CN102969984A

CN102969984A - 一种电流复用噪声抵消低噪声放大器

Info

Publication number: CN102969984A
Application number: CN2012104517501A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 杨仲盼; 李红; 陈超; 白春风; 刘智林; 尹海峰; 徐哲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种电流复用噪声抵消低噪声放大器，该放大器包含共源级放大器、共栅级放大器、信号隔离和电流复用网络、以及片外接收网络；其中，共源级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管、第一电阻、第三电阻、第一电容和第六电容；共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管、第二电阻、第二电容和第五电容；信号隔离和电流复用网络包括由第一电感和第三电容构成的第一谐振网络，以及由第二电感和第四电容构成的第二谐振网络；片外接收网络包括第三电感、模拟天线的信号源和天线内阻。该结构的低噪声放大器具有噪声抵消的功能，同时对共栅级放大器和共源级放大器的静态偏置电流进行复用，具有低噪声系数和低功耗的功能。

Description

一种电流复用噪声抵消低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种放大器，具体来说，涉及一种电流复用噪声抵消低噪声放大器。

背景技术

在射频信号接收链路中，低噪声放大器是接收机的第一级有源电路，它本身具有很低的噪声系数并提供足够的增益。从整个接收链路考虑，低噪声放大器应具有较高的增益以抑制后级射频电路以及中频电路的噪声对整个接收链路噪声系数的影响。此外，低噪声放大器本身应具有较低的噪声系数以减轻混频器的设计压力。随着多载波技术和复杂调制技术越来越多地应用到无线通讯中，对接收机各项性能参数的要求也逐渐提高。由于MOS管（对应中文为：金属氧化物晶体管）截止频率的限制，很难对射频电路采用诸如运放反馈、跨导自举等改善性能的技术。这使得射频电路不能像中频电路那样可以灵活应用各种模拟电路设计方法进行优化及折中。低噪声放大器位于射频前端电路的第一级，根据系统的级联噪声系数的公式，低噪声放大器对整个射频电路的噪声系数的影响起到决定性的作用。综上所述，降低低噪声放大器的噪声系数是设计者不断追求的目标。

传统的低噪声放大器的结构大致可以分为共源级的低噪声放大器和共栅级的低噪声放大器。对于共源级低噪声放大器，信号从栅极输入。为了实现阻抗匹配，达到信号最优传输的目的，一般在源极接入一个源极退化电感，从栅极看进去的阻抗具有实数部分。对于共栅级放大器，信号从源极输入，源极看进去的等效阻抗如果与天线的内阻相等，即可实现阻抗匹配。然而，这两种传统的放大器都具有相对较高的噪声系数，现有的低噪声放大器致力于在输出端抵消一个或多个器件的噪声，达到噪声抵消的目的，在相同的增益下获得更低的噪声系数。

噪声抵消结构的低噪声放大器有很多种，一般的思路是使信号通过两个支路进行放大，在输出端得到差分或者单端的输出信号。对于同一个器件产生的噪声经过两个支路后仍然是相干的噪声电压信号。采用适当的电路控制增益及相位差，在放大射频信号的同时，抵消相应器件产生的噪声，这样就可以通过差分或单端抵消的方法达到噪声抵消的目的。也可以通过另一种方式理解，信号通过两个支路放大，与此同时，只有一个支路中器件的噪声或者附加另一个支路中的部分器件的噪声在输出端产生影响。这样的话，输出端的噪声电压保持在相同增益的单支路放大器的数值，而信号的增益比单支路放大器的增益高了6dB（放大一倍）。这样就达到了相对较低的噪声系数。

根据噪声系数的公式，提高低噪声放大器的增益对噪声系数的优化起到重要的作用。而高增益的一般是以直流电流或者功耗作为代价的，因此，这一折中导致两支路直流偏置电流的增加。在电阻负载的结构中，大偏置电流产生的压降附加在负载电阻上，因此是被浪费掉的。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种电流复用噪声抵消低噪声放大器，该低噪声放大器具有噪声抵消的功能，同时对共栅级放大器和共源级放大器的静态偏置电流进行复用，具有低噪声系数和低功耗的功能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的一种电流复用噪声抵消低噪声放大器，该放大器包含共源级放大器、共栅级放大器、信号隔离和电流复用网络、以及片外接收网络；其中，共源级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管、第一电阻、第三电阻、第一电容和第六电容；共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管、第二电阻、第二电容和第五电容；信号隔离和电流复用网络包括由第一电感和第三电容构成的第一谐振网络，以及由第二电感和第四电容构成的第二谐振网络；片外接收网络包括第三电感、模拟天线的信号源和天线内阻；

模拟天线的信号源和天线内阻设置在放大器的输入端，模拟天线的信号源的输出端和天线内阻的一端连接；第三电感的正端、第五电容的上极板、第六电容的上极板和天线内阻的另一端连接，第三电感的负端接地；第三电阻的正端、第一N型金属氧化物晶体管的栅极和第六电容的下极板连接，第三电阻的负端接偏置电压；第一N型金属氧化物晶体管的源极接地；第一N型金属氧化物晶体管的漏极与第一电容的上极板连接，作为输出信号的负端；第一电容的下极板与第一电阻的正端连接，第一电阻的负端接地；第一N型金属氧化物晶体管的漏极还分别与第一电感的正端和第三电容的上极板连接；第一电感的负端和第三电容的下极板分别与第二N型金属氧化物晶体管的源极连接；第一谐振网络使得通过第一N型金属氧化物晶体管和第二N型金属氧化物晶体管的直流电流置于同一支路之中；第二N型金属氧化物晶体管的源级为信号输入端，第二N型金属氧化物晶体管的栅极接电源电压，第二N型金属氧化物晶体管的漏极与第二电容的上极板连接，并且作为输出信号的正端；第二电容的下极板与第二电阻的上极板连接，第二电阻的下极板与电源电压连接；第二N型金属氧化物晶体管的漏极还分别与第二谐振网络中的第二电感的正端和第四电容的上极板连接，第二电感的负端和第四电容的下极板分别与电源电压连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.噪声系数低。本发明的低噪声放大器处于接收机系统的第一级，对系统噪声系数贡献起到关键的作用。本发明的噪声抵消低噪声放大器，具有噪声系数低的特点，对接收机整体的噪声系数起到显著的优化作用。本发明的低噪声放大器使第二N型金属氧化物晶体管的噪声在输出端产生的噪声电压大小相等，相位相同，即为一共模噪声电压，因此第二N型金属氧化物晶体管的噪声对差分输出的信号不会产生影响，对系统的噪声系数没有贡献。

2.电流利用效率高，功耗低。在整个接收机系统中，射频模块消耗大部分功耗，因此，实现电路的低功耗成为关键的技术性问题。本发明的低噪声放大器实现了高的电流利用率及低功耗。本发明的低噪声放大器将共栅级放大器与共源级放大器置于同一路直流偏置当中，即第一谐振网络使得通过第一N型金属氧化物晶体管和第二N型金属氧化物晶体管的直流电流置于同一支路之中，实现电流复用，提高电流利用率，节省功耗。同时，折叠式负载，即第一电阻和第二电阻，不消功率以及电压裕度，使电路实现低功耗。

附图说明

图1为本发明的电路图。

图2为本发明与传统低噪声放大器进行噪声系数比较的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种电流复用噪声抵消低噪声放大器，包含共源级放大器、共栅级放大器、信号隔离和电流复用网络、以及片外接收网络；其中，共源级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管N₁、第一电阻R₁、第三电阻R₃、第一电容C₁和第六电容C₆；共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管N₂、第二电阻R₂、第二电容C₂和第五电容C₅；信号隔离和电流复用网络包括由第一电感L₁和第三电容C₃构成的第一谐振网络，以及由第二电感L₂和第四电容C₄构成的第二谐振网络；片外接收网络包括第三电感L₃、模拟天线的信号源V_in和天线内阻R_S。

模拟天线的信号源V_in和天线内阻R_S设置在放大器的输入端，模拟天线的信号源V_in的输出端和天线内阻R_S的一端连接；第三电感L₃的正端、第五电容C₅的上极板、第六电容C₆的上极板和天线内阻R_S的另一端连接，第三电感L₃的负端接地；第三电阻R₃的正端、第一N型金属氧化物晶体管N₁的栅极和第六电容C₆的下极板连接，第三电阻R₃的负端接偏置电压V_b；第一N型金属氧化物晶体管N₁的源极接地；第一N型金属氧化物晶体管N₁的漏极与第一电容C₁的上极板连接，作为输出信号的负端V_O-；第一电容C₁的下极板与第一电阻R₁的正端连接，第一电阻R₁的负端接地；第一N型金属氧化物晶体管N₁的漏极还分别与第一电感L₁的正端和第三电容C₃的上极板连接；第一电感L₁的负端和第三电容C₃的下极板分别与第二N型金属氧化物晶体管N₂的源极连接；第一谐振网络使得通过第一N型金属氧化物晶体管N₁和第二N型金属氧化物晶体管N₂的直流电流置于同一支路之中；第二N型金属氧化物晶体管N₂的源级为信号输入端，第二N型金属氧化物晶体管N₂的栅极接电源电压，第二N型金属氧化物晶体管N₂的漏极与第二电容C₂的上极板连接，并且作为输出信号的正端V_O+；第二电容C₂的下极板与第二电阻R₂的上极板连接，第二电阻R₂的下极板与电源电压连接；第二N型金属氧化物晶体管N₂的漏极还分别与第二谐振网络中的第二电感L₂的正端和第四电容C₄的上极板连接，第二电感L₂的负端和第四电容C₄的下极板分别与电源电压连接。

上述电流复用噪声抵消低噪声放大器，抵消了共栅级放大器中的第二N型金属氧化物晶体管N₂在输出端的噪声，并且使共源级放大器和共栅级放大器共用同一支路电流。共栅级放大器中的第二N型金属氧化物晶体管N₂的噪声在差分输出端产生一个共模的噪声电压，因此对输出端的噪声没有贡献。本发明的信号隔离和电流复用网络包括由第一电感L₁和第三电容C₃构成的第一谐振网络，以及由第二电感L₂和第四电容C₄构成的第二谐振网络。第一谐振网络的作用是通直流阻交流。第二谐振网络的作用是通直流阻交流，并且为电路节省电压裕度。该隔离和电流复用网络结构实现了共栅级放大器和共源级放大器偏置电流的复用，节省了功耗。

在低噪声放大器的输入端设置模拟天线的信号源V_in以及天线内阻R_S。模拟天线的信号源V_in接收射频信号，然后信号通过第五电容C₅和第六电容C₆分别耦合到共栅级放大器的源极和共源级放大器的栅极。为了获得足够的增益，从信号的输出端接入由第一电感L₁和第三电容C₃组成的第一谐振网络的一端。共栅级放大器置于共源级放大器的上端，与共源级放大器共用同一支静态偏置电流。在射频信号的输入端，接入由第一电感L₁和第三电容C₃组成的第一谐振网络的另一端。该低噪声放大器包括两个射频信号隔离网络（即第一谐振网络和第二谐振网络）。第一谐振网络对输入输出的射频信号起到隔离的作用。第二谐振网络接在共栅级放大器的负载端，为其提供直流偏置电流的同时，提供一个较大的阻抗，使得共栅级放大器的输出阻抗由作为负载的第二电阻R₂决定。第三电感L₃用来抵消第一N型金属氧化物晶体管N₁和第二N型金属氧化物晶体管N₂寄生电容的影响。第三电阻R₃为共源级放大器的栅极提供偏置电压。输入的射频信号通过共源级放大器的第一N型金属氧化物晶体管N₁和共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂转化为射频电流。通过负载端第一电容C₁和第二电容C₂耦合至第一电阻R₁和第二电阻R₂，将射频电流转化为射频电压信号，并在输出端差分输出。第一N型金属氧化物晶体管N₁和第二N型金属氧化物晶体管N₂应选取相同的器件参数，第一电阻R₁和第二电阻R₂应保持相同的电阻值，从而使得共源放大器和共栅放大器的增益平衡，达到噪声最大程度的抵消。共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂产生的噪声电流流过第二电阻R₂，在V_O+端具有负的噪声电压。噪声电流流过R_S，在射频信号输出端产生正的噪声电压，经过共源级放大器放大之后在V_O-端将产生一个负的噪声电压，即V_O+和V_O-两端的噪声电压同相位。射频信号通过共栅级和共源级放大后差分输出信号V_O+和V_O-。若共源级放大器与共栅级放大器具有相同的增益，共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂在输出端产生的噪声电压完全呈共模的特性，起到完全消除的目的。

连接共栅级放大器和共源级放大器的第一谐振网络，为低噪声放大器的两级放大器（即共栅级放大器和共源级放大器）提供了同一个静态直流偏置电流，并且在小信号工作时，起到了射频隔离的作用。连接在共栅级放大器的负载端的第二谐振网络与前述的第一谐振网络的作用相同。第一谐振网络和第二谐振网络工作在谐振点时的阻抗非常大，一方面使得输入共栅级放大器的射频信号与共源级放大器的输出信号隔离，另一方面使得共源级放大器的负载阻抗主要由作为负载的第一电阻R₁决定，可以精确控制低噪声放大器的增益以及抵消共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂在输出端产生的噪声。连接在共栅级放大器负载端的第二谐振网络起到了通直流阻交流的作用，使得共栅级放大器的负载阻抗主要由作为负载的第二电阻R₂决定。由于第一谐振网络和第二谐振网络选取完全相同的参数，这就使得共源级放大器和共栅级放大器的负载端是对称的，对于这种差分式输出起到积极的影响。同时由于第一谐振网络和第二谐振网络的引入，为电路节省了电压裕度，为放大器低功耗的功能提供了可能。折叠式负载第一电阻R₁和第二电阻R₂在不消耗电压裕度的同时，保持电路原有的增益以及线性度。

该结构的低噪声放大器通过抵消共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂在输出端产生的噪声电压，降低了放大器的噪声系数；同时，将共源级放大器的第一N型金属氧化物晶体管N₁和共栅级放大器的第二N型金属氧化物晶体管N₂置于同一静态电流偏置支路中，实现电流复用，降低功耗。

本发明引入了折叠式的电阻负载（即第一电阻R₁和第二电阻R₂），保持原电路的线性度并且不消耗电压裕度。在电压裕度允许的情况下，如果共源级放大器和共栅级放大器共用一个直流偏置电流（静态偏置电流复用技术），电路将可以节省一半的功耗。随着通信时间的增长和移动设备的广泛应用，低功耗成为一个主要目标。功耗与性能在电路设计中往往是不可兼得的，因此降低功耗的主要途径便是提高电流利用效率。静态偏置电流复用技术有效地提升了电流的利用率，在不牺牲线性度的情况下，保持原有的低噪声系数，降低了功耗。本发明中，射频信号经过共源级和共栅级放大器放大的同时，噪声抵消结构抵消了共栅管在输出端产生的噪声，实现电路的低噪声系数。静态偏置电流复用的结构使共源级放大器和共栅级放大器共用同一支路的静态偏置电流。电流复用的同时，使用第一谐振网络隔离共源级和共栅级的射频信号。降低功耗的同时，保持原有的增益以及噪声系数。

该低噪声放大器抵消了共栅级第二NMOS管N₂在输出端产生的噪声。共栅级与共源级放大器具有相同的增益，对信号起到反相位的放大作用，与此同时NMOS管N₂对两个输出端的噪声电压的贡献等大同相，起到噪声抵消的作用；同时，将共源级和共栅级放大器置于同一直流支路中，实现了对共源级和共栅级偏置电流的复用，并且使用谐振网络对共源级和共栅级的射频信号进行隔离。低噪声放大器的负载电阻不消耗电压裕度。上述电流复用结构提高了电流利用率，降低了功耗。

下面通过仿真对比来说明本发明具有低噪声系数和低功耗的优点。

采用Virtuoso仿真软件进行低噪声放大器噪声系数的仿真对比。对比对象是本发明的放大器和传统的共源级低噪声放大器。

仿真对比结果如图2所示，横坐标表示输入射频信号的频率，单位Hz,纵坐标表示噪声系数，单位dB。从图2可以看出，本发明的低噪声放大器工作在1.6GHz附近时，噪声系数可达2.3dB。而传统的共源级低噪声放大器在此频率附近工作时的噪声系数约为4dB。本发明的低噪声放大器对噪声系数的优化接近1.7dB。该结构的偏置电流仅为传统的共源级低噪声放大器的一半。与具有相同增益的传统的共源级低噪声放大器相比，本发明具有更低的功率和噪声系数。

Claims

1.一种电流复用噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：该放大器包含共源级放大器、共栅级放大器、信号隔离和电流复用网络、以及片外接收网络；其中，共源级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管（N₁）、第一电阻（R₁）、第三电阻（R₃）、第一电容（C₁）和第六电容（C₆）；共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管（N₂）、第二电阻（R₂）、第二电容（C₂）和第五电容（C₅）；信号隔离和电流复用网络包括由第一电感（L₁）和第三电容（C₃）构成的第一谐振网络，以及由第二电感（L₂）和第四电容（C₄）构成的第二谐振网络；片外接收网络包括第三电感（L₃）、模拟天线的信号源（V_in）和天线内阻（R_S）；

模拟天线的信号源（V_in）和天线内阻（R_S）设置在放大器的输入端，模拟天线的信号源（V_in）的输出端和天线内阻（R_S）的一端连接；第三电感（L₃）的正端、第五电容（C₅）的上极板、第六电容（C₆）的上极板和天线内阻（R_S）的另一端连接，第三电感（L₃）的负端接地；第三电阻（R₃）的正端、第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的栅极和第六电容（C₆）的下极板连接，第三电阻（R₃）的负端接偏置电压（V_b）；第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的源极接地；第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的漏极与第一电容（C₁）的上极板连接，作为输出信号的负端（V_O-）；第一电容（C₁）的下极板与第一电阻（R₁）的正端连接，第一电阻（R₁）的负端接地；第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的漏极还分别与第一电感（L₁）的正端和第三电容（C₃）的上极板连接；第一电感（L₁）的负端和第三电容（C₃）的下极板分别与第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的源极连接；第一谐振网络使得通过第一N型金属氧化物晶体管（N₁）和第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的直流电流置于同一支路之中；第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的源级为信号输入端，第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的栅极接电源电压，第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的漏极与第二电容（C₂）的上极板连接，并且作为输出信号的正端（V_O+）；第二电容（C₂）的下极板与第二电阻（R₂）的上极板连接，第二电阻（R₂）的下极板与电源电压连接；第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的漏极还分别与第二谐振网络中的第二电感（L₂）的正端和第四电容（C₄）的上极板连接，第二电感（L₂）的负端和第四电容（C₄）的下极板分别与电源电压连接。