CN104539242B - 电流复用低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流复用低噪声放大器，包括级联的三级放大电路、对应的偏置电路和输出电路。第一级放大电路为输入级且由源简并电感共源放大器组成。第三级放大电路为输出级且包括有线性度补偿电路，第二NMOS为主放大、第三NMOS管为线性补偿管，两个NMOS管的栅极和漏极都分别连接在一起并呈并联结构，两个NMOS管的栅源电压相同且第三NMOS管的衬底电极连接有衬底偏置电压，使第二NMOS管工作在饱和区、第三NMOS管工作在亚阈值区，利用饱和区和亚阈值区的正负三阶跨导系数互相抵消减少或消除输出级放大电路的三阶跨导系数。本发明能提高增益、降低功耗，具有良好的噪声系数，能提高线性度。

Description

电流复用低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种电流复用低噪声放大器。

背景技术

如图1所示，是现有电流复用低噪声放大器结构图；现有电流复用低噪声放大器包括：级联的输入级放大电路和输出级放大电路以及两级放大电路之间的射频信号耦合电路。

输入级放大电路包括NMOS管Min1，NMOS管Min1的源极通过反馈电感Ls1接地Gnd，射频输入信号Rfin通过隔直电容Cin1和电感Lg1接到NMOS管Min1的栅极，电阻R101的一端连接电源电压Vdd，电阻R101的另一端通过电感Lg1连接到NMOS管Min1的栅极并对该栅极进行偏置。反馈电感Ls1和NMOS管Min1的栅源电容(Cgs)之间形成输入谐振网络，并得到一个实阻抗以实现输入阻抗的匹配，由上可知，NMOS管Min1为源极电感负反馈的共源放大器。NMOS管Min1的漏极通过电感L101和电容Cgnd1接地，且NMOS管Min1的漏极输出第一级放大信号。

输出级放大电路包括NMOS管Mo1，NMOS管Mo1的源极通过电感L101和NMOS管Min1的漏极连接，且NMOS管MO1的源极通过电容Cgnd1接地。电阻R102连接在电源电压Vdd和NMOS管MO1的栅极之间实现对NMOS管MO1的偏置。NMOS管Mo1的漏极和电源电压VDD之间连接扼流电感Lo1，电容Co1一端连接NMOS管Mo1的漏极，电容Co1的另一端输出射频输出信号Rfout。

射频信号耦合电路由耦合电容C101组成，耦合电容C101的两端分别连接NMOS管Min1的漏极和NMOS管Mo1的栅极，NMOS管Mo1的栅极为输出级放大电路的输入端，耦合电容C101将NMOS管Min1的漏极输出的第一级放大信号输入到NMOS管Mo1的栅极。

NMOS管Min1和Mo1之间采用直流偏置电流共用的电流复用技术，能降低低噪声放大器的静态功耗，但是输入级和输出级之间的射频信号采样电容耦合，无法实现低噪声放大器的增益的进一步的提高。另外，随着技术的发展，对低噪声放大器的线性度的要求越来越高，如何提高低噪声放大器的线性度成为一个重要的研究课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电流复用低噪声放大器，能提高增益、降低功耗，具有良好的噪声系数，能提高线性度。

为解决上述技术问题，本发明提供的电流复用低噪声放大器包括：级联的第一级放大电路、第二级耦合放大电路、第三级放大电路、第一偏置电路、第二偏置电路、输出电路。

所述第一级放大电路为输入级放大电路，所述第三级放大电路为输出级放大电路，所述第二级耦合放大电路将所述第一级放大电路的输出端的输出信号放大后耦合连接到所述第三级放大电路的输入端。

所述第一级放大电路包括由第一NMOS管形成的源简并电感共源放大器，所述第一NMOS管的源极通过第一电感接地，所述第一电感为所述第一NMOS管的源简并电感；所述第一NMOS管的栅极和射频输入信号之间串联有第一电容和第二电感；所述第一偏置电路为所述第一NMOS管的栅极提供第一偏置电压；第三电感的第一端连接所述第一NMOS管的漏极，第二电容的第一端连接所述第三电感的第二端，所述第二电容的第二端接地；所述第一NMOS管的漏极为所述第一级放大电路的输出端。

所述第三级放大电路包括第二NMOS管、第三NMOS管，所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的栅极连接在一起，所述第二偏置电路为所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的栅极提供第二偏置电压，所述第二NMOS管的栅极连接第三电容的第一端，第四电感连接在电源电压和所述第三电容的第二端之间，所述第二NMOS管的栅极为所述第三级放大电路的输入端；所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的漏极连接在一起并连接所述输出电路，所述输出电路输出射频输出信号；第五电感为一个三端电感，所述第五电感的第一端连接所述第二NMOS管的源极，所述第五电感的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第五电感的第三端连接所述第三NMOS管的源极，所述第五电感的第一端和第二端之间的电感最大，所述第五电感的第三端和第二端之间的电感小于所述第五电感的最大电感。

所述第三NMOS管构成线性度补偿电路，所述第三NMOS管的衬底电极连接有第三衬底偏置电压，所述第二偏置电压使所述第二NMOS管工作在饱和区并具有负的三阶跨导系数，所述第二偏置电压和所述第三衬底偏置电压的组合使所述第三NMOS管工作在亚阈值区且具有正的三阶跨导系数，利用所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的三阶跨导系数的正负值互相抵消减少或消除所述第三级放大电路的三阶跨导系数。

进一步的改进是，所述第二级耦合放大电路由第四NMOS管组成，所述第四NMOS管形成一共源放大器，所述第四NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的漏极连接所述第三电容的第二端，所述第四NMOS管的源极接地。

进一步的改进是，所述输出电路为由第一电阻、第六电感和第四电容组成的RLC谐振电路，所述第一电阻、所述第六电感和所述第四电容的第一端都连接所述第二NMOS管的漏极，所述第一电阻和所述第六电感的第二端都接电源电压，所述第四电容的第二端输出射频输出信号。

进一步的改进是，在所述第一NMOS管的源极和栅极之间连接有第五电容。

进一步的改进是，所述第一偏置电路包括：第一电流源、第五NMOS管和第二电阻，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的栅极和所述第一NMOS管的栅极之间连接所述第二电阻，所述第五NMOS管的漏极和栅极相连，所述第一电流源连接在所述第五NMOS管的漏极和电源电压之间。

所述第二偏置电路包括：第二电流源、第六NMOS管和第三电阻，所述第六NMOS管的源极接地，所述第六NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极之间连接所述第三电阻，所述第六NMOS管的漏极和栅极相连，所述第二电流源连接在所述第六NMOS管的漏极和电源电压之间。

本发明能取得如下有益效果：

本发明的第三级放大电路的两个并联的NMOS管分别工作于饱和区和亚阈值区，从而能够使得两个NMOS管的三阶跨导系数的正负值互相抵消从而减少或消除第二级放大电路的三阶跨导系数即本发明能够实现修正型微分叠加(MDS)，从而能提高电路的输入三阶交调截取点(IIP3)、实现三阶非线性的改善，从而能提高电路的线性度。

本发明的第三级放大电路的工作于饱和区的主晶体管即第二NMOS管和工作于亚阈值区的附加晶体管即第三NMOS管的源极反馈电感的大小不同，利用两个源极反馈电感的差异叠加能实现跨导二阶非线性改善、从而能进一步实现电路的线性加强。

本发明的第三级放大电路的附加晶体管是通过加衬底偏置电压并利用衬底偏置效应实现阈值电压漂移，从而实现附加晶体管优化偏置点拓宽。

本发明通过衬底偏置控制能够使附加晶体管偏置于中等反型区从而能降低附加晶体管的栅感应电流噪声并以改善噪声性能。

本发明低噪声放大器采用了电流复用技术，能够得到较小的静态电流，从而能实现低功耗、高增益低噪声放大器。

本发明的耦合电路采用共源管放大器即第四NMOS管，相对于现有技术中采用耦合电容做耦合电路的结构，能够实现等效三级共源放大级联从而提高放大器增益。

本发明的输入级放大电路即第一级放大电路采用了附加的栅源并联电容即第五电容能够降低输入级放大电路的栅感应噪声电流，从而能进一步的改善电路的噪声性能。

总之，本发明电路能够提高线性度、具有较低的功耗、较大的增益并具有较好的噪声性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有电流复用低噪声放大器结构图；

图2是本发明实施例电流复用低噪声放大器结构图；

图3是本发明实施例的第二级放大电路的主晶体管和附加晶体管的三级跨导系数曲线；

图4是本发明实施例的散射参数即S参数和噪声系数(Noise Figure，NF)的仿真曲线；

图5是本发明实施例的线性度的仿真曲线。

具体实施方式

如图2所示，是本发明实施例电流复用低噪声放大器结构图；本发明实施例电流复用低噪声放大器包括：级联的第一级放大电路、第二级耦合放大电路、第三级放大电路、第一偏置电路、第二偏置电路、输出电路。

所述第一级放大电路为输入级放大电路，所述第三级放大电路为输出级放大电路，所述第二级耦合放大电路将所述第一级放大电路的输出端的输出信号放大后耦合连接到所述第三级放大电路的输入端。

所述第一级放大电路包括由第一NMOS管Min形成的源简并电感共源放大器，所述第一NMOS管Min的源极通过第一电感Ls1接地，所述第一电感Ls1为所述第一NMOS管Min的源极反馈电感也即源简并电感，所述第一电感Ls1和第一NMOS管Min的栅源电容之间形成输入谐振网络，并得到一个实阻抗以实现输入阻抗的匹配，由上可知，第一NMOS管Min为源极电感负反馈的共源放大器，能使本发明实施例具有较低的噪声系数。

在所述第一NMOS管Min的源极和栅极之间连接有第五电容Cex。该第五电容Cex为附加的栅源并联电容，能够降低输入级放大电路的栅感应噪声电流，从而能进一步的改善电路的噪声性能。

所述第一NMOS管Min的栅极和射频输入信号RFin之间串联有第一电容Cin和第二电感Lin。所述第一电容Cin具有隔直作用。所述第二电感Lin为输入端的谐振提供了附加的自由度，能调节工作频率并使输入阻抗具有纯电阻特性。

第三电感Liso的第一端连接所述第一NMOS管Min的漏极，第二电容Cgnd的第一端连接所述第三电感Liso的第二端，所述第二电容Cgnd的第二端接地；所述第三电感Liso能够调节所述第一级放大电路的增益。所述第一NMOS管Min的漏极为所述第一级放大电路的输出端。

所述第一偏置电路为所述第一NMOS管Min的栅极提供第一偏置电压。所述第一偏置电路包括：第一电流源I1、第五NMOS管M5和第二电阻Rbias1，所述第五NMOS管M5的源极接地，所述第五NMOS管M5的栅极和所述第一NMOS管Min的栅极之间连接所述第二电阻Rbias1，所述第五NMOS管M5的漏极和栅极相连，所述第一电流源I1连接在所述第五NMOS管M5的漏极和电源电压Vdd之间。所述第五NMOS管M5和所述第一NMOS管Min形成电流镜像关系。

所述第三级放大电路包括第二NMOS管Mmt、第三NMOS管Mat，所述第二NMOS管Mmt和所述第三NMOS管Mat的栅极连接在一起，所述第二偏置电路为所述第二NMOS管Mmt和所述第三NMOS管Mat的栅极提供第二偏置电压，所述第二NMOS管Mmt的栅极连接第三电容Ci的第一端，第四电感Li连接在电源电压Vdd和所述第三电容Ci的第二端之间，所述第三电容Ci的第一端也即所述第二NMOS管Mmt的栅极为所述第三级放大电路的输入端；所述第二NMOS管Mmt和所述第三NMOS管Mat的漏极连接在一起并连接所述输出电路，所述输出电路输出射频输出信号RFout；第五电感Ls2为一个三端电感，所述第五电感Ls2的第一端连接所述第二NMOS管Mmt的源极，所述第五电感Ls2的第二端连接所述第二电容Cgnd的第一端，所述第五电感Ls2的第三端连接所述第三NMOS管Mat的源极，所述第五电感Ls2的第一端和第二端之间的电感最大，所述第五电感Ls2的第三端和第二端之间的电感小于所述第五电感Ls2的最大电感。

所述第二偏置电路包括：第二电流源I2、第六NMOS管M6和第三电阻Rbias2，所述第六NMOS管M6的源极接地，所述第六NMOS管M6的栅极和所述第二NMOS管Mmt的栅极之间连接所述第三电阻Rbias2，所述第六NMOS管M6的漏极和栅极相连，所述第二电流源I2连接在所述第六NMOS管M6的漏极和电源电压Vdd之间。

所述第三NMOS管Mat构成线性度补偿电路，所述第三NMOS管Mat的衬底电极通过第四电阻Rbias3连接到第三衬底偏置电压Vbs。

所述第二级耦合放大电路由第四NMOS管Mi组成，所述第四NMOS管Mi形成一共源放大器，所述第四NMOS管Mi的栅极连接所述第一NMOS管Min的漏极，所述第四NMOS管Mi的漏极连接所述第三电容Ci的第二端，所述第四NMOS管Mi的源极接地。

所述输出电路为由第一电阻Ro、第六电感Lo和第四电容Cout组成的RLC谐振电路，所述第一电阻Ro、所述第六电感Lo和所述第四电容Cout的第一端都连接所述第二NMOS管Mmt的漏极，所述第一电阻Ro和所述第六电感Lo的第二端都接电源电压Vdd，所述第四电容Cout的第二端输出射频输出信号RFout。

本发明实施例采用MDS技术来实现电路的线性增强，图2的虚线框1所示区域为采用MDS技术的区域，所述第二偏置电压使所述第二NMOS管Mmt工作在饱和区并具有负的三阶跨导系数，所述第二NMOS管Mmt为主晶体管；所述第二偏置电压和所述第三衬底偏置电压Vbs的组合使所述第三NMOS管Mat工作在亚阈值区且具有正的三阶跨导系数，所述第三NMOS管Mat为附加晶体管；利用所述第二NMOS管Mmt和所述第三NMOS管Mat的三阶跨导系数的正负值互相抵消减少或消除所述第二级放大电路的三阶跨导系数。

本领域技术人员知道，MOS晶体管的源漏电流为MOS晶体管的跨导即g1和栅源电压即Vgs的积；当由于信号失真而具有非线性时，MOS晶体管的源漏电流还要加上二阶跨导系数即g2和Vgs²的积，以及加上三阶跨导系数即g3和Vgs³的积。对于g3有如下特性：当MOS晶体管工作在饱和区时，g3为负值；当MOS晶体管工作在亚阈值区是，g3为正值。如图3所示，是本发明实施例的第二级放大电路的主晶体管即MT和附加晶体管即AT的三级跨导系数曲线；图3中gm表示跨导即g1，gm〞为跨导的二阶微分即为所述三阶跨导系数g3；可知，主晶体管的三阶跨导系数gm〞随着Vgs的变化有一个正的峰值；而附加晶体管的三阶跨导系数gm〞随着Vgs的变化有一个负的峰值，主晶体管和附加晶体管并联结构即Composite的三阶跨导系数gm〞则有一个由上述的正负峰值相抵消的区域，即图3中的方框2所示区域。

所述本发明实施例利用所述第二NMOS管Mmt和所述第三NMOS管Mat的三阶跨导系数的正负值互相抵消减少或消除所述第二级放大电路的三阶跨导系数，之后增强了电路的线性度。另外，如图2所示，本发明实施例还通过第二NMOS管Mmt的源极所接的电感即源极反馈电感要大于第三NMOS管Mat的源极所接的电感，源极反馈电感的大小不同，利用两个源极反馈电感的差异叠加能实现跨导二阶非线性改善、从而能进一步实现电路的线性加强。

本发明实施例的附加晶体管Mat是通过加衬底偏置电压即第三衬底偏置电压Vbs并利用衬底偏置效应实现阈值电压漂移，从而实现附加晶体管优化偏置点拓宽。本发明实施例的通过衬底偏置控制能够使附加晶体管Mat偏置于中等反型区从而能降低附加晶体管Mat的栅感应电流噪声并以改善噪声性能。

本发明实施例低噪声放大器的第一级放大电路和第二级放大电路采用直流偏置电流共用的电流复用技术，能够得到较小的静态电流，从而能实现低功耗、高增益低噪声放大器。

本发明实施例的耦合电路采用共源管放大器即第四NMOS管Mi，相对于现有技术中采用耦合电容做耦合电路的结构，能够实现等效三级共源放大级联从而提高放大器增益。

本发明实施例的输入级放大电路采用了附加的栅源并联电容即第五电容Cex能够降低输入级放大电路的栅感应噪声电流，从而能进一步的改善电路的噪声性能。

总之，本发明实施例电路能够提高线性度、具有较低的功耗、较大的增益并具有较好的噪声性能。

如图4所示，是本发明实施例的散射参数即S参数和噪声系数的仿真曲线，可知在2.4GHz频率点上实现了24dB的高增益基础上获得了-29dB的反向隔离，输入回损为13.9dB，输出回损为19.5dB，Noise figure仿真结果可知NF＝1.8dB。

图5为线性度仿真曲线，可知输入1dB压缩点即P1db＝-18dBm。输入IIP3＝8.75dBm。仿真结果曲线演示证明了本发明实施例实现了低功耗高增益高线性度低噪声放大器。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电流复用低噪声放大器，其特征在于：电流复用低噪声放大器包括：级联的第一级放大电路、第二级耦合放大电路、第三级放大电路、第一偏置电路、第二偏置电路、输出电路；

所述第一级放大电路为输入级放大电路，所述第三级放大电路为输出级放大电路，所述第二级耦合放大电路将所述第一级放大电路的输出端的输出信号放大后耦合连接到所述第三级放大电路的输入端；

所述第一级放大电路包括由第一NMOS管形成的源简并电感共源放大器，所述第一NMOS管的源极通过第一电感接地，所述第一电感为所述第一NMOS管的源简并电感；所述第一NMOS管的栅极和射频输入信号之间串联有第一电容和第二电感；所述第一偏置电路为所述第一NMOS管的栅极提供第一偏置电压；第三电感的第一端连接所述第一NMOS管的漏极，第二电容的第一端连接所述第三电感的第二端，所述第二电容的第二端接地；所述第一NMOS管的漏极为所述第一级放大电路的输出端；

所述第三级放大电路包括第二NMOS管、第三NMOS管，所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的栅极连接在一起，所述第二偏置电路为所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的栅极提供第二偏置电压，所述第二NMOS管的栅极连接第三电容的第一端，第四电感连接在电源电压和所述第三电容的第二端之间，所述第二NMOS管的栅极为所述第三级放大电路的输入端；所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的漏极连接在一起并连接所述输出电路，所述输出电路输出射频输出信号；第五电感为一个三端电感，所述第五电感的第一端连接所述第二NMOS管的源极，所述第五电感的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第五电感的第三端连接所述第三NMOS管的源极，所述第五电感的第一端和第二端之间的电感最大，所述第五电感的第三端和第二端之间的电感小于所述第五电感的最大电感；

所述第三NMOS管构成线性度补偿电路，所述第三NMOS管的衬底电极连接有第三衬底偏置电压，所述第二偏置电压使所述第二NMOS管工作在饱和区并具有负的三阶跨导系数，所述第二偏置电压和所述第三衬底偏置电压的组合使所述第三NMOS管工作在亚阈值区且具有正的三阶跨导系数，利用所述第二NMOS管和所述第三NMOS管的三阶跨导系数的正负值互相抵消减少或消除所述第三级放大电路的三阶跨导系数。

2.如权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述第二级耦合放大电路由第四NMOS管组成，所述第四NMOS管形成一共源放大器，所述第四NMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的漏极连接所述第三电容的第二端，所述第四NMOS管的源极接地。

3.如权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述输出电路为由第一电阻、第六电感和第四电容组成的RLC谐振电路，所述第一电阻、所述第六电感和所述第四电容的第一端都连接所述第二NMOS管的漏极，所述第一电阻和所述第六电感的第二端都接电源电压，所述第四电容的第二端输出射频输出信号。

4.如权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于：在所述第一NMOS管的源极和栅极之间连接有第五电容。

5.如权利要求1所述的电流复用低噪声放大器，其特征在于：

所述第一偏置电路包括：第一电流源、第五NMOS管和第二电阻，所述第五NMOS管的源极接地，所述第五NMOS管的栅极和所述第一NMOS管的栅极之间连接所述第二电阻，所述第五NMOS管的漏极和栅极相连，所述第一电流源连接在所述第五NMOS管的漏极和电源电压之间；

所述第二偏置电路包括：第二电流源、第六NMOS管和第三电阻，所述第六NMOS管的源极接地，所述第六NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极之间连接所述第三电阻，所述第六NMOS管的漏极和栅极相连，所述第二电流源连接在所述第六NMOS管的漏极和电源电压之间。