CN106849894B - 一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，包括粗调和细调两种模式，粗调模式通过减少cascode管NM2跨导的同时并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益，细调模式通过并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益。本发明采用细调通过使用耦合电容，构造了虚拟地，调节范围更大；另外由于到电源隔直电容的作用，细调支路几乎没有直流电流流过，同时粗调级将原cascode管中的部分电流抽取过来为己所用，两种调节方法均不会另外增加功耗。

Description

一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构
技术领域
本发明涉及一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，属于低噪声放大器技术。
背景技术
增益控制机制广泛应用于现代通信系统中，通过增益控制，电路可以扩展接收信号的动态范围，降低功耗和提高线性度。尤其在最近几年，便携式射频终端市场的快速发展使得功耗成为一个愈发重要的考虑因素。信号的衰减和反射现象的存在造成了接收器前端信号功率的变化，接收机的输入信号变化范围可以达到80dB以上，如从几个微伏的小信号到几十毫伏的大信号，低噪声放大器LNA作为射频接收系统的第一级电路应具备接受处理大动态范围射频信号的能力。增益可控既能有效地避免接收机元件的饱和，同时也可以使手持设备工作在低增益、低功耗的模式下，从而延长其电池寿命。在接收机中，低噪声放大器必须向下一级电路(混频器)输出适当的信号。信号过小，混频器无法检测；信号过大又会对混频器造成过载，使线性度恶化。而低噪声放大器从天线接收到的信号是一个动态范围很大的信号，因此LNA增益调节可控变得十分必要。
增益控制技术主要有以下几种：1、开关负载法：主要优点是增益调节不会严重影响电路噪声系数，但是，增益调节步长对于负载链上的寄生阻抗变化十分敏感，同时可能影响电压偏置。2、旁路开关法：信号可以从有源器件旁的另一条通路通过，此通路由开关控制，从而实现不同地增益控制。开关通路会引起损耗，但是只要损耗在可接受的范围，这种技术还是可行的，而增益和线性度确实不可控制的。3、改变偏置：此法实质上是控制输入管跨导，或者是控制放大管跨导，容易实现，增益变化时增益平坦度不会恶化，但噪声性能会恶化，且难以精确控制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，该结构不增加系统噪声、不影响偏置和输入阻抗、不增加功耗，且增益能精确控制，包括粗调和细调两种模式。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，包括粗调和细调两种模式，粗调模式通过减少cascode管NM2跨导的同时并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益，细调模式通过并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益。
具体的，所述共栅cascode低噪声放大器电感L1、负载电感L2、电容C1、负载电容C2、NMOS输入管NM1和cascode管NM2，负载电容C2的负端接电源VDD，负载电容C2的正端接cascode管NM2的漏极，cascode管NM2的源极接NMOS输入管NM1的漏极，NMOS输入管NM1的源极接电容C1的正端，电容C1的负端接地，负载电感L2的正端接负载电容C2的正端，负载电感L2的负端接负载电容C2的负端，电感L1的正端接输入信号IN，电感L1的负端接电容C1的正端，cascode管NM2的栅极接偏置电压VB2，NMOS输入管NM1的栅极接偏置电压VB1。
具体的，所述粗调模式通过粗调级实现，粗调级是在NMOS输入管NM1的漏极直接并联一组NMOS管阵列实现；通过增加的NMOS管阵列减少cascode管NM2中流过的电流，并同时将该减少的电流吸收到增加的NMOS管阵列中，这在减少cascode管NM2跨导的同时并联了额外的负载电阻。
更为具体的，所述NMOS管阵列包括第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的漏极接电源VDD，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的源极接NMOS输入管NM1的漏极，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的栅极分别接第一粗调信号CG1、第二粗调信号CG2和第三粗调新号CG3。其基本思想是：在MOS输入管NM1的漏极(即cascode管NM2的源极)直接并联一组NMOS管阵列，通过粗调信号开启NMOS管阵列，以减少cascode管NM2中流过的电流，并同时将该减少的电流吸收到NMOS管阵列中，这在减少cascode管NM2跨导的同时并联了额外的负载电阻，通过减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益。
具体的，所述细调模式通过细调级实现，细调级包括细调NMOS管NM4、耦合电容C3、隔直电容C4和负载NMOS管NM3，隔直电容C4的负端接电源VDD，隔直电容C4的正端接细调NMOS管NM4的漏极，细调NMOS管NM4的源极接负载NMOS管NM3漏极，负载NMOS管NM3的源极接地，耦合电容C3的负端接细调NMOS管NM4的源极，耦合电容C3的正端接NMOS输入管NM1的漏极，负载NMOS管NM3的栅极接偏置电压VB3，细调NMOS管NM4的栅极接细调信号CG。其基本思想是：通过耦合电容C3在cascode管NM2的源极间接并联细调NMOS管NM4，并在节点B构造虚拟地，增加细调NMOS管NM4的栅源电压的变化范围，即增加细调NMOS管NM4源极看进去的负载电阻变化范围；当细调信号CG开启细调NMOS管NM4时，通过并联额外的负载电阻从而减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗；由于细调NMOS管NM4的漏极接隔直电容到电源VDD，因此细调之路中并无直流电流，不会额外增加电路的功耗；当细调信号CG开启细调NMOS管NM4时，相当于原负载电阻并联1/gm(gm为NMOS管NM4的跨导)的电阻，总的等效负载阻抗降低。
有益效果：本发明提供的基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，相比现有技术，具有以下效果：粗调分离电流由共源共栅管的尺寸决定，所以增益控制精确；分离电流来自跨导管的电流，因而总电流不变，所以不增加功耗；细调不消耗直流电流且调节范围更大；同时本发明还具有不影响偏置和输入阻抗的特点。
附图说明
图1为实现本发明的结构示意图；
图2为本发明工作时的增益调节曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节结构，包括粗调和细调两种模式，粗调模式通过减少cascode管NM2跨导的同时并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益，细调模式通过并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益。
所述共栅cascode低噪声放大器电感L1、负载电感L2、电容C1、负载电容C2、NMOS输入管NM1和cascode管NM2，负载电容C2的负端接电源VDD，负载电容C2的正端接cascode管NM2的漏极，cascode管NM2的源极接NMOS输入管NM1的漏极，NMOS输入管NM1的源极接电容C1的正端，电容C1的负端接地，负载电感L2的正端接负载电容C2的正端，负载电感L2的负端接负载电容C2的负端，电感L1的正端接输入信号IN，电感L1的负端接电容C1的正端，cascode管NM2的栅极接偏置电压VB2，NMOS输入管NM1的栅极接偏置电压VB1。
所述粗调模式通过粗调级实现，粗调级是在NMOS输入管NM1的漏极直接并联一组NMOS管阵列实现；通过增加的NMOS管阵列减少cascode管NM2中流过的电流，并同时将该减少的电流吸收到增加的NMOS管阵列中，这在减少cascode管NM2跨导的同时并联了额外的负载电阻。所述NMOS管阵列包括第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的漏极接电源VDD，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的源极接NMOS输入管NM1的漏极，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的栅极分别接第一粗调信号CG1、第二粗调信号CG2和第三粗调新号CG3。
所述细调模式通过细调级实现，细调级包括细调NMOS管NM4、耦合电容C3、隔直电容C4和负载NMOS管NM3，隔直电容C4的负端接电源VDD，隔直电容C4的正端接细调NMOS管NM4的漏极，细调NMOS管NM4的源极接负载NMOS管NM3漏极，负载NMOS管NM3的源极接地，耦合电容C3的负端接细调NMOS管NM4的源极，耦合电容C3的正端接NMOS输入管NM1的漏极，负载NMOS管NM3的栅极接偏置电压VB3，细调NMOS管NM4的栅极接细调信号CG。
如图2所示，为本实例的一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节方法的仿真结果图。图中可以看出，在工作频率2.4G附近转换增益约为26dB(曲线a)；当打开粗调级开关，增益降为约20dB(曲线b)；当打开细调级开关，增益降为约13dB(曲线c)，而增益曲线的形状并未改变。
由上述可知，本发明的创新之处主要体现在粗调分离电流由共源共栅管的尺寸决定，所以增益控制精确；分离电流来自跨导管的电流，因而总电流不变，所以不增加功耗；细调不消耗直流电流且调节范围更大；同时本发明还具有不影响偏置和输入阻抗的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节电路，其特征在于：包括粗调级和细调级，粗调级通过减少cascode管NM2跨导的同时并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益，细调级通过并联额外负载电阻的方式，减少从cascode管NM2源极看进去的等效负载阻抗来调节增益；
所述共栅cascode低噪声放大器包括电感L1、负载电感L2、电容C1、负载电容C2、NMOS输入管NM1和cascode管NM2，负载电容C2的负端接电源VDD，负载电容C2的正端接cascode管NM2的漏极，cascode管NM2的源极接NMOS输入管NM1的漏极，NMOS输入管NM1的源极接电容C1的正端，电容C1的负端接地，负载电感L2的正端接负载电容C2的正端，负载电感L2的负端接负载电容C2的负端，电感L1的正端接输入信号IN，电感L1的负端接电容C1的正端，cascode管NM2的栅极接偏置电压VB2，NMOS输入管NM1的栅极接偏置电压VB1；
所述粗调级是在NMOS输入管NM1的漏极直接并联一组NMOS管阵列实现；通过增加的NMOS管阵列减少cascode管NM2中流过的电流，并同时将该减少的电流吸收到增加的NMOS管阵列中，这在减少cascode管NM2跨导的同时并联了额外的负载电阻；
所述细调级包括细调NMOS管NM4、耦合电容C3、隔直电容C4和负载NMOS管NM3，隔直电容C4的负端接电源VDD，隔直电容C4的正端接细调NMOS管NM4的漏极，细调NMOS管NM4的源极接负载NMOS管NM3漏极，负载NMOS管NM3的源极接地，耦合电容C3的负端接细调NMOS管NM4的源极，耦合电容C3的正端接NMOS输入管NM1的漏极，负载NMOS管NM3的栅极接偏置电压VB3，细调NMOS管NM4的栅极接细调信号CG。
2.根据权利要求1所述的基于共栅cascode低噪声放大器的增益调节电路，其特征在于：所述NMOS管阵列包括第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的漏极接电源VDD，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的源极接NMOS输入管NM1的漏极，第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7的栅极分别接第一粗调信号CG1、第二粗调信号CG2和第三粗调信 号CG3。
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