CN103401508A

CN103401508A - 一种低噪声放大器和混频器融合结构

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Publication number: CN103401508A
Application number: CN2013103615060A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 刘杰; 陈超; 李红; 黄成�
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: CN103401508B

Abstract

本发明涉及一种低噪声放大器和混频器融合结构，包含低噪声跨导放大级、开关混频级、电阻负载级。其中，低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消技术，主跨导管采用交叉耦合结构使等效跨导值增加一倍，从跨导管提供合适的跨导值，通过主从结构抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，既提供增益又降低流过开关管直流电流，减小其闪烁噪声。开关混频级对低噪声跨导放大级输出的射频电流进行调制，输出中频电流，其两组开关管源极之间接电感以降低其闪烁噪声并提高转换增益。电阻负载级采用RC低通滤波网络，将中频电流转换成中频电压信号输出。本低噪声放大器和混频器融合结构具有低噪声、高增益、低功耗的特点。

Description

一种低噪声放大器和混频器融合结构

技术领域

本发明涉及变频接收机，尤其涉及一种低噪声放大器和混频器融合结构。

背景技术

在直接变频接收机中，低噪声放大器和混频器作为接收机的前端电路，其性能对整个接收机具有极重要的影响。根据系统的级联噪声系数的公式，由低噪声放大器和混频器组成的前端电路应具有较低的噪声系数和较高的增益以抑制后级电路的噪声对整个接收链路噪声系数的影响。然而降低低噪声放大器的噪声系数通常是以更高的功耗为代价的，这对家庭自动化、消费性电子产品等电池供电设备是一个巨大的挑战。因此研究低噪声、高增益、低功耗的射频接收前端具有重要的意义，越来越多的设计者关注低噪声放大器和混频器融合结构。

传统的混频器结构分为有源混频器和无源混频器。无源混频器中没有静态电流流过开关混频级，这使其闪烁噪声大大减小，且无源混频器的线性度通常会高于有源混频器，从而使得无源混频器受到许多设计者的青睐。但是典型无源混频器的跨阻放大级由带有电阻负反馈的运算放大器组成，由于跨阻放大级要提供基带低阻抗输入节点，这使得运算放大器需要工作在较大的偏置电流之下以提供足够高的基带增益，增加了混频器的功耗。相比之下，采用电流转换的有源混频器可以使用同一偏置电流完成以上任务，并且工作可靠，端口隔离度好，尽管这样会引入较高的闪烁噪声。

传统吉尔伯特混频器的噪声主要来源于混频开关级的闪烁噪声和射频跨导级的热噪声。为了降低混频开关级的闪烁噪声，通常的做法是采用放血电路，通过恒流源为跨导级提供大部分的偏置电流，从而降低流过开关管的直流电流，进而降低混频开关级的闪烁噪声。但这样做的后果是在开关混频级的源端引入较大的寄生电容，同时恒流源本身不提供增益却引入噪声。为了在降低混频开关级的闪烁噪声的同时尽量减少寄生电容的引入并提供较高的增益，可以将恒流源改为跨导级，即将电流源管改为射频跨导管，提供更大的跨导。另外，为了进一步提高有源混频器的噪声性能，需要在射频跨导级采用噪声抵消技术以降低射频跨导级的噪声系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低噪声放大器和混频器融合结构，具有低噪声、高增益、低功耗的特点，能够直接作为射频接收机前端工作。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种低噪声放大器和混频器融合结构，包含低噪声跨导放大级、开关混频级、电阻负载级。本发明的低噪声放大器和混频器融合结构的原理图如图1所示，详细工作原理解释如下：

其中，低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消技术，其主跨导管为第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2），设其跨导分别为g_m1和g_m2，从跨导管为第三NMOS管（M3）、第四NMOS管（M4），设其跨导分别为g_m3和g_m4。主跨导管采用交叉耦合结构，其栅极和源极的射频信号幅度相等、相位相反，使得主跨导管的等效跨导值分别为2g_m1和2g_m2，提高了跨导放大级的跨导值。第一部分整体采用主从噪声抵消技术，主跨导管第一NMOS管（M1）的噪声在第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2）、第三NMOS管（M3）和第四NMOS管（M4）所在支路产生的噪声电流分别为i_n1、i_n2、i_n3和i_n4。因为噪声电流i_n1与i_n2、i_n3和i_n4都源自第一NMOS管（M1）的噪声，所以四者相干。通过选择合适的g_m3和g_m4值，可以使得i_n1+i_n3＝i_n2+i_n4,由于电路结构为差分结构，则在输出端第一NMOS管（M1）的噪声被抵消。同理可得，第二NMOS管（M2）的噪声在输出端也被抵消。

低噪声跨导放大级的第二部分采用共源级结构，跨导管为第十三PMOS管（M13）、第十四NMOS管（M14），设其跨导分别为g_m13和g_m14，一方面，其作为跨导管，为跨导放大级提供跨导g_m13和g_m14;另一方面，其为第一部分的跨导管提供大部分的偏置电流，降低了流过开关管的直流电流，进而减小开关混频级的闪烁噪声，降低电路噪声系数。总之，低噪声跨导放大级的总跨导为2g_m1，2+g_m3，4+g_m13，14。

开关混频级对低噪声跨导放大级输出的射频电流进行调制，输出的中频电流。其中开关混频级的两组开关管第九、第十NMOS管（M9、M10）的源极和第十一、第十二NMOS管（M11、M12）的源极之间接电感L，其在混频器工作频率上与该节点的寄生电容谐振，一方面降低在本振信号交叠时由开关管等效输入噪声对该节点的寄生电容充放电引入的输出闪烁噪声，优化电路噪声性能；另一方面减小寄生电容对射频电流的泄露，从而提高混频器的增益。

电阻负载级采用RC低通网络，对开关混频级输出的中频电流进行滤波并转换成中频电压信号输出。

有益效果：本发明的低噪声放大器和混频器融合结构整体上采用有源混频结构，降低电路功耗。

其中，采用低噪声跨导放大级作为输入级，低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消技术，其主跨导管为共栅共源管，在栅极和源极输入的信号幅度相等相位相反，使共栅共源管的等效跨导值在不恶化噪声性能的情况下增加一倍，其从跨导管为共源管，通过选择合适的从跨导管跨导值可以抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，既提供增益又降低流过开关管直流电流，减小开关管的闪烁噪声。

采用源极之间接电感的开关对作为开关混频级，电感L在混频器工作频率上与该节点的寄生电容谐振，降低在本振信号交叠时由开关管等效输入噪声对该节点的寄生电容充放电引入的输出闪烁噪声，并减小寄生电容对射频电流的泄露，从而提高混频器的增益。

本低噪声放大器和混频器融合结构具有低噪声、高增益、低功耗的特点。

附图说明

图1为本发明的一种低噪声放大器和混频器融合结构原理图；

图2为本发明的一种低噪声放大器和混频器融合结构中低噪声跨导放大级第一部分的噪声抵消原理示意图；

图3为本发明的一种低噪声放大器和混频器融合结构的转换增益仿真结果图；

图4为本发明的一种低噪声放大器和混频器融合结构与传统的共源级跨导级有源混频结构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做进一步说明。

该低噪声放大器和混频器融合结构包括低噪声跨导放大级、开关混频级、电阻负载级。射频输入信号接入低噪声跨导放大级，由低噪声跨导放大级转换为低噪声的射频电流。低噪声跨导放大级的输出端接开关混频级的输入端，开关混频级对低噪声跨导放大级输出的低噪声射频电流进行调制，输出中频电流，其输出端接电阻负载级。电阻负载级对开关混频级输出的中频电流进行滤波并转换成中频电压信号输出。

低噪声跨导放大级由两部分组成，其主要功能为将射频输入信号转化为低噪声射频电流。其第一部分由主跨导管第一、第二NMOS管（M1、M2），从跨导管为第三、第四NMOS管（M3、M4），共栅管第五、第六、第七和第八NMOS管（M5、M6、M7、M8），偏置电阻第一、第二电阻（R1、R2），耦合电容第一、第二电容（C1、C2）组成。其第二部分由跨导管第十三、第十四NMOS管（M13、M14），偏置电阻第三、第四电阻（R3、R4），耦合电容第三、第四电容（C3、C4）组成。NMOS管M1的源极接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其栅极接NMOS管M3的栅极和电阻R1的负端，其漏极接NMOS管M6的源极；NMOS管M2的源极接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其栅极接NMOS管M4的栅极和电阻R2的负端，其漏极接NMOS管M7的源极；电阻R1、R2的正端均接第一偏置电压（VB1）；电容C1的上极板接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其下极板接NMOS管M2的栅极；电容C2的上极板接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其下极板接NMOS管M1的栅极；NMOS管M3的栅极接NMOS管M1的栅极，其漏极接NMOS管M5的源极，其源极接地；NMOS管M4的栅极接NMOS管M2的栅极，其漏极接NMOS管M8的源极，其源极接地；NMOS管M5的漏极接NMOS管M6的漏极；NMOS管M7的漏极接NMOS管M8的漏极；NMOS管M5、M6、M7、M8的栅极均接第二偏置电压（VB2）；电容C3的上极板接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其下极板接PMOS管M13的栅极；电容C4的上极板接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其下极板接PMOS管M14的栅极；PMOS管M13的栅极接电阻R3的负端，其漏极接NMOS管M5的漏极，其源极接电源电压；PMOS管M14的栅极接电阻R4的负端，其漏极接NMOS管M7的漏极，其源极接电源电压；电阻R3和R4的正端均接第三偏置电压（VB3）；第一、第二、第三偏置电压（VB1、VB2、VB3）均来自于偏置电路。

开关混频级具有将射频电流调制成中频电流的功能。该开关混频级由NMOS管M9、M10、M11、M12和电感L组成。NMOS管M10、M11的栅极接本振信号的正极（LO+），NMOS管M9、M12的栅极接本振信号的负极（LO-）；NMOS管M9的漏极接NMOS管M11的漏极，NMOS管M10的漏极接NMOS管M12的漏极；电感L的正端接NMOS管M9、M10的源极和NMOS管M5、M6及PMOS管M13的漏极，其负端接NMOS管M11、M12的源极和NMOS管M7、M8及PMOS管M14的漏极，用以与该节点的寄生电容在混频器工作频率上谐振，既降低在本振信号交叠时由开关管等效输入噪声对该节点的寄生电容充放电引入的输出闪烁噪声，又减小寄生电容对射频电流的泄露，从而提高混频器的增益。

电阻负载级对开关混频级输出的中频电流进行滤波并转换为中频电压输出。该电阻负载级由负载电阻R5、R6和滤波电容C5、C6组成。电阻R5的正端接电源电压，负端接NMOS管M9、M11的漏极和输出电压正端（VOUT+）；电阻R6的正端接电源电压，负端接NMOS管M10、M12的漏极和输出电压负端（VOUT-）；电容C5与电阻R5并联，电容C6与电阻R6并联，分别组成一阶低通滤波网络，滤除输出信号中的高频分量。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明的低噪声放大器和混频器融合结构原理图。图2为本发明的低噪声放大器和混频器融合结构中低噪声跨导放大级第一部分的噪声抵消原理示意图。图3为本发明的低噪声放大器和混频器融合结构的转换增益仿真结果图。图4为本发明的一种低噪声放大器和混频器融合结构与传统的共源级跨导级有源混频结构进行噪声系数比较的仿真结果图

由图3可以看出，本发明的低噪声放大器和混频器融合结构在2MHz附近的转换增益高达33dB。由图4可以看出，本发明的低噪声放大器和混频器融合结构在2MHz附近的单边带噪声系数可达5.1dB（图4中的实线所示），功耗为2.5mA，而传统的共源级跨导级有源混频结构在此频率附近达到相同增益时的噪声系数约为7.75dB（图4中的虚线所示），功耗约为3.4mA。本发明的低噪声放大器和混频器融合结构对噪声系数的优化接近2.65dB，且本结构的偏置电流比传统的共源级跨导级有源混频结构的小约0.9mA。与具有相同增益的传统的共源级跨导级有源混频结构相比，本发明具有低噪声、高增益、低功耗的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种新型低噪声放大器和混频器融合结构，其特征在于：

该低噪声放大器和混频器融合结构包括低噪声跨导放大级、开关混频级和电阻负载级；

其中所述低噪声跨导放大级将射频输入信号转换为低噪声的射频电流，其输出端接所述开关混频级的输入端；所述开关混频级对低噪声跨导放大级输出的低噪声射频电流进行调制，输出中频电流，其输出端接电阻负载级；所述电阻负载级对所述开关混频级输出的中频电流进行滤波并转换成中频电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的新型低噪声放大器和混频器融合结构，其中所述低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消技术，其主跨导管为共栅共源管，栅极和源极的射频信号幅度相等、相位相反，使共栅共源管的等效跨导值在不恶化噪声性能的情况下增加一倍，其从跨导管为共源管，选择合适的从跨导管跨导值可以抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，既提供增益又降低了流过开关管的直流电流，减小开关管的闪烁噪声。

3.根据权利要求1所述的新型低噪声放大器和混频器融合结构，其中所述开关混频级的两组开关管源极之间接电感L，其在混频器工作频率上与该节点的寄生电容谐振。

4.根据权利要求2所述的新型低噪声放大器和混频器融合结构，其特征在于：所述低噪声跨导放大级的第一部分包括用作主跨导管的第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2）,用作从跨导管的第三NMOS管（M3）、第四NMOS管（M4），用作共栅管的第五NMOS管（M5）、第六NMOS管（M6）、第七NMOS管（M7）、第八NMOS管（M8），第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）；其第二部分包括用作跨导管的第十三PMOS管（M13）、第十四NMOS管（M14）,第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第三电容（C3）、第四电容（C4）；

其中，所述低噪声跨导放大级的第一部分中，第一NMOS管（M1）的源极接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其栅极接第三NMOS管（M3）的栅极和第一电阻（R1）的负端，其漏极接第六NMOS管（M6）的源极；第二NMOS管（M2）的源极接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其栅极接第四NMOS管（M4）的栅极和第二电阻（R2）的负端，其漏极接第七NMOS管（M7）的源极；第一、第二电阻（R1、R2）的正端均接第一偏置电压（VB1）；第一电容（C1）的上极板接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其下极板接第二NMOS管（M2）的栅极；第二电容（C2）的上极板接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其下极板接第一NMOS管（M1）的栅极；第三NMOS管（M3）的栅极接第一NMOS管（M1）的栅极，其漏极接第五NMOS管（M5）的源极，其源极接地；第四NMOS管（M4）的栅极接第二NMOS管（M2）的栅极，其漏极接第八NMOS管（M8）的源极，其源极接地；第五NMOS管（M5）的漏极接第六NMOS管（M6）的漏极；第七NMOS管（M7）的漏极接第八NMOS管（M8）的漏极；第五、第六、第七和第八NMOS管（M5、M6、M7、M8）的栅极均接第二偏置电压（VB2）；第一偏置电压（VB1）、第二偏置电压（VB2）均来自于偏置电路；

其中，所述低噪声跨导放大级的第二部分中，第三电容（C3）的上极板接输入射频电压信号正极（VRFIN+），其下极板接第十三PMOS管（M13）的栅极；第四电容（C4）的上极板接输入射频电压信号负极（VRFIN-），其下极板接第十四PMOS管（M14）的栅极；第十三PMOS管（M13）的栅极接第三电阻（R3）的负端，其漏极接第五NMOS管（M5）的漏极，其源极接电源电压；第十四PMOS管（M14）的栅极接第四电阻（R4）的负端，其漏极接第七NMOS管（M7）的漏极，其源极接电源电压；第三电阻（R3）和第四电阻（R4）的正端均接第三偏置电压（VB3），第三偏置电压（VB3）来自于偏置电路。

5.根据权利要求3所述的新型低噪声放大器和混频器融合结构，其特征在于：所述开关混频级包括用作开关管的第九NMOS管（M9）、第十NMOS管（M10）、第十一NMOS管（M11）、第十二NMOS管（M12）,用于谐振开关管源端寄生电容的电感L；

其中，第十、第十一NMOS管（M10、M11）的栅极接本振信号的正极（LO+），第九、第十二NMOS管（M9、M12）的栅极接本振信号的负极（LO-）；第九NMOS管（M9）的漏极接第十一NMOS管（M11）的漏极，第十NMOS管（M10）的漏极接第十二NMOS管（M12）的漏极；第九、第十NMOS管（M9、M10）的源极接电感（L）的正端，第十一、第十二NMOS管（M11、M12）的源极接电感（L）的负端；电感（L）的正端接第五、第六NMOS管（M5、M6）和第十三PMOS管（M13）的漏极，其负端接第七、第八NMOS管（M7、M8）和第十四PMOS管（M14）的漏极。

6.根据权利要求1所述的新型低噪声放大器和混频器融合结构，其特征在于：所述电阻负载级包括用作负载电阻的第五电阻（R5）和第六电阻（R6），用于滤波的第五电容（C5）和第六电容（C6）；

其中，第五电阻（R5）的正端接电源电压，负端接第九、第十一NMOS管（M9、M11）的漏极；第六电阻（R6）的正端接电源电压，负端接第十、第十二NMOS管（M10、M12）的漏极；第五电容（C5）的正端接电源电压，负端接第五电阻（R5）的负端和输出电压正端（VOUT+）；第六电容（C6）的正端接电源电压，负端接第六电阻（R6）的负端和输出电压负端（VOUT-）。