CN104270100B - 一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，实现了低功耗、低噪声的性能。主要电路结构有：平衡非平衡变压器(1)、采用有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器(2)、主共栅放大级(3)、正反馈支路(4)、电阻负载(5)。本发明对共栅放大器进行了有源跨导增强，并对有源跨导增强部分使用电容交叉耦合技术，实现了较高的等效跨导。引入正反馈支路，增加了共栅放大器等效跨导的调节自由度，缓解了噪声和输入匹配之间的约束，改善了噪声性能，同时在较低功耗下实现了高增益。本发明结构简单，占用面积小，易实现。

Description

一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放 大器

技术领域

本发明涉及一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，具有低噪声系数低功耗的特点，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

随着个人无线通讯市场的繁荣发展，人们对各种无线通讯工具的性能要求也越来越高。无线通信技术变得高速化、超带宽化。一个完整的射频收发系统包括射频前端和基带处理部分。射频前端(又称作收发器)决定着这个系统的基本性能指标。低噪声放大器作为无线传输系统中接收机的关键模块，一般直接与天线相连，低噪声放大器用来放大天线所接收到的微弱信号，所以对其的要求不仅是要提高增益，同时又要尽量减少对信号的恶化，因此低噪声放大器的设计需要整体考虑多方面性能参数：端口输入匹配，增益，噪声系数，功耗，线性度及面积等。随着市场竞争的加剧，成本问题越来越得到重视。因此低功耗，面积小，覆盖多种频段的电路结构成了研究热点。

传统的低噪声放大器采用源级电感反馈技术，可以帮助窄带实现输入匹配并且达到较低的噪声系数，但这种结构需要片上电感，芯片面积大，成本高，且不适用于宽带系统，因此无电感的拓扑结构被提出用来克服上述缺点。无电感结构通常应用于共栅结构中，可以通过电阻负反馈技术实现输入匹配，提高带宽，降低电路对于器件参数变化的灵敏性，提升电路的线性度，但是引入的电阻本身产生热噪声，会恶化噪声，因此在输入匹配和噪声系数方面存在折中关系。噪声抵消技术可以缓解输入匹配和噪声系数方面的折中，用来克制宽带噪声差的情况，不过以消耗较大的功耗为代价。为降低共栅结构的噪声和功耗，跨导增强技术得到广泛应用。

电容交叉耦合技术是一种无源的跨导增强技术，可以有效地利用共栅结构的栅端实现跨导增强。图1参考文献【1】(Y.Liao,Z.Tang,and H.Min,"A CMOS wide-band low-noise amplifier with balun-based noise-canceling technique,"in Solid-StateCircuits Conference,2007.ASSCC'07.IEEE Asian,2007,pp.91-94)其结构由平衡非平衡变压器、电容交叉耦合的共栅放大级和负载电阻组成。电容交叉耦合的共栅放大级由共栅NMOS放大管M1和M2组成，交叉耦合的电容C1和C2将差分输入信号耦合到相对的晶体管的栅极，使得共栅放大管M1和M2的栅源间信号电压增加一倍，从而增加共栅放大管的等效跨导，降低了噪声系数和功耗。

电容交叉耦合技术有效地提升了主放大管的等效跨导，但其跨导增强仅限于1倍，并且不能有效地抑制输入阻抗的噪声，因此有源跨导增强的共栅结构被提出，可以实现更低的噪声系数，并且不依赖于器件之间的匹配。图2参考文献【2】(Chen Liang，Li Zhiqun，“A new wideband LNA using a gm-boosting technique，”Journal of Semiconductor，vol.35，No.1)由有源跨导增强的共栅放大级、主放大级和负载级组成。但是采用单端结构，对于环境噪声的抗干扰能力不强，这点可以进行改进。

图3参考文献【3】(F.Belmas,F.Hameau,and J.Fournier,"a 1.3 mw 20db gainlow power inductorless lna with 4db noise figure for 2.45 ghz ism band,"RadioFrequency Integrated Circuits Symposium(RFIC),2011 IEEE,2011,pp.1-4.)利用多次跨导增强实现低功耗低噪声的性能。参考文献【4】(F.Belmas,F.Hameau,and J.Fournier,"A Low Power Inductorless LNA With Double Gm Enhancement in 130 nm CMOS,"Solid-State Circuits,IEEE Journal of,v ol.47,pp.1094-1103,2012.)更加详细的阐述了多次跨导增强实现低功耗低噪声性能的结构。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，解决现有低功耗共栅结构的低噪声放大器的功耗大，噪声系数高的问题。本发明对共栅放大器进行了有源跨导增强，并对有源跨导增强部分使用电容交叉耦合技术，实现了较高的等效跨导。引入正反馈支路，增加了共栅放大器等效跨导的调节自由度，缓解了噪声和输入匹配之间的约束，改善了噪声性能，同时在较低功耗下实现了高增益。本发明结构简单，占用面积小，易实现。该设计可以用于数字视频广播中。

为此，本发明采用的技术方案为：一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，其特征在于：其电路结构包括平衡非平衡变压器1、采用有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器2、主共栅放大级3、正反馈支路4、电阻负载5这五个部分，实现了低功耗、宽带、低噪声的放大器。

1.平衡非平衡变压器1的单端输入端①连接至信号源，平衡输出端②直接耦合到NM2的源端、NM3的源端和PM2的漏端，通过电容耦合到NM4的栅端，平衡输出端③直接耦合到NM1的源端、NM4的源端和PM1的漏端，通过电容耦合到NM3的栅端；第4端④和第5端接地，用来提供直流偏置，省去了尾电流源，降低了电路消耗的电压裕度和噪声。

2.采用有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器2用两个N型晶体管NM3和NM4作为输入放大管，NM3和NM4的栅端分别通过大电阻r3和r4连接到偏置电压VBN2；电容C3的两端分别接NM3的栅端和平衡输出端③，电容C4的两端分别接在NM4的栅端和平衡输出端②。其作用是使得跨导增强倍数大于1。通过分析发现有源跨导管的噪声贡献与其自身跨导成反比，所以通过电容交叉耦合技术提高有源跨导管的等效跨导，从而降低它的噪声贡献和电路功耗。

3.主共栅放大级3用两个N型晶体管NM1和NM2作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻r1和r2接到偏置电压VBN1，电容C1的两端分别接NM1的栅端和NM3的漏端、电容C5和负载级5的R3，电容C2的两端分别接NM2的栅端和NM4的漏端、电容C6和电阻负载5的R4。

4.正反馈支路4由两个相同的P型晶体管PM1和PM2组成，PM1和PM2的源级接到电源，PM1的漏端与平衡输出端③直接相连，栅端通过电容C5耦合到R3、C1和NM3的漏端；PM2的漏端与平衡输出端②直接相连，栅端通过电容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PM1和PM2的栅端分别通过大电阻r5和r6接到偏置电压VBP1。正反馈技术是本发明的亮点，可以通过简单的反馈支路增加主放大管的跨导调节裕度，这样可以通过数学方法计算反馈强度的最优值，使得电路的噪声性能达到最优。

5.电阻负载5由电阻组成。R1，R2一端与电源连接，另一端分别于NM1和NM2的漏端相连，R3和R4一端与电源相连，另一端分别直接和NM3和NM4的漏端相连，同时R3分别通过隔直电容C1、C5耦合到NM1、PM1的栅端，R4分别通过隔直电容C2、C6耦合到NM2、PM2的栅端。

本发明与现有技术相比的优点体现在如下方面：

1.本发明以降低功耗为主要目标，主要从以下几个方面共同作用，分别是：主放大级应用有源跨导增强技术；用作有源跨导增强部分的晶体管采用电容交叉耦合技术；引入正反馈技术，增加主放大管跨导的调节裕度；每级电路中是单管放大，可以降低供电电压。

2.本发明的正反馈支路参与输入匹配，为使匹配达到一个较宽的频带做出贡献，增加了主放大管跨导在满足匹配条件下的调节裕量，是主放大管的跨导值有了更加灵活的调节范围，使主放大管的跨导可以取得一个最优值，拥有良好的噪声性能。

3.本发明针对高增益和噪声贡献进行了改进。正反馈的引入，提高了共栅放大级的增益，有助于抑制主共栅放大器的噪声贡献，也为整个电路提供了较高的增益。

本发明较现有技术的缺点分析如下：

1.本发明与图3结构比较，电路由单端变成差分电路会导致电路结构复杂，可以达到更好的性能，所需要付出的代价是芯片面积会有所增加，由于都是有源器件，增加的面积微乎其微，所以这个问题可以忽略不计。

2.本发明中存在正反馈，所以存在稳定性方面出现问题，但是通过分析正反馈强度可以使得噪声和功耗取得一个均衡的结果，虽然设计难度增加，但可以得到的一个性能更优的结构。

3.本发明的3dB带宽不是很高，相对限制了一部分的应用，这是这种电路结构所不能避免的一个缺陷，可以通过加入中和电容拓宽带宽，同时如果使用更加先进的工艺，功耗的性能会有所提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中采用差分电容交叉耦合的共栅低噪声放大器；

图2是现有技术中采用有源跨导增强技术的共栅低噪声放大器；

图3是现有技术中采用二次跨导增强技术的共栅低噪声放大器；

图4是本发明提供的采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器示意图；

图5是本发明和已有技术的低噪声放大器噪声系数(NF)对比仿真图；

图6是本发明和已有技术的低噪声放大器输入匹配(S11)对比仿真图；

图7是本发明和已有技术的低噪声放大器增益(S21)对比仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，以降低功耗为目的，采用有源跨导增强技术。经过分析噪声，得出用于有源跨导增强部分的晶体管的噪声贡献与其自身跨导呈反比关系，因此使用交叉耦合技术增加其有效跨导，在降低噪声的同时降低功耗。正反馈的引入，在满足输入匹配的条件下，增加了主共栅放大级晶体管等效跨导的调节自由度，这样可以通过数学方法计算反馈强度的最优值，使得电路的噪声性能达到最优。

进一步地阐述本发明具体实施方法，如图4所示：平衡非平衡变压器1的单端输入端①连接至信号源，平衡输出端②直接耦合到NM2的源端、NM3的源端和PM2的漏端，通过电容耦合到NM4的栅端，平衡输出端③直接耦合到NM1的源端、NM4的源端和PM1的漏端，通过电容耦合到NM3的栅端；第4端④和第5端⑤接地。有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器2用两个相同的N型晶体管NM3和NM4组成，两者的栅端分别通过大电阻r3和r4连接到偏置电压VBN2；电容C3的两端分别接NM3的栅端和平衡输出端③，电容C4的两端分别接在NM4的栅端和平衡输出端②。主共栅放大级3，晶体管NM1和NM2作为输入主放大管，两者的栅端分别通过大电阻r1和r2接到偏置电压VBN1，电容C1的两端分别接NM1的栅端和NM3的漏端、电容C5及负载级5的R3，电容C2的两端分别接NM2的栅端和NM4的漏端、电容C6及电阻负载5的R4。正反馈支路4由晶体管PM1和PM2组成，两者的源端都接至电源，PM1的漏端与平衡输出端③直接相连，栅端通过电容C5耦合到R3、C1和NM3的漏端，PM2的漏端与平衡输出端②直接相连，栅端通过电容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PM1和PM2的栅端分别通过大电阻r5和r6接到偏置电压VBP1。电阻负载5由电阻组成，R1，R2一端与电源连接，另一端分别于NM1和NM2的漏端相连，R3和R4一端与电源相连，另一端分别直接和NM3和NM4的漏端相连，同时R3分别通过隔直电容C1、C5耦合到NM1、PM1的栅端，R4分别通过隔直电容C2、C6耦合到NM2、PM2的栅端。

图5至图7给出了本发明具体的仿真结果图和现有技术仿真结果同的对比。如图可以看出本发明在没有使用电感的情况下，匹配频段可以达到5.3G左右，低频段没有现有技术匹配的好，但是匹配频段相对高。增益的3dB带宽下能够满足输入匹配，增益经过缓冲器的衰减后，在低频段可达到21dB，虽然没有现有技术平坦，但是引入正反馈之后增益确实有所提升。噪声系数低至2.9dB，与现有技术相比，引入正反馈技术后大大降低了噪声系数。电路供电电压为1V，消耗电流2.3mA，因此功耗仅有2.3mW，已有技术中供电电压为1V，消耗的功耗是2.6mW。可见，本发明提出的电路结构在保证其它性能指标的情况下，达到了设计需要的低功耗低噪声的性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，其特征在于，该采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器，解决现有低功耗共栅结构的低噪声放大器的功耗大，噪声系数高的问题，其对共栅放大器进行了有源跨导增强，并对有源跨导增强部分使用电容交叉耦合技术，实现了较高的等效跨导，引入正反馈支路，增加了共栅放大器等效跨导的调节自由度，缓解了噪声和输入匹配之间的约束，改善了噪声性能，同时在较低功耗下实现了高增益，其结构简单，占用面积小，易实现，其可以用于数字视频广播中；其电路结构包括平衡非平衡变压器(1)、采用有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器(2)、主共栅放大级(3)、正反馈支路(4)、电阻负载(5)这五个部分，实现了低功耗、宽带、低噪声的放大器；

平衡非平衡变压器(1)的单端输入端①连接至信号源，平衡输出端②直接耦合到NM2的源端、NM3的源端和PM2的漏端，通过电容耦合到NM4的栅端，平衡输出端③直接耦合到NM1的源端、NM4的源端和PM1的漏端，通过电容耦合到NM3的栅端；平衡非平衡变压器(1)的第4端④和第5端⑤接地，用来提供直流偏置，省去了尾电流源，降低了电路消耗的电压裕度和噪声；

采用有源跨导增强和电容交叉耦合技术的放大器(2)用两个N型晶体管NM3和NM4作为输入放大管，NM3和NM4的栅端分别通过大电阻r3和r4连接到偏置电压VBN2；电容C3的两端分别接NM3的栅端和平衡输出端③，电容C4的两端分别接在NM4的栅端和平衡输出端②，其作用是使得跨导增强倍数大于1，通过分析发现有源跨导管的噪声贡献和它的跨导成反比，所以通过电容交叉耦合技术提高有源跨导管的有效跨导，从而降低它的噪声贡献和电路功耗；

主共栅放大级(3)用两个N型晶体管NM1和NM2作为输入放大管，NM1和NM2的栅端分别通过大电阻r1和r2接到偏置电压VBN1，电容C1的两端分别接NM1的栅端和NM3的漏端、电容C5和电阻负载(5)的R3，电容C2的两端分别接NM2的栅端和NM4的漏端、电容C6和电阻负载(5)的R4；

正反馈支路(4)由两个相同的P型晶体管PM1和PM2组成，PM1和PM2的源端接到电源，PM1的漏端与平衡输出端③直接相连，栅端通过电容C5耦合到R3、C1和NM3的漏端；PM2的漏端与平衡输出端②直接相连，栅端通过电容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PM1和PM2的栅端分别通过大电阻r5和r6接到偏置电压VBP1，正反馈技术可以通过简单的反馈支路增加共栅放大器等效跨导的调节自由度，并且通过数学方法可以计算出反馈强度的最优值，从而使电路的噪声性能达到最优；

电阻负载(5)由电阻组成，R1，R2一端与电源连接，另一端分别于NM1和NM2的漏端相连，R3和R4一端与电源相连，另一端分别直接和NM3和NM4的漏端相连，同时R3分别通过隔直电容C1、C5耦合到NM1、PM1的栅端，R4分别通过隔直电容C2、C6耦合到NM2、PM2的栅端；

该采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器以降低功耗为主要目标，主要从以下几个方面共同作用，分别是：主放大级应用有源跨导增强技术；用作有源跨导增强部分的晶体管采用电容交叉耦合技术；引入正反馈技术，增加主放大管跨导的调节裕度；每级电路中是单管放大，可以降低供电电压；

该采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器的正反馈支路参与输入匹配，为使匹配达到一个较宽的频带做出贡献，增加了主放大管跨导在满足匹配条件下的调节裕量，是主放大管的跨导值有了更加灵活的调节范围，使主放大管的跨导可以取得一个最优值，拥有良好的噪声性能；

该采用正反馈技术和有源跨导增强技术的低功耗低噪声放大器针对高增益和噪声贡献进行了改进，正反馈的引入，提高了共栅放大级的增益，有助于抑制主共栅放大器的噪声贡献，也为整个电路提供了较高的增益。