CN107241074A - 一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，设有输入主共栅放大单元、扼流单元、跨导增强共栅放大单元和负载单元。输入主共栅放大单元采用两路差分共栅结构，与此同时，跨导增强共栅放大单元和输入主共栅放大单元在信号输入端形成并联结构，从而一起实现低噪声放大器50欧姆输入阻抗匹配。扼流单元提供直流通路到地，并对输入的交流信号进行扼流。射频输入信号通过输入主共栅放大单元，跨导增强共栅放大单元送至负载单元，最终输出放大的电压差分信号。

Description

一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频接收机系统中的低噪声放大器，尤其是一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，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，具有较高的增益与良好的输入匹配，且具有较小的噪声系数，适用于低成本、低电压、低功耗通信系统中。

背景技术

低噪声放大器是射频接收链路中的第一级有源电路，其本身应具有较低的噪声系数并提供足够的增益来抑制后级电路的噪声。对于几乎所有的射频接收机系统，必不可少的一个模块就是低噪声放大器。由于系统接收到的射频信号幅度通常很小，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，并且提供一定的电压增益，以提高输出的信噪比。

传统的共源结构放大器和共栅结构放大器广泛应用于低电压窄带低噪声放大器的设计中。其中源极电感负反馈共源低噪声放大器具有很低的噪声系数、适中的增益和线性度，是在硅衬底上实现窄带低噪声放大器的最常见的电路结构。传统的源极电感负反馈共源低噪声放大器电路如图1所示。信号由晶体管M1的栅极输入，通过调整M1的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1的电流大小，进而改变M1跨导g_m，其中L_g和L_s分别为栅极电感和源极电感，C_ex为栅源并联电容，完成电路的输入匹配，L_d和C_out完成电路的输出匹配。虽然源极电感负反馈共源低噪声放大器结构相对简单，且具有流程化的设计和优化步骤，理论上可以达到限定功耗条件下的最小噪声系数，但是在实际电路的设计和应用过程中，传统的共源结构放大器具有以下缺点：

第一是隔离度差，由于传统的共源结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

第二是电路鲁棒性较差，芯片键合线长度和寄生电感的大小会因工艺或人为等因素发生变化，键合线的寄生电感对放大器的输入匹配和噪声性能产生不可预知的影响。

与传统的共栅结构放大器相比，共源结构放大器的线性度较差。共栅结构的放大器在线性度、输入匹配、稳定性以及温度和工艺的鲁棒性等方面有着天然的优势。传统的共栅结构放大器电路如图2所示。信号由晶体管M1、M2源极输入，通过调整M1和M2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1和M2的电流大小，进而改变M1和M2的跨导g_m，使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。通过调整负载电阻R1和R2的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的共栅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，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。

第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，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

本发明的目的是为了克服传统的共源结构放大器鲁棒性较差、线性度不高，传统的共栅结构放大器功耗大、增益低、隔离度差、噪声大的不足，提供一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，能在保证电路性能的基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益和隔离度。

本发明采取的技术方案如下：一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，其特征在于：设有输入主共栅放大单元、扼流单元、跨导增强共栅放大单元和负载单元，差分射频输入信号Vin+和Vin-分别连接输入主共栅放大单元的输入端和扼流单元的输出端，输入主共栅放大单元的输出端连接跨导增强共栅放大单元的输入端，跨导增强共栅放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号Vout+和Vout-；其中：

输入主共栅放大单元包括NMOS管M₁、NMOS管M₂、电阻R₁、电阻R₂、电容C₁和电容C₂，NMOS管M₁的栅极连接电阻R₁的一端和电容C₁的一端，电阻R₁的另一端连接偏置电压Vbias1，NMOS管M₂的栅极连接电阻R₂的一端和电容C₂的一端，电阻R₂的另一端连接偏置电压Vbias1，NMOS管M₁的源极和NMOS管M₂的源极分别连接差分射频输入信号Vin+和Vin-；

扼流单元包括电感L₁和电感L₂，电感L₁的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的源极即差分射频输入信号Vin-，电感L₂的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的源极即差分射频输入信号Vin+，电感L₁的另一端和电感L₂另一端均接地；

跨导增强共栅放大单元包括NMOS管M₃、NMOS管M₄、电容C₃、电容C₄以及、电阻R₃～R₆，电容C₃的一端连接NMOS管M₃的栅极和电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端连接偏置电压Vbias2，电容C₃的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的源极即差分射频输入信号Vin+，电容C₄的一端连接NMOS管M₄的栅极和电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端连接偏置电压Vbias2，电容C₄的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的源极即差分射频输入信号Vin-，NMOS管M₃的漏极连接电阻R₅的一端和输入主共栅放大单元中电容C₁的另一端，NMOS管M₄的漏极连接电阻R₆的一端和输入主共栅放大单元中电容C₂的另一端，电阻R₅的另一端和电阻R₆的另一端均连接电源电压VDD；

负载单元包括电感L₃和电容C₅，电感L₃与电容C₅并联，其并联后的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的漏极并作为输出端输出差分射频输出信号Vout+，并联后的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的漏极并作为输出端输出差分射频输出信号Vout-，电感L₃的中心抽头端连接电源电压VDD。

本发明的优点及显著效果：

(1)低电压低功耗。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，通过采用多重跨导增强技术可以将工作电流降低至0.9mA(电源电压1V)，而采用传统的共源结构放大器，需要约3mA的工作电流(电源电压1V)，采用传统的共栅结构放大器，需要约2.5mA的工作电流(电源电压1V)。

(2)高增益。本发明的工作电流较低，且使用差分电感L₃增加增益，从而不会产生过大的压降，同时采用多重跨导增强技术，也能使电压增益增加。在相同功耗条件下(1V电源电压下，工作电流0.9mA)，本发明相对于传统的共源结构放大器、传统共栅结构放大器其电压增益大幅提高，见图5。

(3)高隔离度。本发明采用采用多重跨导增强技术，可以大大提高放大器的隔离度，相比于传统的共源结构放大器、传统的共栅结构放大器，电路隔离度可以从原先的25dB提高至45dB，从而满足系统对隔离度指标的要求。

(4)低噪声。本发明采用多重跨导增强技术，大大提高了电路的增益，从而降低了电路噪声系数。在相同功耗条件下(1V电源电压下，工作电流0.9mA)，本发明相对传统的共源结构放大器、传统共栅结构放大器其噪声系数对比，见图6。

(5)本发明提出的多重跨导增强技术低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益，降低噪声系数，可以应用于低成本、低电压、低功耗射频前端中。

附图说明

图1是传统共源结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是传统共栅结构低噪声放大器的电路原理图；

图3是本发明低噪声放大器的电路方框图；

图4是本发明低噪声放大器的电路原理图；

图5是相同电源电压，相同功耗下本发明与传统共源结构低噪声放大器、传统共栅结构低噪声放大器的电压增益曲线比较；

图6是相同电源电压，相同功耗下本发明与传统共源结构低噪声放大器、传统共栅结构低噪声放大器的噪声系数曲线比较。

具体实施方式

参看图3，本发明设有输入主共栅放大单元1、扼流单元2、跨导增强共栅放大单元3、和负载单元4。差分射频输入信号Vin+及Vin-分别连接输入主共栅放大单元1的输入端，和扼流单元2的输出端，输入主共栅放大单元1的输出端连接跨导增强共栅放大单元3的输入端，跨导增强共栅放大单元3的输出端连接负载单元4，负载单元4输出差分射频输出信号Vout+和Vout-。

参看图4，输入主共栅放大单元1采用两路差分共栅结构，与此同时，跨导增强共栅放大单元3和输入主共栅放大单元1在信号输入端形成并联结构，从而一起实现低噪声放大器50欧姆输入阻抗匹配。扼流单元2提供直流通路到地，并对输入的交流信号进行扼流。射频输入信号通过输入主共栅放大单元1，跨导增强共栅放大单元3送至负载单元4，最终输出放大的电压差分信号Vout+和Vout-。

差分射频Vin+信号连接输入主共栅放大单元1的NMOS管M₁的源极和跨导增强共栅放大单元3的NMOS管M₄的源极，Vin-信号连接输入主共栅放大单元1的NMOS管M₂的源极和跨导增强共栅放大单元3的NMOS管M₃的源极，同时扼流单元2的电感L₁连接到输入主共栅放大单元1的NMOS管M₂的源极和跨导增强共栅放大单元3的NMOS管M₃的源极，电感L₂连接到输入主共栅放大单元1的NMOS管M₁的源极和跨导增强共栅放大单元3的NMOS管M₄的源极。NMOS管M₁、M₂的栅极串联电阻R1、R2后连接到偏置电压Vbias1，NMOS管M₁、M₂的栅极串联电容C₁、C₂后分别连接到跨导增强共栅放大单元3的NMOS管M₃、M₄的漏级。

跨导增强共栅放大单元3包括NMOS管M₃、M₄、电容C₃、C₄和电阻R₃、R₄、R₅、R₆。C₃、C₄的一端分别连接跨导增强共栅放大单元3中的NMOS管M₃和M₄的栅极，C₃、C₄的另一端分别连接输入主共栅放大单元1中的NMOS管M₁和M₂的源级，NMOS管M₃和M₄的栅极分别串联R₃、R₄后均连接到偏置电压Vbias2，R₅、R₆的一端分别与NMOS管M₃和M₄的漏极相连，R₅、R₆的另一端与电感L₃的中心抽头端一起与电源电压VDD相连接。

NMOS管M₁、M₂的漏极分别连接负载单元4的电感L₃、电容C₅两端，差分射频输出信号Vout+和Vout-由负载单元4的电感L₃及电容C₅两端输出。

差分射频输入信号Vin+及Vin-通过输入主共栅放大单元1输入，对于共栅结构的放大电路，其输入阻抗约为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B到源极S的电位差带来的等效跨导。

本专利在输入端采用了多重跨导增强技术，其主要由输入主共栅放大单元1和跨导增强共栅放大单元3两个部分构成。输入主共栅放大单元1由NMOS管M₁、M₂、电容C₁、C₂以及电阻R₁、R₂组成，电感L₃和电容C₅组成负载单元4，电感L₃和电容C₅是作为输入主共栅放大单元1的LC负载，谐振在工作频率2.44GHz处。跨导增强共栅放大单元3由NMOS管M₃、M₄、电容C3、C4和电阻R3、R4、R5、R6组成，其中电容C₃和C₄构成了电容交叉耦合结构，在没有消耗额外功耗的情况下，进一步提升了跨导增强共栅放大单元3的等效跨导。此外，采用共栅组态的跨导增强放大单元还可以和主共栅放大单元在信号输入端形成并联结构，一起完成放大器的输入端匹配，使电路设计变得更加灵活，该结构中的主共栅放大单元1和跨导增强共栅放大单元3可以采用不同的偏置电流，设计自由度也更高，而且该结构在电源和地之间仅有一层NMOS管，更适合在较低的电源电压下工作。综上所述，相比传统共源结构放大器和共栅结构放大器，在相同电源电压和功耗限制的前提下，本专利所采用的电路结构具有更低的噪声系数，更高的增益和更好的线性度，非常适用于低成本、低电压、低功耗射频前端中。

参看图5可见，在相同电源电压，相同功耗下本发明与与传统共源结构低噪声放大器、传统共栅结构低噪声放大器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6可见，在相同电源电压，相同功耗下本发明与传统共源结构低噪声放大器、传统共栅结构低噪声放大器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。

本发明设计的低噪声放大器在1V电源电压下工作电流约为0.9mA，电路功耗0.9mW。该低噪声放大器电压增益的最大值为22.2dB位于2.44GHz频率处，在2.4～2.4835GHz频率范围内，电压增益的波动小于±0.4dB。在2.4～2.4835GHz频率范围内，噪声系数小于4.25dB。在2.44GHz频率处，该低噪声放大器的IP1dB为-17.5dBm，IIP3为-2.5dBm。通过对比，其性能远远优于传统共源结构低噪声放大器和传统共栅结构低噪声放大器。

Claims (1)

1.一种低电压低功耗高增益窄带低噪声放大器，其特征在于：设有输入主共栅放大单元、扼流单元、跨导增强共栅放大单元和负载单元，差分射频输入信号Vin+和Vin-分别连接输入主共栅放大单元的输入端和扼流单元的输出端，输入主共栅放大单元的输出端连接跨导增强共栅放大单元的输入端，跨导增强共栅放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号Vout+和Vout-；其中：

输入主共栅放大单元包括NMOS管M₁、NMOS管M₂、电阻R₁、电阻R₂、电容C₁和电容C₂，NMOS管M₁的栅极连接电阻R₁的一端和电容C₁的一端，电阻R₁的另一端连接偏置电压Vbias1，NMOS管M₂的栅极连接电阻R₂的一端和电容C₂的一端，电阻R₂的另一端连接偏置电压Vbias1，NMOS管M₁的源极和NMOS管M₂的源极分别连接差分射频输入信号Vin+和Vin-；

扼流单元包括电感L₁和电感L₂，电感L₁的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的源极即差分射频输入信号Vin-，电感L₂的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的源极即差分射频输入信号Vin+，电感L₁的另一端和电感L₂另一端均接地；

跨导增强共栅放大单元包括NMOS管M₃、NMOS管M₄、电容C₃、电容C₄以及、电阻R₃～R₆，电容C₃的一端连接NMOS管M₃的栅极和电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端连接偏置电压Vbias2，电容C₃的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的源极即差分射频输入信号Vin+，电容C₄的一端连接NMOS管M₄的栅极和电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端连接偏置电压Vbias2，电容C₄的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的源极即差分射频输入信号Vin-，NMOS管M₃的漏极连接电阻R₅的一端和输入主共栅放大单元中电容C₁的另一端，NMOS管M₄的漏极连接电阻R₆的一端和输入主共栅放大单元中电容C₂的另一端，电阻R₅的另一端和电阻R₆的另一端均连接电源电压VDD；

负载单元包括电感L₃和电容C₅，电感L₃与电容C₅并联，其并联后的一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₁的漏极并作为输出端输出差分射频输出信号Vout+，并联后的另一端连接输入主共栅放大单元中NMOS管M₂的漏极并作为输出端输出差分射频输出信号Vout-，电感L₃的中心抽头端连接电源电压VDD。