CN106559042B - 应用于低电压下的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟射频集成电路，尤其涉及一种应用于低电压下的低噪声放大器。包括，主放大电路，用于对一输入信号进行放大以输出一放大信号；缓冲电路，包括，输入端，与主放大电路的输出端连接；第一输出端，连接一输出级；第二输出端，连接一反馈级，通过反馈级提供反馈信号至主放大电路的预定节点。上述技术方案的反馈点不是从输出级引出到输入端，而是通过输出级和反馈级之间隔离，使得输出阻抗不受反馈电路的影响，因此可以获得比较理想的输出阻抗，减小与后级混频器之间的损耗，有利于整个接收机获得低的噪声系数。

Description

应用于低电压下的低噪声放大器

技术领域

本发明属于模拟射频集成电路领域，尤其涉及一种低噪声放大电路。

背景技术

随着全球定位系统、蜂窝移动通信等飞速发展，射频集成电路在其中均扮演着非常重要的角色，推动着无线通信技术的发展。同时随着深亚微米工艺的发展以及手持设备的低成本低功耗需求，低电压射频集成电路成为研究的热点。低噪声放大器(Low NoiseAmplifier,LNA)是接收机前端的主要部分，是接收机的第一级有源电路，它本身应有很低的噪声系数并提供足够高的增益来抑制后续电路的噪声。

传统的电压并联负反馈低噪声放大器如附图1所示，该放大器所工作的最低工作电压为：VDD≥(|Vth|+2*Vdsat)；其中VDD为工作电压，Vth为晶体管的阈值电压，Vdsat为晶体管的饱和漏源电压。

上述的电路由于引入电压负反馈，所以它的输出阻抗比较低，该结构与后级混频器及跨阻放大器级联，会有比较大损耗。并且其自身的放大管M1n和M1p贡献比较大的噪声，因此整个系统会有比较高的噪声系数。

近年来，有很多结构对这种传统的电压负反馈电路进行改进，但大多数都工作在比较高的电源电压(大于1V)下，并且消耗比较大的功耗。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，提供一种应用于低电压下的低噪声放大器，以克服上述的缺陷；

具体技术方案如下：

应用于低电压下的低噪声放大器，其中，包括，

主放大电路，用于对一输入信号进行放大以输出一放大信号；

缓冲电路，所述缓冲电路包括，输入端，与所述主放大电路的输出端连接；第一输出端，连接一输出级；第二输出端，连接一反馈级，所述第二输出端通过所述反馈级提供反馈信号至所述主放大电路的预定节点。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述主放大电路包括，

耦合电路，用于对所述输入信号进行耦合以得到一第一信号和一第二信号；

第一放大电路，连接于一电源电压和所述输出端之间，用于对所述第一信号进行放大后自所述输出端输出；

第二放大电路，连接于所述输出端和接地端之间，用于对所述第二信号进行放大后自所述输出端输出。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述预定节点位于所述耦合电路的输入端和/或所述第一放大电路的输入端和/或所述第二放大电路的输入端。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述缓冲电路包括，

第一支路，于一偏置电压的控制下将所述输入端的信号转换为所述第一 输出端的信号；

第二支路，于所述偏置电压的控制下将所述输入端的信号转换为所述第二输出端的信号。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述第一支路上串联一第一MOS管，所述第二支路上串联一第二MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅极连接所述偏置电压，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极共同连接所述缓冲电路的输入端，所述第一MOS管的漏极作为所述缓冲电路的第一输出端，所述第二MOS管的漏极作为所述缓冲电路的第二输出端。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，还包括调节支路，连接于所述输入端和电源电压之间或连接于所述输入端和接地端之间或并联于所述第二支路的两端，于所述偏置电压的作用下调节电路增益。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈级包括，

反馈级电路负载，连接于所述缓冲电路的第一输出端和一第一电位之间；

反馈电路，连接于所述第一输出端和所述反馈电路的输出端之间以提供反馈信号。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈级电路负载主要由电阻构成或主要由电感构成。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈级电路负载采用第三MOS管，所述第三MOS管的栅极连接一第二偏置电压，所述第三MOS管的源极连接所述第一电位，所述第三MOS管的漏极连接所述第一输出端。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈电路采用电阻串联而成 的电路，或所述反馈电路采用电阻和电容串联而成的电路。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈电路包括，

第四MOS管，所述第四MOS管的栅极与所述第一输出端连接，所述第四MOS管的漏极连接电源电压，所述第四MOS管的源极通过一电流源与接地端连接，所述第四MOS管的源极与所述输出端之间连接电阻和电容，所述电阻和电容串联，自所述输出端输出反馈信号。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述反馈电路包括，

第五MOS管，所述第五MOS管的栅极与所述第一输出端连接，所述第五MOS管的漏极连接接地端，所述第五MOS管的源极通过一电流源与电源电压连接，所述第五MOS管的源极与所述输出端之间连接电阻和电容，所述电阻和所述电容串联，自所述输出端输出反馈信号。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述输出级包括连接于所述第二输出端和所述第一电位之间的输出级电路负载。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述输出级电路负载采用巴伦结构，所述巴伦结构的输入端与所述第二输出端和所述第一电位连接，所述输出端与后续电路连接。

上述的应用于低电压下的低噪声放大器，所述电源电压采用1V以下的电源电压。

有益效果：由于采用以上技术方案，上述技术方案的反馈点不是从输出级引出到输入端，通过输出级和反馈级之间隔离，使得输出阻抗不受反馈电路的影响，因此可以获得比较理想的输出阻抗，减小与后级混频器之间的损耗，有利于整个接收机获得低的噪声系数。

附图说明

图1为现有技术的低噪声放大器的电路图；

图2为本发明的应用于低电压下的低噪声放大器的实施例的电路结构示意图；

图3为本发明的应用于低电压下的低噪声放大器的一种具体实施例的电路结构示意图；

图4a至图4d为本发明的图3中缓冲电路13的各种具体实施例的电路结构示意图；

图5a至图5h为本发明的图3中反馈级电路负载152的各种具体实施例的电路结构示意图；

图6a至图6d为本发明的图3中反馈电路151的各种具体实施例的电路结构示意图；

图7a-图7e为本发明的图3中输出级电路负载141的各种具体实施例的电路结构示意图；

图8a为本发明的图3中第一放大电路121的具体实施例的电路结构示意图；

图8b为本发明的图3中第二放大电路122的具体实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图2、图3，应用于低电压下的低噪声放大器，其中，包括，

主放大电路12，用于对一输入信号进行放大以输出一放大信号；

缓冲电路13，缓冲电路13包括，输入端，与主放大电路12的输出端e连接；第一输出端h，连接一输出级14；第二输出端f，连接一反馈级15，通过反馈级15提供反馈信号至主放大电路12的预定节点。

于一种优选的实施方式中，主放大电路12包括，

耦合电路123，用于对输入信号进行耦合以得到一第一信号和一第二信号；

第一放大电路121，连接于一电源电压VDD和输出端e之间，用于对第一信号进行放大后自输出端e输出；

第二放大电路122，连接于输出端e和接地端j之间，用于对第二信号进行放大后自输出端e输出；

于一种优选的实施方式中，上述的预定节点可以位于耦合电路123的输入端b和/或第一放大电路121的输入端c和/或第二放大电路122的输入端d。

上述的低噪声放大器反馈点不是从输出级14引出到主放大电路12的输入 端，而是通过输出级14和反馈级15之间隔离，使得输出阻抗不受反馈电路的影响，因此可以获得比较理想的输出阻抗，减小与后级混频器之间的损耗，有利于整个接收机获得低的噪声系数。

于一种优选的实施方式中，缓冲电路13包括，

第一支路，于一偏置电压的控制下将输入端e的信号转换为第一输出端f的信号；

第二支路，于偏置电压的控制下将输入端e的信号转换为第二输出端h的信号。

图4a至图4d为缓冲电路13的各种具体实施例的结构示意图，一种具体的实施例，图4a中，第一支路上串联NMOS管M1n，第二支路上串联NMOS管M3n，NMOS管M1n和NMOS管M3n的栅极连接同一偏置电压Vb，NMOS管M1n和NMOS管M3n源极连接，其漏极分别作为第一输出端f和第二输出端h,缓冲电路13一部分给反馈级15，另一部分给输出级14，实现反馈电路和输出级电路隔离，通过调节NMOS管M3n的尺寸，可实现增益的调节。

上述的缓冲电路中NMOS管于偏置电压Vb的控制下工作于饱和区，以构成共栅极放大电路，将输入端的信号转换为多个输出端的信号，并使得低噪声放大器的输出阻抗不受负反馈的影响，实现比较理想的跨导级。

作为进一步的改进，在第二支路的两端并联调节支路，调节支路连接于输入端e和电源电压VDD之间或连接于输入端e和接地端之间或并联于第二支路的两端，于偏置电压Vb的作用下调节电路增益。如图4b所示，包括可调节的晶体管M31n,输入端e还通过可调节的晶体管M2n与电源电压VDD连接。另一种具体的实施例如图4c所示，其电路结构与图4a类似，不同之 处在于用PMOS管代替了图4a中的NMOS管，图4d的结构在图4b的基础上用PMOS管代替了图4b中的NMOS管。上述调节方式保证流过第一支路上MOS管的电流不变，从而调节增益并不会影响低噪声放大器的输入阻抗匹配，可以灵活的实现增益控制。

于一种优选的实施方式中，反馈级包括，

反馈级电路负载152，连接于缓冲电路13的第一输出端f和第一电位16之间，第一电位16可以是电源电压VDD或地电压VSS；

反馈电路151，连接于第一输出端f和反馈电路15的输出端之间以提供反馈信号。

反馈级电路负载152可以是电阻、电感、晶体管组成的电路中的至少一种。图5a至图5h为反馈级电路负载152的各种具体实施例的电路结构示意图，反馈级电路负载152可以主要由电阻构成或主要由电感构成。一种具体实施例，如图5a所示，反馈级电路负载152采用电阻R51连接于第一输出端f和电源电压VDD之间，如图5b所示，另一种具体实施例，如图5b所示，反馈级电路负载152采用电阻R52连接于第一输出端f和地电压VSS之间；再一种具体实施例，如图5c所示，反馈级电路负载152采用电感L51连接于第一输出端f和电源电压VDD之间，再一种具体实施例，如图5d所示，反馈级电路负载152采用电感L52连接于第一输出端f和地电压VSS之间；再一种具体实施例，如图5e所示，反馈级电路负载152可采用PMOS管M51p，PMOS管M51p的栅极与偏置电压Vb连接，其源极与电源电压VDD连接，其漏极连接第一输出端f；一种改进的实施例，如图5f所示，反馈级电路负载152可由PMOS管M51p和电阻R51组成，在图5e的基础上， 电阻R51串联于PMOS管M51p的源极和电源电压VDD之间；另一种具体的实施例，如图5g所示，反馈级电路负载152可采用NMOS管M52n，其栅极与偏置电压Vb连接，其源极与地电压VSS连接，其漏极连接第一输出端f；一种改进的实施例，如图5h所示，反馈级电路负载152可由NMOS管M51n和电阻R52组成，在图5g的基础上增加电阻R52，连接于NMOS管M51n的源极和地电压VSS之间。

于一种优选的实施方式中，反馈电路151包括电阻或电容或电感或源极跟随器。图6a至图6d为反馈电路151的各种具体实施例的电路结构示意图；反馈电路151为且不限为电阻、电容、电感、源级跟随器以及它们的两两组合。一种具体实施例，如图6a所示，反馈电路151包括电阻R61，电阻R61连接于第一输出端f和反馈电路151的输出端g之间；另一种具体实施例，如图6b所示，反馈电路151包括电阻R61和电容C61，电容C61与电阻R61串联；另一种具体实施例，如图6c所示，反馈电路151采用NMOS管M61n，电流源IS，电阻R61和电容C61构成的源极跟随器，具体地，NMOS管M61n的栅极与第一输出端f连接，漏极与电源电压VDD连接，源极通过该电流源IS连接至地电压VSS，并且源极还还通过电阻R61和电容C61引出反馈电路151的输出端g，电阻R61和电容C61串联；另一种具体实施例，如图6d所示，反馈电路151采用PMOS管M61p，电流源IS，电阻R61和电容C61构成的源极跟随器，具体地，PMOS管M61p的栅极与第一输出端f连接，漏极与地电压VSS连接，源极通过电流源IS连接至电源电压VDD，并且源极还通过电阻R61和电容C61引出反馈电路151的输出端g，电阻R61和电容C61串联。

于一种优选的实施方式中，输出级包括连接于第二输出端h和第一电位16之间的输出级电路负载141，包括电阻、电感、巴伦、晶体管中的至少一种。图7a-图7e为输出级电路负载141的各种具体实施例的电路结构示意图；输出级电路负载为且不限为电阻，电感，变压器(Balun)以及NMOS，PMOS等有源器件。一种具体实施例，如图7a所示，输出级电路负载141采用电阻R71连接于第二输出端h和电源电压VDD之间；另一种具体实施例，如图7b所示，输出级电路负载141采用电阻R71连接于第二输出端h和地电压VSS之间；另一种具体实施例，如图7c所示，输出级电路负载141采用电感L71连接于第二输出端h和电源电压VDD之间；再一种具体实施例，如图7d所示，输出级电路负载141采用电感L71连接于第二输出端h和地电压VSS之间；再一种具体实施例，如图7e所示,输出级电路负载141采用巴伦结构，其输入端分别连接电源电压VDD和第二输出端h，输出端Output与输出信号通路连接。

于一种优选的实施方式中，还包括匹配电路11，连接于接收天线和主放大电路12之间，用于天线阻抗和输入阻抗匹配。

于一种优选的实施方式中，第一放大电路121如图8a所示，PMOS管M1p栅极与为且不限为PMOS、PNP等有源器件,第二放大电路122如图8b所示，为且不限为NMOS、NPN等有源器件；第一放大电路121和第二放大电路122实现电流的复用，降低功耗。

上述的技术方案提出了一种应用于低电压下的低噪声放大器，主放大电路12、缓冲电路13及反馈级15为芯片提供一定的阻抗，同时这部分电路用来抵消主放大电路12产生的噪声，其噪声抵消原理如附图所示，假设第一放 大电路121和第二放大电路122在输出端e点产生的噪声相位为正，该噪声经过缓冲电路13在第一输出端f点的噪声相位也为正，经过反馈电路151在输入端的噪声c点(或b点，d点)的噪声相位也为正，通过第一放大电路121和第二放大电路122在输出端e点的噪声相位为负，因此第一放大电路121和第二放大电路122的噪声在e点得以抵消，因此能获得比较低的噪声系数。第一放大电路121和第二放大电路122的电流可以复用，因此主放大电路12在一定功耗下可以获得比较大的跨导，抑制后级混频器及跨阻放大器的噪声。

上述的低电压下的低噪声放大器电路，可以工作在电源电压1V以下。通过噪声抵消机理，可以获得比较低的噪声系数。同时相比于其他传统的电压并联负反馈低噪声放大器，可以灵活实现增益控制，其本身也具有很高的增益或者跨导，可以很好的抑制后一级电路的噪声。同时其内部的匹配部分不需要电感，可以节约芯片面积。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，包括，

主放大电路，用于对一输入信号进行放大以输出一放大信号；

缓冲电路，所述缓冲电路包括，输入端，与所述主放大电路的输出端连接；第一输出端，连接一输出级；第二输出端，连接一反馈级，所述第二输出端通过所述反馈级提供反馈信号至所述主放大电路的预定节点；

所述缓冲电路包括，

第一支路，于一偏置电压的控制下将所述输入端的信号转换为所述第一输出端的信号；

第二支路，于所述偏置电压的控制下将所述输入端的信号转换为所述第二输出端的信号。

2.根据权利要求1所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述主放大电路包括，

耦合电路，用于对所述输入信号进行耦合以得到一第一信号和一第二信号；

第一放大电路，连接于一电源电压和所述输出端之间，用于对所述第一信号进行放大后自所述输出端输出；

第二放大电路，连接于所述输出端和接地端之间，用于对所述第二信号进行放大后自所述输出端输出。

3.根据权利要求2所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述预定节点位于所述耦合电路的输入端和/或所述第一放大电路的输入端和/或所述第二放大电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述第一支路上串联一第一MOS管，所述第二支路上串联一第二MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅极连接所述偏置电压，所述第一MOS管和所述第二MOS管的源极共同连接所述缓冲电路的输入端，所述第一MOS管的漏极作为所述缓冲电路的第一输出端，所述第二MOS管的漏极作为所述缓冲电路的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，还包括调节支路，连接于所述输入端和电源电压之间或连接于所述输入端和接地端之间或并联于所述第二支路的两端，于所述偏置电压的作用下调节电路增益。

6.根据权利要求1所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈级包括，

反馈级电路负载，连接于所述缓冲电路的第一输出端和一第一电位之间；

反馈电路，连接于所述第一输出端和所述反馈电路的输出端之间以提供反馈信号。

7.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈级电路负载是电阻、电感晶体管组成的电路中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈级电路负载采用第三MOS管，所述第三MOS管的栅极连接一第二偏置电压，所述第三MOS管的源极连接所述第一电位，所述第三MOS管的漏极连接所述第一输出端。

9.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈电路采用电阻串联而成的电路，或所述反馈电路采用电阻和电容串联而成的电路。

10.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈电路包括，

第四MOS管，所述第四MOS管的栅极与所述第一输出端连接，所述第四MOS管的漏极连接电源电压，所述第四MOS管的源极通过一电流源与接地端连接，所述第四MOS管的源极与所述输出端之间连接电阻和电容，所述电阻和电容串联，自所述输出端输出反馈信号。

11.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述反馈电路包括，

第五MOS管，所述第五MOS管的栅极与所述第一输出端连接，所述第五MOS管的漏极连接接地端，所述第五MOS管的源极通过一电流源与电源电压连接，所述第五MOS管的源极与所述输出端之间连接电阻和电容，所述电阻和所述电容串联，自所述输出端输出反馈信号。

12.根据权利要求6所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述输出级包括连接于所述第二输出端和所述第一电位之间的输出级电路负载。

13.根据权利要求12所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述输出级电路负载采用巴伦结构，所述巴伦结构的输入端与所述第二输出端和所述第一电位连接，所述输出端与输出信号通路连接。

14.根据权利要求2所述的应用于低电压下的低噪声放大器，其特征在于，所述电源电压采用1V以下的电源电压。