CN105915181A - 低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低噪声放大器，包括：输入级，与通信接收机的天线连接，用于接收所述天线传输的信号；匹配级，与所述输入级连接，所述天线传输的信号同时传输到所述输入级和所述匹配级，所述匹配级用于调节电路的输入匹配；隔离级，与所述输入级连接，用于防止输出端的信号影响所述输入级的信号；负载级，与所述隔离级连接，用于所述天线传输的信号通过所述负载级输出到所述输出端。本发明提供的低噪声放大器，能够实现低电压和低功耗应用，满足增益变换的需求，减小电路版图面积，节约芯片生产的成本。

Description

低噪声放大器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器是通信接收机重要模块之一，主要功能就是将接收到的信号进行放大，以便使后一级的模块处理。低噪声放大器一般位于天线之后，是整个接收系统的第一级，这就要求低噪声放大器必须符合要求：自身必须低噪声；输入匹配比较好，具有尽量小的反射系数。
随着技术的发展，电容交叉耦合低噪声放大器已经成为常见的电路(如图1所示)，但是该电路需要四个电感。在集成电路中电感占有极大的面积，大大提高了芯片的生产成本。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何提供一种生产成本低且占用面积小的低噪声放大器。
解决方案
为解决以上技术问题，本发明提供一种低噪声放大器，包括：
输入级，与通信接收机的天线连接，用于接收所述天线传输的信号；
匹配级，与所述输入级连接，所述天线传输的信号同时传输到所述输入级和所述匹配级，所述匹配级用于调节电路的输入匹配；
隔离级，与所述输入级连接，用于防止输出端的信号影响所述输入级的信号；
负载级，与所述隔离级连接，用于所述天线传输的信号通过所述负载级输出到所述输出端。
在一种可能的实现方式中，所述输入级包括：第一晶体管M1的栅极通过第二电容C2耦合到第二晶体管M2的源极，所述第一晶体管M1的源极连接输入正端VINP，所述第二晶体管M2的栅极通过第一电容C1耦合到所述第一晶体管M1的源极，所述第二晶体管M2的源极连接到输入负端VINN。
在一种可能的实现方式中，所述隔离级包括：第三晶体管M3的源极与所述第一晶体管M1的漏极耦合，所述第三晶体管M3的漏极与第一输出端VOUTP连接，第四晶体管M4的源极与所述第二晶体管M2的漏极耦合，所述第四晶体管M4的漏极与第二输出端VOUTN连接。
在一种可能的实现方式中，所述负载级包括：第五晶体管M5和第六晶体管M6的源极连接到电源VDD上，所述第五晶体管M5的漏极连接所述第一输出端VOUTP，所述第六晶体管M6的漏极连接第二输出端VOUTN，差分电感L1的中心抽头连接到电源VDD上，一端连接所述第一输出端VOUTP，另一端连接所述第二输出端VOUTN。
在一种可能的实现方式中，所述匹配级包括：第七晶体管M7的漏极连接所述输入正端VINP，所述第七晶体管M7的源极接地，第八晶体管M8的漏极连接所述输入负端VINN，所述第八晶体管M8的源极接地。
在一种可能的实现方式中，所述第一晶体管M1、所述第二晶体管M2、所述第三晶体管M3、所述第四晶体管M4、所述第七晶体管M7和所述第八晶体管M8为NMOS晶体管。
在一种可能的实现方式中，所述第五晶体管M5和所述第六晶体管M6为PMOS晶体管。
在一种可能的实现方式中，所述低噪声放大器的电压增益可以表达为：
G3＝gm1*(1+A)*RLoad
其中，G3代表所述低噪声放大器的电压增益，gm1代表所述第一晶体管 M1的小信号跨导，RLoad由所述第三晶体管M3、所述第五晶体管M5和所述差分电感L1工作时的等效电阻值确定，A代表电容构成的辅助放大器的放大倍数。
有益效果
本发明提供的低噪声放大器，能够实现低电压和低功耗应用，满足增益变换的需求，减小电路版图面积，节约芯片生产的成本。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1是现有的电容交叉耦合低噪声放大器原理图；
图2是本发明实施例提供的低噪声放大器的原理图；
图3是本发明实施例提供的低噪声放大器的增益结果曲线；
图4是本发明实施例提供的低噪声放大器的噪声结果曲线。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以 实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例1
图2是本发明实施例提供的低噪声放大器的原理图，如图2所示，本发明实施例提供的低噪声放大器，是一种电容交叉耦合低噪声放大器，包括：输入级、匹配级、隔离级、负载级。
输入级，包括第一晶体管M1和第二晶体管M2，与通信接收机的天线连接，用于接收所述天线传输的信号。匹配级，与所述输入级连接，包括第七晶体管M7和第八晶体管M8，所述天线传输的信号同时传输到所述输入级和所述匹配级，所述匹配级用于调节电路的输入匹配。隔离级，与所述输入级连接，包括第三晶体管M3和第四晶体管M4，用于防止输出端的信号影响所述输入级的信号。负载级，与所述隔离级连接，包括第五晶体管M5、第六晶体管M6和差分电感L1，所述天线传输的信号通过所述负载级输出到输出端。
本发明实施例提供的低噪声放大器，与图1所示的背景技术类似也属于CG-CS结构，包括输入级、负载级，但是本发明实施例提供的低噪声放大器与图1相比增加了隔离级和匹配级。一般的放大器只是包括了输入级和负载级，信号经过输入级输入，通过负载级输出。本发明实施例增加了匹配级，主要原因是低噪声放大器需要很高的输入匹配，只是通过一个输入级做简单的匹配很难做到比较好的输入匹配，通过匹配级可以容易地调节电路的输入匹配。同时，本发明实施例增加了隔离级，主要原因是低噪声放大器的输出一般连接在混频器电路，混频器的本振信号比较强，如果混频器的隔离度不好，混频器的本振很容易影响混频器的输入信号，即低噪声放大器的输出信号，如果低噪声放大器没有隔离级，会影响低噪声放大器的输入信号。因此，通过设置隔离级可以防止低噪声放大器输出端的信号影响输入端的信号。信号所经过本发明实施例提供的低噪声放大器的通路是：信号同时输入输入 级和匹配级，然后再经过隔离级，进而通过负载级输出外部。
发明实施例提供的低噪声放大器通过CMOS管代替原有的电感，节省了面积。并且，通过增加CMOS，增加负载，然后通过电压控制来改变CMOS的工作状态从而改变低噪声放大器的放大倍数。具体包括：
输入级包括：第一晶体管M1的栅极通过第二电容C2耦合到第二晶体管M2的源极，第一晶体管M1的源极连接输入正端VINP，第二晶体管M2的栅极通过第一电容C1耦合到第一晶体管M1的源极，第二晶体管M2的源极连接到输入负端VINN。
隔离级具体包括：第三晶体管M3的源极与第一晶体管M1的漏极耦合，第三晶体管M3的漏极与第一输出端VOUTP连接，第四晶体管M4的源极与第二晶体管M2的漏极耦合，第四晶体管M4的漏极与第二输出端VOUTN连接。
负载级具体包括：第五晶体管M5和第六晶体管M6的源极连接到电源VDD上，第五晶体管M5的漏极连接第一输出端VOUTP，第六晶体管M6的漏极连接第二输出端VOUTN，差分电感L1的中心抽头连接到电源VDD上，一端连接第一输出端VOUTP，另一端连接第二输出端VOUTN。
匹配级具体包括：第七晶体管M7的漏极连接所述输入正端VINP，第七晶体管M7的源极接地，第八晶体管M8的漏极连接所述输入负端VINN，第八晶体管M8的源极接地，可以通过VB2调节栅极电压灵活改变M7和M8的工作状态，可以避免实际偏差。
在一种可能的实现方式中，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第七晶体管M7和第八晶体管M8为NMOS晶体管。
在一种可能的实现方式中，第五晶体管M5和所述第六晶体管M6为PMOS晶体管。
本发明实施例提供的低噪声放大器具体的工作原理如下：
假设低噪声放大器所需匹配的电阻为50欧姆，那么低噪声的输入电 阻也必须为50欧姆，即低噪声放大器的阻抗为50欧姆，低噪声放大器的阻抗由两部分组成。ZIN1代表从射频信号输入正端VINP和射频信号输入负端VINN看进NMOS管M7和M8源端的阻抗，ZIN1可以表达为：
ZIN1＝1/gm7 (1)
gm7是NMOS管M7的跨导；
ZIN2代表从射频信号输入正端VINP和射频信号输入负端VINN看进NMOS管M1和M2源端的阻抗，而ZIN2由于辅助放大器的反馈作用，阻抗会减小，ZIN2可以表达为：
ZIN2＝1/(1+A)gm1 (2)
gm1是NMOS管M1的跨导；A代表电容构成的辅助放大器的放大倍数，由NMOS管M1和M2和电容C1和电容C2所组成的交叉耦合-共栅放大器的放大倍数，其表达式：
A＝C1/(C1+CGS1) (3)
CGS1是NMOS管M1的栅极和源极之间的电容。
综合式(1)和式(2)，从射频信号输入正端VINP和射频信号输入负端VINN看进去的总阻抗可以以导纳的形式表达为：
GIN＝gm7+(1+A)*gm1 (4)
GIN代表从射频信号输入正端VINP和射频信号输入负端VINN看进去的总导纳。
通过VB1和VB2分别调节栅极电压来改变NMOS管的M1、M2和M7、M8的工作状态，进而改变输入级的M1和匹配级的M7的跨导，进而改变了低噪声的输入阻抗，从而能够优化电路的匹配状态。
VB1、VB2、VB3分别通过大的偏置电阻为NMOS管M1、M2、M7、M8和PMOS管M5、M6提供偏置电压。
通过VB3调节栅极电压来改变PMOS管的M5和M6的工作状态，调整电路的负载，改变放大器的电压增益。
在通信系统中，一般接收到的信号强弱会变化，为了保证系统的性能，低噪声放大器的增益也必须可以变化，这就对低噪声放大器提出新的要求。本发明通过一个电压控制，可以改变低噪声放大器的增益。
电压增益调解具体原理分析如下：本发明实施例提供的低噪声放大器的增益可以分成两个部分，从MOS管M1和M2的源端输入的射频信号通过隔离级的NMOS管M3和M4和负载级的PMOS管M5和M6，以及差分电感L1所引起的电压增益记为G1，从NMOS管M1和M2的栅端输入的射频信号所引起的电压增益记为G2。表达为：
G1＝gm1*RLoad (5)
gm1代表NMOS管M1或NMOS管M2的小信号跨导(它们的跨导相同)，RLoad代表NMOS管M3和M4，PMOS管M5和M6，和差分电感L1工作时等效电阻值，其表达式：
RLoad＝RL1//RM5+RM3 (6)
RL1代表差分电感L1的等效电阻值，RM5、RM3分别是PMOS管M5和NMOS管M3的等效电阻。
G2则可以表达为：
G2＝A*G1 (7)
A代表电容构成的辅助放大器的放大倍数，如公式(3)；
利用电路的叠加原则，电路的最终电压增益G3可以表达为：
G3＝gm1*(1+A)*RLoad (5)
NMOS管M3和M4对输入和输出有着隔离作用，同时也可以调整它们的栅极电压；当栅极电压为0V时即PD＝0V，使电路进入关闭POWERDOWEN状态，低噪声放大器电路不工作，整个的电路电流为零，避免消耗能量。
本发明实施例提供的低噪声放大器电路使用了55nm CMOS工艺，1.2V的电源供电。当VB1＝675mV、VB2＝1.2V、VB3＝1.2V时晶体管M1和M2、M7和M8的偏置电流都为2.25mA。而M5和M6的偏置电流为0A。
提取本发明实施例提供的低噪声放大器集成电路版图的寄生参数，进行仿真得到低噪声放大器的增益曲线和噪声指数曲线。图3是本发明实施例提供的低噪声放大器的增益结果曲线，曲线显示在窄带2.4GHz-2.5GHz内得到了24dB电压增益。图4是本发明实施例提供的低噪声放大器的噪声结果曲线，2.4GHz-2.5GHz的带宽内，其最大噪声指数NFmax为3.3dB，出现在2.5GHz，带内最小噪声指数约为2.9dB。同时，如果改变VB3的电压，从0V到1.2V，低噪声放大器的增益可以从-10dB到24dB变换。
以上结果表明，本发明实施例提供的低噪声放大器在1.2V供电条件下，工作电流为4.5mA，和现有的一般的共栅-共源结构的低噪声放大器相比，该低噪声放大器容易实现低电压和低功耗应用，同时可以满足增益变换的需求，更接近实际需要，并且，本发明实施例提供的低噪声放大器只使用了一个电感，版图的面积为630umX400um，与一般的低噪声放大器的面积做比较，面积大大的减少，同时节约了芯片生产的成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包括：
输入级，与通信接收机的天线连接，用于接收所述天线传输的信号；
匹配级，与所述输入级连接，所述天线传输的信号同时传输到所述输入级和所述匹配级，所述匹配级用于调节电路的输入匹配；
隔离级，与所述输入级连接，用于防止输出端的信号影响所述输入级的信号；
负载级，与所述隔离级连接，用于所述天线传输的信号通过所述负载级输出到所述输出端。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入级包括：第一晶体管(M1)的栅极通过第二电容(C2)耦合到第二晶体管(M2)的源极，所述第一晶体管(M1)的源极连接输入正端(VINP)，所述第二晶体管(M2)的栅极通过第一电容(C1)耦合到所述第一晶体管(M1)的源极，所述第二晶体管(M2)的源极连接到输入负端(VINN)。
3.根据权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述隔离级包括：第三晶体管(M3)的源极与所述第一晶体管(M1)的漏极耦合，所述第三晶体管(M3)的漏极与第一输出端(VOUTP)连接，第四晶体管(M4)的源极与所述第二晶体管(M2)的漏极耦合，所述第四晶体管(M4)的漏极与第二输出端(VOUTN)连接。
4.根据权利要求3所述的低噪声放大器，其特征在于，所述负载级包括：第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的源极连接到电源(VDD)上，所述第五晶体管(M5)的漏极连接所述第一输出端(VOUTP)，所述第六晶体管(M6)的漏极连接第二输出端(VOUTN)，差分电感(L1)的中心抽头连接到电源(VDD)上，一端连接所述第一输出端(VOUTP)，另一端连接所述第二输出端(VOUTN)。
5.根据权利要求4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述匹配级包括：第七晶体管(M7)的漏极连接所述输入正端(VINP)，所述第七晶体管(M7)的源极接地，第八晶体管(M8)的漏极连接所述输入负端(VINN)，所述第八晶体管(M8)的源极接地。
6.根据权利要求1至5所述的低噪声放大器，其特征在于，包括：所述第一晶体管(M1)、所述第二晶体管(M2)、所述第三晶体管(M3)、所述第四晶体管(M4)、所述第七晶体管(M7)和所述第八晶体管(M8)为NMOS晶体管。
7.根据权利要求1至6所述的低噪声放大器，其特征在于，包括：所述第五晶体管(M5)和所述第六晶体管(M6)为PMOS晶体管。
8.根据权利要求1至7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述低噪声放大器的电压增益可以表达为：
G3＝gm1*(1+A)*RLoad
其中，G3代表所述低噪声放大器的电压增益，gm1代表所述第一晶体管(M1)的小信号跨导，RLoad由所述第三晶体管(M3)、所述第五晶体管(M5)和所述差分电感(L1)工作时的等效电阻值确定，A代表电容构成的辅助放大器的放大倍数。
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