根据IIP3的计算公式：

(Rs为系统输入阻抗的实部)，故此时低噪声放大器的IIP3为无穷大。

需要说明的是：在本实施例中，合理的选取C1，C2＝100fF和偏置电压Vaux＝0.37V，可以获得21.4dBv的IIP3，提高了10dB以上。

由上可以看出：将两个过失真场效应管的栅极，分别通过隔直电容与各自对应的低噪声放大器输入管的漏极连接，从矢量角度分析，产生了可与低噪声放大器放大电路的三阶交调系数矢量抵消的三阶交调系数矢量，实现了通过过失真方式提高所述低噪声放大器线性度的目的；

由于过失真MOS管的栅极对应地连接在所述输入MOS管的漏极，有效减少了所述输入MOS管的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，也就是降低了由于这些寄生电容对于所述低噪声放大器的增益的干扰，从而保证了低噪声放大器噪声性能；同时，由于所述寄生电容的减少，其输入阻抗的变化不大，从而给所述低噪声放大器片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

图3示出了又一种基于低噪声放大器的过失真方法，包括：

步骤301：将第一过失真场效应管的栅极通过第一隔直电容与所述低噪声放大器的第一输入管的漏极连接；

步骤302：将第二过失真场效应管的栅极通过第二隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接；

步骤303：将所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接；

步骤304：将所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接；

步骤305：所述第一过失真场效应管的源极与所述第二过失真场效应管的源极接地。

需要说明的是，本实施例中：

所述低噪声放大器具体为共源共栅差分低噪声放大器，所述第一输入管与所述第二输入管具体为输入MOS管；

所述过失真场效应管具体为过失真MOS管；

所述过失真MOS管工作于弱反型区，所述第一输入管与所述第二输入管工作于饱和区；

所述共源共栅场效应管具体为共源共栅MOS管。

作为优选，可将所述第一共源共栅场效应管的漏极与所述第二共源共栅场效应管的漏极交叉耦合连接，即：所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接；所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接，由于交叉耦合的连接方式能够减少阻抗失配，因此，能进一步地提高线性度。

本实施例中，将过失真MOS管漏极与所述低噪声放大器的共源共栅MOS管的漏极连接，由于所述共源共栅MOS管的隔离作用，其寄生电容可以忽略，因此进一步降低了低噪声放大器总体上的寄生电容的产生量；且所述过失真MOS管的源极连接到地对寄生电容的产生没有影响。

图4a为本发明实施例公开的一种低噪声放大器结构，包括：第一过失真场效应管401、第二过失真场效应管402、第一隔直电容403和第二隔直电容404，图中还示出了第一输入管405、第二输入管406、第一共源共栅场效应管407和第二共源共栅场效应管408，其中：

所述第一过失真场效应管401的栅极通过第一隔直电容403与所述低噪声放大器的第一输入管405的漏极连接；所述第一过失真场效应管401的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管407的漏极连接；

所述第二过失真场效应管402的栅极通过第二隔直电容404与所述低噪声放大器的第二输入管406的漏极连接；所述第二过失真场效应管402的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管408的漏极连接；

需要说明的是，本实施例中：

所述过失真场效应管具体为过失真MOS管；

所述共源共栅场效应管具体为共源共栅MOS管。

本发明中的低噪声放大器中包含了与输入管相接的过失真场效应管(具体为过失真MOS管)，第一过失真场效应管401与第二过失真场效应管402分别与低噪声放大器的第一输入管405与第二输入管406的漏极连接，该连接方式及构造不仅从过失真方法角度提高低噪声放大器的线性度，更重要的是减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能，且给所述低噪声放大器的片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

作为优选，如图4b所示，可将所述第一共源共栅场效应管407的漏极与所述第二共源共栅场效应管408的漏极交叉耦合连接，即：所述第一过失真场效应管401的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管408的漏极连接；所述第二过失真场效应管402的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极407连接，由于交叉耦合的连接方式能够减少失配，因此，能进一步地提高线性度。

综上所述：

本发明的实施例将两个过失真场效应管的栅极，分别通过一个隔直电容与各自对应的低噪声放大器输入管的漏极连接，本发明的方法从矢量角度分析，产生了可与低噪声放大器的放大电路的三阶交调系数矢量抵消的三阶交调系数矢量，实现了通过过失真方式提高所述低噪声放大器线性度的目的，更重要的是：该方法有效降低了过失真方法中在低噪声放大器输入管上形成的栅源寄生电容和栅漏寄生电容，从而减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能；同时，由于所述寄生电容的减少，其输入阻抗的变化不大，从而给所述低噪声放大器片外匹配电路的阻抗匹配带来方便；另外，将过失真场效应管漏极与所述低噪声放大器的共源共栅场效应管的漏极连接，由于所述共源共栅场效应管的隔离作用，其寄生电容可以忽略，因此进一步降低了低噪声放大器总体上的寄生电容的产生量。本发明还公开了一种低噪声放大器，低噪声放大器中包含了与输入管相接的过失真场效应管(具体为过失真MOS管)，第一过失真场效应管与第二过失真场效应管分别与通过一个隔直电容，与所述低噪声放大器的第一输入管与第二输入管的漏极连接，该连接方式及构造不仅从过失真方法角度提高低噪声放大器的线性度，更重要的是减小了寄生电容降低放大器增益的的影响，保证了低噪声放大器噪声性能，且给所述低噪声放大器的片外匹配电路的阻抗匹配带来方便。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于低噪声放大器的过失真方法，其特征在于，包括：

将第二过失真场效应管的栅极通过第二隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接;

将所述第二过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第二共源共栅场效应管的漏极连接；

所述第一共源共栅场效应管的漏极与所述第二共源共栅场效应管的漏极交叉耦合连接；所述过失真场效应管具体为过失真MOS管，所述过失真MOS管工作于弱反型区，所述第一输入管与所述第二输入管工作于饱和区。

2.根据权利要求1所述的过失真方法，其特征在于，所述第一过失真场效应管的源极与所述第二过失真场效应管的源极接地。

3.根据权利要求1所述的过失真方法，其特征在于，所述低噪声放大器具体为共源共栅差分低噪声放大器，所述第一输入管与所述第二输入管具体为输入MOS管。

4.根据权利要求1所述的过失真方法，其特征在于，所述共源共栅场效应管具体为共源共栅MOS管。

5.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：

所述第二过失真场效应管的栅极通过第二隔直电容与所述低噪声放大器的第二输入管的漏极连接；

所述第一过失真场效应管的漏极与所述低噪声放大器的第一共源共栅场效应管的漏极连接；

所述第一过失真场效应管的源极与所述第二过失真场效应管的源极接地；所述第一共源共栅场效应管的漏极与所述第二共源共栅场效应管的漏极交叉耦合连接；所述过失真场效应管具体为过失真MOS管，所述过失真MOS管工作于弱反型区，所述第一输入管与所述第二输入管工作于饱和区。