CN105720928B - 一种两级差动低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种两级差动低噪声放大器，在满足增益、匹配前提下，同时具有低噪声系数、高线性度。第一级差动放大器中，第一CS放大器与第二CS放大器通过交叉耦合式晶体管结构连接，第一CS放大器和第二CS放大器作为差动输入级；第一级差动放大器中的第一CS放大器通过电容耦合到第二级差动放大器中的第三CS放大器，第一级差动放大器中的第二CS放大器通过电容耦合到第二级差动放大器中的第四CS放大器，使得信号在缓冲级前叠加，从而噪声以及三阶交调项在缓冲级前抵消；缓冲器与第二级差动放大器的输出端相连接作为输出匹配。

Description

一种两级差动低噪声放大器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及可用于射频接收机中的一种低噪声放大器。

背景技术

蜂窝通信系统朝着增加的数据传输率和容积率(traffic volumes)迅速发展，与之相应的射频带宽数目和支持蜂窝通信的标准也在增加。为了增加的数据传输率通过多输入多输出(MIMO)实现，为适应这种通信的复杂度，多种天线技术被采用。如果使用传统的窄带接收，则需要若干个并行的接收前端一起使用，导致芯片面积以及芯片周围的外部器件增加。因此传统的窄带接收会逐渐丧失其吸引力。因此，寻找其他接收机结构提供宽频带工作范围，高线性度，同时满足其他重要指标来减小成本和芯片尺寸很有必要。

线性度是接收机的一个很重要的指标，随着通信网络的traffic volumes增加，其他接收发射系统的信号会引起更多的interference，因此线性度也会越来越重要。声表面滤波器SAW由于其通带和阻带之间的陡峭变化而具有很好的频率选择性，所以经常被用在蜂窝接收机中来抑制带外干扰。这些SAW通过片外实现，增加了bill of material(BOM)，尤其当频带增加时，每一个频带都需要一个SAW，成本也会显著地增加。随着多个频带的使用，很希望放宽对滤波器的要求来减小成本，这就需要接收机有较高的线性度。

通常接收机的第一级模块电路为低噪声放大器LNA (Low Noise Amplifier)，为保证最大的功率传输LNA对前端的天线和射频滤波器都要表现为一个50Ω的负载特性，由于后端模块引入的噪声对已被第一级放大的信号来说相对较小，从而整个射频通道的噪声性能也主要由这第一级电路的指标噪声系数和增益来决定，可以说它很大程度上决定了整机的信号处理能力，这也是超宽带低噪声放大器性能非常关键的原因。作为射频接收机电路中的重要模块，低噪放必须能够满足诸如宽带匹配、增益、低噪声，高线性度的要求。尤其是二阶与三阶谐波失真会使得接收前端的灵敏度和动态范围严重恶化。

发明内容

基于以上背景，本发明提出一种具有噪声、三阶交调取消的差动LNA，在满足增益、匹配前提下，同时具有低噪声系数、高线性度。

本发明的解决方案如下：

一种两级差动低噪声放大器，包括通过耦合电容级联的第一级差动放大器和第二级差动放大器、以及用于输出匹配的缓冲级；其中：

所述的第一级差动放大器包括使用电阻负反馈的第一CS放大器、使用电阻负反馈的第二CS放大器和交叉耦合式晶体管结构，第一CS放大器与第二CS放大器通过所述交叉耦合式晶体管结构连接；其中第一CS放大器和第二CS放大器作为差动输入级；

所述的第二级差动放大器，由具有推挽式连接的第三CS放大器和具有推挽式连接的第四CS放大器构成；所述第一级差动放大器中的第一CS放大器通过电容耦合到所述第二级差动放大器中的第三CS放大器，第一级差动放大器中的第二CS放大器通过电容耦合到第二级差动放大器中的第四CS放大器，使得信号在缓冲级前叠加，从而噪声以及三阶交调项在缓冲级前抵消；

所述缓冲器与第二级差动放大器的输出端相连接作为输出匹配。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下具体设计：

第一级差动放大器中的第一CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN1和晶体管MP1；其中晶体管MN1的栅极为输入端，源极接到地，漏极与交叉耦合晶体管的MN5的源极连接；晶体管MP1的栅极与MN1栅极连接，源极与接地电容C3相连接，漏级与交叉耦合晶体管MN5的漏级连接；接地电容C3的一端与电流源连接，另一端接地，提供交流地，为晶体管MP1提供放大条件；反馈电阻RF1一端与晶体管MN1、MP1的漏极连接，提供输入匹配的同时也提供增益；

第二个CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN2和晶体管MP2；其中晶体管MN2的栅极为输入端，源极接到地，漏极与交叉耦合晶体管的MN5的源极连接；晶体管MP2的栅极与MN2的栅极连接，源极与接地电容C4连接，漏级与电流源连接；接地电容C4一端与电流源连接，一端接地，提供交流地，为晶体管MP2提供放大条件；反馈电阻RF2一端与晶体管MN2、MP2的栅极连接，一端与晶体管MN2、MP2的漏极连接，提供输入匹配的同时也提供增益。

对于第一CS放大器，设置镜像电路以获得电流源，镜像电路主要由共栅的晶体管MP7和MP5组成，参考电流Iref通过所在的晶体管MP7一侧镜像至晶体管MP5一侧；相应的，接地电容C3一端是与晶体管MP5的漏极连接，一端接地；

对于第二CS放大器，设置镜像电路以获得电流源，镜像电路主要由共栅的晶体管MP8和MP6组成，参考电流Iref通过所在的晶体管MP8一侧镜像至晶体管MP6一侧；相应的，接地电容C4一端是与晶体管MP6的漏极连接，一端接地。

所述交叉耦合式晶体管结构主要由晶体管MN5和晶体管MN6组成；晶体管MN5的栅极、源极、漏极分别与晶体管MN2的漏极、MN1的漏极、MP1的漏极相连，将晶体管MN2在漏极的输出电压耦合到MN5的栅极，增加MN5的小信号电流，进而增加第一CS放大器的等效跨导；

晶体管MN6的栅极、源极、漏极分别与晶体管MN1的漏极、MN2的漏极、MP2的漏极相连，将晶体管MN1在漏极的输出电压耦合到MN6的栅极，增加MN6的小信号电流，进而增加第二CS放大器的等效跨导。

所述第三CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN3和MP3；晶体管MN3的源极接地，栅极与第二CS放大器中的MN2栅极连接，漏极与MP3漏极连接；晶体管MP3的源极接直流电源VDD，栅极的一个支路经电阻R2接直流电源VDD，为晶体管MP3提供直流偏置，栅极的另一个支路经耦合电容C1连接至第一CS放大器中的MN5与MP1的共漏极结点X；

所述第四CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN4和MP4；晶体管MN4的源极接地，栅极与第一CS放大器中的MN1栅极连接，漏极与MP4漏极连接；晶体管MP4的源极接直流电源VDD，栅极的一个支路经电阻R1接直流电源VDD，为晶体管MP4提供直流偏置，栅极的另一个支路经耦合电容C2连接至第二CS放大器中的MN6与MP2的共漏极结点Y。

本发明的思路：基于射频电路噪声原理和电路原理，利用电路中不同路径对于电路信号和噪声的传递不同，进而实现在经过不同路径后，在输出端，三阶交调信号相加与噪声实现相消。第一级差动对的第一放大器通过耦合电容C1连接到第三放大器的MP3管，构成从RF+到节点2的第一条信号路径，第一级差动对的第二放大器的输入MN2的栅极与第二级差动对的第三放大器的输入MN3的栅极连接，构成从RF-到节点2的第二条信号路径。由于Rf1的反馈作用，信号在节点3与X相位相反，而噪声，三阶交调项在节点3与X处相同，同样，由于Rf2的作用，信号、噪声、三阶交调在节点4与Y的相位类似。由此，产生信号在节点2的叠加，噪声，三阶交调在节点2的抵消。因而很好的抑制了噪声，提高了线性度。信号、噪声、三阶交调在节点一的作用可做相同的分析。

本发明与现有技术对比具有以下优点：

第一，第一级、第二级都是差动放大器，可以增加输出摆幅，取消二次交调项，有效抑制三阶交调项和噪声，增加接收机的灵敏度和动态范围。

第二，在第一级差动放大器上采用交叉耦合晶体管，有效的增加第一级放大器的跨导，这样可以在减小工作电流的条件下达到较高的跨导来满足输入匹配和高增益。

第三，在输入端，本发明采用并联电阻负反馈实现输入匹配，电阻反馈式以其较为恒定的阻值可以实现良好的匹配，此外，反馈电阻调节方便灵活

第四，在第一差动放大器与第二级差动放大器之间，采用耦合电容级联，避免了第一级的噪声耦合到第二级差动放大器中。

第五，本发明第一级差动对中采用推挽式放大器，与交叉耦合晶体管共同来提高跨导，改变推挽式放大器中NMOS/PMOS的尺寸，可以控制输入端的直流电压为VDD/2。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为基于图1分析三阶交调项抵消的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的两级差动低噪声放大器作进一步详述。

参照附图1，第一放大器使用电阻RF1完成反馈，第二放大器使用电阻RF2完成反馈，分别完成RF+、RF-的输入匹配。

使用交叉耦合式晶体管MN5，MN6。MN5的栅极、源极、漏极分别与MN2的漏极、MN1的漏极、MP1的漏极相连，增加第一放大器的等效跨导；MN6的栅极、源极、漏极分别与MN1的漏极、MN2的漏极、MP2的漏极相连，增加第二放大器的等效跨导。这样可以在减小工作电流的条件下达到较高的跨导来满足输入匹配和高增益。

第一放大器的输出节点X与第三放大器的放大管MP3连接，MP3管放大来自X节点的输出电压，第二放大器的输出节点Y与第四放大器的放大管MP4连接，放大来自Y节点的信号，完成交叉耦合放大，分别产生输出。

第一放大器的输出节点X与第三放大器的放大管MP3之间通过耦合电容C1连接，避免第一放大器的噪声耦合到第三放大器；第二放大器的输出节点Y与第四放大器的放大管MP4通过耦合电容C2连接，避免第二放大器的噪声耦合到第四放大器。

第四放大器的晶体管MP4，第三放大器的晶体管MP3使用共源放大器，实现信号放大。

第四放大器的输入管MN4的栅极与第一放大器的输入管MN1的栅极连接，放大输入信号，第三放大器的输入管MN3的栅极与第二放大器MN2的栅极连接放大输入信号。

负反馈电阻RF1两端分别连接RF+、X节点，使得在节点X和RF+的噪声相位、IM3相位相同，而信号相位相反；负反馈电阻RF2两端分别连接RF-、Y节点，使得在节点Y和RF-的噪声相位、IM3相位相同，而信号相位相反。

RF+信号通过第一放大器产生在节点X产生反相放大，再经过MP3晶体管产生反相放大，RF-经过MN3产生反相放大，两路信号在节点2叠加，经过缓冲级产生out+。Out-的信号可作类似分析。

IM3、噪声抵消级由C1、R2、MN3、MP3组成，差动的另外一部分由C2、R1、MN4、MP4组成。X点的三阶交调信号经过MP3晶体管产生反相放大，4节点的三阶交调经过MN3产生反相放大，由于X点与4节点的三阶交调信号相位相反，所以两路信号在节点2抵消，可以有效消除三阶交调的影响。噪声抵消可做类似分析。

第一级放大器与第二级放大器的连接如下所述，第一级差动对的第一放大器通过耦合电容C1连接到第三放大器的MP3管，构成从RF+到节点2的第一条信号路径，第一级差动对的第二放大器的输入MN2的栅极与第二级差动对的第三放大器的输入MN3的栅极连接，构成从RF-到节点2的第二条信号路径。

由于Rf1的反馈作用，信号在节点3与X相位相反，而噪声，三阶交调项在节点3与X处相同，同样，由于Rf2的作用，信号、噪声、三阶交调在节点4与Y的相位类似。由此，产生信号在节点2的叠加，噪声，三阶交调在节点2的抵消。因而很好的抑制了噪声，提高了线性度。信号、噪声、三阶交调在节点1的作用可做相同的分析。

对于一个低噪声放大器，对噪声的贡献包括输入信号源电阻，起放大作用的输入器件，电路负载。其中输入器件的噪声贡献最大，因此可以采用特定的电路结构来消除输入器件产生的噪声。晶体管MN1、MN5、MP1、MP5的噪声电流在节点X处产生噪声电压，这个噪声电压通过反馈电阻Rf1反馈到节点3处，噪声在节点3、X的相位相同。晶体管MN2、MN6、MP2、MP6的噪声电流在节点Y处产生噪声电压，这个噪声电压通过反馈电阻Rf2反馈到节点4处，噪声在节点4、Y的相位相同。节点4的噪声电压通过晶体管MN3在节点2产生电压输出，节点X噪声电压通过晶体管MP3在节点2产生输出电压，两路的噪声电压在输出端抵消，实现低噪声放大。

除了噪声系数、增益以及输入匹配之外，线性度是一个重要的因素，因为一个LNA不仅要在不附加太多的噪声的情况下来放大信号，它还必须在接收强信号时也能保持线性。由于电路自身的结构，三阶交调项可以有效抵消，实现高线性度，具体分析如下：如图2所示，当两个差分双声信号(黑色)加在输入端时，第一级放大器在节点X反相放大双声信号的同时产生三次交调项(灰色)，三次交调项通反馈电阻Rf1反馈到节点3。节点3、X处，信号的相位相同，三阶交调项相位相反。在第二级的输出节点2处，信号叠加，三阶交调项相减，取消了三阶交调的作用，实现高线性度。

Claims (4)

1.一种两级差动低噪声放大器，其特征在于：包括通过耦合电容级联的第一级差动放大器和第二级差动放大器、以及用于输出匹配的缓冲器；其中：

所述的第一级差动放大器包括使用电阻负反馈的第一CS放大器、使用电阻负反馈的第二CS放大器和交叉耦合式晶体管结构，第一CS放大器与第二CS放大器通过所述交叉耦合式晶体管结构连接；其中第一CS放大器和第二CS放大器作为差动输入级；

所述的第二级差动放大器，由具有推挽式连接的第三CS放大器和具有推挽式连接的第四CS放大器构成；所述第一级差动放大器中的第一CS放大器通过电容耦合到所述第二级差动放大器中的第三CS放大器，第一级差动放大器中的第二CS放大器通过电容耦合到第二级差动放大器中的第四CS放大器，使得信号在缓冲器前叠加，从而噪声以及三阶交调项在缓冲器前抵消；

所述缓冲器与第二级差动放大器的输出端相连接作为输出匹配；

所述的第一级差动放大器中的第一CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN1和晶体管MP1；其中晶体管MN1的栅极为输入端，源极接到地，漏极与交叉耦合晶体管的MN5的源极连接；晶体管MP1的栅极与MN1栅极连接，源极与接地电容C3相连接，漏级与交叉耦合晶体管MN5的漏级连接；接地电容C3的一端与电流源连接，另一端接地，提供交流地，为晶体管MP1提供放大条件；反馈电阻RF1一端与晶体管MN1、MP1的漏极连接，提供输入匹配的同时也提供增益；

所述的第二个CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN2和晶体管MP2；其中晶体管MN2的栅极为输入端，源极接到地，漏极与交叉耦合晶体管的MN5的源极连接；晶体管MP2的栅极与MN2的栅极连接，源极与接地电容C4连接，漏级与电流源连接；接地电容C4一端与电流源连接，一端接地，提供交流地，为晶体管MP2提供放大条件；反馈电阻RF2一端与晶体管MN2、MP2的栅极连接，一端与晶体管MN2、MP2的漏极连接，提供输入匹配的同时也提供增益。

2.根据权利要求1所述的两级差动低噪声放大器，其特征在于：

对于第一CS放大器，设置镜像电路以获得电流源，镜像电路主要由共栅的晶体管MP7和MP5组成，参考电流Iref通过所在的晶体管MP7一侧镜像至晶体管MP5一侧；相应的，接地电容C3一端是与晶体管MP5的漏极连接，一端接地；

对于第二CS放大器，设置镜像电路以获得电流源，镜像电路主要由共栅的晶体管MP8和MP6组成，参考电流Iref通过所在的晶体管MP8一侧镜像至晶体管MP6一侧；相应的，接地电容C4一端是与晶体管MP6的漏极连接，一端接地。

3.根据权利要求1所述的两级差动低噪声放大器，其特征在于：

所述交叉耦合式晶体管结构由晶体管MN5和晶体管MN6组成；晶体管MN5的栅极、源极、漏极分别与晶体管MN2的漏极、MN1的漏极、MP1的漏极相连，将晶体管MN2在漏极的输出电压耦合到MN5的栅极，增加MN5的小信号电流，进而增加第一CS放大器的等效跨导；

晶体管MN6的栅极、源极、漏极分别与晶体管MN1的漏极、MN2的漏极、MP2的漏极相连，将晶体管MN1在漏极的输出电压耦合到MN6的栅极，增加MN6的小信号电流，进而增加第二CS放大器的等效跨导。

4.根据权利要求1所述的两级差动低噪声放大器，其特征在于：

所述第三CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN3和MP3；晶体管MN3的源极接地，栅极与第二CS放大器中的MN2栅极连接，漏极与MP3漏极连接；晶体管MP3的源极接直流电源VDD，栅极的一个支路经电阻R2接直流电源VDD，为晶体管MP3提供直流偏置，栅极的另一个支路经耦合电容C1连接至第一CS放大器中的MN5与MP1的共漏极结点X；

所述第四CS放大器包括推挽式连接的晶体管MN4和MP4；晶体管MN4的源极接地，栅极与第一CS放大器中的MN1栅极连接，漏极与MP4漏极连接；晶体管MP4的源极接直流电源VDD，栅极的一个支路经电阻R1接直流电源VDD，为晶体管MP4提供直流偏置，栅极的另一个支路经耦合电容C2连接至第二CS放大器中的MN6与MP2的共漏极结点Y。