CN105656433B - 低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明基于CMOS硅基工艺实现了一种全差分无电感宽带低噪声放大器，由输入匹配电路、噪声消除电路两级组成主要信号通路。第一级为输入匹配级，利用输出端与输入端之间的电阻负反馈实现宽带输入匹配，并提供一定增益。第二级为噪声消除级，利用输入级的输入端和输出端信号反相、噪声同相的特点，实现信号放大与噪声抵消。噪声消除电路通过共源放大器与电流镜电路的组合，使得两路信号叠加，噪声抵消。为实现最佳的噪声消除特性，需要进行电流镜参数与放大器跨导设计。本发明在输入匹配、噪声、带宽方面性能良好，且电路结构简单，芯片面积小，便于集成。

Description

低噪声放大器
技术领域
本发明属于无线通信领域及微电子学领域，更具体的说，涉及一种低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器(LNA)作为射频接收机的第一级模块，是无线通信系统中不可或缺的模块。它主要实现对信号的初始放大，同时保证整个接收系统的噪声特性及接收信号功率范围。目前成熟的低噪声放大器一般采用较多无源器件，在集成电路实现中，无源器件性能较差，占用较大面积，而且片上电感的模型与精度受工艺影响较大，仿真性能可能与实际情况有较大偏差；高性能低噪声放大器一般采用GaAs、InP等MMIC工艺，与Si工艺相比成本较高，且不利用射频电路与数字电路的集成。
因此，基于CMOS硅基工艺的低噪声放大器具有重要的研究及商业意义，而无源器件的减少甚至省略成为一种新的设计方向。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于CMOS硅基工艺的全差分无电感宽带低噪声放大器。
本发明一方面公开了一种低噪声放大器，包括：
输入匹配模块，所述的输入匹配模块由NMOS管和PMOS管构成，以及位于输出节点和输入节点之间的反馈电阻；
噪声消除模块，与所述输入匹配模块级联，包括由NMOS管和PMOS 管构成共源放大器，以及由PMOS管构成的电流镜。
进一步的，其中所述的第一匹配模块由输入NMOS管的Mn1、Mn2与输入PMOS管Mp1、Mp2构成，并由反馈电阻Rf、Rf2实现匹配。
进一步的，所述共源放大器包括由NMOS管Mn11、Mn13与PMOS管Mp11构成的第一共源放大器，由NMOS管Mn12与PMOS管Mp12构成的第二共源放大器；
所述电流镜模块由PMOS管Mp11与Mp12构成。
进一步的，所述第一共源放大器采用共源共栅结构，所述第二放大器采用共源结构。
进一步的，所述输入匹配模块被配置成具有差分结构的输入匹配模块。
进一步的，所述的噪声消除模块被配置成具有差分结构的噪声消除模块。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构框图；
图2为输入匹配级单端形式电路原理图；
图3为输入匹配级差分形式电路原理图；
图4为基于共源放大器与电流镜结构的噪声消除电路；
图5为类差分结构的噪声消除电路；
图6为差分形式的噪声消除电路；
图7为单端形式的低噪声放大器完整电路；
图8为差分形式的低噪声放大器完整电路。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。
下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所采用的是两级电路模块级联而成，即包括输入匹配级电路模块和噪声消除级电路模块，其中输入匹配级电路模块主要实现的是输入匹配，并提供一定的增益。噪声消除级电路模块主要是在放大信号的同时实现噪声抵消消除。
接下来结合附图对所述两级电路模块进行详细的描述：
附图2示意性地示出输入匹配级的单端形式的电路结构。如图所示，所述的输入匹配级电路是由输入NMOS管Mn与输入PMOS管Mp组成，并由尾电流源偏置电路。通过输出节点与输入节点之间的反馈电阻Rf1，构成负反馈环路，实现了阻抗匹配。其输入阻抗为：
其中，Rf1为反馈电阻阻值，A为输入级电压增益，gmn和gmp分别表示NMOS管和PMOS管的跨导。
由Rin的表达式可知，该结构实现的输入阻抗在增益出现高频衰减前，可实现与频率无关的输入阻抗。即当f<fc时，输入阻抗不变，其中f为频率变 量，fc为放大器增益衰减3dB时的频率。因此，该结构可实现理想的宽带匹配。
该电路在实现阻抗匹配的同时，也能够提供一定增益，即V-节点实现反相放大。考虑V+节点与V-节点，可以注意到，这两个节点之间信号是反相的，而噪声为同相的，因此，通过信号的反相叠加与噪声的同相抵消，可以同时实现信号的放大与噪声的消除。
附图2所示的是单端形式的电路结构，本发明进一步可提供将输入匹配级电路配置成差分结构形式的电路，如附图3所示，在单端形式电路的基础上又提供一个差分形式电路，通过PMOS管Mptail提供尾电路与虚地点，构成一个差分形式的输入匹配级电路，实现对差分信号的匹配与放大。
附图4示出基于共源放大器与电流镜结构的噪声消除电路，其中，NMOS管Mn1与PMOS管Mp1构成共源放大器，NMOS管Mn2与PMOS管Mp2构成共源放大器，PMOS管Mp1与Mp2构成电流镜。
图中输入端V+和V-与第一级相对应，两节点的信号为反相，而噪声为同相。考虑V+节点信号电压上升，噪声电压上升；V-节点信号电压减小，噪声电压上升；则对于信号，Mn1支路电流增大，通过电流镜镜像至Mp2支路电流增大，即流入Vout节点电流增大；Mn2支路电流减小，即从Vout节点流出电流减小，从而使得流入Vout节点电流同相增大，即实现信号的同相叠加。而对于噪声，通过Mn1支路镜像至Mp2的电流增大，Mn2引起的支路电流也增加，从而使得Vout节点电流噪声相抵消，实现了噪声消除。
为了实现满意的噪声消除特性，设计中需要使得输出节点的噪声为同增益反相叠加。即满足
其中，gmn1与gmn2分别为NMOS管Mn1与Mn2的跨导，Noise(V-)与Noise(V+)分别表示V-结点与V+结点的噪声，参数k为电流镜PMOS管的宽长比的比值，即
为电流镜的比例系数，其中Lp1、Lp2与Wp1、Wp2分别Mp1与Mp2的栅长及栅宽；一般电流镜取相同的栅长，即Lp1＝Lp2。
按照以上规则设计，可以保证输出节点的噪声等增益反相叠加，从而实现噪声抵消，得到足够低的噪声特性。
在附图4所示的电路结构基础上，附图5提供了一个类差分结构的噪声消除电路，通过增加NMOS管Mntail提供尾电流源。同时，为了提高增益，接入电流镜单元主支路的放大器采用共源共栅结构，即在接入电流镜单元主支路上增加NMOS管Mn3。另外一端由于输入信号幅度较大，需要增益较小，为了保证足够输出摆幅，仍采用简单共源结构。
进一步的，将单端结构转换为差分结构，如附图6所示，他通过对尾电流连接方式进行改进，可得到全差分结构的噪声消除电路。其中V1+与V2+为等幅差分信号，V1-与V2-为等幅差分信号，因此，在为电流源漏端可实现理想虚地点，构成全差分结构。
附图7和附图8示出了输入匹配级电路与噪声消除电路之间的连接方式，如图所示，两个电路之间采用级联的方式连接在一起构成带宽低噪声电路，连接方式是V+与V-相连，V-与V-相连，其中附图7所示的结构式单端结构，附图8所示的结构式差分结构。
按照上述设计，实现了全差分无电感宽带低噪声放大器的设计。
针对L波段，即950-2150MHz的宽带频率进行设计。本发明可实现S11< -10dB，S21>10dB，达到了宽带匹配与宽带放大；噪声系数NF可达到2.5dB以下。且电路结构较为简单，没有使用电感，整个芯片面积小，便于集成。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种低噪声放大器，包括：
输入匹配模块，所述的输入匹配模块由NMOS管和PMOS管构成，以及位于输出节点和输入节点之间的反馈电阻；
噪声消除模块，与所述输入匹配模块级联，包括由NMOS管和PMOS管构成共源放大器，以及由PMOS管构成的电流镜；
输入阻抗为：
其中，Rf1为反馈电阻阻值，A为输入级电压增益，gmn和gmp分别表示NMOS管和PMOS管的跨导；
输出节点的噪声为同增益反相叠加，满足
其中，gmn1与gmn2分别为NMOS管Mn1与Mn2的跨导，Noise(V-)与Noise(V+)分别表示V-结点与V+结点的噪声，参数k为电流镜PMOS管的宽长比的比值，即
为电流镜的比例系数，其中Lp1、Lp2与Wp1、Wp2分别Mp1与Mp2的栅长及栅宽；一般电流镜取相同的栅长，即Lp1＝Lp2。
2.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，其中所述的输入匹配模块由输入NMOS管的Mn1、Mn2与输入PMOS管Mp1、Mp2构成，并由反馈电阻Rf、Rf2实现匹配。
3.如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配模块被配置成具有差分结构的输入匹配模块。
4.如权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，所述的噪声消除模块被配置成具有差分结构的噪声消除模块。
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