CN102868377B - 一种基于可控有源电感的全3g cmos差分低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器可应用于WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth接收机的前端电路中。主要由输入阻抗匹配电路，带源极电感负反馈共源共栅放大电路和输出阻抗匹配电路组成。其中输入阻抗匹配电路由栅极电感、共源管的寄生电容和源极电感组成；放大电路使用源极电感负反馈和电容正反馈保证电路的高线性度、低噪声和高增益；输出阻抗匹配电路使用LC谐振网络并联电阻构成，实现输出阻抗匹配。电感使用有源电感，通过改变有源电感的偏置电流，可使低噪声放大器工作在不同频率下，实现WCDMA、CMDA2000、TD-SCDMA和Bluetooth的信号放大。

Description

一种基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一个低噪声放大器，具体涉及一个基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器。

背景技术

随着第三代移动通信技术(3rd-generation，3G)的出现和发展，3G通信已经走进我们的日常生活。目前在中国的无线通信领域主要有三种3G通信标准：中国联通使用的WCDMA通信标准，中国电信使用的CDMA2000通信标准，以及中国移动使用的TD-SCDMA通信标准。这三种标准在中国的下行频率分别是：WCDMA为2130-2145MHz，CDMA2000为2110-2125MHz，TD-SCDMA为2010-2025MHZ。随着全球同步漫游和一体化手机需求的增加，在一个手机终端上集成多个通信标准正成为一种必然趋势。当前的手机市场上已有很多集成了双标准的手机，如WCDMA+GSM，TD-SWCDMA+GSM，CDMA+CDMA2000或CDMA2000+GSM等；也有多模的手机出现，如WCDMA+GSM+CDMA2000+CDMA，但只是为了兼容第二代移动通信标准，并没有实现集成所有的3G通信标准。另外，蓝牙(Bluetooth)传输协议作为一种常见的无线通信技术，主要用于移动电话、无线耳机、笔记本电脑和相关外设之间进行无线信息交换，其工作频率为2.4GHz，作为一种非常有用的无线数据传输工具，将其集成在手机终端上是非常常见的，也是很必要的。

关于有源电感的研究已经有很多，与片上螺旋电感相比，其具有面积小、品质因子高、可控性好等特点。附图1给出了可控有源电感的电路图。通过改变有源电感的偏置电流可以改变其等效电感值，用于不同标准下的阻抗匹配。

为了解决现有技术中的不足，本发明主要基于3G通信标准和Bluetooth标准，提供一个能兼容WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth四种通信标准的基于可控有源电感CMOS差分低噪声放大器。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种可控、全3G、低功耗、小面积的CMOS差分低噪声放大器，该放大器基于CMOS工艺实现，具有噪声小、增益高、线性度好等优点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其包括输入阻抗匹配电路、放大电路和输出阻抗匹配电路；其特征在于：所述输入阻抗匹配电路用于接收来自天线的信号并实现WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth四个标准下的输入阻抗匹配；所述放大电路连接于所述输入阻抗匹配电路与所述输出阻抗匹配电路之间，用于放大所述输入 阻抗电路接收的信号；所述输出阻抗匹配电路连接于所述放大电路和输出端之间以匹配所述四个标准的输出阻抗，并输出最终的输出信号；

所述放大电路为带源极电感负反馈和电容正反馈的共源共栅结构，且在共栅管处并联了一个正反馈电容；所述放大电路包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第一电容Cf1、第二电容Cf2和第一电感Ls，其中第一电感Ls作为源极负反馈，第一电容Cf1和第二电容Cf2作为正反馈电容，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2为差分输入管，第三NMOS管M3、第四NMOS管M4为电流源负载；

所述输入阻抗匹配电路包括第二电感Lg1和第三电感Lg2，第二电感Lg1的一端用于差分信号的正端输入，另一端与M1的栅极相连；第三电感Lg2的一端用于差分信号的负端输入，另一端与第三NMOS管M3的栅极相连；

所述输出阻抗匹配电路包括第一电阻Rd1、第二电阻Rd2、第四电感Ld1、第五电感Ld2、第三电容Cout1和第四电容Cout2；

其中，第二NMOS管M2的栅极与第一偏置电压Vdc1相连，第二NMOS管M2的漏端与第一电容Cf1的另一端连接，并分出三个支路分别与第一电阻Rd1、第四电感Ld1和第三电容Cout1的一端相连，第一电阻Rd1、第四电感Ld1的另一端共同连接在电源Vdd上，第三电容Cout1的另一端与信号输出端的正端相连；第三NMOS管M3的漏极分别第四NMOS管M4的源极和第二电容Cf2的一端相连，第四NMOS管M4的栅极与第二偏置电压Vdc2相连，第四NMOS管M4的漏端与Cf2的另一端连接，并分出三个支路分别于第二电阻Rd2、第五电感Ld2和第四电容Cout2的一端相连，第二电阻Rd2和第五电感Ld2的另一端共同连接在电源Vdd上，第四电容Cout2的另一端与信号输出端的负端相连；所述输入阻抗匹配电路匹配所述四个标准的输入阻抗，当输入不同频率的信号时，通过改变有源电感的偏置电流来改变有源电感的等效电感值，以实现所述四个标准的输入阻抗匹配。

本发明还提供了：

所述电容为MOS电容。所述MOS电容为MOS管的MOS电容的栅极与连接在一起的源极、漏极、衬底形成，其电容值由MOS管的宽和长决定。所述电感为有源电感。所述有源电感采用MOS工艺实现。

附图说明

图1：现有技术中可控有源电感的电路图。

图2：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器。

图3：现有技术中可控有源电感品质因子Q的仿真结果。

图4：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的S11参数仿真 结果。

图5：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的S12参数仿真结果。

图6：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的S21参数仿真结果。

图7：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的S22参数仿真结果。

图8：本发明提供的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的噪声系数NF仿真结果。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施案例对本发明作进一步说明。

本发明设计的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，是一个兼容WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth四个无线通信标准的差分窄带低噪声放大器，根据各个标准工作频率的不同，通过控制有源电感的偏置电流，进而控制有源电感的等效电感值，再结合共源管的寄生电容，实现低噪声放大器在不同标准下的输入阻抗匹配，使其可工作在相应的无线通信标准下。此外，本发明设计的低噪声放大器采用可控的有源电感，使电路复用达到最大化，因此不仅具有低功耗、小面积、低成本等优点，而且具有低噪声、高增益、低输入反射系数和高线性度等优点。

本发明设计的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的电路原理如附图2所示，包含输入阻抗匹配电路、放大电路和输出阻抗匹配电路。

所述输入阻抗匹配电路包括第一有源电感Ls、第二有源电感Lg1、第三有源电感Lg2。输入阻抗匹配电路通过改变可控有源电感的偏置电流来改变有源电感的等效电感值，从而实现不同标准下的输入阻抗匹配。

所述放大电路为带源极电感负反馈共源共栅结构且在共栅管处并联了一个正反馈电容，包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第一电感Ls、第一电容Cf1和第二电容Cf2，其中Ls作为源极负反馈，Cf1和Cf1为正反馈电容，M1、M3为差分输入管，M2、M4为电流源负载，其中Ls实现源极负反馈，用以提高电路的线性度，降低电路噪声，Cf1和Cf2实现电路的正反馈，用以提升电路的增益。

所述输出阻抗匹配电路包括第一电阻Rd1、第二电阻Rd2、第四电感Ld1、第五电感Ld2、第三电容Cout1、第四电容Cout2，用以实现不同频率下的输出阻抗匹配。

电路的具体连接方式为：电感Lg1的一端用于差分信号的正端输入，另一端与M1的栅极相连，M1的漏极分别与M2的源极和Cf1的一端相连，M2的栅极与偏置电压Vdc1相连， M2的漏端与Cf1的另一端连接，又分出三个支路分别与Rd1、Ld1和Cout1的一端相连，Rd1和Ld1的另一端共同连接在Vdd上，Cout1的另一端与信号输出端的正端相连；电感Lg2的一端用于差分信号的负端输入，另一端与M3的栅极相连，M3的漏极分别M4的源极和Cf2的一端相连，M4的栅极与偏置电压Vdc2相连，M4的漏端与Cf2的另一端连接，又分出三个支路分别于Rd2、Ld2和Cout2的一端相连，Rd2和Ld2的另一端共同连接在Vdd上，Cout2的另一端与信号输出端的负端相连。

放大电路采用带源极电感负反馈的共源共栅结构且在共栅管处并联了一个正反馈电容，采用源极电感负反馈，可降低系统噪声，提高系统的线性度；采用电容正反馈，可提高放大器增益，且不增加系统的直流功耗。

输出阻抗匹配电路使用LC谐振网络与电阻并联，以减小电阻在高频下的寄生效应，实现宽频带匹配。

具体工作机制如下：

1、电感Lg1、电感Lg2及电感Ls是不同标准下的共用有源电感，在保证输入阻抗匹配的同时，通过共用电路元件达到减小电路面积的目的。其电感的等效电感值l_eq和等效电阻值r_eq分别为

$l_{\mathrm{eq}}=\frac{g_{m2}{g}_{m3}{c}_{\mathrm{gs}2}+{\mathrm{\ω}}^2{c}_{\mathrm{gs}2}^2{c}_{\mathrm{gs}3}({\mathrm{Rg}}_{\mathrm{ds}3}+1)}{g_{m2}^2{g}_{m3}{g}_{m1}+{\mathrm{\ω}}^2{g}_{m3}{g}_{m1}{c}_{\mathrm{gs}2}^2}---\left(1\right)$

$r_{\mathrm{eq}}=\frac{g_{m2}{g}_{\mathrm{ds}3}{g}_{\mathrm{ds}1}+{\mathrm{\ω}}^2(g_{m3}{c}_{\mathrm{gs}2}^2-g_{m2}{c}_{\mathrm{gs}2}{c}_{\mathrm{gs}3}({\mathrm{Rg}}_{\mathrm{ds}3}+1))}{g_{m2}^2{g}_{m3}{g}_{m1}+{\mathrm{\ω}}^2{g}_{m3}{g}_{m1}{c}_{\mathrm{gs}2}^2}---\left(2\right)$

其中，g_m1，g_m2和g_m3分别是晶体管M1，M2和M3的跨导；C_gs2和C_gs3是晶体管M2和M3的栅源电容；ω是工作频率；R为负反馈电阻；g_ds1为M1的源漏跨导。通过改变有源电感的偏置电流I₁和I₂，可改变各个晶体管的跨导，进而控制有源电感的等效电感值和品质因子。可控有源电感品质因子Q的仿真结果如附图3所示。

2、基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的输入阻抗是通过改变有源电感的偏置电流，进而改变有源电感的等效电感值实现的。该低噪声放大器的输入阻抗Z_ln为

$Z_m=s(L_s+L_{g\mathrm{1,2}})+\frac{1}{s{C}_{\mathrm{gs}}}+\frac{g_{m\mathrm{1,3}}}{C_{\mathrm{gs}}}{L}_s---\left(3\right)$

其中，g_m1，3表示晶体管M1和M3的跨导，s＝jω，j为虚数单位，ω为输入信号的频率，C_gs表示M1和M3的栅源电容。为保证在每个频段下输入阻抗都是50Ω，要求下列公式(2)和公式(3)成立：

$\mathrm{\ω}(L_{g\mathrm{1,2}}+L_s)=\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{gs}}}---\left(4\right)$

$Z_m=\frac{g_{m\mathrm{1,3}}}{C_{\mathrm{gs}}}{L}_s=50\mathrm{\Ω}---\left(5\right)$

3、附图2所示的低噪声放大器的输出阻抗匹配网络Z_out为

$Z_{\mathrm{out}}=\frac{1}{s{C}_{\mathrm{out}\mathrm{1,2}}}+\frac{s{R}_{d\mathrm{1,2}}{L}_{d\mathrm{1,2}}}{R_{d\mathrm{1,2}}+{\mathrm{sL}}_{d\mathrm{1,2}}}---\left(6\right)$

由于在相应的四个工作频率下sC_out1，2和sL_d1，2很大，则Z_out≈R_d1，2，因此可以消除R_d1.2电阻的寄生电容和寄生电阻效应，得到一个与频率无关的输出阻抗，实现四个频率下的输出阻抗匹配。

4、附图2所示低噪声放大器的线性度可用输入三阶节点IIP₃来表示，当晶体管M1、M2、M3和M4都工作在饱和区时，三阶节点IIP₃为

IIP₃≈V_gs1，3-V_th1，2                                            (7) 

其中，V_gs1，3是晶体管M1和M3的栅源电压，V_th1，3是晶体管M1和M3的阈值电压。

5、本发明设计的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器的S11、S12、S21、S22参数和噪声系数NF的仿真结果分别如附图4至附图8所示。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、实现了对WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth四个无线通信标准下的信号进行放大；

2、低噪声放大器中的电感由可控有源电感实现，使电路复用最大化，显著减小了芯片面积，简化了工艺，降低了成本；

3、低噪声放大器中，在M2和M4的源和漏之间引入正反馈电容，不仅提高了电路增益的，而且没有增加电路的直流功耗；由于引入的正反馈是在共栅管上，不会造成电路的不稳定；

4、低噪声放大器的输出阻抗匹配电路，通过LC谐振网络实现了输出阻抗的稳定。

随着无线通信标准日益增多和手机市场的蓬勃发展，开发全3G CMOS差分低噪声放大器是一种必然的发展趋势，因此，本发明提出的一种基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器具有很强的市场竞争力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其包括输入阻抗匹配电路、放大电路和输出阻抗匹配电路；其特征在于：所述输入阻抗匹配电路用于接收来自天线的信号并实现WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和Bluetooth四个标准下的输入阻抗匹配；所述放大电路连接于所述输入阻抗匹配电路与所述输出阻抗匹配电路之间，用于放大所述输入阻抗匹配电路接收的信号；所述输出阻抗匹配电路连接于所述放大电路和输出端之间以匹配所述四个标准的输出阻抗，并输出最终的输出信号；

所述放大电路为带源极电感负反馈和电容正反馈的共源共栅结构；所述放大电路包含第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第一电容Cf1、第二电容Cf2和第一电感Ls，其中第一电感Ls作为源极负反馈，第一电容Cf1和第二电容Cf2作为正反馈电容，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2为差分输入管，第三NMOS管M3、第四NMOS管M4为电流源负载；

所述输入阻抗匹配电路包括第二电感Lg1和第三电感Lg2，第二电感Lg1的一端用于差分信号的正端输入，另一端与第一NMOS管M1的栅极相连；第三电感Lg2的一端用于差分信号的负端输入，另一端与第三NMOS管M3的栅极相连；

所述输出阻抗匹配电路包括第一电阻Rd1、第二电阻Rd2、第四电感Ld1、第五电感Ld2、第三电容Cout1和第四电容Cout2；

所述第二NMOS管M2的栅极与第一偏置电压Vdc1相连，第二NMOS管M2的漏端与第一电容Cf1的一端连接，并分出三个支路分别与第一电阻Rd1、第四电感Ld1和第三电容Cout1的一端相连，第一电容Cf1的另一端与第一NMOS管的漏端相连，第一电阻Rd1、第四电感Ld1的另一端共同连接在电源Vdd上，第三电容Cout1的另一端与信号输出端的正端相连；第三NMOS管M3的漏极分别与第四NMOS管M4的源极和第二电容Cf2的一端相连，第四NMOS管M4的栅极与第二偏置电压Vdc2相连，第四NMOS管M4的漏端与Cf2的另一端连接，并分出三个支路分别与第二电阻Rd2、第五电感Ld2和第四电容Cout2的一端相连，第二电阻Rd2和第五电感Ld2的另一端共同连接在电源Vdd上，第四电容Cout2的另一端与信号输出端的负端相连；

所述输入阻抗匹配电路匹配所述四个标准的输入阻抗，当输入不同频率的信号时，通过改变有源电感的偏置电流来改变有源电感的等效电感值，以实现所述四个标准的输入阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其特征在于：所述第一电感Ls、第二电感Lg1、第三电感Lg2、第四电感Ld1和第五电感Ld2为可控的有源电感。

3.根据权利要求2所述的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其特征在于：所述有源电感为MOS工艺有源电感。

4.根据权利要求1所述的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其特征 在于：所述第一电容Cf1、第二电容Cf2、第三电容Cout1和第四电容Cout2为MOS电容。

5.根据权利要求4所述的基于可控有源电感的全3G CMOS差分低噪声放大器，其特征在于：所述MOS电容为MOS管的MOS电容的栅极与连接在一起的源极、漏极、衬底形成，其电容值由MOS管的宽和长决定。