CN106936399A - 一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，设有匹配单元、第一放大单元、复用单元、第二放大单元、第一负载单元、第三放大单元、第二负载单元和电容C₄、C₅、C₆。匹配单元采用级联L型输入匹配网络实现50欧姆输入阻抗匹配，射频输入信号通过匹配单元经第一放大单元进行放大，放大后的信号电压通过复用单元到实现电流复用的第二放大单元进行第二次放大并送至第一负载单元，第二次放大后的信号电压还通过电容C₄、C₅送至采用多栅晶体管并联技术的第三放大单元进行第三次放大并送至负载单元并通过电容C₆输出射频输出信号。

Description

一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频宽带放大器，尤其是一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，采用CMOS工艺，在射频电路中具有较大优势，设计结构简单，在改善噪声性能与增益同时，将功耗大幅度降低，具有较大的增益带宽与输入匹配带宽，且具有较高的线性度和较小的噪声系数。

背景技术

低噪声放大器在无线接收机中是极为关键的模块，在设计时，需要面临各种各样的设计指标要求，例如：低噪声、低功耗、高增益、高线性度和较宽的带宽。由于有些设计指标之间本身存在矛盾，例如低噪声和高线性度，因此在设计时往往很难全部兼顾，需要进行折中或者采用一些技术手段。

共栅共源两级级联结构放大器广泛应用于宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其具有宽带输入匹配特性和一定的电压增益，传统的共栅共源两级级联结构的低噪声放大器电路如图1所示。信号由晶体管M₁₀源极输入，晶体管M₁₀的漏极接晶体管M₂₀的栅极，信号最后由晶体管M₂₀的漏极输出。通过调整M₁₀和M₂₀的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M₁₀和M₂₀的电流大小，同时，通过调整负载电感L₁和L₂的电感值大小，可以获得不同的电压增益。此外，通过改变M₁₀的宽长比及栅极偏置电压，进而改变M₁₀的跨导g_m，从而使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽，同时具有一定的电压增益。但是，传统的共栅共源两级级联结构放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的共栅共源两级级联结构放大器的输入阻抗近似为1/(g_m+g_mb)，其中g_m为输入晶体管跨导，g_mb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的共栅共源两级级联结构放大器的增益很大程度上取决于共源级的增益，共栅极由于输入电阻远小于共源级，其提供的源电压增益较小，因此，尽管该放大器是两级级联放大器，具有一定的电压增益，但是增益较低。

第三是隔离度差，由于传统的共栅共源两级级联结构放大器中共栅极的隔离度较差，这将导致共栅极输出端的信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

最后是噪声大，传统的共栅共源两级级联结构放大器的噪声系数较大，往往超过4dB。

发明内容

本发明的目的是为克服传统的共栅共源两级级联结构放大器的不足，提供一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益、隔离度、线性度和输入匹配带宽。

本发明采取的技术方案如下：一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，其特征在于：包括匹配单元、第一、第二、第三三个放大单元、复用单元、第一、第二两个负载单元以及电容C₄、电容C₅和电容C₆，射频输入信号RF_in连接匹配单元，匹配单元的输出连接第一放大单元，第一放大单元通过复用单元与第二放大单元连接，第二放大单元的输出连接第一负载单元，同时，第二放大单元的输出还通过电容C₄和电容C₅连接第三放大单元，第三放大单元的输出连接第二负载单元，第三放大单元的输出端也是低噪声放大器的输出端，通过电容C₆输出射频输出信号RF_out；其中：

匹配单元包括电容C₁、电感L₁和电感L₂，电容C₁的一端连接射频输入信号RF_in，电容C₁的另一端连接电感L₁与电感L₂的串联端，电感L₁的另一端接地；

第一放大单元包括NMOS管M₁和电阻R₁，NMOS管M₁的栅极连接偏置电压V_G1，NMOS管M₁的源极连接匹配单元中电感L₂的另一端，NMOS管M₁的衬底串联电阻R₁后接地；

复用单元包括电容C₂和电感L₃，电容C₂的一端与电感L₃的一端以及第一放大单元中NMOS管M₁的漏极连接在一起；

第二放大单元包括NMOS管M₂、NMOS管M₃和电容C₃，NMOS管M₂的栅极分别连接复用单元中电容C₂的另一端和偏置电压V_G2，NMOS管M₂的源极分别连接复用单元中电感L₃的另一端和电容C₃的一端，电容C₃的另一端连接NMOS管M₂的衬底并接地，NMOS管M₂的漏极连接NMOS管M₃的源级，NMOS管M₃的栅极连接偏置电压V_G3，NMOS管M₃的衬底接地；

第一负载单元包括电感L4，电感L4的一端与第二放大单元中NMOS管M3的漏极、电容C4的一端以及电容C5的一端连接在一起，电感L4的另一端连接电源V_DD；

第三放大单元包括NMOS管M₄、NMOS管M₅和NMOS管M₆，NMOS管M₄的栅极分别连接电容C4的另一端和偏置电压V_G4，NMOS管M4的源极和衬底均接地，NMOS管M4的漏极分别连接NMOS管M5的漏极和NMOS管M6的源级，NMOS管M5的栅极分别连接电容C5的另一端和偏置电压V_G5，NMOS管M5的源极和衬底均接地，NMOS管M6的栅极连接电源V_DD，NMOS管M6的衬底接地；

第二负载单元包括电感L5和电阻R₂，电感L5的一端分别连接电阻R₂的一端和第三放大单元中NMOS管M6的漏极并通过电容C6输出射频输出信号RF_out，电感L5另一端与电阻R₂的另一端以及电源V_DD连接在一起。

本发明的优点及显著效果：

(1)低功耗。在实现50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗，通过级联L型输入匹配网络和电流复用技术可以将工作电流降至6.5mA(3V电源电压下)，而传统的共栅共源两级级联结构放大器，需要约12mA的工作电流(3V电源电压下)。

(2)高增益。本发明通过电流复用技术，在保证工作电流不变的情况下，增加一级共源共栅放大器，极大提高了整个放大器的电压增益。同时第三放大单元中的多栅晶体管并联技术，提高了第三放大单元的整体跨导g_m，也使得电压增益增加。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流6.5mA)，本发明相对于传统的共栅共源两级级联结构放大器以及仅采用电流复用技术或仅采用多栅晶体管并联技术其电压增益大幅提高(见图4)。

(3)高隔离度。本发明中第一放大单元的共栅极与第二放大单元的共源共栅极电流复用，极大地提高了放大器的整体隔离度，相比传统的共栅共源两级级联结构放大器，电路隔离度可从原先30dB提高至55dB。

(4)低噪声。本发明采用电流复用技术，在降低功耗的同时带来了极高的增益，从而有利于降低电路噪声系数。在第一放大单元中，NMOS管M1的衬底通过高阻接地，也有利于阻止信号泄露和噪声的耦合。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流6.5mA)，本发明相对于传统的共栅共源两级级联结构放大器以及仅采用电流复用技术或仅采用多栅晶体管并联技术其噪声系数大幅降低(见图5)。

(5)高线性度。本发明针对高前级增益影响线性度的情况，在第三放大单元中采用多栅晶体管并联技术，可以对第三放大单元的整体跨导g_m和三次非线性系数g″_m同时进行补偿，从而同时提高输入三阶截点IIP₃和输入1dB压缩点P_in-1dB。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流6.5mA)，本发明相对于仅采用电流复用技术其IIP₃和P_in-1dB均可以提高13dB(见图6)。

(6)宽带输入匹配。本发明在传统的共栅输入级基础上，增加级联L型输入匹配网络，从而为输入匹配曲线在低频和高频分别增加两个谐振点，极大地拓展了输入匹配的带宽。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流6.5mA)，本发明相对于传统的共栅共源两级级联结构放大器其输入匹配的带宽极大地增加(见图7)。

(7)本发明提出的电流复用多栅晶体管并联共栅共源低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益、隔离度线性度和输入匹配带宽，降低噪声系数，可以应用于宽带射频前端中。

附图说明

图1是传统共栅共源两级级联结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明低噪声放大器的电路方框图；

图3是本发明低噪声放大器的电路原理图；

图4是相同功耗下本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器、仅采用电流复用技术、仅采用多栅晶体管并联技术的电压增益曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器、仅采用电流复用技术、仅采用多栅晶体管并联技术的噪声系数曲线比较；

图6是相同功耗下本发明与仅采用电流复用技术的输入三阶截点曲线比较；

图7是相同功耗下本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器的输入匹配曲线比较。

具体实施方式

参看图2，本发明设有匹配单元1、第一放大单元2、复用单元3、第二放大单元4、负载单元5、第三放大单元6、负载单元7以及隔直电容C₄、C₅、C₆。射频输入信号RF_in通过匹配单元1后经第一放大单元2放大，放大后的信号电压通过复用单元3到第二放大单元4进行第二次放大后送至负载单元5，第二次放大后的信号电压还通过电容C₄、C₅后送至第三放大单元6进行第三次放大后送至负载单元7，第三放大单元6的输出端也是低噪声放大器的输出端，通过电容C₆输出射频输出信号RF_out。

参看图3，匹配单元1设有电容C1、电感L1、L2，采用级联L型输入匹配网络。第一放大单元2设有NMOS管M1以及电阻R1，复用单元3设有电容C2电感L3；第二放大单元4设有NMOS管M2、M3以及电容C3；负载单元5设有电感L4；第三放大单元6设有NMOS管M4、M5、M6；负载单元7设有电感L5和电阻R2。

电容C1电感L1、L2和NMOS管M1的栅源电容构成级联L型输入匹配网络来实现50欧姆输入阻抗匹配。NMOS管M1的漏极分别通过电容C2和电感L3连接到第二放大单元4中NMOS管M2的栅极和源极，构成第一放大单元2和第二放大单元4的电流复用，NMOS管M3的漏极通过负载单元5中的电感L4连接电源并输出放大的信号电压。第二放大单元4输出的信号电压通过电容C4、C5分别连接到放大单元6中NMOS管M4、M5的栅极，NMOS管M6的漏极分别通过负载单元7中电感L5和电阻R2连接电源并通过电容C6输出射频输出信号RF_out。

射频输入信号RF_in通过匹配单元1输入，对于传统的共栅共源两级级联结构放大器的输入阻抗，可以近似为1/(g_m+g_mb)，此处，g_m为共栅极晶体管的跨导，g_mb为共栅极晶体管衬底到源极的电位差带来的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50欧姆。本发明在信号输入端引入匹配单元1，通过级联L型输入匹配网络可以将第一放大单元2的输入阻抗100欧姆变换到50欧姆，因此，共栅极晶体管的跨导值可以降低为原来的一半，所需要的功耗也降低了一半。此外，级联L型输入匹配网络由高通L型网络和低通L型网络级联而成，可以为输入匹配曲线在低频和高频分别增加两个谐振点，从而极大地拓展了输入匹配的带宽。利用电流复用技术，在保证工作电流不变的情况下，增加一级共源共栅级，极大提高了整个放大器的电压增益和隔离度。另一方面，更高的电压增益也有利于低噪声的实现。因此，相比传统的共栅共源两级级联结构放大器完成50欧姆输入匹配，本发明需要的功耗为原先的二分之一。即在相同电源电压下，工作电流降低为传统共栅共源两级级联结构低噪声放大器的二分之一。同时利用电流复用技术增加的一级共源共栅放大器，可以极大地提高整个放大器的电压增益和隔离度，有利于降低噪声。

第三放大单元6包括三个晶体管M4、M5、M6。发明中第三放大单元6中采用多栅晶体管并联技术，将NMOS管M4、M5的栅极、漏极和源极相连，通过分别控制NMOS管M4、M5的偏置电压V_G4、V_G5，使得NMOS管M4工作在饱和区，而使得NMOS管M5工作在亚阈值区，从而可以对第三放大单元6的整体跨导g_m和三次非线性系数g″_m同时进行补偿，提高整体电路的线性度。虽然NMOS管M5工作在亚阈值区，但也有一定的跨导，因而也提高了整体电路的电压增益，而前级电路的高增益也使得NMOS管M5引入的噪声可以忽略不计。

参看图4可见，相同功耗下本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器、仅采用电流复用技术、仅采用多栅晶体管并联技术的电压增益曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器增益最高。

参看图5可见，相同功耗下本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器、仅采用电流复用技术、仅采用多栅晶体管并联技术的噪声系数曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器噪声系数最低。

参看图6可见，相同功耗下本发明与仅采用电流复用技术的输入三阶截点曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器相对于仅采用电流复用技术其IIP₃和P_in-1dB均可以提高13dB。

参看图7可见，相同功耗条件下，本发明与传统的共栅共源两级级联结构放大器的输入匹配曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器相对于传统的共栅共源两级级联结构放大器其输入匹配的带宽极大地增加。

本发明设计的低噪声放大器在3V电源电压下工作电流约为6.5mA。该低噪声放大器3dB带宽为2-3GHz，输入匹配带宽为1.8-5.8GHz，电压增益约为28dB，带内噪声系数约为3.1dB到3.3dB。通过对比，其性能远远优于传统的共栅共源两级级联结构放大器及单独使用电流复用技术或单独使用多栅晶体管并联技术的低噪声放大器。

Claims (1)

1.一种低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，其特征在于：包括匹配单元、第一、第二、第三三个放大单元、复用单元、第一、第二两个负载单元以及电容C₄、电容C₅和电容C₆，射频输入信号RF_in连接匹配单元，匹配单元的输出连接第一放大单元，第一放大单元通过复用单元与第二放大单元连接，第二放大单元的输出连接第一负载单元，同时，第二放大单元的输出还通过电容C₄和电容C₅连接第三放大单元，第三放大单元的输出连接第二负载单元，第三放大单元的输出端也是低噪声放大器的输出端，通过电容C₆输出射频输出信号RF_out；其中：

匹配单元包括电容C₁、电感L₁和电感L₂，电容C₁的一端连接射频输入信号RF_in，电容C₁的另一端连接电感L₁与电感L₂的串联端，电感L₁的另一端接地；

第一放大单元包括NMOS管M₁和电阻R₁，NMOS管M₁的栅极连接偏置电压V_G1，NMOS管M₁的源极连接匹配单元中电感L₂的另一端，NMOS管M₁的衬底串联电阻R₁后接地；

复用单元包括电容C₂和电感L₃，电容C₂的一端与电感L₃的一端以及第一放大单元中NMOS管M₁的漏极连接在一起；

第二放大单元包括NMOS管M₂、NMOS管M₃和电容C₃，NMOS管M₂的栅极分别连接复用单元中电容C₂的另一端和偏置电压V_G2，NMOS管M₂的源极分别连接复用单元中电感L₃的另一端和电容C₃的一端，电容C₃的另一端连接NMOS管M₂的衬底并接地，NMOS管M₂的漏极连接NMOS管M₃的源级，NMOS管M₃的栅极连接偏置电压V_G3，NMOS管M₃的衬底接地；

第一负载单元包括电感L4，电感L4的一端与第二放大单元中NMOS管M3的漏极、电容C4的一端以及电容C5的一端连接在一起，电感L4的另一端连接电源V_DD；

第三放大单元包括NMOS管M₄、NMOS管M₅和NMOS管M₆，NMOS管M₄的栅极分别连接电容C4的另一端和偏置电压V_G4，NMOS管M4的源极和衬底均接地，NMOS管M4的漏极分别连接NMOS管M5的漏极和NMOS管M6的源级，NMOS管M5的栅极分别连接电容C5的另一端和偏置电压V_G5，NMOS管M5的源极和衬底均接地，NMOS管M6的栅极连接电源V_DD，NMOS管M6的衬底接地；

第二负载单元包括电感L5和电阻R₂，电感L5的一端分别连接电阻R₂的一端和第三放大单元中NMOS管M6的漏极并通过电容C6输出射频输出信号RF_out，电感L5另一端与电阻R₂的另一端以及电源V_DD连接在一起。