CN105375890A - 低噪声放大器 - Google Patents

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CN105375890A CN201410410265.9A CN201410410265A CN105375890A CN 105375890 A CN105375890 A CN 105375890A CN 201410410265 A CN201410410265 A CN 201410410265A CN 105375890 A CN105375890 A CN 105375890A
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Abstract

本发明提供一种低噪声放大器，至少包括：第一放大管、第二放大管、第三放大管、第四放大管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第二电阻以及多个电容；所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管及所述第四放大管形成交叉耦合结构的放大电路，用于放大输入信号；所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源、所述第四电流源用于给电路提供直流偏置电流；所述第一电阻及所述第二电阻用于调节各电流源以改变所述直流偏置电流的大小。本发明的低噪声放大器功耗低、电路结构简化、耦合电容对信号的恶化作用小、线性度高。

Description

低噪声放大器
技术领域
本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(LNA，LowNoiseAmplifier)一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由于各类无线电接收机及电子探测设备电池供电的特点，作为射频接收机前端主要部分的低噪声放大器设计必须将低功耗放在首位，而影响低噪声放大器性能优劣的重要指标除了功耗外，噪声系数、增益、阻抗匹配、线性度等也是衡量其性能优劣的重要指标。因此，设计出在低功耗的前提下，兼顾其他性能指标的低噪声放大器具有重要意义。
NMOS和PMOS直流电流复用是目前比较常用的一种降低功耗的直观方法，但是这种结构存在三方面的缺陷：1、NMOS和PMOS的漏端相连，需要共模反馈电路(CMFB，CommonModeFeedback)来确定直流电压，电路结构相对复杂、繁琐；2、信号通过多种路径进入电路中，不可避免使用电容耦合，但是电容值过小时，低频信号通过耦合电容时就会有严重的衰减，甚至不能通过，导致信号恶化，而电容值过大会增加电路的面积；3、多级电路层叠，每一级的电压余度降低，造成线性度的恶化。
公开号为CN103095223A的专利公开了一种射频低噪声放大器1，如图1所示，所述射频低噪声放大器1包括作为主放大器的差分共栅电路11以及为增加主放大器跨导的差分交叉耦合共栅电路12。所述射频低噪声放大器1采用差分共栅电路11和差分交叉耦合共栅电路12相结合的方法，由PMOS(M3及M4)和电阻(RL3及RL4)组成的差分交叉耦合共栅电路12将输入信号放大并反馈到由NMOS(M1及M2)和电阻(RL1及RL2)组成的差分共栅电路11的NMOS管M1、M2的栅端，从而有效提升差分共栅电路11的小信号跨导，达到增大增益和减小噪声的作用。此外，所述射频低噪声放大器1通过NMOS(M1及M2)和PMOS(M3及M4)源端相连，漏端分别接各自的负载阻抗解决了共模反馈电路的问题；同时，输入信号通过NMOS和PMOS的源端相连处进入到电路中，耦合电容的影响也非常小。但是所述射频低噪声放大器1的线性度很差，没有解决线性度的问题。
因此，在低功耗的前提下，进一步优化低噪声放大器的性能：简化电路结构(不需要复杂的共模反馈电路来确定直流电压)、减小耦合电容对于信号的影响、提高线性度，已成为本领域的技术人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低噪声放大器，用于解决现有技术中直流电流复用结构的低噪声放大器电路结构复杂、耦合电容影响信号、线性度低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低噪声放大器，所述低噪声放大器至少包括：第一放大管、第二放大管、第三放大管、第四放大管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第二电阻以及多个电容；
所述第一放大管的栅端通过第一电容连接至输入信号的正端，源端通过第二电容连接至输入信号的负端；所述第二放大管的栅端通过第三电容连接至所述输入信号的负端，源端通过第四电容连接至所述输入信号的正端；所述第三放大管的栅端通过第五电容连接至所述输入信号的正端，源端通过第六电容连接至所述输入信号的负端；所述第四放大管的栅端通过第七电容连接至所述输入信号的负端，源端通过第八电容连接至所述输入信号的正端；所述第一放大管的漏端与所述第三放大管的漏端相连，并作为输出信号的正端；所述第二放大管的漏端与所述第四放大管的漏端相连，并作为输出信号的负端；所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管及所述第四放大管形成交叉耦合结构的放大电路，用于放大输入信号；
所述第一电流源的源端连接于电源，漏端连接于所述第一放大管的源端；所述第二电流源的源端连接于电源，漏端连接于所述第二放大管的源端；所述第三电流源的源端连接于地，漏端连接于所述第三放大管的源端；所述第四电流源的源端连接于地，漏端连接于所述第四放大管的源端；所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源、所述第四电流源用于给电路提供直流偏置电流；
所述第一电阻的一端连接于所述输出信号的正端，另一端连接于所述输入信号的正端，所述第二电阻的一端连接于所述输出信号的负端，另一端连接于所述输入信号的负端，用于调节各电流源以改变所述直流偏置电流的大小。
优选地，所述第一放大管、所述第二放大管、所述第一电流源以及所述第二电流源为P型晶体管。
优选地，所述第三放大管、所述第四放大管、所述第三电流源以及所述第四电流源为N型晶体管。
优选地，所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管、所述第四放大管、所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源以及所述第四电流源为BJT型晶体管、JFET型晶体管或MOSFET型晶体管。
优选地，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容、所述第六电容、所述第七电容及所述第八电容的类型为MIM电容、PIP电容或MOM电容。
优选地，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容、所述第六电容、所述第七电容及所述第八电容的容量值均相等。
优选地，所述第一电阻与所述第二电阻为多晶硅电阻。
优选地，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值小于4.5KΩ。
优选地，所述输入信号及所述输出信号为两组差分信号。
如上所述，本发明的低噪声放大器，具有以下有益效果：
1、通过负反馈电阻连接放大管的漏端和栅端，构建自偏置电路，无需使用共模反馈电路来确定直流电压，简化电路结构。
2、正反馈环路为交流信号提供了到地的通路，从而减小了耦合电容对于信号的恶化，进而提高低频段的增益，降低噪声。
3、反馈电阻阻值小于4.5KΩ，能有效降低电路的输出阻抗，而线性度与输出阻抗成反比，因此电阻负反馈结构提高了电路的线性度。
附图说明
图1显示为现有技术中的射频低噪声放大器示意图。
图2显示为本发明的低噪声放大器示意图。
图3显示为本发明的低噪声放大器的输入三阶交调点的示意图。
图4显示为本发明的低噪声放大器低频段增益与现有技术的低噪声放大器低频段增益比较的示意图。
元件标号说明
1射频低噪声放大器
11差分共栅电路
12差分交叉耦合共栅电路
2低噪声放大器
PM1第一放大管
PM2第二放大管
PM3第一电流源
PM4第二电流源
NM1第三放大管
NM2第四放大管
NM3第三电流源
NM4第四电流源
CP1第一电容
CP2第二电容
CP3第三电容
CP4第四电容
CP5第五电容
CP6第六电容
CP7第七电容
CP8第八电容
R1第一电阻
R2第二电阻
Vin+输入信号的正端
Vin-输入信号的负端
Vout+输出信号的正端
Vout-输出信号的负端
VDD电源
GND地
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供一种低噪声放大器2，所述低噪声放大器2至少包括：
第一放大管PM1、第二放大管PM2、第三放大管NM1、第四放大管NM2、第一电流源PM3、第二电流源PM4、第三电流源NM3、第四电流源NM4、第一电阻R1、第二电阻R2以及多个电容。
所述第一放大管PM1的栅端通过第一电容CP1连接至输入信号的正端Vin+，源端通过第二电容CP2连接至输入信号的负端Vin-；所述第二放大管PM2的栅端通过第三电容CP3连接至所述输入信号的负端Vin-，源端通过第四电容CP4连接至所述输入信号的正端Vin+；所述第三放大管NM1的栅端通过第五电容CP5连接至所述输入信号的正端Vin+，源端通过第六电容CP6连接至所述输入信号的负端Vin-；所述第四放大管NM2的栅端通过第七电容CP7连接至所述输入信号的负端Vin-，源端通过第八电容CP8连接至所述输入信号的正端Vin+；所述第一放大管PM1的漏端与所述第三放大管NM1的漏端相连，并作为输出信号的正端Vout+；所述第二放大管PM2的漏端与所述第四放大管NM2的漏端相连，并作为输出信号的负端Vout-；所述第一放大管PM1、所述第二放大管PM2、所述第三放大管NM1及所述第四放大管NM2形成交叉耦合结构的放大电路，用于放大输入信号。
所述第一电流源PM3的源端连接于电源VDD，漏端连接于所述第一放大管PM1的源端；所述第二电流源PM4的源端连接于电源VDD，漏端连接于所述第二放大管PM2的源端；所述第三电流源NM3的源端连接于地GND，漏端连接于所述第三放大管NM1的源端；所述第四电流源NM4的源端连接于地GND，漏端连接于所述第四放大管NM2的源端；所述第一电流源PM3、所述第二电流源PM4、所述第三电流源NM3、所述第四电流源NM4用于为电路提供直流偏置电流。
所述第一电阻R1的一端连接于所述输出信号的正端Vout+，另一端连接于所述输入信号的正端Vin+，所述第二电阻R1的一端连接于所述输出信号的负端Vout-，另一端连接于所述输入信号的负端Vin-，用于调节各电流源以改变所述直流偏置电流的大小。
所述第一放大管PM1与所述第二放大管PM2为同种类型的晶体管，可以是P型BJT晶体管、P型JFET晶体管或P型MOSFET晶体管。如图2所示，在本实施例中，所述第一放大管PM1与所述第二放大管PM2为P型MOSFET晶体管。
所述第三放大管NM1与所述第四放大管NM2为同种类型的晶体管，可以是N型BJT晶体管、N型JFET晶体管或N型MOSFET晶体管。如图2所示，在本实施例中，所述第三放大管NM1与所述第四放大管NM2为N型MOSFET晶体管。
所述第一电流源PM3与所述第二电流源PM4为同类型的晶体管，可以是P型BJT晶体管、P型JFET晶体管或P型MOSFET晶体管。如图2所示，在本实施例中，所述第一电流源PM3与所述第二电流源PM4为P型MOSFET晶体管。
所述第三电流源NM3与所述第四电流源NM4为同类型的晶体管，可以是N型BJT晶体管、N型JFET晶体管或N型MOSFET晶体管。如图2所示，在本实施例中，所述第三电流源NM3与所述第四电流源NM4为N型MOSFET晶体管。
所述第一电容CP1、所述第二电容CP2、所述第三电容CP3、所述第四电容CP4、所述第五电容CP5、所述第六电容CP6、所述第七电容CP7及所述第八电容CP8的类型为MIM电容、PIP电容或MOM电容。在本实施例中，各电容为PIP电容。在本实施例中，设置各电容的容量值均相等，则可以将电容做相应的合并，以减少电容的数量；例如，可以通过所述第一电容CP1将所述输入信号的正端Vin+连接至所述第一放大管PM1的栅端、所述第二放大管PM2的源端、所述第三放大管NM1的栅端、所述第四放大管NM2的源端，去除所述第四电容CP4、所述第五电容CP5、所述第八电容CP8；可以通过所述第二电容CP2将所述输入信号的负端Vin-连接至所述第一放大管PM1的源端、所述第二放大管PM2的栅端、所述第三放大管NM1的源端、所述第四放大管NM2的栅端，去除所述第三电容CP3、所述第六电容CP6、所述第七电容CP7。各电容为耦合电容，用于将输入信号耦合至所述低噪声放大器2的各输入端，可有效隔断直流通过交流，对信号进行滤波，提高所述低噪声放大器2的增益，降低噪声。
所述第一电阻R1与所述第二电阻R2为同种类型的电阻，在本实施例中，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2为多晶硅电阻。所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的阻值相等，且小于4.5KΩ，在本实施例中，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的阻值设定为1KΩ。所述第一电阻R1的一端连接于所述第一放大管PM1与所述第三放大管NM1的漏端；另一端连接至所述第一电流源PM3与所述第三电流源NM3的栅端，并通过所述第一电容CP1和所述第五电容CP5连接至所述第一放大管PM1与所述第三放大管NM1的栅端；所述第一电阻R1形成自偏置结构，将所述第一放大管PM1与所述第三放大管NM1的漏端相连处的电压反馈给所述第一电流源PM3与所述第三电流源NM3的栅端作为偏置电压，以此控制所述第一电流源PM3与所述第三电流源NM3的导通和关断，调节电路通路中的直流偏置电流的大小，以保证所述低噪声放大器2工作在正常放大状态下。同时，所述第一电阻R1还通过所述第一电容CP1和所述第五电容CP5将电压反馈至所述第一放大管PM1与所述第三放大管NM1的栅端形成负反馈电路，大大提高了电路的输入三阶交调点IIP3，进而提高了所述低噪声放大器2的线性度。
如图3所示，本发明的低噪声放大器2的输入三阶交调点IIP3在0.5GHz时高于3.5dBm，随频率的增加而下降，当频率上升至3.5GHz时输入三阶交调点IIP3约为2.0dBm。评价线性度的指标有输入/输出1dB压缩点(IP1dB/OP1dB)和输入/输出三阶交调点(IIP3/OIP3)，其中IIP3能直接反映交调情况，所以常用输入三阶交调点IIP3来衡量低噪声放大器的线性度。所述输入三阶交调点IIP3越高，对应的1dB压缩点也越高，低噪声放大器的线性工作范围越大，其抗交调干扰的能力越强。因此，为了准确阐述本发明的低噪声放大器在线性度上的性能优劣，在本实施例中以所述输入三阶交调点IIP3的高低来表征所述低噪声放大器2的线性度高低。
所述第二电阻R2的一端连接于所述第二放大管PM2与所述第四放大管NM2的漏端；另一端连接至所述第二电流源PM4与所述第四电流源NM4的栅端，并通过所述第三电容CP3和所述第七电容CP7连接至所述第二放大管PM2与所述第四放大管NM2的栅端；所述第二电阻R2的作用与所述第一电阻R1一致。
所述输入信号与所述输出信号为两组差分信号，所述输入信号的正端电压和所述输入信号的负端电压幅值相等，相位相反；所述输出信号的正端电压和所述输出信号的负端电压幅值相等，相位相反。
本发明的低噪声放大器2中，差分输入信号通过各电容耦合至各放大管的栅端及源端，并从各放大管的漏端输出差分输出电压；通过电阻R1及R2反馈回来的偏置电压来控制各电流源的到导通和关断，以此给电路提供直流偏置电流，是电路稳定在正常工作范围内。
本发明的低噪声放大器2将PMOS和NMOS串联连接，形成NMOS和PMOS直流电流复用结构，使直流电流大大减小，进而降低功耗。
本发明的低噪声放大器2通过电阻R1及R2的反馈构建自偏置电路，无需使用共模反馈电路来确定直流电压，简化电路结构。同时，电阻R1、R2的阻值均小于4.5KΩ，能有效降低电路的输出阻抗，而线性度与输出阻抗成反比，因此电阻负反馈结构提高了电路的线性度。
本发明的低噪声放大器2包括4条正反馈环路。输入电压的正端Vin+经过第三电流镜NM3的栅端到达漏端时被反向放大，反向放大后的相位和输入电压的负端Vin-相位相同，从而构成了正反馈；同理，还包括输入电压的正端Vin+经过第一电流镜PM3的栅端到达漏端时被反向放大，反向放大后的相位和输入电压的负端Vin-相位相同，从而构成了正反馈；输入电压的负端Vin-经过第四电流镜NM4的栅端到达漏端时被反向放大，反向放大后的相位和输入电压的正端Vin+相位相同，从而构成了正反馈；输入电压的负端Vin-经过第二电流镜PM4的栅端到达漏端时被反向放大，反向放大后的相位和输入电压的正端Vin+相位相同，从而构成了正反馈；多条正反馈环路为交流信号提供了到地的通路，从而减小了耦合电容对于信号的恶化，进而提高低频段的增益，降低噪声。如图4所示，实线为本发明的低噪声放大器2的低频段增益，虚线为现有技术中的低噪声放大器的低频段增益，由图4可知，现有技术中的低噪声放大器的低频段增益从0dB上升，当频率达到1GHz时升至15dB，并趋于稳定；而本发明的低噪声放大器2的低频段增益从0GHz时就略低于15dB，当频率达到1GHz时基本稳定，且高于现有技术中的低噪声放大器的低频段增益。
综上所述，本发明提供一种低噪声放大器，所述低噪声放大器至少包括：第一放大管、第二放大管、第三放大管、第四放大管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第二电阻以及多个电容；所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管及所述第四放大管形成交叉耦合结构的放大电路，用于放大输入信号；所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源、所述第四电流源用于为电路提供直流偏置电流；所述第一电阻及所述第二电阻用于调节各电流源以改变所述直流偏置电流的大小。本发明的低噪声放大器采用NMOS和PMOS直流电流复用结构，使直流电流大大减小，进而降低功耗；电阻反馈构成自偏置电路结构，无需使用共模反馈电路来确定直流电压，简化电路结构，同时反馈电阻阻值小，能有效降低电路的输出阻抗，而线性度与输出阻抗成反比，因此电阻负反馈结构提高了电路的线性度；采用多条正反馈环路，为交流信号提供到地的通路，从而减小了耦合电容对于信号的恶化，进而提高低频段的增益，降低噪声。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器至少包括：
第一放大管、第二放大管、第三放大管、第四放大管、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、第一电阻、第二电阻以及多个电容；
所述第一放大管的栅端通过第一电容连接至输入信号的正端，源端通过第二电容连接至输入信号的负端；所述第二放大管的栅端通过第三电容连接至所述输入信号的负端，源端通过第四电容连接至所述输入信号的正端；所述第三放大管的栅端通过第五电容连接至所述输入信号的正端，源端通过第六电容连接至所述输入信号的负端；所述第四放大管的栅端通过第七电容连接至所述输入信号的负端，源端通过第八电容连接至所述输入信号的正端；所述第一放大管的漏端与所述第三放大管的漏端相连，并作为输出信号的正端；所述第二放大管的漏端与所述第四放大管的漏端相连，并作为输出信号的负端；所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管及所述第四放大管形成交叉耦合结构的放大电路，用于放大输入信号；
所述第一电流源的源端连接于电源，漏端连接于所述第一放大管的源端；所述第二电流源的源端连接于电源，漏端连接于所述第二放大管的源端；所述第三电流源的源端连接于地，漏端连接于所述第三放大管的源端；所述第四电流源的源端连接于地，漏端连接于所述第四放大管的源端；所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源、所述第四电流源用于给电路提供直流偏置电流；
所述第一电阻的一端连接于所述输出信号的正端，另一端连接于所述输入信号的正端，所述第二电阻的一端连接于所述输出信号的负端，另一端连接于所述输入信号的负端，用于调节各电流源以改变所述直流偏置电流的大小。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一放大管、所述第二放大管、所述第一电流源以及所述第二电流源为P型晶体管。
3.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第三放大管、所述第四放大管、所述第三电流源以及所述第四电流源为N型晶体管。
4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一放大管、所述第二放大管、所述第三放大管、所述第四放大管、所述第一电流源、所述第二电流源、所述第三电流源以及所述第四电流源为BJT型晶体管、JFET型晶体管或MOSFET型晶体管。
5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容、所述第六电容、所述第七电容及所述第八电容的类型为MIM电容、PIP电容或MOM电容。
6.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第四电容、所述第五电容、所述第六电容、所述第七电容及所述第八电容的容量值均相等。
7.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一电阻与所述第二电阻为多晶硅电阻。
8.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述第一电阻与所述第二电阻的阻值小于4.5KΩ。
9.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于：所述输入信号及所述输出信号为两组差分信号。
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