CN104104337A - 消除宽带cmos lna电路噪声的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带CMOSLNA电路的噪声消除装置和方法，该装置包括一个输入级电路和两个放大器，第一放大器检测到出现在LNA输入端的噪声电压A，第一放大器将噪声电压A转化成噪声电流，输出到第二放大器的输出端，第二放大器检测到出现在输入级电路NMOS管的漏极的噪声电压B，第二放大器将其转化成噪声电流输出到LNA的输出端，选择第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，使得第一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流到达LNA输出端时大小相等符号相反。两个放大器选取合适的跨导就可以让噪声电流相加后输出为零，实现噪声相消。本发明直接利用噪声在电路中的转移规律进行自相抵消，不需要加入其他额外的反馈网络器件。

Description

消除宽带CMOS LNA电路噪声的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种CMOS射频电路噪声消除技术，尤其是宽带CMOS LNA(CMOS低噪声放大器)电路的噪声消除技术。 

背景技术

在无线通信中，FM接收机所要求的LNA电路是宽带的，它们通常工作在76MHz-108MHz。在CMOS射频电路中，因为MOS器件导电沟道是电阻性的，所以其主要噪声源为热噪声，包含小部分闪烁噪声。噪声会恶化电路环境从而影响其性能。目前，在CMOS LNA电路设计中，一般通过增加反馈网络技术方案来减少噪声的干扰，如公开文献Woo S,Kim W,Lee C H,et al.A wideband low-power CMOS LNA with positive–negative feedback for noise,gain,and linearity optimization[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,2012,60(10):3169-3178.但是，由于使用了更多了元器件，所以也会增加电路功耗，不是最有效的噪声消除方案。 

发明内容

为了克服当前CMOS LNA电路设计中噪声消除技术的不足,本发明提供一种工作在FM接收机中的宽带COMS LNA电路的噪声消除方法，该方案利用相位相反振幅相消原理，很好地抑制了器件噪声对电路的恶化，从根本上消除噪声。 

本发明解决CMOS LNA电路噪声消除技术问题所采用的技术方案是：设计一种宽带CMOS LNA电路噪声消除装置，工作在FM接收机中的COMS LNA电路，带宽为75MHz-108MHz，由一个输入级电路与两个放大器相连组成。输入级电路中NMOS管M₁源极作为接收射频信号的LNA输入端，漏极接负载电阻R_l，负载电阻的另一端接正偏电压；放大器包括第一放大器和第二放大器，第一放大器中PMOS管M₂和NMOS管M₃的栅极分别通过电容122和123连接到输入级电路中NMOS管的源极，PMOS管源极接正偏电压，NMOS管M₃的源极接地，PMOS管M₂和NMOS管M₃的漏极相互连接作为第一放大器的输出端；第二放大器的NMOS管M₅源极连接第一放大器的输出端，并通过电阻和R_d接地，NMOS管M₅的栅极通过电容133连接到输入级电路NMOS管M₁的漏极，NMOS管M₅漏极连接LNA输出端144，第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，在LNA输出端，第 一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流相加为零输出。 

进一步优选方案，第二放大器输出端连接正偏电压。在第一放大器输入端和第二放大器输出端之间设置PMOS管M₄，PMOS管M₄的栅极通过电容122连接LNA输入端，PMOS管M₄的源极连接正偏电压，漏极连接LNA输出端。输入级电路中NMOS管的源极噪声电压与漏极噪声电压大小成比例，相位相反。所述第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数具体包括，第一放大器跨导与第二放大器跨导满足关系：其中，R_yg_mn1r_o＝R_l，为输入级电路噪声电流，输入级电路中NMOS管M₁漏极与正偏电压之间接负载电阻R_l，r_o为第一放大器MOS管的总输出阻抗，R_y为LNA输入端接地电阻。 

本发明还提出一种宽带CMOS LNA电路噪声消除方法，第一放大器检测到出现在LNA输入端的噪声电压A，A的电位为第一放大器将噪声电压A转化成噪声电流输出到第二个放大器的输出端节点，第二放大器检测到出现在输入级电路NMOS管的漏极的噪声电压B，B的电位为第二放大器将其转化成噪声电流输出到LNA的输出端，选择第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，使得第一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流到达LNA输出端时大小相等符号相反。 

所述第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数具体包括，第一放大器跨导与第二放大器跨导满足关系：其中，R_yg_mn1r_o＝R_l，为输入级电路噪声电流，输入级电路中NMOS管M₁漏极与正偏电压之间接负载电阻R_l，r_o为第一放大器MOS管的总输出阻抗，R_y为LNA输入端接地电阻。 

本发明的有益效果是，不需要过多加入其他器件，直接利用噪声在电路中的转移规律进行自相抵消。 

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。 

图1是本发明的CMOS LNA电路原理图； 

图2是图1输入级电路MOS管小信号等效电路图； 

图3是阐述图1的噪声相消原理图。 

具体实施方式

图1为CMOS LNA电路原理图，CMOS LNA(CMOS低噪声放大器)电路包括输入级电路11，第一放大器12和第二放大器13。输入级电路由NMOS管112(M₁)漏极连接负载电阻111(R_l)组成。第一放大器由PMOS管121(M₂)、NMOS管124(M₃)和电容122、123组成。第二放大器由NMOS管132(M₅)和电容133组成。输入级电路中NMOS管M₁源极作为接收射频信号的LNA输入端141，漏极接负载电阻R_l，LNA输入端通过接地电阻R_y接地，负载电阻的另一端接正偏电压V_dd；第一放大器中PMOS管M₂和NMOS管M₃的栅极分别通过电容122和123连接到输入级电路中NMOS管的源极，PMOS管源极接正偏电压，NMOS管M₃的源极接地，PMOS管M₂和NMOS管M₃的漏极相互连接作为第一放大器的输出端；第二放大器的NMOS管M₅源极连接第一放大器的输出端，并通过电阻和R _d接地，NMOS管M₅的栅极通过电容133连接到输入级电路NMOS管M₁的漏极，NMOS管M₅漏极连接LNA输出端144，该输出端可连接正偏电压。 

在LNA的输出端144，第一个噪声电流和第二个噪声电流相加为零输出。 

为了提高整个LNA电路的增益，在第一放大器输入端和第二放大器输出端之间设置PMOS管131(M₄)，PMOS管M₄的栅极通过电容122连接LNA输入端，PMOS管M₄的源极连接正偏电压，漏极连接LNA输出端144。 

第二级放大器NMOS管M₅的源极与地之间连接的电阻134(R_d)，作为NMOS管132的衰减电阻，保持电平的一致。 

第一放大器12检测到出现在LNA输入端节点141的噪声电压A，第一放大器将噪声电压A转化成噪声电流，输出到第二个放大器的输出端节点144的时候为 第二放大器检测到出现在输入级电路NMOS管的漏极(节点142)的噪声电压B，并转化成噪声电流输出到LNA的输出端节点144。噪声电压A和B大小成比例，相位相反。 

由于第一放大器的跨导是第二放大器的跨导的函数，根据具体电路所要达到的目标参数设计选取适当的值，使得噪声电流和噪声电流大小相等而且符号相反，最后第二放大器将噪声电流和噪声电流在LNA输出端做加法进行相消后输出，输入级电路流进放大器的噪声就可以在LNA输出端得到充分消除。 

在图2中，输入级电路的噪声包括输入级电路MOS管产生的热噪声和闪烁噪声，用漏极和源极连接电阻中的噪声电流表示，在射频MOS小信号等效 电路图的流向如图2所示。输入级电路噪声电流可以用以下公式表示： 

$\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{nd}}^2}=\frac{4\mathrm{kT\γ}}{R_{\mathrm{ds}0}}\mathrm{\Δf}+K_F\frac{I_d^{A_F}}{C_{\mathrm{ox}}{L}_{\mathrm{eff}}^2}\mathrm{\Δf}$

这里，I_d是漏极偏置电流,A_F是闪烁噪声指数，K_F是闪烁噪声系数，L_eff是导电沟道有效长度，R_ds0是V_ds＝0时漏-源微分电阻，γ是导电沟道噪声系数，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，△f为任意频率间隔，C_OX为MOS管的栅氧层电容。 

是噪声的源头，主要是经过放大级后转化为噪声电压，然后再转化成和

图3是简化了的CMOS LNA原理图，用来详细阐述图1的噪声消除机制。M_n1是由MOS管121、124组成的等效NMOS管，表示第一放大器跨导为g_mn1。M_n2代表NMOS管132，第二放大器跨导为g_mn2。电容C₁、C₂起到隔直流的作用。电阻311的阻值为r_o，作为MOS管121、124的总输出阻抗。 

NMOS管112的噪声电流可以由噪声电流模型211表示，流入节点141。这样就有两个相位相反的相关噪声电压A和B，A在节点141的电位表示为B在节点142的电位表示为这两个噪声电压分别被第一和第二放大器转化成噪声电流，选取合适的跨导g_mn1和g_mn2，可以使由NMOS管112产生的噪声在LNA输出端消除。噪声消除的过程可以用下面的方程来描述： 

根据公式：确定选取合适跨导的等量关系条件。即跨导g_mn1和g_mn2需满足上述公式。 

由M_n1和M_n2在LNA输出端144的输出的噪声电流和相等，即 

$\stackrel{\‾}{I_{D1}^2}=-\stackrel{\‾}{I_{D2}^2}$

则 

$\stackrel{\‾}{V_A^2}{g}_{\mathrm{mn}1}\frac{r_o{g}_{\mathrm{mn}2}}{1+r_o{g}_{\mathrm{mn}2}}=-\stackrel{\‾}{v_B^2}\frac{g_{\mathrm{mn}2}}{1+r_o{g}_{\mathrm{mn}2}}$

于是 

$\frac{\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{nd}}^2}{R}_y{g}_{\mathrm{mn}1}{r}_o}{r_o{g}_{\mathrm{mn}2}+1}=\frac{\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{nd}}^2}{R}_l{g}_{\mathrm{mn}2}}{r_o{g}_{\mathrm{mn}2}+1}$

化简得 

R_yg_mn1r_o＝R_l

以上就是噪声消除的条件用公式描述的过程。 

假设一个衰减因子为χ： 

$\mathrm{\χ}=\frac{g_{\mathrm{mn}2}{r}_o}{1+g_{\mathrm{mn}2}{r}_o}$

则LNA的增益为 

$A_v=g_{\mathrm{mn}1}{R}_l\frac{g_{\mathrm{mn}2}}{1+g_{\mathrm{mn}2}{r}_o}+g_{\mathrm{mn}1}\frac{g_{\mathrm{mn}2}{r}_o}{1+g_{\mathrm{mn}2}{r}_o}=(\frac{R_l}{r_o}+1)g_{\mathrm{mn}1}\mathrm{\χ}$

噪声系数为 

$\mathrm{NF}=1+\frac{[\frac{{4\mathrm{KTR}}_l}{R_d^2}+\frac{4\mathrm{KT}*\mathrm{NEF}}{g_{\mathrm{mn}2}{R}_d^2}+\frac{4\mathrm{KT}}{R_d}+4\mathrm{KT}*\mathrm{NEF}*g_{\mathrm{mn}1}]}{4\mathrm{KT}*R_y*{\mathrm{\χ}}^2*g_{\mathrm{mn}1}^2}{\mathrm{\χ}}^2$

化简得 

$\mathrm{NF}=1+\frac{2\mathrm{\χ}*\mathrm{NEF}}{A_v{R}_y}$

由于衰减因子χ小于1，因此可以让宽带CMOS LNA电路在功耗和噪声系数中进行折中。 

本发明选择第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，使得第一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流到达LNA输出端时大小相等符号相反。两个放大器选取合适的跨导就可以让噪声电流相加后输出为零，实现噪声相消。本发明直接利用噪声在电路中的转移规律进行自相抵消，不需要加入其他额外的反馈网络器件。 

Claims (7)

1.一种宽带CMOS LNA电路噪声消除装置，包括输入级电路和放大器，其特征在于，输入级电路中NMOS管M₁源极作为接收射频信号的LNA输入端，漏极接负载电阻R_l，负载电阻的另一端接正偏电压；放大器包括第一放大器和第二放大器，第一放大器中PMOS管M₂和NMOS管M₃的栅极分别通过电容122和123连接到输入级电路中NMOS管的源极，PMOS管源极接正偏电压，NMOS管M₃的源极接地，PMOS管M₂和NMOS管M₃的漏极相互连接作为第一放大器的输出端；第二放大器的NMOS管M₅源极连接第一放大器的输出端，并通过电阻和Rd接地，NMOS管M₅的栅极通过电容133连接到输入级电路NMOS管M₁的漏极，NMOS管M₅漏极连接LNA输出端144，第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，在LNA输出端，第一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流相加为零输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第二放大器输出端连接正偏电压。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在第一放大器输入端和第二放大器输出端之间设置PMOS管M₄，PMOS管M₄的栅极通过电容122连接LNA输入端，PMOS管M₄的源极连接正偏电压，漏极连接LNA输出端。

4.根据权利要求1-3其中之一所述的装置，其特征在于，输入级电路中NMOS管的源极噪声电压与漏极噪声电压大小成比例，相位相反。

5.根据权利要求1-3其中之一所述的装置，其特征在于，所述第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数具体包括，第一放大器跨导与第二放大器跨导满足关系：其中，R_yg_mn1r_o＝R_l，为输入级电路噪声电流，输入级电路中NMOS管M₁漏极与正偏电压之间接负载电阻R_l，r_o为第一放大器MOS管的总输出阻抗，R_y为LNA输入端接地电阻。

6.一种宽带CMOS LNA电路噪声消除方法，其特征在于，第一放大器检测到出现在LNA输入端的噪声电压A，A的电位为第一放大器将噪声电压A转化成噪声电流输出到第二个放大器的输出端节点，第二放大器检测到出现在输入级电路NMOS管的漏极的噪声电压B，B的电位为第二放大器将其转化成噪声电流输出到LNA的输出端，选择第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数，使得第一放大器噪声电流和第二放大器噪声电流到达LNA输出端时大小相等符号相反。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一放大器跨导是第二放大器跨导的函数具体包括，第一放大器跨导与第二放大器跨导满足关系：其中，R_yg_mn1r_o＝R_l，为输入级电路噪声电流，输入级电路中NMOS管M₁漏极与正偏电压之间接负载电阻R_l，r_o为第一放大器MOS管的总输出阻抗，R_y为LNA输入端接地电阻。