CN103095223A - 射频低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了射频低噪声放大器。该射频低噪声放大器采用了电流复用的技术，使两组分别由NMOS和PMOS组成的差分对共享静态偏置电流，从而在维持晶体管同样的电压-电流转换能力的基础上节约了静态偏置电流，从而减小了功耗。

Description

射频低噪声放大器

技术领域

本发明涉及集成电路设计及信号处理领域，尤其涉及一种射频低噪声放大器。

背景技术

近年来，随着射频集成电路技术的进一步发展，无线通信产品已经从使用2.4/5.2-GHz蓝牙、局域网，无绳电话等向使用315/433/868/915MHz的物联网相关方面的应用延伸。例如，自动抄表、楼宇自动化、传感器网络、物流运输监控等。这些应用由于具有低成本，电池供电的特点，所以要求其核心射频芯片的设计必须将低成本和低功耗放在首位。而在射频接收机中，射频低噪声放大器(Radio Frequency Low Noise Amplifier，简称LNA)是整个系统的重要组成部分。它的作用是将通过天线接收到的微弱信号进行放大，同时尽可能少的将自身的噪声添加在放大后的信号上，以便后继模块的处理。由于LNA是除了天线最先处理射频信号的模块之一，其性能对接收机具有重大的影响，同时，为了达到较高的性能，LNA通常会消耗射频前端电路中相当一部分功耗。所以如何在低功耗条件下尽可能的保持LNA的性能对于物联网相关应用的低成本，低功耗射频前端的设计有重要意义。

图1为现有技术射频低噪声放大器的结构示意图。图1所示的交叉耦合-共栅LNA是近年来较为流行并广泛采用的结构。这种电路可以减轻设计在噪声系数和输入匹配之间的折衷，从而简化整个LNA电路的设计。但是，这种电路往往需要若干毫安级别的电流来达到输入匹配到50ohm，这在需要依靠电池工作6-10年的物联网应用的无线设备中是不可接受的。此外，这种电路需要在输入端接入两个对地的电感，用以减小信号电流向地流动，但是，在315/433/868/915MHz这样的频段，能够产生高阻抗的电感往往需要很大的感值，如果将大的电感集成在芯片上会耗费相当多的芯片面积，而且效果也不好，如果将电感放在片外以贴片电感的形式存在同样也会增加较多的成本。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中的射频低噪声放大器存在静态功耗大，需要大面积的片上电感，增加芯片面积等缺陷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种射频低噪声放大器。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种射频低噪声放大器。该射频低噪声放大器包括：差分共栅电路和差分交叉耦合共栅电路，其中：差分共栅电路为主放大器，包括：第一MOS管和第二MOS管，其中：第一MOS管为NMOS管，其源端连接射频信号输入正端；其漏端连接至射频信号输出正端，并通过第一电阻连接至电压源正端；其栅端通过第五电阻连接至偏置电压第1端；第二MOS管为NMOS管，其源端连接射频信号输入负端；其漏端连接至射频信号输出负端，并通过第二电阻连接至电压源正端；其栅端通过第六电阻连接至偏置电压第1端；差分交叉耦合共栅电路，为增加主放大器跨导的辅助放大器，包括：第三MOS管、第四MOS管、第一电容和第二电容，其中：第三MOS管为PMOS管，其源端连接至射频信号输入正端，其漏端通过第三电阻连接至电压源负端，其栅端通过第七电阻连接至偏置电压第2端，并通过第一电容连接至第四MOS管的源端；第四MOS管是PMOS管，其源端连接至射频信号输入负端，其漏端通过第四电阻连接至电压源负端，其栅端通过第八电阻连接至偏置电压第2端，并通过第二电容连接至第三MOS管的源端。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明射频低噪声放大器具有以下有益效果：

(1)采用了电流复用的技术，使两组分别由NMOS和PMOS组成的差分对共享静态偏置电流，从而在维持晶体管同样的电压-电流转换能力的基础上节约了静态偏置电流，从而减小了功耗；

(2)由于电路的结构是采用两组分别由NMOS和PMOS组成的差分对源级相连作为输入的形式，所以输入端不需要增加片内对地的交流隔离电感，节约了可观的芯片面积。

附图说明

图1为现有技术射频低噪声放大器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例射频低噪声放大器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明射频低噪声放大器采用共栅放大器和交叉耦合-共栅放大器相结合的方式，由PMOS和电阻组成的交叉耦合-共栅放大器将输入信号放大并反馈到由NMOS组成和电阻组成的共栅放大器NMOS管的栅端，从而有效提升NMOS管组成的共栅放大器的小信号跨导，达到增大增益和减小噪声的作用，同时NMOS和PMOS在电路中共享了直流偏置电流，使直流偏置电流的使用效率提高，从而显著的节约了功耗。

图2为根据本发明实施例射频低噪声放大器的结构示意图。如图2所示，该射频低噪声放大器包括：差分共栅电路和差分交叉耦合共栅电路。

差分共栅电路，作为主放大器，包括：第一MOS管M1和第二MOS管M2。其中，第一MOS管M1为NMOS管，其源端连接射频信号输入正端(V_i+)；其漏端连接至射频信号输出正端(V_o+)，并通过第一电阻RL1连接至电压源正端(V_dd)；其栅端通过第五电阻RB1连接至偏置电压第1端(V_bias1)。第二MOS管M2为NMOS管，其源端连接射频信号输入负端(V_i-)；其漏端连接至射频信号输出负端(V_o-)，并通过第二电阻RL2连接至电压源正端Vdd；其栅端通过第六电阻RB2连接至偏置电压第1端(V_bias1)。

差分交叉耦合共栅电路，作为增加主放大器跨导的辅助放大器，包括：第三MOS管M3、第四MOS管M4、第一电容CC1和第二电容CC2。其中，第三MOS管M3为PMOS管，其源端连接至射频信号输入正端(V_i+)，其漏端通过第三电阻RL3连接至电压源负端，其栅端通过第七电阻RB3连接至偏置电压第2端，并通过第一电容CC1连接至第四MOS管M4的源端。第四MOS管M4是PMOS管，其源端连接至射频信号输入负端(V_i-)，其漏端通过第四电阻RL4连接至电压源负端，其栅端通过第八电阻RB4连接至偏置电压第2端，并通过第二电容CC2连接至第三MOS管M3的源端。

本实施例射频低噪声放大器由于采用了电流复用的结构，使主放大器和辅助放大器共用一组直流偏置电流，从根本上减小了电路所需要的直流偏置电流；另外由于信号输入点位于主放大器和辅助放大器相连的源端，使该低噪声放大器不再需要用于隔离小信号的电感，从很大程度上节约了芯片的面积。

此外上述提到的元件取值分别为：第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三晶体管M3，第四晶体管M4的宽长比分别为6.4/0.18，6.4/0.18，12/0.18，12/0.18。第一电阻RL1，第二电阻RL2，第三电阻RL3，第四电阻RL4，第五电阻RB1，第六电阻RB2，第七电阻RB3，第八电阻RB4的电阻值分别为1200ohm，1200ohm，450ohm，450ohm，15000ohm，15000ohm，15000ohm，15000ohm。第一电容CC1，第二电容CC2，第三电容CC3，第四电容CC4的电容值均为1.3pF。偏置电压1输入端，偏置电压2输入端的输入电压分别为1.2V，0.2V。电压源电压为1.8V。

本实施例的低噪声放大器LNA工作时，正电压输入端V_dd和地线分别与电压源正端和地线连接，偏置电压V_bias1与偏置电压第1端连接，偏置电压V_bias2与偏置电压第2端连接，该放大器因得到电压源，偏置电压1和偏置电压2的供电而工作。差分射频输入信号由射频信号输入正端和射频信号输入负端之间输入。

电路可以从第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3和第四MOS管M4的源端分成上下两个部分，上半部分主体由第一MOS管M1，第二MOS管M2，第一电阻RL1和第二电阻RL2，这个结构和共栅放大器相类似，构成主放大器；下半部分主体由第三MOS管M3，第四MOS管M4，第三电阻RL3，第四电阻RL4，第一电容CC1和第二电容CC2所组成，这个结构和交叉耦合-共栅放大器相类似，构成辅助放大器。

首先分析低噪声放大器的电压增益。主放大器的增益可以分成两个部分，从第一MOS管M1和第二MOS管M2的源端输入的射频信号所引起的电压增益记为G₁，从第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅端输入的射频信号所引起的电压增益记为G₂。G₁就是以第一MOS管M1，第二MOS管M2，第一电阻RL1和第二电阻RL2所组成的共栅放大器所具有的增益，表达为：

G₁＝gm_MN×RL_1，2    (1)

G₂则可以表达为：

G₁＝A×gm_MN×RL_1，2    (2)

式(1)，式(2)中，gm_MN代表第一MOS管M1和第二MOS管M2的小信号跨导，RL_1，2代表第一电阻RL1和第二电阻RL2的电阻值。式(2)中的“A”代表由第三MOS管M3，第四MOS管M4，第三电阻RL3，第四电阻RL4，第一电容CC1和第二电容CC2所组成的辅助放大器的放大倍数，而该辅助放大器的放大倍数等于由第三MOS管M3，第四MOS管M4，第三电阻RL3，第四电阻RL4，第一电容CC1和第二电容CC2所组成的交叉耦合-共栅放大器的放大倍数，表达为：

A＝2×gm_MP×RL_3，4    (3)

式(3)中，gm_MP代表第三MOS管M3和第四MOS管M4的小信号跨导，RL_3，4代表第三电阻RL3和第四电阻RL4的电阻值。利用电路的叠加原则，主放大器的最终电压增益G₃可以表达为：

G₃＝gm_MN1，2(1+2gm_MP1，2RL_3，4)RL_1，2    (4)

式(4)表明主放大器的增益由辅助放大器增强了。

接下来讨论低噪声放大器的输入阻抗。低噪声放大器的阻抗也是由两部分组成。ZIN_MP代表从射频信号输入正端和射频信号输入负端看进第三MOS管M3和第四MOS管M4源端的阻抗；ZIN_MN代表从射频信号输入正端和射频信号输入负端看进第一MOS管M1和第二MOS管M2源端的阻抗；ZIN_MP可以表达为：

${\mathrm{ZIN}}_{\mathrm{MP}}=\frac{1}{{\mathrm{gm}}_{\mathrm{MP}}}---\left(5\right)$

而ZIN_MN由于辅助放大器的反馈作用，阻抗会减小，ZIN_MN可以表达为：

${\mathrm{ZIN}}_{\mathrm{MN}}=2\×\frac{1}{{\mathrm{gm}}_{\mathrm{MN}}(1+2{\mathrm{gm}}_{\mathrm{MP}}{\mathrm{RL}}_{\mathrm{3,4}})}---\left(6\right)$

综合式(5)和式(6)，从射频信号输入正端和射频信号输入负端看进去的总阻抗可以以导纳的形式表达为：

$\mathrm{GIN}={\mathrm{gm}}_{\mathrm{MP}}+\frac{{\mathrm{gm}}_{\mathrm{MN}}(1+2{\mathrm{gm}}_{\mathrm{MP}}{\mathrm{RL}}_{\mathrm{3,4}})}{2}---\left(7\right)$

式(7)中，GIN代表从射频信号输入正端和射频信号输入负端看进去的总导纳。

第五电阻RB1，第六电阻RB2，第七电阻RB3和第八电阻RB4分别是第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3和第四MOS管M4的直流偏置电阻，它们的作用在于给各个MOS管提供合适的偏置电压，同时阻止射频信号进入偏置电压源。第三电容CC3和第四电容CC4分别是第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅极耦合电容，它们的作用在于给第一MOS管M1和第二MOS管M2耦合由辅助发大器产生的反馈信号。

最后描述低噪声放大器的信号流向。从射频信号输入正端和射频信号输入负端输入的射频信号作用在第一MOS管M1和第二MOS管M2的源级，产生小信号电流，并由第一电阻RL1和第二电阻RL2转化为小信号电压；从射频信号输入正端和射频信号输入负端输入的射频信号还作用于第三MOS管M3和第四MOS管M4的源级，并交叉耦合到第三MOS管M3和第四MOS管M4栅极，产生小信号电流，并由第三电阻RL3和第四电阻RL4转化为小信号电压分别通过第三电容CC3和第四电容CC4作用于第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅级，产生额外的小信号电流，并由第一电阻RL1和第二电阻RL2转化为额外的小信号电压，与之前所描述的由射频信号输入正端和射频信号输入负端输入的射频信号作用在第一MOS管M1和第二MOS管M2的源级所产生小信号电压相叠加，合成最后输出的小信号电压。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3，第四MOS管M4是但不仅限于金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)，也可以是双极结型晶体管(BJT)。

(2)第一电阻RL1、第二电阻RL2、第三电阻RL3、第四电阻RL4是但不仅限于多晶硅电阻，同时也可以是其他类型的电阻或者电感。

(3)第五电阻RB1、第六电阻RB2、第七电阻(RB3、第八电阻RB4是多晶硅电阻，同时也可以是其他类型的电阻。

(4)第一电容CC1、第二电容CC2、第三电容CC3、第四电容CC4是金属-绝缘体-金属(MIM)电容或者多晶硅-绝缘体-多晶硅(PIP)电容或者金属-氧化物-金属(MOM)电容。

综上所述，本发明能通过改进的电路实现对无线射频信号在低噪声情况下进行放大，具有优良的性能。现以比较采用0.18um CMOS工艺制造的本发明的电流复用型宽带射频低噪声放大器与具有相同制造工艺的传统交叉耦合-共栅射频低噪声放大器的性能来进行说明，具体内容见下表。

表1：传统LNA和本发明LNA性能比较

由上表可以看出，在相同的制造工艺下，本发明的低噪声放大器和传统的交叉耦合-共栅射频低噪声放大器相比，在关键性能指标上相仿，但是对直流电流的改善尤为突出。另外和传统的交叉耦合-共栅射频低噪声放大器相比，本实施例的低噪声放大器没有电感，这对减小芯片的成本起到了重要作用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种射频低噪声放大器，其特征在于，包括：差分共栅电路和差分交叉耦合共栅电路，其中：

差分共栅电路为主放大器，包括：第一MOS管和第二MOS管，其中：第一MOS管为NMOS管，其源端连接射频信号输入正端；其漏端连接至射频信号输出正端，并通过第一电阻连接至电压源正端；其栅端通过第五电阻连接至偏置电压第1端；第二MOS管为NMOS管，其源端连接射频信号输入负端；其漏端连接至射频信号输出负端，并通过第二电阻连接至电压源正端；其栅端通过第六电阻连接至偏置电压第1端；

差分交叉耦合共栅电路，为增加主放大器跨导的辅助放大器，包括：第三MOS管、第四MOS管、第一电容和第二电容，其中：第三MOS管为PMOS管，其源端连接至射频信号输入正端，其漏端通过第三电阻连接至电压源负端，其栅端通过第七电阻连接至偏置电压第2端，并通过第一电容连接至第四MOS管的源端；第四MOS管是PMOS管，其源端连接至射频信号输入负端，其漏端通过第四电阻连接至电压源负端，其栅端通过第八电阻连接至偏置电压第2端，并通过第二电容连接至第三MOS管的源端。

2.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管为MOSFET型晶体管或BJT型晶体管。

3.根据权利要求2所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三晶体管和第四晶体管M4的宽长比分别为6.4/0.18，6.4/0.18，12/0.18，12/0.18。

4.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容为MIM电容、PIP电容或者MOM电容。

5.根据权利要求4所述的射频低噪声放大器，其特征在于，第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的电容值均为1.3pF。

6.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻为多晶硅电阻。

7.根据权利要求6所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻的电阻值分别为1200ohm、1200ohm、450ohm、450ohm、15000ohm、15000ohm、15000ohm、15000ohm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的射频低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电压第1端和第2端的输入电压分别为1.2V，0.2V，所述电压源电压为1.8V。

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