CN103346741B

CN103346741B - 一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器

Info

Publication number: CN103346741B
Application number: CN201310326221.3A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 杨仲盼; 薛晨辉; 陈超; 白春风; 刘智林; 尹海峰; 徐哲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University Wuxi Branch
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: CN103346741A

Abstract

本发明公开了一种双路噪声抵消电流复用低噪声放大器，包括共栅级放大器、带负反馈的共源级放大器、第二级共源级放大器和负载级源跟随器；其中，共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管、第二P型金属氧化物晶体管、第一电感、第二电感、第一电容、第三电容；带负反馈的共源级放大器包括第三N型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管、第三电阻、第四电阻、第四电容、第五电容；第二级共源级放大器包括第一P型金属氧化物晶体管、第二电阻、第六电容；负载级源跟随器包括第一N型金属氧化物晶体管、第二电容、第一电阻。该结构的低噪声放大器具有双路噪声抵消的功能，具有低噪声系数和低功耗的功能。

Description

一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种放大器，具体来说，涉及一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器。

背景技术

位于射频前端的低噪声放大器是接收机第一级的有源电路。低噪声放大器的作用在于抑制接收机系统的噪声系数。射频前端的模块对整个接收机系统的噪声系数起到决定性的作用，因此，低噪声放大器应具有很低的噪声系数并且提供足够的增益。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。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，对接收机中的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自由地应用各种模拟电路设计方法进行优化及折中。因此，新的结构的具有噪声系数优化设计的低噪声放大器成为设计者不断追求的目标。

目前，噪声抵消型低噪声放大器的结构可以分为共源级和共栅级结合的低噪声放大器和带反馈的低噪声放大器。共源级和共栅级结合的低噪声放大器具有两个支路，将共栅级晶体管产生的噪声电流分别通过两个支路传递到信号的输出端，实现噪声抵消的功能。然而这种低噪声放大器具有两个支路，往往具有较高的功耗。带反馈的低噪声放大器同样具有两个信号传递路径，它的目的在于抵消带反馈的共源级晶体管的热噪声。带反馈的共源级晶体管的热噪声电流分别经过两个支路传递到信号的输出端，实现噪声抵消的功能。然而这种低噪声放大器在消除带反馈的共源级晶体管的噪声的同时，往往会引入新的晶体管。新的晶体管消耗功耗的同时，对噪声系数产生消极的影响。

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。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。因此，为了达到更低的噪声系数，我们致力于寻找一种新的结构，这种结构可以使多个器件的噪声在信号输出端得到抵消或者抑制，这种低噪声放大器的噪声系数可以控制在很低的水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，该低噪声放大器具有双路噪声抵消的功能；对共栅级放大器和带负反馈的共源级放大器的静态偏置电流分别进行复用，具有低噪声系数和低功耗的功能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，包括共栅级放大器、带负反馈的共源级放大器、第二级共源级放大器和负载级源跟随器；包括共栅级放大器和带负反馈的共源级放大器，其特征在于：还包括第二级共源级放大器和负载级源跟随器；其中，共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管、第二P型金属氧化物晶体管、第一电感、第二电感、第一电容、第三电容；带负反馈的共源级放大器包括第三N型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管、第三电阻、第四电阻、第四电容、第五电容；第二级共源级放大器包括第一P型金属氧化物晶体管、第二电阻、第六电容；负载级源跟随器包括第一N型金属氧化物晶体管、第一电阻、第二电容；所述第一电容、第二电容和第三电容的上极板分别连接射频信号输入端；所述第一电容的下极板分别与第二电感的负端、第二P型金属氧化物晶体管的源极连接；所述第二电感的正端与电源连接；所述第二P型金属氧化物晶体管的栅极连接第三偏置电压；第二P型金属氧化物晶体管的漏极为信号输出端，其分别与第一P型金属氧化物晶体管的漏极、第二N型金属氧化物晶体管的漏极和第一N型金属氧化物晶体管的源极相连；所述第一N型金属氧化物晶体管的漏极与电源电压连接；第一N型金属氧化物晶体管的栅极分别与第二电容的下极板、第一电阻的正端连接，第一电阻的负端连接第一偏置电压；所述第二N型金属氧化物晶体管的栅极连接第二偏置电压；第二N型金属氧化物晶体管的源极分别与第一电感的正端、第三电容的下极板和第四电容的上极板连接；第一电感的负端接地；第四电容的下极板分别与第五电容的下极板、第三电阻的正端和第三N型金属氧化物晶体管的栅极连接；所述第三电阻的负端连接第四偏置电压；所述第三N型金属氧化物晶体管的源极接地；第三N型金属氧化物晶体管的漏极分别与第三P型金属氧化物晶体管的漏极、第四电阻₄）负端和第六电容的下极板连接；所述第三P型金属氧化物晶体管的源极连接电源；第三P型金属氧化物晶体管的栅极分别与第四电阻正端、第五电容的上极板连接；所述第六电容的上极板分别与第二电阻负端、第一P型金属氧化物晶体管的栅极连接；所述第一P型金属氧化物晶体管的源极与电源连接；所述第二电阻正端连接第五偏置电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.噪声系数低；本发明的双路噪声抵消型低噪声放大器，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使共栅级放大器中的第二N型金属氧化物晶体管和第二P型金属氧化物晶体管产生的噪声电流经过两个路径传递后，分别在输出端产生两个相位相反的噪声电压，并且进行叠加，因此起到噪声抵消的目的。与此同时，带反馈的共源级放大器中的第三N型金属氧化物晶体管和第三P型金属氧化物晶体管的噪声电流也经过两个路径传递，同样在输出端产生两个相位相反的噪声电压，并且进行叠加，因此也起到噪声抵消的目的。第二、第三N型金属氧化物晶体管和第二、第三P型金属氧化物晶体管对低噪声放大器噪声的贡献受到抑制，同时保持对增益的正常贡献。即低噪声放大器引入的系统噪声很低，因此，系统的具有很低的噪声系数。

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的共栅级由第二N型金属氧化物晶体管和第二P型金属氧化物晶体管够成推挽式放大器，同时将第一N型金属氧化物晶体管和第一P型金属氧化物晶体管的静态偏置电流注入第二N型金属氧化物晶体管，实现电流复用的功能。

附图说明

图1为本发明的电路图。

图2为本发明的低噪声放大器噪声系数仿真结果图。

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，本发明的一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，包括共栅级放大器、带负反馈的共源级放大器、第二级共源级放大器和负载级源跟随器；包括共栅级放大器和带负反馈的共源级放大器，其特征在于：还包括第二级共源级放大器和负载级源跟随器；其中，共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管N₂、第二P型金属氧化物晶体管P₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第三电容C₃；带负反馈的共源级放大器包括第三N型金属氧化物晶体管N₃、第三P型金属氧化物晶体管P₃、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第四电容C₄、第五电容C₅；第二级共源级放大器包括第一P型金属氧化物晶体管P₁、第二电阻R₂、第六电容C₆；负载级源跟随器包括第一N型金属氧化物晶体管N₁、第一电阻R₁、第二电容C₂；

所述第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃的上极板分别连接射频信号输入端V_in；所述第一电容C₁的下极板分别与第二电感L₂的负端、第二P型金属氧化物晶体管P₂的源极连接；所述第二电感L₂的正端与电源连接；所述第二P型金属氧化物晶体管P₂的栅极连接第三偏置电压V_b3；第二P型金属氧化物晶体管P₂的漏极为信号输出端V_out，其分别与第一P型金属氧化物晶体管P₁的漏极、第二N型金属氧化物晶体管N₂的漏极和第一N型金属氧化物晶体管N₁的源极相连；所述第一N型金属氧化物晶体管N₁的漏极与电源电压连接；第一N型金属氧化物晶体管N₁的栅极分别与第二电容C₂的下极板、第一电阻R₁的正端连接，第一电阻R₁的负端连接第一偏置电压V_b1；所述第二N型金属氧化物晶体管N₂的栅极连接第二偏置电压V_b2；第二N型金属氧化物晶体管N₂的源极分别与第一电感L₁的正端、第三电容C₃的下极板和第四电容C₄的上极板连接；第一电感L₁的负端接地；第四电容C₄的下极板分别与第五电容C₅的下极板、第三电阻R₃的正端和第三N型金属氧化物晶体管N₃的栅极连接；所述第三电阻R₃的负端连接第四偏置电压V_b4；所述第三N型金属氧化物晶体管N₃的源极接地；第三N型金属氧化物晶体管N₃的漏极分别与第三P型金属氧化物晶体管P₃的漏极、第四电阻R₄负端和第六电容C₆的下极板连接；所述第三P型金属氧化物晶体管P₃的源极连接电源；第三P型金属氧化物晶体管P₃的栅极分别与第四电阻R₄正端、第五电容C₅的上极板连接；所述第六电容C₆的上极板分别与第二电阻R₂负端、第一P型金属氧化物晶体管P₁的栅极连接；所述第一P型金属氧化物晶体管P₁的源极与电源连接；所述第二电阻R₂正端连接第五偏置电压V_b5。

上述双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，在最大程度上抵消共栅级提供跨导的两个晶体管第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂和带负反馈的共源级提供跨导的两个晶体管第三N型、P型金属氧化物晶体管N₃、P₃分别在输出端产生的噪声电压。共栅级提供跨导的两个晶体管第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂产生的热噪声电流从这两个晶体管的漏极流入，源极流出。第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂的热噪声电流通过两个路径被放大。其中的一条路径是这两个晶体管漏极的噪声电流在作为负载级的第一N型金属氧化物晶体管N₁的源极形成负的噪声电压；另一条路径是这两个晶体管漏极的噪声电流从他们的源极流出，流入信号源内阻和带负反馈的共源级的等效输入阻抗，在信号输入端形成正的噪声电压，再经过带负反馈的共源级和第二共源级两次反向放大后，与第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂的热噪声电流通过第一条路径在输出端产生的噪声电压叠加。这另一个路径产生的噪声电压在输出端是反向的，因此起到了噪声抵消的功能。带负反馈的共源级提供跨导的两个晶体管第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂产生的热噪声电流流经第四电阻R₄、信号源与共栅级并联的等效阻抗。因此，在信号输入端与带反馈的共源级的输出端产生同相位的噪声电压。第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂的热噪声也是通过两个路径叠加在信号的输出端，达到噪声抵消的目的。第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂在信号输出端产生的噪声电压经共源级同向放大后，以噪声电压的形式出现在输出端，同时，第二N型、P型金属氧化物晶体管N₂、P₂在带反馈的共源级的输出端产生的噪声电压经第二级共源级放大器反向放大后，在低噪声放大器输出端与经过共栅级同向放大的噪声电压叠加，达到噪声抵消的目的。因此，上述的两个路径实现了双路的噪声抵消的功能。

在低噪声放大器的输入端V_in，信号通过第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃分别耦合到第二P型金属氧化物晶体管P₂的源极、第一N型金属氧化物晶体管N₁的栅极和第二N型金属氧化物晶体管N₂的源极。位于信号输入端的第一电感L₁和第二电感L₂用来谐振信号输入端的寄生电容，使得射频信号源阻抗与低噪声放大器的输入阻抗匹配。输入端的射频信号经过两个路径放大后，在信号输出端V_out叠加成单路的射频信号。第一个路径是射频信号直接通过共栅级放大器同向放大；第二个路径是射频信号依次被带反馈的共源级放大器和第二级共源级放大器反向放大，射频信号经过两次反向放大后，与第一个路径在输出端输出的射频信号相位相同。因此，这两个路径对低噪声放大器的增益产生了积极的影响。在上一段中，分析得到两个路径实现了噪声抵消的功能，因此，系统引入的噪声被控制在很低的水平，实现低噪声系数的功能。

为了节省低噪声放大器的功耗，本发明的低噪声放大器将第二N型金属氧化物晶体管N₂和共栅级的第二P型金属氧化物晶体管P₂共用同一偏置电流，同时将第一N型金属氧化物晶体管和第一P型金属氧化物晶体管的静态偏置电流注入第二N型金属氧化物晶体管，实现电流复用的功能。

本发明引入了负载级源跟随器（即第一N型金属氧化物晶体管N₁）对本发明的低噪声放大器的增益以及噪声系数同时起到优化作用。输入端的射频信号经负载级源跟随器同相位传递至信号输出端，与经过另外两个路径同向放大的输入信号在输出端叠加，具有更高的增益。不论第一N型金属氧化物晶体管N₁作为负载级源跟随器还是只作负载使用，第一N型金属氧化物晶体管N₁在输出端产生的噪声电压始终固定，第一N型金属氧化物晶体管N₁作为负载级源跟随器可以提供更高的增益，因此，对系统的噪声系数产生积极的影响。

下面通过仿真结果来说明本发明具有低噪声系数和低功耗的优点。

采用Cadence^?Virtuoso仿真软件进行低噪声放大器噪声系数的仿真。

仿真结果如图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1.3GHz附近时，噪声系数可达1.8dB。该结构的偏置电流仅为1mA。本发明具有低噪声系数和低功耗的特点。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，其特征在于：包括共栅级放大器、带负反馈的共源级放大器、第二级共源级放大器和负载级源跟随器；其中，共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管（N₂）、第二P型金属氧化物晶体管（P₂）、第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一电容（C₁）、第三电容（C₃）；带负反馈的共源级放大器包括第三N型金属氧化物晶体管（N₃）、第三P型金属氧化物晶体管（P₃）、第三电阻（R₃）、第四电阻（R₄）、第四电容（C₄）、第五电容（C₅）；第二级共源级放大器包括第一P型金属氧化物晶体管（P₁）、第二电阻（R₂）、第六电容（C₆）；负载级源跟随器包括第一N型金属氧化物晶体管（N₁）、第一电阻（R₁）、第二电容（C₂）；

所述第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第三电容（C₃）的上极板分别连接射频信号输入端（V_in）；所述第一电容（C₁）的下极板分别与第二电感（L₂）的负端、第二P型金属氧化物晶体管（P₂）的源极连接；所述第二电感（L₂）的正端与电源连接；所述第二P型金属氧化物晶体管（P₂）的栅极连接第三偏置电压（V_b3）；第二P型金属氧化物晶体管（P₂）的漏极为信号输出端（V_out），其分别与第一P型金属氧化物晶体管（P₁）的漏极、第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的漏极和第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的源极相连；所述第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的漏极与电源电压连接；第一N型金属氧化物晶体管（N₁）的栅极分别与第二电容（C₂）的下极板、第一电阻（R₁）的正端连接，第一电阻（R₁）的负端连接第一偏置电压（V_b1）；所述第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的栅极连接第二偏置电压（V_b2）；第二N型金属氧化物晶体管（N₂）的源极分别与第一电感（L₁）的正端、第三电容（C₃）的下极板和第四电容（C₄）的上极板连接；第一电感（L₁）的负端接地；第四电容（C₄）的下极板分别与第五电容（C₅）的下极板、第三电阻（R₃）的正端和第三N型金属氧化物晶体管（N₃）的栅极连接；所述第三电阻（R₃）的负端连接第四偏置电压（V_b4）；所述第三N型金属氧化物晶体管（N₃）的源极接地；第三N型金属氧化物晶体管（N₃）的漏极分别与第三P型金属氧化物晶体管（P₃）的漏极、第四电阻（R₄）负端和第六电容（C₆）的下极板连接；所述第三P型金属氧化物晶体管（P₃）的源极连接电源；第三P型金属氧化物晶体管（P₃）的栅极分别与第四电阻（R₄）正端、第五电容（C₅）的上极板连接；所述第六电容（C₆）的上极板分别与第二电阻（R₂）负端、第一P型金属氧化物晶体管（P₁）的栅极连接；所述第一P型金属氧化物晶体管（P₁）的源极与电源连接；所述的第二电阻（R₂）正端连接第五偏置电压（V_b5）。