CN102754333A - 带有噪声消去的宽带lna - Google Patents

Abstract

描述了对带有噪声消去的低噪声放大器（LNA）进行改进的技术。LNA包括第一放大器（24）和第二放大器（26），这两者一起工作以对在输入级电路（22）处生成的噪声进行噪声消去。该输入级电路（22）接收RF信号并且由第一节点和第二节点表征。第一放大器（24）将该第一节点处的噪声电压转换成第一放大器（24）的输出（220）处的第一噪声电流。第二放大器（26）直接耦合到第一放大器的输出，并且通过对第一噪声电流与第二噪声电流求和来提供噪声消去，该第二噪声电流是由第二放大器根据第二节点处的噪声电压生成的。所提出的技术消除了对大ac耦合电容器的需要，并且减小了由LNA占用的管芯尺寸。消除LNA的放大级之间的ac耦合电容器允许电流重用，从而导致降低的电流消耗。

Description

带有噪声消去的宽带LNA

根据35U.S.C.§119的优先权要求

本专利申请要求于2010年2月11日提交且被转让给本发明受让人并藉此通过援引明确纳入于此的题为“Noise Cancelling Wideband LNA（噪声消去式宽带LNA）”的临时申请号61/303,589的优先权。

技术领域

本公开内容涉及电子设备，并且尤其涉及用于射频集成电路的宽带低噪声放大器领域。

背景

移动、无线、和/或手持便携式设备日益成为多功能通信设备。这些手持便携式设备为处理多种无线通信服务集成了越来越宽范围的功能。例如，单个手持便携式设备可包括FM接收机连同GPS、CDMA、Wi-Fi、WiMAX、CDMA2000和3G接收机。

FM接收机需要宽带低噪声放大器（LNA），因为它们工作在76MHZ至108MHZ。对于FM接收机灵敏度的规范要求包括具有足够增益和低于3dB的噪声系数（NF）的宽带LNA。可利用源极负反馈电感器来为LNA容易地达到此NF。

而且，通常需要源阻抗匹配来限制天线上的反射或者避免LNA之前的任何RF滤波器的特性变更。采用电感器的LNA达到了此类要求，但只在谐振周围的窄频带中。

电感器趋于占用显著的管芯面积。随着较新CMOS技术中该面积成本的增加，耗费面积的电感器增加了总体设备成本。FM接收机被认为是多功能通信设备中的辅助产品，并且它们必须占用非常小的管芯面积以便不影响总体设备成本。由此，对FM接收机使用电感器是受抑制的。

不得不考虑用于阻抗匹配的替换解决方案以实现LNA的输入处的功率匹配。不得不考虑用于阻抗匹配的替换解决方案以实现LNA的输入处的功率匹配。一种此类解决方案可包括将输入电阻性终止添加到LNA的共源增益级。一替换解决方案是使用共栅极作为LNA的输入级。又一解决方案是使用并联反馈共源极作为LNA的输入级。这些方法将提供良好的功率匹配但可能使NF大幅降格。大多数基于电阻性终止的LNA提供良好的功率匹配但使NF大幅降格。

为了使阻抗匹配与噪声系数无关，包括噪声消去的各种电路技术已经被提出。这些电路技术中的大多数是基于以下操作原理：RF信号出现在第一节点，同时该RF信号的副本——与该RF信号成比例——出现在第二节点。然而，因LNA的输入级引起的热噪声成分以相反极性出现在每个节点。因此，噪声消去可通过对RF信号及其副本求和来实现。

各种此类拓扑已经在文献中示出。但是，总还需要改进它们并且达到甚至更小的管芯尺寸和甚至更低的功耗，尤其是对于诸如FM接收机之类的辅助组件。

图1示出用于FM接收机的带有噪声消去的LNA的实现。

该LNA包括输入级电路12、第一放大器14和第二放大器16。输入级电路12包括以共栅极配置的耦合到负载电阻器R_L的MOS晶体管M₁。第一放大器14包括以共源极配置的一对互补MOS晶体管M_2p和M_2n，并且经过电容器C_3ac和C_4ac交流（ac）耦合到第二放大器。这些电容器中的每个电容器与电阻器R_1DG和R_2DG中的每个电阻器一起分别形成用于出现在第一放大器14的输出处的信号的高通滤波器。典型地，R_1DG等于R_2DG。第二放大器的输入处、更具体而言晶体管M3n和M3p的源节点处的阻抗是1/gm与R_1DG或R_2DG并联。晶体管M3n和M3p的跨导定义为gm。给定合理的晶体管尺寸和偏置电流，从第二级的输入看进去的阻抗可以适当地低于1K欧姆。在FM频带内（76MHz~108MHz），第一放大器的输出处的信号必须以最小损失通过高通滤波器，这规定该高通滤波器的高通角必须比FM频带的较低操作频率（76MHZ）低得多。由此，ac耦合电容器C_3ac和C_4ac必须相当大才能满足此要求。

使用大电容器是不期望的，不仅因为它们占用显著的管芯面积，还因为它们不允许共享或重用LNA的不同放大级之间的电流；由此，导致具有高电流消耗LNA的噪声消去解决方案。

期望设计一种既不需要大电感器也不需要大电容器、并且适合于低电流消耗的噪声消去式LNA。

附图简要描述

图1示出用于FM接收机的带有噪声消去的LNA的实现。

图2是带有噪声消去的LNA的示例性实施例的示意图。

图3是解说图2的LNA示例性实施例的噪声消去原理的简化示意图。

图4是带有噪声消去的LNA的另一实施例的示意图。

详细描述

措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为优于或胜过其他实施例。

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为本发明的示例性实施例的描述，而无意代表能在其中实践本发明的仅有实施例。本详细描述包括具体细节以提供对本发明的示例性实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明的示例性实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性实施例的新颖性。

本领域技术人员将理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何一种来表示。例如，贯穿上面描述始终可能被述及的数据、指令、命令、信息、信号、位、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或其任何组合来表示。

本公开内容针对带有噪声消去的改进型LNA的各种实施例。所公开的解决方案消除了对大ac耦合电容器的需要，由此减小了由LNA占用的管芯尺寸。而且，消除LNA的放大级之间的ac耦合电容器允许电流重用，由此导至低电流消耗。

根据本公开内容，LNA结合有输入级电路、第一放大器和第二放大器。输入级电路接收RF信号，并且被偏置成提供与源阻抗的匹配。第一放大器放大出现在LNA的输入处的第一电压。该第一电压具有因输入级器件的噪声引起的第一噪声电压分量。第一放大器将该第一噪声电压分量转换成第一噪声电流，并且将该第一噪声电流馈送至第二放大器。

第二放大器放大第二电压。该第二电压与第一电压成比例，并且具有第二噪声电压分量。该第二噪声电压分量与第一噪声电压成比例并且与其反相。第二放大器将第二噪声电压分量转换成第二噪声电流，并且将该第二噪声电流与第一噪声电流相加，使得该第一噪声电流和第二噪声电流在LNA的输出处彼此消去。

第一放大器被直接耦合（直流（dc）耦合）到第二放大器。因此，所公开的解决方案在与诸如图1中示出的解决方案之类的先前解决方案比较时在LNA中使用了更小的ac电容器。

图2是带有噪声消去的LNA的示例性实施例的示意图。LNA 20包括输入级电路22、第一放大器24和第二放大器26。输入级电路22包括以共栅极配置的耦合到负载电阻器222（R_L）的MOS晶体管202（M₁）。第一放大器24包括一对互补MOS晶体管250、252（M_PCS、M_NCS）以及电容器242和244。第二放大器26包括MOS晶体管260（M_NSF）和电容器262。MOS晶体管260是以源跟随器配置的。

MOS晶体管250和252的栅极分别经过电容器242和244耦合到该LNA的输入即节点200。该对互补MOS晶体管中的第一MOS晶体管250的源极耦合到正电源。该对的第一MOS晶体管250的漏极耦合到该对的第二MOS晶体管252的漏极并且耦合到MOS晶体管260的源极。该对的第二MOS晶体管252的源极耦合接地。

LNA 20进一步包括MOS晶体管266（M_PSF）和电阻器212（R_DG）。MOS晶体管266的栅极经过电容器264耦合到该LNA的输入端子，MOS晶体管266的源极耦合到正电源，并且MOS晶体管266的漏极耦合到该LNA的输出。MOS晶体管266被用作第三放大器以改进该LNA的总体增益。电阻器212具有耦合到MOS晶体管260的源极的一个端子和耦合接地的另一端子。电阻器212被用作MOS晶体管260的负反馈（degeneration）电阻器。

第一放大器24感测出现在节点200处的第一噪声电压。节点200是该LNA的输入。第一放大器在节点220处将第一噪声电压转换成第一噪声电流。节点220是第一放大器的输出。

第二放大器26感测出现在节点210处的第二噪声电压。节点210是输入级电路的输出。第二噪声电压与第一噪声电压成比例。第二放大器26将该第二噪声电压转换成出现在节点240处的第二噪声电流。节点240是第二放大器的输出并且也是该LNA的输出。

第二放大器26在该LNA的输出处对第一和第二噪声电流求和，以此方式使得该第一和第二噪声电流基本上彼此消去。因此，因输入级电路引起的噪声在该LNA的输出处基本上被消去。

第一放大器的跨导被设计为第二放大器的跨导的函数，从而设定第一噪声电流等于第二噪声电流并且与其符号相反。

第一放大器被直接耦合（dc耦合）到第二放大器。因此，该LNA在与诸如图1中示出的解决方案之类的先前解决方案比较时使用了更小的ac电容器。

该LNA的简化示意视图在图3中示出以进一步解说噪声消去机制。图3是解说图2的LNA示例性实施例的噪声消去原理的简化示意图。

NMOS晶体管M_2n表示用作图2中的第一放大器的该对互补MOS晶体管250和252的跨导gm2。NMOS晶体管M_3n表示用作图2中的第二放大器的晶体管260的跨导gm3。

噪声电流源270表示因包括在图2的输入级电路中的MOS晶体管220引起的噪声电流In。电阻器280具有等于r_ds的值，并且表示该对互补MOS晶体管250和252的总输出阻抗。

由电流源270建模的MOS晶体管220噪声电流流入节点200中但流出节点210。这造成两个反相的充分相关的噪声电压。在节点200处的第一噪声电压V1等于α*In*R_S，并且在节点210处的第二噪声电压V2等于-α*In*R_L。这两个电压分别由第一和第二放大器转换成电流。通过正当地选择跨导g_m2和g_m3，由MOS晶体管220贡献的噪声可在LNA的输出处被消去。在另一方面，在节点200和210处的信号电压是同相的，导致输出处的相长相加。完全噪声消去的条件是由下式导出的：

$\mathrm{\α}{I}_n\·R_S\·g_{m2n}\·\frac{r_{\mathrm{ds}}}{r_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{g_{m3}}}=\mathrm{\α}{I}_n\·R_L\·\frac{1}{r_{\mathrm{ds}}+\frac{1}{g_{m3}}}\→R_S\·g_{m2n}{r}_{\mathrm{ds}}=R_L$

假定负反馈因子β：

$\mathrm{\β}\≡\frac{g_{m3}{r}_{\mathrm{ds}}}{1+g_{m3}{r}_{\mathrm{ds}}}$

LNA的增益是

$A_v=g_{m1}\·R_L\·\frac{g_{m3}}{{1+g}_{m3}{r}_{\mathrm{ds}}}+g_{m2n}\·\frac{g_{m3}{r}_{\mathrm{ds}}}{1+g_{m3}{r}_{\mathrm{ds}}}\⇒2g_{m2n}\mathrm{\β}$

并且噪声因子是：

$\mathrm{NF}=1+\frac{[\frac{4{\mathrm{KTR}}_L}{R_{\mathrm{DG}}^2}+\frac{4\mathrm{KT}\·\mathrm{NEF}}{g_{m3}{R}_{\mathrm{DG}}^2}+\frac{4\mathrm{KT}}{R_{\mathrm{DG}}}+4\mathrm{KT}\·\mathrm{NEF}\·g_{m2n}]\·{\mathrm{\β}}^2}{4{\mathrm{KTR}}_S\·\frac{1}{4}\·{4\mathrm{\β}}^2\·g_{m2n}^2}$

$\⇒1+\frac{1}{\left(g_{m2}{R}_{\mathrm{DG}}\right)}+\frac{\mathrm{NEF}}{\left(g_{m2}{R}_S\right)\left(g_{m2}{R}_{\mathrm{DG}}\right)\left(g_{m3}{R}_{\mathrm{DG}}\right)}+\frac{1}{\left(g_{m2}{R}_S\right)\left(g_{m2}{R}_{\mathrm{DG}}\right)}+\frac{\mathrm{NEF}}{\left(g_{m2}{R}_S\right)}$

$\⇒1+\frac{\mathrm{NEF}}{\left(g_{m2}{R}_S\right)}=1+\frac{2\mathrm{\β}\·\mathrm{NEF}}{A_V{R}_S}$

负反馈因子β通常低于1，并且帮助提供功耗和噪声系数之间的设计权衡。

图4是带有噪声消去的LNA的另一实施例的示意图。

LNA 40包括输入级电路42、第一放大器44和第二放大器46。输入级电路40包括以共栅极配置的耦合到负载电阻器422（R_L）的MOS晶体管402（M₁）。第一放大器44包括第一对互补MOS晶体管450、452（M_PCS、M_NCS）以及电容器442和444。第二放大器46包括第二对MOS晶体管466、460（M_PSF、M_NSF）以及电容器462和464。

第一对互补MOS晶体管450、452（M_PCS、M_NCS）的栅极分别经过电容器442和444耦合到LNA的输入端子400。MOS晶体管450的源极耦合到正电源，并且MOS晶体管450的漏极耦合到MOS晶体管466的源极。MOS晶体管466的漏极耦合到MOS晶体管460的漏极，并且耦合到该LNA的输出。MOS晶体管460的源极耦合到MOS晶体管452的漏极。MOS晶体管452的源极耦合接地。

第二对互补MOS晶体管466、460（M_PCF、M_NCF）的栅极分别经过电容器462和464耦合到输入级电路42的输出。

第一放大器44感测出现在节点400处的第一噪声电压。节点400是该LNA的输入。第一放大器将第一噪声电压转换成第一噪声电流。该第一噪声电流是出现在节点420和424处的差分信号。节点420和424是第一放大器的输出。

第二放大器46感测出现在节点410处的第二噪声电压。节点410是输入级电路的输出。第二噪声电压与第一噪声电压成比例。第二放大器46将该第二噪声电压转换成出现在节点440处的第二噪声电流。节点440是第二放大器的输出并且也是该LNA的输出。

第二放大器46在该LNA的输出处对第一和第二噪声电流求和，以此方式使得该第一和第二噪声电流基本上彼此消去。因此，因输入级电路引起的噪声在LNA的输出处基本上被消去。

第一放大器的跨导被设计为第二放大器的跨导的函数，从而设定第一噪声电流等于第二噪声电流并且与其符号相反。

第一放大器被直接耦合（dc耦合）到第二放大器。因此，该LNA在与诸如图1中示出的解决方案之类的先前解决方案比较时使用了更小的ac电容器。

第一和第二放大器以一种方式组合使得它们共享电流，因为第一放大器的差分输出处的电流被直接馈送至第二对MOS晶体管的源极。电流共享导致在与LNA放大级之间使用ac耦合的传统实现比较时的低电流实现。

诸如图2和图4中示出的那些LNA之类的所公开LNA的示例性实施例在用于FM接收机时证明比先前解决方案减小了至少30%的管芯面积。

该LNA提供LNA的放大级之间的dc耦合，由此允许第一和第二放大器之间的电流重用，使得所提出的解决方案为低功率。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，以上已经根据其功能性一般性描述了各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和加诸于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实现所描述的功能性，但此类实现决策不应被解释为致使脱离本发明的示例性实施例的范围。

结合本文中公开的实施例描述的各种解说性逻辑框、模块、以及电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文中描述的功能的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或更多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例来描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中直接实施。软件模块可驻留在随机存取存储器（RAM）、闪存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦式可编程ROM（EEPROM）、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质。示例存储介质可被耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或更多个示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则诸功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。藉由示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来承载或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。另外，任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线（DSL）、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从网站、服务器、或其他远程源传送的，那么该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘（disk）和碟（disc）包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多用碟（DVD）、软盘和蓝光碟，其中盘（disk）往往以磁的方式再现数据，而碟（disc）用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供前面对所公开的示例性实施例的描述是为了使本领域任何技术人员皆能制作或使用本发明。对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他实施例而不会脱离本发明的精神或范围。由此，本发明并非旨在被限定于本文中示出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征一致的最广义的范围。

Claims (19)

1.一种低噪声放大器（LNA），包括：

输入级电路，用于接收RF信号并且具有第一节点和第二节点；

第一放大器，包括经过一对电容器分别耦合到所述第一节点的一对互补MOS晶体管，以将所述第一节点处的第一噪声电压转换成所述第一放大器的输出处的第一噪声电流；以及

第二放大器，包括MOS晶体管，其栅极经过电容器耦合到所述第二节点、其漏极耦合到所述LNA的输出端子并且其源极耦合到所述第一放大器的所述输出，所述第二放大器通过对所述第一噪声电流与第二噪声电流求和来提供噪声消去，所述第二噪声电流是由所述第二放大器根据所述第二节点处的噪声电压生成的。

2.如权利要求1所述的LNA，其特征在于，所述输入级电路将第二噪声电压设定成与所述第一噪声电压成比例。

3.如权利要求1所述的LNA，其特征在于，所述第一放大器的跨导是所述第二放大器的跨导的函数，以使得所述第一噪声电流等于所述第二噪声电流并且与所述第二噪声电流的符号相反。

4.如权利要求1所述的LNA，其特征在于，该对互补晶体管中的第一MOS晶体管的源极耦合到正电源，并且其中该对中的所述第一MOS晶体管的漏极耦合到该对中的第二MOS晶体管的漏极。

5.如权利要求4所述的LNA，其特征在于，该对中的所述第二MOS晶体管的源极耦合接地。

6.如权利要求1所述的LNA，其特征在于，进一步包括电阻器，该电阻器的一个端子耦合到所述第二放大器的所述MOS晶体管的源极并且另一端子耦合接地。

7.如权利要求4所述的LNA，其特征在于，进一步包括MOS晶体管，其栅极经过电容器耦合到所述LNA的输入端子，其源极耦合到所述正电源并且其漏极耦合到所述LNA的所述输出。

8.如权利要求5所述的LNA，其特征在于，所述输入级是以共栅极配置的耦合到负载电阻器的MOS晶体管。

9.一种低噪声放大器（LNA），包括：

输入级电路，用于接收RF信号并且具有第一节点和第二节点；

第一放大器，包括经过一对电容器分别耦合到所述第一节点的第一对互补MOS晶体管，以将所述第一节点处的噪声电压转换成所述第一放大器的输出节点处的第一噪声电流；以及

第二放大器，包括第二对MOS晶体管，所述第二对MOS晶体管的栅极经过一对电容器分别耦合到所述第二节点，所述第二放大器通过对所述第一噪声电流与第二噪声电流求和来提供噪声消去，所述第二噪声电流是由所述第二放大器根据所述第二节点处的噪声电压生成的。

10.如权利要求9所述的LNA，其特征在于，所述输入级电路将第二噪声电压设定成与所述第一噪声电压成比例。

11.如权利要求9所述的LNA，其特征在于，所述第一放大器的跨导是所述第二放大器的跨导的函数，以使得所述第一噪声电流等于所述第二噪声电流并且与所述第二噪声电流的符号相反。

12.如权利要求9所述的LNA，其特征在于，所述第一对中的第一MOS晶体管的源极耦合到正电源，并且其中所述第一对中的所述第一MOS晶体管的漏极耦合到所述第二对中的第一MOS晶体管的源极。

13.如权利要求12所述的LNA，其特征在于，所述第二对中的所述第一MOS晶体管的漏极耦合到所述第二对中的第二MOS晶体管的漏极并且耦合到所述LNA的输出。

14.如权利要求13所述的LNA，其特征在于，所述第二对中的所述第二MOS晶体管的源极耦合到所述第一对中的第二MOS晶体管的漏极。

15.如权利要求14所述的LNA，其特征在于，所述第一对中的所述第二MOS晶体管的源极耦合接地。

16.一种低噪声放大器（LNA），包括：

第一装置，用于放大作为RF信号的函数的第一电压信号，所述第一电压信号具有第一噪声电压分量；以及

第二装置，其dc耦合到所述第一装置，用于放大作为所述RF信号的函数的第二电压信号，所述第二电压信号具有与所述第一噪声电压分量成比例的第二噪声电压分量并且与所述第一噪声电压分量反相。

17.如权利要求16所述的LNA，其特征在于，所述第一装置还将所述第一噪声电压分量转换成第一噪声电流。

18.如权利要求17所述的LNA，其特征在于，所述第二装置还将所述第二噪声电压分量转换成第二噪声电流。

19.如权利要求18所述的LNA，其特征在于，所述第二装置对所述第一噪声电流和所述第二噪声电流求和，其中所述第一装置的增益与所述第二装置的增益成比例，以使得所述第一噪声电流和所述第二噪声电流基本上彼此消去。

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