CN104158498A - 一种带有补偿偏置电路的低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第三NMOS晶体管(M3)、第四NMOS晶体管(M4)、低噪声放大器的共源放大管(M5)、低噪声放大器的共栅晶体管(M6)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3)。这种偏置电路可以对温度,工艺角以及电源电压的变化进行一定的补偿,使得低噪声放大器在不同的工艺角,温度,电源电压下性能保持基本的稳定,或者做出进一步的过补偿调整,以满足实际生产和应用条件下的需求。
Description
一、技术领域
本发明是一种带有补偿电路的低噪声放大器,可以对温度,工艺角,电源电压的波动进行补偿。
二、背景技术
随着现代通信技术的飞速发展,各种便携式的电子设备给人们的生活带来了极大的方便,如手机等。低噪声放大器是这些设备中必不可少的电路模块。低噪声放大器用来从天线接收到微弱信号并进行放大,叠加尽可能少的噪声。其增益,噪声,线性度等都将直接影响整个接收机的性能。一个好的低噪声放大器所应该具备的性能包括:提供足够高的增益,克服后继级噪声的干扰;优良的噪声性能以防止系统灵敏度的下降;良好的线性度以减少对系统动态范围的影响;较高的反向隔离度,防止信号的泄漏并增强系统的稳定性;良好的输入匹配以利于信号的有效传输。在实际设计中,通常采用折衷方案,综合考虑各项因素,兼顾各项指标的平衡。
传统的低噪声放大器通常采用共源或共源共栅结构,其中共源共栅的源极电感蜕化放大器最为常见。在实际的制造和使用中,工艺角,温度的变化对低噪声放大器的性能有着重要的影响,因此,需要对这些因素进行一定的补偿,以保证低噪声放大器性能的稳定。
三、发明内容
为了补偿工艺角,温度的变化对低噪声放大器性能的影响,本发明提供了一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,可以起到补偿温度,工艺角,电源电压的作用。
本发明的技术方案是:
一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4、低噪声放大器的共源放大管M5、低噪声放大器的共栅晶体管M6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3;其中第一NMOS晶体管M1的漏极连接电源VCC,栅极与第二电阻R2和第三电阻R3连接,第二电阻R2的另一端连接电源VCC,第三电阻R3的另一端连接第二NMOS晶体管M2的漏极和第三NMOS晶体管M3的栅极,第三NMOS晶体管M3的栅极经过第一电容C1连接到地,第二NMOS晶体管M2的栅极连接第一NMOS晶体管M1的源极,第一NMOS晶体管M1的源极通过第一电阻R1连接到地;第二NMOS晶体管M2的源极直接连接到地;第三NMOS晶体管M3的漏极连接第四电阻R4,第四电阻R4为低噪声放大器的共栅晶体管M6的栅极提供偏置电压,并经过第三电容C3连接到地,第四电阻R4的另一端连接电源VCC,第三NMOS晶体管M3的源极连接第四NMOS晶体管M4的漏极和栅极,第四NMOS晶体管M4经过第五电阻R5给低噪声放大器的共源放大管M5的栅极提供偏置电压,并经过第二电容C2连接到地,第四电阻R4的源极接地。
所述第一NMOS晶体管M1的漏极连接电源VCC,源极连接第一电阻R1,栅极则连接第二电阻R2和第三电阻R3,第二电阻R2的另一端连接电源VCC;第二NMOS晶体管M2的漏极连接第三电阻R3的另一端,栅极连接第一NMOS晶体管M1的源极和第一电阻R1,源极接地。第一电阻R1的另一端接地,第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3构成一个反馈的稳定结构。
所述第三NMOS晶体管M3的栅极连接权利要求2中所述的反馈结构中的一个稳定的电压点,并用电容C1连接到地,第三NMOS晶体管M3的漏极通过第四电阻R4连接至电源VCC,第三NMOS晶体管M3的源极连接第四NMOS晶体管M4的漏极和栅极,第四NMOS晶体管M4的源极接地。
所述第三NMOS晶体管M3的源极经过NMOS晶体管的二极管连接方式到地,并在该源极为低噪声放大器的共源放大管M5提供偏置电压。该提供偏置电压的源极通过一个电容连接到地,并经过大第五电阻R5连接到低噪声放大器共源管M5的栅极。
所述低噪声放大器的共栅晶体管M6的偏置电压可由偏置电路中的任意一个稳定且合适的电路节点提供。
本发明的有益效果是:
这种偏置电路可以对温度,工艺角以及电源电压的变化进行一定的补偿,使得低噪声放大器在不同的工艺角,温度,电源电压下性能保持基本的稳定,或者做出进一步的过补偿调整,以满足实际生产和应用条件下的需求。
四、附图说明
图1本发明的带有补偿偏置电路的低噪声放大器的电路原理图。
五、具体实施方案
以下结合附图对本发明做进一步详述:
如图1所示,M5和M6是一个传统的共源共栅低噪声放大器(LNA)的共源NMOS晶体管和共栅NMOS晶体管,电感L2为源极蜕化电感,电感L1是低噪声放大器(LNA)的电感负载,C4是输出隔直电容。以上元器件构成低噪声放大器的信号放大电路。输入输出位置如图1所示。例如,图1中所示的情况是由晶体管M3的漏极电压提供偏置。该偏置点通过一个大的电容C3连接到地,以保证共栅管M6的栅极在低噪声放大器的工作频率处交流连接到地。
本发明的补偿是通过低噪声放大器的偏置电路实现的。
如图1所示,该偏置电路包括NMOS晶体管M1~M4,电阻R1~R5,电容C1~C3。其中M1的漏极连接电源VCC,栅极与R2和R3连接。R2的另一端连接电源,R3的另一端连接M2的漏极和M3的栅极,该节点经过电容C1连接到地。M2的栅极连接M1的源极,该节点通过电阻R1连接到地。M2的源极直接连接到地。M3的漏极连接R4,该节点为低噪声放大器(LNA)的共栅晶体管的栅极提供偏置电压,并经过电容C3连接到地。R4的另一端连接电源VCC。M3的源极连接M4的漏极和栅极,该节点经过电阻R5给低噪声放大器(LNA)的共源放大管的栅极提供偏置电压,并经过电容C2连接到地。M4的源极接地。
共源共栅低噪声放大器电路中,共源NMOS晶体管和共栅NMOS晶体管的电流相等,增益主要由两者的电流决定,噪声和电流之间也具有一定的联系。通过补偿或改变流过共源共栅放大器的电流,就可以实现对放大器性能的补偿。工作在饱和区的晶体管,其电流的表达式为:
因此,通过对晶体管M5栅极管脚电压的控制,就可以实现对电流的控制和补偿,从而实现对增益和噪声性能的补偿。
NMOS晶体管跨导的表达式为:
gm=μnCOX(VGS-VTH);
当温度升高时,晶体管沟道中的电子迁移率μn会降低,从而导致跨导gm下降,电流Ids也随之下降,低噪声放大器的增益也会降低。但同时,晶体管的阈值电压VTH也会发生变化,对于NCMOS晶体管来说,其阈值电压一般会降低,导致跨导gm和电流Ids增大。两者的影响会抵消一部分,一般情况下,在温度升高时,在偏置电压不变的情况下,流过晶体管的电流会增大一些,但低噪声放大器的增益是有所下降的。
此时,若能够提高NMOS晶体管M5的栅极输入电压,则Ids和增益也会得到提高,会对温度变化起到补偿作用,反之亦然。
在图1所示的电路中,当温度升高时,补偿电阻R1,R2,R3均减小,流过晶体管M2的电流也会减小,而M3的栅极电压表达式为:
Vg(M3)=VCC-Ids(M2)(R2+R3)
其中,Vg(M3)表示晶体管M3的栅极电压,Ids(M2)表示流过晶体管M2的源漏极电流。在本专利后面出现公式时,其符号表达的含义也与此类似,不再做特别说明。因此,晶体管M3的栅极电压会增大,使得M3的源极电压也随之抬高。
另一方面,NMOS晶体管M4是二极管接法(即栅极和漏极连在一起接高电位,源极接低电位)。在温度升高,电流不变的情况下,其漏极的电压会减小,又会使得M3的源极电压降低。
对低噪声放大器来讲,温度升高时,由于热噪声的增加,低噪放以及整个系统的噪声性能都会下降,因此,仅仅保持增益不变的补偿往往是不够的,经常需要过补偿,即把电流和增益在温度升高时都增大,才能满足噪声方面的要求。
通过适当选取偏置电路中元器件参数的值,可以使温度升高时,晶体管M3的源极电位,即晶体管M5的栅极电位按一定的比例升高,从而达到增大低噪声放大器的电流,补偿低噪声放大器的噪声和增益的作用。
关于电源电压的变化的补偿,当电源电压VCC变化时,若其变化量为ΔVCC,可以假设晶体管M1和M2的栅源电压也相应变化了ΔVgs(M1)和ΔVgs(M2),流过晶体管M2的电流变化了ΔIds(M2)。根据图1可以看出,电源电压可以用下式来表达:
VCC=Vgs(M1)+Vgs(M2)+Ids(M2)R2
根据上文提到的M3栅极电压表达式,可以进一步写出:
Vg(M3)=VCC-Ids(M2)(R2+R3)
=Vgs(M1)+Vgs(M2)+Ids(M2)R2-Ids(M2)(R2+R3)
=Vgs(M1)+Vgs(M2)-Ids(M2)R3
因此,若电源电压变化ΔVCC,则M3栅极电压的变化量可以表示为:
ΔVg(M3)=ΔVgs(M1)+ΔVgs(M2)-ΔIds(M2)R3
由上式可以看出,只要合理分配R3的大小,可以使得当电源电压变化时,M3的栅极电压变化近似为0,即M3的栅极电压对电源电压的波动不敏感。
下面讨论该偏置电路对于工艺角变化的补偿。如上文所述,工作在饱和区的晶体管M5,其电流的表达式为:
工艺角的变化会使得晶体管M5的VTH(M5)发生变化,当Vgs(M5)不变时,晶体管的电流会发生较大的波动。
不过,偏置电路产生的偏置电压也会随工艺角的改变而改变。因为偏置电路和主电路均采用NMOS晶体管,且在版图中距离不会很远。因此它们的晶体管工艺角可以认为是一致的。
假设工艺角使得晶体管的阈值电压VTH升高,则流过晶体管M2的电流会减小,使得M3的栅极电压升高。同时,晶体管M4的阈值电压升高也会使得其相同电流下的导通电压抬高。
以上两者同时作用的结果,会使得晶体管M5的栅极电压抬高,从而补偿工艺角所带来的阈值电压的变化,使低噪声放大器的电流基本不变。反之亦然。
图1所示的电路中,电容C1,C2,C3主要起稳压和滤波的作用,把来自电源上的干扰滤除掉,减小其对低噪声放大器的负面影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有多种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第三NMOS晶体管(M3)、第四NMOS晶体管(M4)、低噪声放大器的共源放大管(M5)、低噪声放大器的共栅晶体管(M6)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3);其中第一NMOS晶体管(M1)的漏极连接电源(VCC),栅极与第二电阻(R2)和第三电阻(R3)连接,第二电阻(R2)的另一端连接电源(VCC),第三电阻(R3)的另一端连接第二NMOS晶体管(M2)的漏极和第三NMOS晶体管(M3)的栅极,第三NMOS晶体管(M3)的栅极经过第一电容(C1)连接到地,第二NMOS晶体管(M2)的栅极连接第一NMOS晶体管(M1)的源极,第一NMOS晶体管(M1)的源极通过第一电阻(R1)连接到地;第二NMOS晶体管(M2)的源极直接连接到地;第三NMOS晶体管(M3)的漏极连接第四电阻(R4),第四电阻(R4)为低噪声放大器的共栅晶体管(M6)的栅极提供偏置电压,并经过第三电容(C3)连接到地,第四电阻(R4)的另一端连接电源(VCC),第三NMOS晶体管(M3)的源极连接第四NMOS晶体管(M4)的漏极和栅极,第四NMOS晶体管(M4)经过第五电阻(R5)给低噪声放大器的共源放大管(M5)的栅极提供偏置电压,并经过第二电容(C2)连接到地,第四电阻(R4)的源极接地。
2.根据权利要求1所述的带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是所述第一NMOS晶体管(M1)的漏极连接电源(VCC),源极连接第一电阻(R1),栅极则连接第二电阻(R2)和第三电阻(R3),第二电阻(R2)的另一端连接电源(VCC);第二NMOS晶体管(M2)的漏极连接第三电阻(R3)的另一端,栅极连接第一NMOS晶体管(M1)的源极和第一电阻(R1),源极接地。第一电阻(R1)的另一端接地,第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)构成一个反馈的稳定结构。
3.根据权利要求1所述的带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是所述第三NMOS晶体管(M3)的栅极连接权利要求2中所述的反馈结构中的一个稳定的电压点,并用电容C1连接到地,第三NMOS晶体管(M3)的漏极通过第四电阻(R4)连接至电源(VCC),第三NMOS晶体管(M3)的源极连接第四NMOS晶体管(M4)的漏极和栅极,第四NMOS晶体管(M4)的源极接地。
4.根据权利要求1所述的带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是所述第三NMOS晶体管(M3)的源极经过NMOS晶体管的二极管连接方式到地,并在该源极为低噪声放大器的共源放大管(M5)提供偏置电压。该提供偏置电压的源极通过一个电容连接到地,并经过大第五电阻(R5)连接到低噪声放大器的共源放大管(M5)的栅极。
5.根据权利要求1所述的带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器,其特征是所述低噪声放大器的共栅晶体管(M6)的偏置电压可由偏置电路中的任意一个稳定且合适的电路节点提供。
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