CN104883136B - 一种负阻式单端共栅cmos低噪声放大器 - Google Patents

一种负阻式单端共栅cmos低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负阻式共栅CMOS低噪声放大器，属于集成电路领域。该放大器为单端输入/输出结构，包括了输入级、负载级、缓冲输出级、负阻级。此外，第一电流镜、第二电流镜分别为晶体管M1、M4、M5、M6提供静态偏置电流。射频信号电压从输入级输入，转化为信号电流，在负载处转化为电压信号，经缓冲输出级输出信号。本发明可以在较宽的频带内显著提高LNA的增益，改善噪声性能。

Description

一种负阻式单端共栅CMOS低噪声放大器
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种低噪声放大器。
背景技术
随着软件无线电技术的日益广泛应用，近年来业界对宽带收发技术的研发兴趣与日俱增。因为LNA通常是接收机的第一级，其噪声、增益性能至关重要，所以在宽带内的LNA噪声、增益优化问题便成为了宽带接收技术的关键之一。此外，低噪声的获得也不能用大功耗来换取，因为低功耗一直是芯片设计的基本考虑指标。值得注意的是，射频CMOS技术变得日益成熟，在相当宽的频率范围内正逐步取代昂贵的砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族工艺。
回溯过去，宽带低噪声放大器最基本结构为共栅输入方式(即,H.Zhang,“A Low-power,linearized,ultra-wideband LNA design technique,”IEEE Jssc,vol.44,no.2,2009)，如图1所示，因为信号从管子的栅级输入，该节点的电感和寄生电容构成并联谐振网络。具备低Q值和大带宽特点。但是，由于管子的跨导和输入阻抗直接相关联，使得该结构的增益普遍不高，噪声性能也不好。进而，针对差分的共栅输入结构，文献(Ehab AhmedSobhy,et.al,A 2.8-mW sub-2-dB noise-figure inductorless wideband CMOS LNAemploying multiple feedback,IEEE trans.microwave theory techn,vol.59,no.12,2011)使用负阻结构来提升低噪声放大器的增益、噪声性能。如图2所示，在该负阻结构中，主信号支路上，管子的跨导不再和输入阻抗直接相关联，因为负阻管引入了一个设计自由度。这样的话，主管的跨导可以增大以提高电路的增益。同时大的跨导对于降低其噪声贡献也是有利的。文献还引入了一个额外的正反馈支路用于增加设计的自由度。整体上，该结构在不改变输入匹配的条件下，取得了高增益，低噪声性能。然而，对于单端的共栅放大结构，一直缺乏有效的方法来改善其低增益，高噪声的现状。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述单端共栅低噪放结构的缺陷，提出一种即可以提高LNA的增益，降低噪声，并同时兼顾带宽的单端共栅CMOS低噪声放大器(LNA)电路。
本发明是通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种负阻式共栅CMOS低噪声放大器，其结构如图3所示，为单端输入/输出结构，包括输入级、负载级、缓冲输出级、负阻级；
射频信号电压从输入级输入，转化为信号电流，在负载级处转化为电压信号，经缓冲输出级输出信号；负阻级的存在使得流经输入晶体管的信号电流得以放大，利于电路的高增益、低噪声实现；所述低噪声放大器还包括用于提供直流偏置的第一电流镜及第二电流镜；
所述输入级为NMOS晶体管M1，所述负阻级包括PMOS晶体管M5、M6，所述负载级包括电感Ld和电阻Rd，所述缓冲输出级包括NMOS晶体管M3、M4；
其中，NMOS管M1的源极为输入信号端口Vin；NMOS管M1的源极通过扼流电感Ls连接到地，其漏极连接到电感Ld负极，电感Ld正极连接到电阻Rd负极，电阻Rd负极连接到电源VDD；
所述PMOS管M5的源极连接PMOS管M7的漏极，其栅极接地，其漏极连接PMOS管M6的栅极并连接到端口Vin；所述PMOS管M6的漏极接地，其源极连接至PMOS管M5的源极；
所述电感Ld的负极连接到NMOS管M3的栅极，NMOS管M3的漏极连接到电源VDD，NMOS管M3的源极连接到输出端口Vout；所述NMOS管M4的源极接地，其漏极连接到输出端口Vout；
所述第一电流镜由恒流源I1和NMOS晶体管M2构成，为NMOS管M1、M4提供静态偏置电流；恒流源I1的负极连接到NMOS管M2的漏极，NMOS管M2为漏栅短接的二极管连接方式，NMOS管M2的栅级通过电阻Rf连接到NMOS管M1及M4的栅级，NMOS管M1及M4的栅级通过电容Cf连接到地；
所述第二电流镜由恒流源I2和PMOS晶体管M7、M8构成，为PMOS管M5及M6提供静态偏置电流；恒流源I2的负极连接到地，其正极连接到PMOS管M8的漏极，PMOS管M8为漏栅短接的二极管连接方式，PMOS管M8的栅级连接到M7的栅级，M7的漏极连接到PMOS管M5的源极；PMOS管M7、M8的源极均连接至电源VDD；本发明所有晶体管均工作在饱和区。
本发明的有益效果：
本发明可以在一定的带宽范围内显著提高单端CMOS低噪声放大器的增益，降低噪声指数，实现高增益、低噪声的同时兼顾带宽。
附图说明
图1是传统的共栅低噪声放大器电路原理图；
图2是现有的差分共栅低噪声放大器的电路原理图；
图3是本发明一种负阻式单端共栅CMOS低噪声放大器电路的原理图；
图4是本发明电路和传统共栅低噪声放大器增益对比曲线；
图5是本发明电路和传统共栅低噪声放大器噪声对比曲线；
图6是本发明一种负阻式单端共栅CMOS低噪声放大器电路IIP3结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例
本实施例提供的LNA电路采用0.18μm RF CMOS工艺实现，并和传统的单端低噪放做性能对比。所述两个低噪放的负载电阻和电感相同，分别为300Ω，3.8nH，两个电路的主信号路径电流均为1.8mA，以保证负载输出处电压净空相等，线性度相当。在1.8V电源电压下，芯片偏置电流仅为5.8mA。图4给出了两个LNA电路的增益对比。特别地，在低频率点0.5GHz处，负阻单端LNA的增益测量值达到了13.4dB，而传统共栅LNA的增益只有约10.3dB。即增益提高了约3dB。虽然引入负阻后，低噪放的带宽有所退化,但其带宽依然有4GHz。图5给出了噪声指数结果，在整个带内，传统共栅结构最小噪声指数为4.8dB。而负阻共栅低噪放噪声指数在4GHz处最大值为3.3dB。采用等幅双音1.0GHz、1.1GHz的测试信号，如图6所示，负阻共栅低噪放的IIP3为-0.4dBm。以上仿真结果表明，对比传统结构，该单端负阻式LNA取得好的噪声和增益，适合宽带接收前段应用场合。
本实施例LNA可以看作一个两级放大器，共栅输入级提供输入阻抗匹配，缓冲输出级用于提供输出匹配，并提高输入输出隔离度，该低噪声放大器性能的提高是基于一种负阻的信号增强技术。
使用小信号分析，负阻级的有效电导如下：
这里，gm5和gm6是M5M6的跨导；Cgs5Cgs6为管子M5、M6的栅源寄生电容。如果有gm5＝m6＝gm5,6，在低频情况下，公式简化为-gm5,6/2。负阻级的有效电纳为：
其在高频下简化为jωCgs5,6/2。通过扼流电感Ls的并联谐振，负阻级的寄生电容对于电路的匹配带宽影响可以降低。
进而，输入阻抗匹配的条件为gm1＝(1-Gm,effRs)/Rs。于是得出LNA的电压增益为:
其中，ZL是负载电阻，即Rd+jωLd。而Ld的作用是用来改善高频下增益的跌落。而传统共栅低噪放的增益为ZL/Rs。可以看出，由于负阻的贡献项gm5,6Rs/2,输入管的跨导gm1取值可以增加，LNA的增益得以改善。仿真结果表明,LNA的噪声指数相应降低。此外，根据回损比例(RR)方法，其RR表达式可以推导出：
可以看出，由于-gm1a/2gm2趋近于零而远大于-1，该LNA的稳定性很好的得到保证。
综上所述，本发明提供的基于负阻原理的单端共栅低噪声放大器具备在一定带宽内的增益、噪声改良优势，而传统的单端共栅结构，其增益、噪声相比均处于劣势。

Claims (3)

1.一种负阻式共栅CMOS低噪声放大器，为单端输入/输出结构，其特征在于，包括输入级、负载级、缓冲输出级、负阻级；射频信号电压从输入级输入转化为信号电流，再经过负载级转化为电压信号，经缓冲输出级输出信号；所述负阻级连接于所述低噪声放大器的信号输入端，其作用是使流经的信号电流得以放大，利于实现电路的高增益、低噪声。
2.根据权利要求1所述的负阻式共栅CMOS低噪声放大器，其特征在于，还包括第一电流镜和第二电流镜；所述输入级为NMOS管M1，所述负阻级包括PMOS管M5、M6，所述负载级包括电感Ld和电阻Rd，所述缓冲输出级包括NMOS管M3、M4；所述第一电流镜由恒流源I1和NMOS管M2构成，所述第二电流镜由恒流源I2和PMOS管M7、M8构成；
其中，NMOS管M1的源极为输入信号端口Vin；所述NMOS管M1的源极通过扼流电感Ls连接到地，其漏极连接到电感Ld负极，电感Ld正极连接到电阻Rd负极，电阻Rd负极连接到电源VDD；
所述PMOS管M5的源极连接PMOS管M7的漏极，其栅极接地，其漏极连接PMOS管M6的栅极并连接到端口Vin；所述PMOS管M6的漏极接地，其源极连接至PMOS管M5的源极；
所述电感Ld的负极连接到NMOS管M3的栅极，NMOS管M3的漏极连接到电源VDD，NMOS管M3的源极连接到输出端口Vout；所述NMOS管M4的源极接地，其漏极连接到输出端口Vout；
所述第一电流镜为NMOS管M1、M4提供静态偏置电流；恒流源I1的负极连接到NMOS管M2的漏极，NMOS管M2为漏栅短接的二极管连接方式，NMOS管M2的栅级通过电阻Rf连接到NMOS管M1及M4的栅级，NMOS管M1及M4的栅级通过电容Cf连接到地；
所述第二电流镜为PMOS管M5及M6提供静态偏置电流；恒流源I2的负极连接到地，其正极连接到PMOS管M8的漏极，PMOS管M8为漏栅短接的二极管连接方式，PMOS管M8的栅级连接到M7的栅级，M7的漏极连接到PMOS管M5的源极；PMOS管M7、M8的源极均连接至电源VDD。
3.根据权利要求2所述的负阻式共栅CMOS低噪声放大器，其特征在于，所有晶体管均工作在饱和区。
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