CN106301240A - 一种跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种共栅输入式低功耗跨阻放大器，属于集成电路领域。该放大器为差分输入/输出结构，包括共栅输入级、负载级、反馈级；射频差分信号V_in+/‐由共栅输入级源端输入，然后转换为信号电流，在负载级进一步转化为电压信号并形成输出差分信号V_out+/‐。该输出电压信号又被反馈级采样反馈到共栅输入级的源端，以提高等效输入跨导。而且共栅输入级采用电容交叉耦合方式又进一步提升等效输入跨导。本发明可以用较低的功耗实现高性能的跨阻放大器。

Description

一种跨阻放大器

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种跨阻放大器设计技术。

背景技术

当前，兼容多协议的软件无线电技术变得愈发重要。对应地，对宽带射频收发技术的研发变得日益迫切。过去很长一段时间，电路设计者习惯于使用电压信号变量来分析表征电路的特性，即一种基于电压模的电路设计技术理念。近年来，电流模式电路在模拟/混合信号处理中的潜在优势正逐渐被挖掘，并快速推动基于电流模工作的电路设计技术的发展。目前，在射频集成电路领域以电流模式工作的电路研究也取得不少突破。其中，最有代表性的就是基于电流模的射频接收前端电路。

它以跨导器、电流换向型无源混频器、基带跨阻放大器为组成单元的射频接收前端，以良好的噪声、线性特性赢得了学术界和产业界的广泛关注和研发投入。跨导器位于接收链路的第一级，将电压信号转换为电流，电流换向型混频器对射频电流进行变频，同时在电流域对于阻塞干扰信号进行滤波，而跨阻放大器位于末级，将变频后的基带电流信号转化为电压信号给后面的A/D转换器。如图1所示，该跨阻放大器可以基于运放，采用电压并联负反馈结构来实现。

另一方面。也注意到澳门大学的研究者使用电阻反馈的NMOS、PMOS反相器作为跨导器。如图2所示，而末级的跨阻放大器则采用简洁的共栅级输入结构，其中电流源M5、M6提供电路偏置(Zhicheng Lin；Pui-In Mak；Martins,1.4-mW 59.4-dB-SFDR 2.4-GHzZigBee/WPAN Receiver Exploiting a“Split-LNTA+50％LO”Topology in 65-nm CMOS，IEEE trans.microwave theory and techn.,Volume:62,Issue:7.2014)。

综合以上二种跨阻放大器结构，我们可以看到，基于运放的跨阻放大器，开环增益大，但是带宽会受到一定限制。采用共栅级输入结构简单，但是为了降低输入电阻，意味着器件必须具备大的尺寸，或者消耗大的功耗来等效获得高的跨导，这对于高性能集成电路来说都是要尽量避免的。尤其对于基带数据率带宽较高的要求下，该电路设计要求变得尤为苛刻。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种采用较低的功耗实现高性能的跨阻放大器。

本发明采用的技术方案是：一种跨阻放大器，包括：第一共栅输入级、第二共栅输入级、第一负载级、第二负载级、第一反馈级、第二反馈级、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容以及第四耦合电容；

第一共栅极的第一端输入第一差分信号V_in+，第一共栅极的第一端还接第一耦合电容第一端，第一共栅极的第二端接第一负载级第一端，第一共栅极的第三端接偏置电压V_b1，第一共栅极的第三端还接第二耦合电容第一端；第一共栅极的第二端接第一负载级的第一端；

第一共栅极的第一端还接第一反馈级第一端；所述第一反馈级第二端接偏置电压V_b2，第一反馈级第三端接电源V_DD，第一反馈级第二端还接第三耦合电容第一端，所述第三耦合电容第二端接第一共栅极的第二端；

所述第一负载级的第一端作为跨阻放大器的第一输出端，第一负载级第二端接第二负载级的第二端，所述第二负载级的第一端接第二共栅极的第一端，第二负载级第一端作为跨阻放大器的第二输出端；

所述第二共栅极的第二端接偏置电压V_b1，第二共栅极的第二端还接第一耦合电容第二端，第二共栅极的第三端输入第二差分信号V_in-，第二共栅极的第三端还接第二耦合电容第二端；第二共栅极的第一端接第二负载级第一端；

第二共栅极的第三端还接第二反馈级第一端；所述第二反馈级第二端接偏置电压Vb2，第二反馈级第三端接电源V_DD，第二反馈级第二端还接第四耦合电容第一端，所述第四耦合电容第二端接第二共栅极的第一端。

进一步地，所述第一共栅极包括第一晶体管，所述第一晶体管源极作为第一共栅极的第一端接信号V_in+，第一晶体管栅极作为第一共栅极的第三端接偏置电压V_b1，第一晶体管漏极作为第一共栅极的第二端。

进一步地，所述第二共栅极包括第二晶体管，所述第二晶体管源极作为第二共栅极的第三端接信号V_in-，第二晶体管栅极作为第二共栅极的第二端接偏置电压V_b1，第二晶体管漏极作为第二共栅极的第一端。

进一步地，所述第一反馈级包括：第三晶体管，第三晶体管的栅极作为第一反馈级第二端接偏置电压V_b2，第三晶体管的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，第三晶体管的漏极作为第一反馈级第二端。

进一步地，所述第二反馈级包括：第四晶体管，第四晶体管的栅极作为第二反馈级第二端接偏置电压V_b2，第四晶体管的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，第四晶体管的漏极作为第一反馈级第二端。

本发明的有益效果：本发明的一种跨阻放大器，包括：第一共栅输入级、第二共栅输入级、第一负载级、第二负载级、第一反馈级、第二反馈级、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容以及第四耦合电容；射频差分信号V_in+/-由第一共栅输入级、第二共栅输入级的源级输入，然后转换为信号电流，在第一负载级、第二负载级进一步转化为电压信号并形成输出差分信号V_out+/-；该输出差分信号V_out+/-又被反馈级采样反馈到第一反馈级、第二反馈级的源级，以提高等效输入跨导，使得电流源晶体管在提供偏置电路外，还用以提供负反馈作用，取得功能上的合二为一；而且第一共栅输入级、第二共栅输入级的源级采用第一耦合电容、第二耦合电容交叉耦合方式又进一步提升等效输入跨导，使得电路可以在低功耗下，显著降低CMOS跨导放大器的输入电阻，提供高的输入等效跨导。

附图说明

图1是基于运放原理的跨阻器构成的电流模射频接收前端原理图；

图2是基于共栅输入跨阻器的射频接收前端原理图；

图3是本发明一种低功耗跨阻放大器的原理图；

图4是本发明一种低功耗跨阻放大器的输入阻抗结果曲线；

图5是本发明一种低功耗跨阻放大器的噪声结果曲线；

图6是本发明一种低功耗跨阻放大器的IIP3结果图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图3所示，为本发明提供的技术方案：一种跨阻放大器，包括：第一共栅输入级、第二共栅输入级、第一负载级、第二负载级、第一反馈级、第二反馈级、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容以及第四耦合电容。

所述第一共栅极包括第一晶体管M₁，M₁源极作为第一共栅极的第一端接差分信号V_in+，M₁栅极作为第一共栅极的第三端接偏置电压V_b1，M₁漏极作为第一共栅极的第二端。

所述第二共栅极包括第二晶体管M₂，M₂源极作为第二共栅极的第三端接差分信号V_in-，M₂栅极作为第二共栅极的第二端接偏置电压V_b1，M₂漏极作为第二共栅极的第一端。

所述第一负载级包括第一负载电阻R_L1，R_L1的第一端作为第一负载级的第一端，也是本申请跨阻放大器的第一输出端，R_L1的第二端作为第一负载级的第二端。

所述第二负载级包括第二负载电阻R_L2，R_L2的第一端作为第二负载级的第一端，也是本申请跨阻放大器的第二输出端，R_L2的第二端作为第二负载级的第二端。

所述第一反馈级包括：第三晶体管M₃，M₃的栅极作为第一反馈级第二端接偏置电压V_b2，M₃的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，M₃的漏极作为第一反馈级第二端。

所述第二反馈级包括：第四晶体管M4，M4的栅极作为第二反馈级第二端接偏置电压V_b2，M₄的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，M₄的漏极作为第一反馈级第二端。

本发明采用PMOS晶体管M₁，M₂，M₃，M₄作为电路结构，是因为PMOS晶体管具有较NMOS晶体管更小的闪烁噪声，这对于基带的低噪声接收十分有利。

跨阻放大器的差分信号V_in+/-由共栅级晶体管M₁和M₂的栅极输入。一方面，差分信号分别在M₁通过第一耦合电容Cc₁以及M₂的栅极通过第二耦合电容Cc₂的交叉耦合作用形成前馈效应，使得等效输入跨导提升，附带地，其噪声也得以降低；另一方面，放大后的信号在M₁和M₂的漏极输出，在第一负载电阻R_L1的第一端与第二负载电阻R_L2的第二端形成差分输出信号V_out+/-，并且输出信号V_out+/-被进一步利用，反馈至反馈级晶体管M₃和M₄，进而使得等效输入跨导进一步提高，等效输入电阻减小。这对于降低电路功耗是极为有利的。注意到，反馈晶体管M3和M4还充当了电流源的角色，来给电路提供偏置。通过小信号分析，电路的单端输入阻抗可以表述为：

$R_{in}=\frac{1}{2g_{m1}(1+g_{m3}{R}_{L1})}---\left(1\right)$

其中，R_in是电路单端输入阻抗；g_m1g_m3、R_L1依次代表晶体管M₁和M₃的跨导和负载电阻；公式中的分母系数2来自前馈作用，括号里面的贡献项是负反馈的作用效果。由此可见，输入电阻的减小和等效跨导的提升得以实现。此外，其跨阻增益近似为负载电阻。由于电路具备高的等效跨导，电路偏置电流小，负载电阻可以选择较大数值，获得高的跨导增益。

实施例

本实施例提供的跨阻放大器电路采用0.18μm RF CMOS工艺实现，采用1.8V电源供电，电路的静态偏置电流仅为1.19mA。参数Cc₁、Cc₂:10nF,Cc₃、Cc₄:1nF，R_L1、R_L2：1KΩ。因为电容数值较大，可以采用片外元件实现。图4中，纵坐标Zin表示电路的差分输入阻抗，横坐标Frequency表示典型基带频率，图4中给出了跨阻放大器的输入阻抗仿真结果，可见电路的差分输入阻抗在1MHz的典型基带频率处仅为33.8Ω。而且在20MHz的基带频率范围内，阻抗大体维持在一个较低的范围内。图5中，纵坐标NF表示噪声指数，横坐标Frequency表示典型基带频率，图5中给出了噪声指数结果，在1MHz的典型基带频率处，其噪声指数NF约为4.5dB。当频率小于100kHz时候，噪声明显增加，其原因在于闪烁噪声在低频处的贡献。仿真也表明电路的跨阻增益约为60dBΩ。此外，采用间隔5MHz的等幅双音信号分别在50MHz频点测试线性度，如图6所示，纵坐标Pout表示输出功率，横坐标Pin表示输入功率，其输入三阶交调(IIP3)仿真结果为-2.9dBm。以上结果表明，该跨阻放大器在仅消耗2.1mW的功耗下，显著降低电路的输入电阻，获得了高的等效输入跨导。此外，由于交叉耦合和反馈的综合运用，电路也获得了较低的噪声指数。虽然其基带有效作用带宽在几十兆赫兹范围内，但是对于一般的无线接收机的基带速率范围，这也足够满足需求。和现有的跨阻放大器相比，该电路具备低功耗的优点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种跨阻放大器，其特征在于，包括：第一共栅输入级、第二共栅输入级、第一负载级、第二负载级、第一反馈级、第二反馈级、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容以及第四耦合电容；

第一共栅极的第一端输入第一差分信号V_in+，第一共栅极的第一端还接第一耦合电容第一端，第一共栅极的第二端接第一负载级第一端，第一共栅极的第三端接偏置电压V_b1，第一共栅极的第三端还接第二耦合电容第一端；第一共栅极的第二端接第一负载级的第一端；

第一共栅极的第一端还接第一反馈级第一端；所述第一反馈级第二端接偏置电压V_b2，第一反馈级第三端接电源V_DD，第一反馈级第二端还接第三耦合电容第一端，所述第三耦合电容第二端接第一共栅极的第二端；

所述第一负载级的第一端作为跨阻放大器的第一输出端，第一负载级第二端接第二负载级的第二端，所述第二负载级的第一端接第二共栅极的第一端，第二负载级第一端作为跨阻放大器的第二输出端；

所述第二共栅极的第二端接偏置电压V_b1，第二共栅极的第二端还接第一耦合电容第二端，第二共栅极的第三端输入第二差分信号V_in-，第二共栅极的第三端还接第二耦合电容第二端；第二共栅极的第一端接第二负载级第一端；

第二共栅极的第三端还接第二反馈级第一端；所述第二反馈级第二端接偏置电压Vb2，第二反馈级第三端接电源V_DD，第二反馈级第二端还接第四耦合电容第一端，所述第四耦合电容第二端接第二共栅极的第一端。

2.根据权利要求1所述的一种跨阻放大器，其特征在于，所述第一共栅极包括第一晶体管，所述第一晶体管源极作为第一共栅极的第一端接信号V_in+，第一晶体管栅极作为第一共栅极的第三端接偏置电压V_b1，第一晶体管漏极作为第一共栅极的第二端。

3.根据权利要求1所述的一种跨阻放大器，其特征在于，所述第二共栅极包括第二晶体管，所述第二晶体管源极作为第二共栅极的第三端接信号V_in-，第二晶体管栅极作为第二共栅极的第二端接偏置电压V_b1，第二晶体管漏极作为第二共栅极的第一端。

4.根据权利要求1所述的一种跨阻放大器，其特征在于，所述第一反馈级包括：第三晶体管，第三晶体管的栅极作为第一反馈级第二端接偏置电压V_b2，第三晶体管的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，第三晶体管的漏极作为第一反馈级第二端。

5.根据权利要求1所述的一种跨阻放大器，其特征在于，所述第二反馈级包括：第四晶体管，第四晶体管的栅极作为第二反馈级第二端接偏置电压V_b2，第四晶体管的源极作为第一反馈级第三端接电源V_DD，第四晶体管的漏极作为第一反馈级第二端。