CN102332867A

CN102332867A - 一种带有单端电路补偿结构的低噪声放大器

Info

Publication number: CN102332867A
Application number: CN201110206157A
Authority: CN
Inventors: 任俊彦; 张楷晨; 廉琛; 李巍; 李宁; 许俊; 叶凡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102332867B

Abstract

本发明属于射频集成电路技术领域，具体为一种带有单端电路补偿结构的低噪声放大器。本发明包括输入匹配级、放大级、负载级、反馈级和单端电路补偿级；本发明在单端电路接地点处提供一个反相信号，该反相信号与单端电路提供的信号在芯片内接地处形成一个交流信号虚地点，以最大限度消除片外非理想因素对片内单端电路的影响。本发明结构简单，实用性强，可以很好的解决片内单端电路对于片外电源和地非理想因素的敏感问题。

Description

一种带有单端电路补偿结构的低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种CMOS多模低噪声放大器。

背景技术

多模式射频接收机系统是当前学术界和工业界的研究热点。通过单一的接收机链路实现多种通信模式的兼容，可以同时降低整机的功耗以及芯片的面积。

低噪声放大器是接收机前端中最关键的模块之一，其作用就是将天线接收到的微弱信号放大并抑制接收机后级电路的噪声。这要求低噪声放大器必须提供足够的增益，同时以保证后级噪声不会对系统性能造成过大的影响。低噪声放大器的增益往往与功耗成正比，而对于射频接收机系统而言，低功耗是其基本要求，因此在保证足够增益的情况下如何减小功耗是应用于射频接收机系统中LNA设计的重要难题。另外，与传统的窄带LNA不同，同时满足多种通信模式的覆盖0.8~6GHz的宽带的LNA的带宽高达6GHz，在整个工作频段内保持良好的输入匹配、增益平坦度及低噪声也是很难达到的性能要求。

同时，对于采用单端结构的LNA电路，由于对地pad电容，键合线电感也在信号通路之内，因此，这些非理想因素会对电路的性能稳定性带来不良影响。

综上分析，针对采用单端结构的CMOS宽带低噪声放大器设计，增加的单端电路补偿级可以很好的解决单端电路对片外非理想因素的敏感问题，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种单端结构差分CMOS低噪声放大器电路，以增加电路的稳定性，最大限度消除片外非理想因素对核心电路带来的影响，从而克服单端电路结构技术存在的固有不足。

本发明提供的差分CMOS宽带低噪声放大器，是一种带有单端电路补偿结构的低噪声放大器，由匹配级、放大级、反馈级和负载级四个部分组成，其中：

匹配级，用以接收输入信号，使信号源与输入阻抗良好匹配；

放大级，连接于所述匹配级与输出端之间，完成所述匹配级输出电压信号的跨导放大；

负载级，连接于电源与所述输出端之间，用以输出放大信号，为了减小芯片面积，负载级只使用电阻，把电流重新转换成电压信号；

反馈级，连接于所述匹配级与所述输出端之间，同时与匹配级组成匹配网络，与放大级一起获得一定的输入阻抗；同时与负载级、放大级一起保证增益的稳定与增益的带宽；

单端电路补偿级，连接于放大级与负载级之后，该级采用传统共源极放大器结构，在其输出端提供一个与前级放大级输出信号等幅反相的信号。在源极构成虚地点，最大限度减少片外非理想因素的影响。

进一步地，所述匹配网络是由所述匹配级与所述反馈级共同作用组成的；其中所述匹配级为一LC带通滤波网络，实现宽带输入匹配，其由接信号输入端的芯片封装键合线的等效电感L _bonding与ESD PAD的等效电容C _Pad构成匹配级输入，并与源极电感L ₁，及所述放大级的等效输入电容C _in顺次相连。

进一步地，所述反馈级包括：第三NMOS管M₄，其栅极与所述输出端V_out相连，漏极接电源，源极通过NMOS管M₅形成的电流源接地；反馈电阻R_F通过隔直电容与NMOS管M₅相连，另一端与输入NMOS管M₁和PMOS管M₂相连。

进一步地，所述放大级包含：以共栅共漏相连接的第一PMOS管M₂与第一NMOS管M₁对管，是源极放大器，其栅极均与所述匹配级的所述反馈回路电阻相连，其中所述第一NMOS管M₁的源极通过源极电感接地。进一步地，还包括第二NMOS管M₃，第二NMOS管M₃和所述第一PMOS管M₂与第一NMOS管M₁对管的漏极相连接，作为共栅极电流跟随器，其输入阻抗约1/g_m，它一方面可以减小输入对管栅漏电容（米勒等效电容）对电路的影响，另一方面，所述第二NMOS管M₃可以隔离输入和输出级，保证电路有很好的隔离度；其栅极与偏置直流电压相连接，其漏极与所述输出端V_out相连。

进一步地，补偿级包括第五NMOS管M₆，第五NMOS管M₆栅极连接M₃的漏极，负载电阻RD2一端接M₆的漏极，一端接电源。M₆源极在片内与电感L1接地点连在一起。

本发明所做的突出改进如下所述：

对于差分电路，如图所示2，交流小信号电流i₁和i₂在A点形成一个虚地点，也就是交流信号地，交流小信号并不流到片外，因此，差分结构LNA对键合线电感和pad电容的寄生并不敏感。然而对于单端电路，如图3所示，由于交流信号直接流到接地点B，即直流地和交流信号地是在同一点，键合线电感和pad电容也进入了交流信号通路内，因此，单端电路对于片外非理想因素是敏感的，寄生电容和寄生电感在某些特定频点会谐振，因此验证影响LNA的输入阻抗，进而影响几乎所有LNA性能。这一问题对于窄带LNA并不明显，原因是窄带LNA可以再较窄的频带内进行单独的优化设计，所以可以预先把这部分非理想因素考虑进去。但对于宽带单端电路而言，由于宽带LNA要在很宽的频带内保持输入阻抗接近50欧姆，无法单独对某一频点进行优化设计，因此，宽带单端电路对片外非理想因素的敏感增加了设计难度。

本发明在传统宽带单端电路输出端级联一个基于共源极放大器的单端电路补偿级，原理如图4所示，在A点近似提供一个和i₁信号等幅度，反相位的交流电流信号i₂，此时A点也近似为交流信号虚地点，与差分结构相似，几乎没有电流流到片外，此结构可以基本消除单端电路对片外非理想因素的敏感性。

本发明提供一种可以覆盖0.8~6GHz宽频带范围内的，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN等多种通信模式的LNA，该结构LNA可应用于接收机前端中，具有良好的宽频带输入匹配、高增益、低功耗，良好的噪声系数，同时只占用较小的芯片面积。配合提出的单端电路补偿结构，增加电路的稳定性，最大限度消除片外非理想因素对核心电路带来的影响。

附图说明

图1：本发明LNA的匹配级等效小信号电路。

图2：差分结构对非理想因素不敏感原理示意图。

图3：单端结构对非理想因素敏感原理示意图。

图4：本发明LNA增加单端补偿级消除对非理想因素敏感的原理示意图。

图5：本发明具体实施例电路图。

图6：本发明具体实施例电路增加单端补偿级后，输入阻抗变化对比结果。

图7：本发明具体实施例电路增加单端补偿级后，S11变化对比结果。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图进一步描述本发明。

如图5所示，该实例电路为带有单端补偿级的单端CMOS LNA在多模射频接收机中的应用，其工作频段为0.8~6GHz，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN等多种标准。

NM1=120u/0.13um

NM2=18u/0.13um

NM3=6/0.13um

RF=340

RD1=130

RD2=80

NM4=90um/0.13um

NM5=2*16um/0.13um

NM6=24um/0.13um

L1=0.3 nH

电路工作在1.2V电压，消耗电流12mA。电路性能：输入匹配S11≤-8dB，覆盖频带0.8~6GHz，从给出的对比结果可以看出，由于片外非理想电感和电容的存在，输入阻抗在2G、3G、4G附近出现尖峰值，严重恶化了输入匹配性能。在增加了单端电路补偿级之后，输入阻抗在上述频点处的幅度明显降低，输入阻抗在带内更加平坦的接近50欧姆，从S11可以看出与为佳单端补偿级结构相比，在整个频带内均可以获得更好的输入匹配S11性能。见图6、图7所示。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种带有单端电路补偿结构的低噪声放大器，其特征在于，包含：

输入匹配级，用以实现接收信号，并进行匹配；

放大级，连接于所述匹配级与输出端之间，用以放大所述匹配级的输出信号；

负载级，连接于电源与所述输出端之间，用以输出放大信号；

反馈级，连接于所述匹配级与所述输出端之间，用来依据所述放大级输出的放大信号产生一个反馈信号，并将所述反馈信号反馈至所述匹配级；

单端电路补偿级，连接于单端电路之后，用以提供反相信号，减小片外非理想因素的干扰。

2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述匹配级为一LC带通滤波网络，实现宽带输入匹配；其由接信号输入端的芯片封装键合线的等效电感L _bonding与ESD PAD的等效电容C _Pad构成匹配级输入，并与源极电感L ₁，及所述放大级的等效输入电容C _in顺次相连。

3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述放大级包含：

以共栅共漏相连接的第一PMOS管（M₂）与第一NMOS管（M₁），其栅极均与所述匹配级的所述反馈回路串联电阻相连，其中所述第一NMOS管（M₁）源极接源极退化电感（L₁），经过该退化电感接地，该退化电感主要用于在输入匹配级的匹配网络内与栅极寄生电容谐振；其中所述第一PMOS管（M₂）源极接电源；

第二NMOS管（M₃），其源极和所述第一PMOS管（M₂）与第一NMOS管（M₁）的漏极相连接，作为共栅极电流跟随器，其漏极与所述输出端相连。

4.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈级包含：

第三NMOS管（M₄），其栅极与第二NMOS管（M₃）漏极相连，其漏极接电源，其源极接电流源第四NMOS管（M₅）漏极以及第二隔直电容，该电容接反馈电阻R_F后接第一PMOS管（ M₂）与第一NMOS管（ M₁）栅极，用以实现宽带输入匹配。

5.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述负载级，只使用一个负载电阻，无电感，所述负载电阻R_D1其一端接电源，另一端接所述输出端，与所述第二NMOS管（M₃）的漏极相连。

6.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述单端电路补偿级接与放大级之后，该补偿级包含：

第五NMOS管（M₆），其栅极接第二NMOS管（M₃）漏极，其漏极接补偿级负载电阻R_D2，其源极与放大级NMOS管（M₁）源极相接，然后接地。