CN102332868A - 一种低功耗宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种低功耗宽带低噪声放大器，设有输入单元1、输入单元2、隔离单元3、隔离单元4以及负载单元5。输入单元1、输入单元2采用电流复用共栅结构，并在输入级的MOS管栅极到源极和衬底到源极进行了双交叉耦合，差分输入端通过输入单元1、输入单元2实现50欧姆输入阻抗。PMOS管产生的信号电流通过隔离单元4后与NMOS管产生的信号电流相叠加，再通过隔离单元3送至负载单元5，最终输出放大的电压差分信号。

Description

一种低功耗宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种低功耗宽带低噪声放大器，采用CMOS工艺，在射频电路中具有较大优势，设计结构简单，在改善噪声性能与增益同时，将功耗大幅度降低，具有较大的增益带宽与输入匹配带宽，且具有较小的噪声系数。

背景技术

低噪声放大器是噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，对于几乎所有的射频接收机系统，必不可少的一个模块就是低噪声放大器。由于系统接收到的射频信号幅度通常很弱，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，并且提供一定的电压增益，以提高输出的信噪比。

共栅结构放大器广泛应用于宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其具有宽带输入匹配特性，传统的共栅结构放大器电路如图1所示。信号由晶体管M1、M2源极输入，通过调整M1和M2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1和M2的电流大小，进而改变M1和M2的跨导g _m，使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。通过调整负载电阻R1和R2的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点： 

第一是功耗大，传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(g _m+g _mb)，其中g _m为输入晶体管跨导，g _mb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。

第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

最后是噪声大，传统的共栅结构放大器的噪声系数较大，往往超过4dB。

发明内容

本发明的目的是为克服传统的共栅结构放大器的不足，提供一种低功耗宽带低噪声放大器，能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益和隔离度。

本发明采取的技术方案如下：一种低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：设有第一、第二两个输入单元、第一、第二两个隔离单元以及负载单元，差分射频输入信号的正、负两端分别连接第一、第二两个输入单元的正输入端及负输入端，第一、第二两个输入单元的输出端分别连接第一、第二两个隔离单元且第一、第二两个输入单元的输出端之间对应互连，第一隔离单元的输出连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号；其中：

第一输入单元包括NMOS管M1、NMOS管M2、第一、第二两个电阻、第一、第二两个电容,NMOS管M1及NMOS管M2的栅极分别串联电阻第一电阻及第二电阻后均连接第一偏置电压,NMOS管M1的栅极串联第一电容后连接NMOS管M2的源极并与差分射频输入信号的负端连接，NMOS管M2的栅极串联第二电容后连接NMOS管M1的源极并与差分射频输入信号的正端连接，NMOS管M1的衬底连接NMOS管M2的源极，NMOS管M2的衬底连接NMOS管M1的源极；

第二输入单元包括PMOS管M3、PMOS管M4、第三、第四两个电阻、第三、第四两个电容，PMOS管M3及PMOS管M4的栅极分别串联电阻第三电阻及第四电阻后均连接第二偏置电压，PMOS管M3的栅极串联第三电容后连接PMOS管M4的源极并与差分射频输入信号的负端连接 ，PMOS管M4的栅极串联第四电容后连接PMOS管M3的源极并与差分射频输入信号的正端连接，PMOS管M3的衬底连接PMOS管M4的源极，PMOS管M4的衬底连接PMOS管M3的源极；

第一输入单元中NMOS管M1的漏极通过第五电容连接第二输入单元中PMOS管M3的漏极，第一输入单元中NMOS管M2的漏极通过第六电容连接第二输入单元中PMOS管M4的漏极；

第一隔离单元包括第五NMOS管M5及第六NMOS管M6，第五NMOS管M5及第六NMOS管M6的源极分别连接第一输入单元中NMOS管M1及NMOS管M2的漏极，第五NMOS管M5及第六NMOS管M6的栅极均连接电源电压VDD；

第二隔离单元包括第五、第六两个电阻，第五、第六电阻的一端分别连接第二输入单元中PMOS管M3及PMOS管M4的漏极，第五、第六电阻的另一端均接地；

负载单元包括第七、第八两个电阻，第七、第八电阻的一端分别连接第一隔离单元中NMOS管M5及NMOS管M6的漏极，第七、第八电阻的另一端均连接电源电压VDD，第八、第七电阻的一端分别通过第七电容及第八电容分别输出正、负差分射频输出信号。

本发明的优点及显著效果：

（1）低功耗。在实现50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗，通过晶体管交叉耦合和电流复用技术可以将功耗降低至0.8mW（1.8V电源电压下工作电流0.45mA），而采用传统的共栅结构放大器，需要约4mW功耗（1.8V电源电压下工作电流2.2mA）。

（2）高增益。本发明的工作电流较低，所以可以使用较大阻值电阻（R5、R6）增加增益而不会产生过大的压降。同时交叉耦合技术可以提高MOS管等效的跨导g _m和g _mb，也能使电压增益增加。在相同功耗条件下（1.8V电源电压下，工作电流0.45mA），本发明相对于传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术其电压增益大幅提高，见图4。

（3）高隔离度。本发明的隔离单元采用共栅放大器以提高放大器的隔离度，相比直接输出，电路隔离度可从原先30dB提高至65dB。

（4）低噪声。本发明同时采用交叉耦合和电流复用技术，从而降低了电路噪声系数。在相同功耗条件下（1.8V电源电压下，工作电流0.45mA），本发明相对传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术其噪声系数对比，见图5。

（5）本发明提出的电流复用双交叉耦合共栅低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益，降低噪声系数，可以应用于宽带射频前端中。

附图说明

图1是传统共栅结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明低噪声放大器的电路方框图；

图3是本发明低噪声放大器的电路原理图；

图4是相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的电压增益曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的噪声系数曲线比较。

具体实施方式

参看图2，本发明设有输入单元1、输入单元2、隔离单元3、隔离单元4以及负载单元5。差分射频输入信号的正、负两端分别连接输入单元1、输入单元2的正输入端in+及负输入端in-，输入单元1、输入单元2输出端分别连接隔离单元3、隔离单元4，且输入单元1和输入单元2的输出端之间对应互连，隔离单元3的输出连接负载单元，负载单元输出正、负差分射频输出信号out+及out-。

参看图3，输入单元1、输入单元2采用电流复用共栅结构，并在输入级的MOS管栅极和衬底进行了双交叉耦合，差分输入端通过输入单元1、输入单元2实现50欧姆输入阻抗。PMOS管产生的信号电流通过隔离单元4后与NMOS管产生的信号电流相叠加，再通过隔离单元3送至负载单元5，最终输出放大的电压差分信号。其中：输入单元1设有NMOS管M1、M2以及电容C1、C2电阻R1、R2；输入单元2设有PMOS管M3、M4以及电容C3、C4电阻R3、R4；隔离单元3设有NMOS管M5、M6；隔离单元4设有电阻R5、R6；负载单元5设有R7、R8；电路的连接关系如下：

差分输入射频in+连接MOS管M1、M4的源极，in-连接MOS管M2、M3的源极。其中M1、M2为NMOS管，M3、M4为PMOS管。NMOS管M1、M2的栅极串联电阻R1、R2后连接到偏置电压V_{bias_NMOS}，PMOS管M3、M4的栅极串联电阻R3、R4后连接到偏置电压V_{bias_PMOS}，MOS管M1、M3的栅极串联电容C1、C3后分别连接M2、M4源极，MOS管M2、M4的栅极串联电容C2、C4后分别连接M1、M3源极，该连接方式为一组交叉耦合。同时，MOS管M1、M3的衬底分别连接M2、M4源极，MOS管M2、M4的衬底分别连接M1、M3源极，该连接方式为第二组交叉耦合。

NMOS管M1、M2的漏极分别连接隔离单元3的NMOS管M5、M6的源极。PMOS管M3、M4的漏极分别连接隔离单元4的电阻R5、R6，同时串联电容C5、C6后也连接至隔离单元3的NMOS管M5、M6的源极。隔离单元3的NMOS管M5、M6的栅极直接接电源电压VDD，漏极连接负载单元5的电阻R7、R8后经电容C7、C8输出差分射频信号out+及out-。

差分射频输入信号通过输入单元1和输入单元2输入，对于共栅结构的放大电路，其输入阻抗约为1/(g _m+g _mb)，此处，g _m为共栅极晶体管的跨导，g _mb为共栅极晶体管衬底B到源极S的电位差带来的等效跨导。首先，本专利中采用电流复用技术，对输入单元1和输入单元2的输入阻抗分别匹配到100欧姆，两者并联即为系统输入阻抗50欧姆。相比传统共栅结构放大器，所需要的功耗降低了一半。而且，这种连接方法降低了MOS管的二级效应，使得电路的总体噪声系数有所降低。其次，增加g _m和g _mb可以降低电路的输入阻抗。g _m和g _mb与电流I _d相关，通过增加g _m和g _mb来降低输入阻抗意味着必须增加工作电流，也就是增加了功耗。本专利在输入端进行了双交叉耦合，MOS管M1、M3的栅极串联电容C1、C3后分别连接M2、M4的源极，MOS管M2、M4的栅极串联电容C2、C4后分别连接M1、M3的源极，该连接方式为第一组交叉耦合。同时，MOS管M1、M3的衬底分别连接M2、M4的源极，MOS管M2、M4的衬底分别连接M1、M3的源极，该连接方法为第二组交叉耦合。此时，输入单元1、输入单元2中MOS管对应的等效g _m和g _mb增加为2g _m和2g _mb。这种连接方式使得功耗又可以降低一半。综上所述，相比传统共栅结构放大器完成50欧姆输入匹配，本专利需要的功耗为原先的四分之一。即在相同电源电压下，工作电流降低为传统共栅结构低噪声放大器的四分之一。同时双交叉耦合连接方式可以改善噪声系数。

NMOS管M1、M2的漏极分别连接隔离单元3的NMOS管M5、M6的源极。PMOS管M3、M4的漏极分别连接隔离单元4的电阻R5、R6，同时串联电容C5、C6后也连接至隔离单元3的M5、M6的源极。隔离单元3的NMOS管M5、M6的栅极直接连接电源电压VDD，漏极连接负载单元5的电阻R7、R8后经过电容C7、C8输出差分射频信号out+、out-。这种连接方法保证了输入单元2产生的放大信号电流和输入单元1产生的放大信号电流进行了叠加，而且保证了输出端对输入端较好的隔离性能。叠加的信号电流通过负载单元5产生的放大的电压信号即为射频差分输出信号。

参看图4可见，相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的电压增益曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器增益最高。参看图5可见，相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的噪声系数曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器噪声系数最低。

本发明设计的低噪声放大器在1.8V电源电压下工作电流约为0.45mA，功耗为0.8mW。该低噪声放大器3dB带宽约为2.5GHz，电压增益约为24dB，带内噪声系数约为2.5dB到3.5dB。通过对比，其性能远远优于传统共栅结构放大器及单独使用电流复用技术或单独使用交叉耦合技术设计的低噪声放大器。

Claims (1)

1.一种低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：设有第一、第二两个输入单元、第一、第二两个隔离单元以及负载单元，差分射频输入信号的正、负两端分别连接第一、第二两个输入单元的正输入端及负输入端，第一、第二两个输入单元的输出端分别连接第一、第二两个隔离单元且第一、第二两个输入单元的输出端之间对应互连，第一隔离单元的输出连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号；其中：

第一输入单元包括NMOS管M1、NMOS管M2、第一、第二两个电阻、第一、第二两个电容,NMOS管M1及NMOS管M2的栅极分别串联电阻第一电阻及第二电阻后均连接第一偏置电压,NMOS管M1的栅极串联第一电容后连接NMOS管M2的源极并与差分射频输入信号的负端连接，NMOS管M2的栅极串联第二电容后连接NMOS管M1的源极并与差分射频输入信号的正端连接，NMOS管M1的衬底连接NMOS管M2的源极，NMOS管M2的衬底连接NMOS管M1的源极；

第二输入单元包括PMOS管M3、PMOS管M4、第三、第四两个电阻、第三、第四两个电容，PMOS管M3及PMOS管M4的栅极分别串联电阻第三电阻及第四电阻后均连接第二偏置电压，PMOS管M3的栅极串联第三电容后连接PMOS管M4的源极并与差分射频输入信号的负端连接 ，PMOS管M4的栅极串联第四电容后连接PMOS管M3的源极并与差分射频输入信号的正端连接，PMOS管M3的衬底连接PMOS管M4的源极，PMOS管M4的衬底连接PMOS管M3的源极；

第一输入单元中NMOS管M1的漏极通过第五电容连接第二输入单元中PMOS管M3的漏极，第一输入单元中NMOS管M2的漏极通过第六电容连接第二输入单元中PMOS管M4的漏极；

第一隔离单元包括第五NMOS管M5及第六NMOS管M6，第五NMOS管M5及第六NMOS管M6的源极分别连接第一输入单元中NMOS管M1及NMOS管M2的漏极，第五NMOS管M5及第六NMOS管M6的栅极均连接电源电压VDD；

第二隔离单元包括第五、第六两个电阻，第五、第六电阻的一端分别连接第二输入单元中PMOS管M3及PMOS管M4的漏极，第五、第六电阻的另一端均接地；

负载单元包括第七、第八两个电阻，第七、第八电阻的一端分别连接第一隔离单元中NMOS管M5及NMOS管M6的漏极，第七、第八电阻的另一端均连接电源电压VDD，第八、第七电阻的一端分别通过第七电容及第八电容分别输出正、负差分射频输出信号。

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