CN102522951A

CN102522951A - 一种电流复用低噪放和混频器的融合结构

Info

Publication number: CN102522951A
Application number: CN2011104275419A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 吴建辉; 赵强; 田茜; 白春风; 王旭东; 温俊峰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University Wuxi branch
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102522951B

Abstract

本发明公开一种电流复用低噪放和混频器的融合结构，该结构的低噪放的输入管和下混频器跨导级复用静态偏置电流，使用电感电容并联网络来实现对来自低噪声放大器射频信号往混频器的隔离，使用电感电容网络和共栅极晶体管的高输出阻抗实现对来自混频器跨导级射频信号往低噪声放大器的隔离，对混频器中频信号往低噪声放大器方向的信号隔离是通过电流复用支路共栅极晶体管N5、N6的高输出阻抗和工作在饱和区的双平衡开关管的高输出阻抗一起实现的。低噪放和混频器复用电流大大提高了电流利用效率从而降低了功耗。同时由于本发明中的电流复用方式具有较高的信号隔离能力，在降低功耗的同时保证了电路的性能。

Description

一种电流复用低噪放和混频器的融合结构

技术领域

本发明涉及一种电流复用低噪放和混频器的融合结构，能显著降低射频接收机前端的功耗，同时利用电流复用完成了输出共模反馈；具有功耗低，模块间隔离度高、输出共模电平稳定的特点；适合用于低电压、低功耗射频接收机前端电路。

背景技术

进入21世纪，无线射频系统的发展极为迅速，其中WSN(无线传感网络)技术的崛起更是可以与互联网相媲美。WSN技术对射频收发机的低功耗提出了很高的要求。

对于现有的射频接收机，低噪放的输入管由于需要做阻抗匹配和实现高带宽，混频器的跨导级由于要实现高带宽和较高的转换增益，都需要较大的偏置电流，这样就限制了射频系统的总体功耗。而混频器为了降低输出闪烁噪声和提高转换增益，往往需要开关级和负载级偏置在较低的偏置电流下。因此理论上混频器的跨导级和低噪声放大器的输入级之间可以复用大电流。以往的低噪声放大器和混频器复用电流的电路，大多采用垂直层叠结构，对电源电压要求较高。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种融合低噪放与混频器偏置电流的一种电流复用低噪放和混频器的融合结构。其具有工作电压低、静态功耗小、输出共模稳定的特点。

技术方案：一种电流复用低噪放和混频器的融合结构，包括低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构，还包括跨导增强低噪放和混频差分输出共模电平稳定电路；所述低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构和跨导增强低噪放，通过低噪声放大器输入晶体管和混频器跨导级晶体管之间使用电感电容滤波网络和共栅极NMOS管(N型金属氧化物场效应管)串联，实现低噪声放大器与混频器跨导级偏置电流的共享，同时实现了两模块间信号的隔离；所述混频差分输出共模电平稳定电路，通过误差放大器A的输出连接到所述电流复用结构中的共栅管的栅极形成共模反馈环路，达到稳定混频器输出端共模电平的效果。

所述低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构包括第五电感、第六电感，第九电容、第十电容，第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五电感和第九电容并联，第五电感和第九电容并联结构一端接第一NMOS管的漏极，另一端接第五NMOS管的源极；所述第六电感和第十电容并联，此并联结构一端接第二NMOS管的漏极，另一端接第六NMOS管的源极；所述第五NMOS管的漏极接第一PMOS管(PMOS管，P型金属氧化物场效应管)的漏极，第六NMOS管的漏极接第二PMOS管的漏极；所述第五NMOS管和第六NMOS管的栅极互连，并接误差放大器A的输出端。

第一PMOS管、第二PMOS管的绝大部分偏置电流和低噪放输入第一NMOS管、第二NMOS管的偏置电流通过所述偏置结构实现共用。低噪放的输出信号通过第五电感和第九电容并联结构以及第六电感和第十电容并联结构实现了射频信号到混频器的隔离，同时也实现了混频器的射频信号对低噪声放大器的隔离。混频器内的中频信号，通过第五NMOS管和第六NMOS管漏极的高阻抗实现了对低噪放的隔离。

所述跨导增强低噪放(采用跨导增强结构输入管的差分输入低噪声放大器)包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和第八电容，第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一电感、第二电感、第三电感和第四电感；输入差分信号分别通过第一电容、第二电容做交流耦合输入；所述第一NMOS管源极分别接第一电容和第三电容的一端，第三电容另一端接第二NMOS管的栅极；第二NMOS管的源极分别接第二电容和第四电容的一端，第四电容的另一端接第一NMOS管的栅极；第三NMOS管的源极接第一NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接第二NMOS管的漏极，第三NMOS管和第四NMOS管的栅极互连并接偏置电压V_bias1；第三电感和第五电容并联，此并联结构一端接第三NMOS管的漏极，另一端接电源；第四电感和第六电容并联，此并联结构一端接第四NMOS管的漏极，另一端接电源；第七电容一端接第四NMOS管的漏极，另一端接第一PMOS管的栅极；第八电容一端接N型第三场效应管的漏极，另一端接第二PMOS管的栅极。

同向的输入信号通过电容耦合，同时加在第一NMOS管(或者第二NMOS管)的源极和第二NMOS管(或者第一NMOS管)的栅极，相当于小信号栅源电压较传统共栅结构增加了一倍，其等效效果相当于增大了输入管的跨导(以下简称gm)，形成了跨导增强结构，这样在单个输入管尺寸和偏置电流不变的情况下，增加了电路对输入信号的放大能力，在保证相同的输入阻抗基础上，减小了低噪放的偏置电流。

所述混频差分输出共模电平稳定电路包含第一电阻、第二电阻和误差放大器A；所述第一电阻一端接第七NMOS管的漏极，其另一端接第二电阻的一端；所述第二电阻的另一端接第十NMOS管的漏极；所述第一电阻和第二电阻的相连接端(公共端)接放大器A的正向输入端；所述放大器A的负向输入接参考共模电平；放大器A的输出接第五NMOS管和第六NMOS管的相连接端(公共端)。

上述共模电平稳定电路，通过第一电阻和第二电阻采集输出共模电平，通过放大器A的输出和本发明所述的低噪放输入管与混频电流源偏置电流的复用结构形成环路，达到稳定混频器输出端共模电平的效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的电流复用低噪放和混频器的融合结构中的低噪声放大器的输入级和混频器的跨导级分别采用的是NMOS管和PMOS管。结构上是并列的，从电源到地之间最多只有3个晶体管，因此可以工作在较低的电源电压下，提高了其应用价值，具有工作电压低，静态功耗小，输出共模稳定的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明利用低噪放与混频器之间的电流共享结构，实现了低噪放与混频器在相互隔离的前提下进行偏置电流共用的功能，显著降低了静态功耗。同时在输入端采用差分输入的跨导增强结构，在相同匹配条件和相同电压增益条件下，低噪声放大器放大管的功耗显著下降了。

具体实施例如图1所示：作为射频接收电路的前端，低噪声放大器的输入管第一NMOS管N1、第二NMOS管N2和混频器的跨导级第一PMOS管P1和第二PMOS管P2需要较大的偏置电流。本发明设计的低噪放输入管与混频电流源偏置电流的复用结构，包括第五电感L5、第六电感L6，第九电容C9、第十电容C10，第五NMOS管N5、第六NMOS管N6。第五电感L5与第九电容C9并联，此并联结构一端接第一NMOS管N1的漏极，其另一端接第五NMOS管N5的源极，第五NMOS管N5的漏极接第一PMOS管P1的漏极。第六电感L6与第十电容C10并联，此并联结构一端接第二NMOS管N2的漏极，其另一端接第六NMOS管N6的源极，第六NMOS管N6接第一PMOS管P1的漏极。第五NMOS管N5、第六NMOS管N6栅极相连，接放大器A的输出，放大器A为第五NMOS管N5、第六NMOS管N6提供偏置电压。电感电容并联网络(第五电感L5和第九电容C9并联，第六电感L6和第十电容C10并联)对于输入频段的射频信号开路，起到信号隔离的作用。

本实施例包括采用跨导增强结构输入管的差分输入低噪声放大器(以下简称跨导增强低噪放)，跨导增强低噪放包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8，第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4。

输入差分信号分别通过第一电容C1、第二电容C2做交流耦合输入；第一NMOS管N1源极接第一电容C1和第三电容C3的一端，第三电容C3另一端接第二NMOS管N2的栅极；第二NMOS管N2的源极接第二电容C2和第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接第一NMOS管N1的栅极；第三NMOS管N3的源极接第一NMOS管N1的漏极，第四NMOS管N4的源极接第二NMOS管N2的漏极，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的栅极互连并接偏置电压V_bias1；第三电感L3和第五电容C5并联，此并联结构一端接第三NMOS管N3的漏极，另一端接电源；第四电感L4和第六电容C6并联，此并联结构一端接第四NMOS管N4的漏极，另一端接电源；第七电容C7一端接第四NMOS管N4的漏极，另一端接第一PMOS管P1的栅极；第八电容C8一端接第三NMOS管N3的漏极，另一端接第二PMOS管P2的栅极。同向的输入信号通过电容耦合，同时加在第一NMOS管N1(或第二NMOS管N2)的源极和第二NMOS管N2(或第一NMOS管N1)的栅极，相当于小信号栅源电压较传统共栅结构增加了一倍，其等效效果相当于增大了输入管的跨导(以下简称gm)，形成了跨导增强结构，这样在单个输入管尺寸和偏置电流不变的情况下，增加了电路对输入信号的放大能力，在保证相同的输入阻抗基础上，减小了低噪放的偏置电流。

本实施例还包括混频器差分输出共模电平稳定电路。混频器差分输出共模电平稳点电路包含第一电阻R1、第二电阻R2和误差放大器A。第一电阻R1一端接第七NMOS管N7的漏极，其另一端接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接第十NMOS管N10的漏极；第一电阻R1和第二电阻R2的公共端接放大器A的正向输入端；放大器A的负向输入接参考共模电平；放大器A的输出接第五NMOS管N5和第六NMOS管N6的公共端。上述共模电平稳定电路，通过第一电阻R1和第二电阻R2采集输出共模电平，通过放大器A的输出和本发明所述的低噪放输入管与混频电流源偏置电流的复用结构形成环路，达到稳定混频器输出端共模电平的效果。

本发明通过cadence软件仿真，得到的结果显示，在1.2V的工作电压下，静态偏置电流为3.5mA左右，而同样的未采用所述电流复用结构低噪声放大器和下混频器的静态偏置电流为6mA。本发明静态功耗只有传统应用的58％，大大降低了射频接收机前端的功耗，而相比之下性能指标没有明显恶化。具有新型实用的特点。

Claims

1.一种电流复用低噪放和混频器的融合结构，其特征在于：包括低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构，还包括跨导增强低噪放和混频差分输出共模电平稳定电路；所述低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构和跨导增强低噪放，通过低噪声放大器输入晶体管和混频器跨导级晶体管之间使用电感电容滤波网络和共栅极NMOS管串联，实现低噪声放大器与混频器跨导级偏置电流的共享，同时实现了两模块间信号的隔离；所述混频差分输出共模电平稳定电路，通过误差放大器A的输出连接到所述电流复用结构中的共栅管的栅极形成共模反馈环路。

2.如权利要求1所述的电流复用低噪放和混频器的融合结构，其特征在于：所述低噪放输入管与混频器偏置电流的复用结构包括第五电感、第六电感，第九电容、第十电容，第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五电感和第九电容并联，第五电感和第九电容并联结构一端接第一NMOS管的漏极，另一端接第五NMOS管的源极；所述第六电感和第十电容并联，此并联结构一端接第二NMOS管的漏极，另一端接第六NMOS管的源极；所述第五NMOS管的漏极接第一PMOS管的漏极，第六NMOS管的漏极接第二PMOS管的漏极；所述第五NMOS管和第六NMOS管的栅极互连，并接误差放大器A的输出端。

3.如权利要求1所述的电流复用低噪放和混频器的融合结构，其特征在于：所述跨导增强低噪放(采用跨导增强结构输入管的差分输入低噪声放大器)包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和第八电容，第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一电感、第二电感、第三电感和第四电感；输入差分信号分别通过第一电容、第二电容做交流耦合输入；所述第一NMOS管源极分别接第一电容和第三电容的一端，第三电容另一端接第二NMOS管的栅极；第二NMOS管的源极分别接第二电容和第四电容的一端，第四电容的另一端接第一NMOS管的栅极；第三NMOS管的源极接第一NMOS管的漏极，第四NMOS管的源极接第二NMOS管的漏极，第三NMOS管和第四NMOS管的栅极互连并接偏置电压V_bias1；第三电感和第五电容并联，此并联结构一端接第三NMOS管的漏极，另一端接电源；第四电感和第六电容并联，此并联结构一端接第四NMOS管的漏极，另一端接电源；第七电容一端接第四NMOS管的漏极，另一端接第一PMOS管的栅极；第八电容一端接N型第三场效应管的漏极，另一端接第二PMOS管的栅极。

4.如权利要求1所述的电流复用低噪放和混频器的融合结构，其特征在于：所述混频差分输出共模电平稳定电路包含第一电阻、第二电阻和误差放大器A；所述第一电阻一端接第七NMOS管的漏极，其另一端接第二电阻的一端；所述第二电阻的另一端接第十NMOS管的漏极；所述第一电阻和第二电阻的相连接端接放大器A的正向输入端；所述放大器A的负向输入接参考共模电平；放大器A的输出接第五NMOS管和第六NMOS管的相连接端。