CN107248850A - 一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，设有放大单元、复用单元、级联单元、负载单元、输入匹配反馈单元、电流镜单元和反向隔离输出匹配单元；射频输入信号连接放大单元，放大单元的输出分别连接复用单元和级联单元，级联单元的输出分别连接负载单元、输入匹配反馈单元和反向隔离输出匹配单元，输入匹配反馈单元的输出除连接电流镜单元外还反馈连接放大单元，反向隔离输出匹配单元输出射频输出信号。

Description

一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及射频接收机系统中的低噪声放大器，尤其是一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器是无线接收机中的第一级有源电路，它本身应具有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。在设计时，需要面临各种各样的设计指标要求，例如：较小的芯片面积、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。

有源电阻负反馈结构放大器由于不采用或很少采用电感，通常占用的芯片面积较小，因此广泛应用于低成本的宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其具有较宽的输入匹配特性和一定的电压增益，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器电路如图1所示。信号由晶体管M₁栅极输入，晶体管M₁的漏极接负载电阻R_L，信号最后由晶体管M₁的漏极输出。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。为了实现宽带匹配，M₁的漏极输出信号通过晶体管M₂和电流源I₁组成的源级跟随器电路由晶体管M₂的源级输出，晶体管M₂源级输出的信号通过反馈电阻R_F返回到晶体管M₁的栅极。通过调整晶体管M₁的宽长比和栅极偏置电压，进而改变M₁的跨导g_m，可以获得不同的电压增益。通过优化晶体管M₁的跨导g_m和反馈电阻R_F值的大小，从而使其输入阻抗与50欧姆天线匹配，获得良好的宽带输入匹配特性。为了提高电路的反向隔离度和输出匹配特性，晶体管M₁漏极输出信号通过晶体管M₃和电流源I₂组成的源级跟随器电路由晶体管M₃的源级输出。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，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器的输入阻抗近似为(1+g_m2R_F)/g_m2(1+g_m1R_L)，其中g_m1为输入晶体管跨导，g_m2为源级跟随晶体管M₂的跨导。为了获得一定的电压增益和实现输入阻抗与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，同时调整反馈电阻R_F和负载电阻R_L的值使上式近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器的增益很大程度上取决于共源级晶体管M₁的增益，由于反馈电阻R_F的存在，使其增益有一定的损失，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，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器中的隔离度较差，将导致输出端的信号通过反馈回路返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

最后是噪声大，传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声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两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器的不足，提供一种无电感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、隔离度和线性度。

本发明采取的技术方案如下：一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，其特征在于：设有放大单元、复用单元、级联单元、负载单元、输入匹配反馈单元、电流镜单元和反向隔离输出匹配单元；射频输入信号连接放大单元，放大单元的输出分别连接复用单元和级联单元，级联单元的输出分别连接负载单元、输入匹配反馈单元和反向隔离输出匹配单元，输入匹配反馈单元的输出除连接电流镜单元外还反馈连接放大单元，反向隔离输出匹配单元输出射频输出信号，其中：

放大单元包括NMOS管M₁，NMOS管M₁的栅极连接射频输入信号RF_in，晶体管M₁的栅极偏置电压由输入匹配反馈单元和电流镜单元提供；

复用单元包括PMOS管M₂、PMOS管M₄、电阻R_B1及电容C₁，PMOS管M₂的栅极连接放大单元中NMOS管M₁的栅极，PMOS管M₂源极连接PMOS管M₄的漏极和电容C₁的一端，PMOS管M₄的栅极通过电阻R_B1连接偏置电压V_B1，PMOS管M₄的源极连接电容C₁的另一端并与电源VDD连接；

级联单元包括NMOS管M₃，NMOS管M₃的源极分别连接放大单元中NMOS管M₁的漏极和复用单元中PMOS管M₂的漏极；

负载单元包括电阻R_L，电阻R_L的一端连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，电阻R_L的另一端连接电源VDD；

输入匹配反馈单元包括NMOS管M₅、NMOS管M₆、偏置电阻R₁、反馈电阻R_F、反馈电容C_F和电容C₂，NMOS管M₅的栅极连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，NMOS管M₅的漏极连接电源VDD，NMOS管M₅的源极连接NMOS管M₆的漏极和栅极并连接偏置电阻R₁的一端，偏置电阻R₁的另一端连接电容C₂的一端和级联单元中NMOS管M₃的栅极，电容C₂的另一端接地，NMOS管M₆的源极连接反馈电阻R_F与反馈电容C_F并联后的一端，反馈电阻R_F与反馈电容C_F并联后的另一端连接放大单元中NMOS管M₁的栅极；

电流镜单元包括电阻R₂，电阻R₂的一端连接输入匹配反馈单元中NMOS管M₆的源极，电阻R₂的另一端接地；

反向隔离输出匹配单元包括PMOS管M₇、PMOS管M₁₀、NMOS管M₈、NMOS管M₉、电阻R_B2、电阻R_B3、交流反馈电容C₃和输出匹配电阻R_out；PMOS管M₇的源极和PMOS管M₁₀的源极均连接电源VDD，PMOS管M₇的栅极通过电阻R_B2连接偏置电压V_B2，PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁₀的栅极、NMOS管M₈的漏极以及交流反馈电容C₃的一端连接在一起，NMOS管M₈的栅极连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，NMOS管M₈的源极与PMOS管M₁₀的漏极、NMOS管M₉的漏极以及输出匹配电阻R_out的一端连接在一起，NMOS管M₉的栅极连接交流反馈电容C₃的另一端并通过电阻R_B3连接偏置电压V_B3，NMOS管M₉的源极接地，输出匹配电阻R_out的另一端输出射频输出信号RFout。

本发明的优点及显著效果：采用CMOS工艺，在设计射频电路中具有较大优势，电路结构中不含片内电感，大大减小了芯片面积。除此之外，对传统的宽带电路结构进行了改进，在改善噪声性能与增益的同时，将功耗大幅度降低，使电路具有较大的增益带宽与较宽的输入匹配带宽，且具有较高的线性度和较小的噪声系数。

(1)低功耗。在实现50欧姆宽带输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗，通过电流复用技术可以将工作电流降至8mA(3V电源电压下)，而传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器，需要约13mA的工作电流(3V电源电压下)。

(2)高增益。本发明通过两级电流复用技术，在保证工作电流不变的情况下，在射频信号输入放大单元增加一级共源共栅放大器构成复用单元，极大提高了输入级的有效跨导g_m，同时在反向隔离输出匹配单元中也采用了一级共源共栅放大器构成电流复用单元，这些技术的采用，大大提高了电压增益。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流8mA)，本发明相对于传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，其电压增益大幅提高，见图4。

(3)高隔离度。本发明中采用的共源共栅极电流复用技术，极大地提高了放大器的整体隔离度，相比传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器，电路隔离度可从原先30dB提高至50dB。

(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。除此之外，该电路将级联单元NMOS管M₃的漏极输出信号通过NMOS管M₅、M₆构成的源级跟随器和反馈电阻R_F、反馈电容C_F馈到信号输入端，从而为噪声系数和输入阻抗提供了另外一个自由度，使得电路可以在维持匹配的条件下进一步降低噪声系数。在相同功耗条件下(3V电源电压下，工作电流8mA)，本发明相对于传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，其噪声系数大幅降低，见图5。

(5)高线性度。本发明针对传统的有源电阻负反馈放大器增益与线性度相矛盾的情况，在电路中采用电阻R₂取代传统的电流镜电路，并通过采用有源电阻电容并联的反馈电路结构使得电路的直流反馈通路与交流反馈通路为同一支路，从而提高电路的输入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8mA)，本发明相与传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器相比，其P_in-1dB均可以提高约6dB，见图6。

(6)本发明提出的两级电流复用、有源电阻电容并联负反馈低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益、隔离度和线性度，降低噪声系数，可以应用于宽带射频前端中。

(7)本发明采用CMOS工艺，在设计射频电路中具有较大优势，电路结构中不含片内电感，大大减小了芯片面积。除此之外，对传统的宽带电路结构进行了改进，在改善噪声性能与增益的同时，将功耗大幅度降低，使电路具有较大的增益带宽与较宽的输入匹配带宽，且具有较高的线性度和较小的噪声系数。

附图说明

图1是传统的两级级联结构的有源电阻负反馈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两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，电压增益曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，噪声系数曲线比较；

图6是相同功耗下本发明与传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器输入1dB压缩点P_in-1dB曲线比较。

具体实施方式

参看图2，本发明设有放大单元1、复用单元2、级联单元3、负载单元4、输入匹配反馈单元5、电流镜单元6、反向隔离输出匹配单元7，射频输入信号连接放大单元1，放大单元1的输出分别连接复用单元2和级联单元3，级联单元3的输出分别连接负载单元4、输入匹配反馈单元5和反向隔离输出匹配单元7，输入匹配反馈单元5的输出除连接电流镜单元6外还反馈连接放大单元1，反向隔离输出匹配单元7输出射频输出信号。

其中，射频输入信号连接放大单元1和输入匹配反馈单元5，用来实现50欧姆的宽带输入阻抗匹配。放大单元1的输出连接复用单元2和级联单元3，级联单元3与负载单元4组成的电路完成输入信号的第一次放大，第一次放大后的信号除了送入输入匹配反馈单元5以外，还送入到反向隔离输出匹配单元7的输入端，完成信号的第二次放大，其中输入匹配反馈单元5的输出端与放大单元1的输入端相接，另一端与电流镜单元6相连，射频输出信号从反向隔离输出匹配单元7的输出端输出。

参看图3，放大单元1包括NMOS管M₁，NMOS管M₁的栅极除了连接射频输入信号RF_in外，还与输入匹配反馈单元5的输出端相连，晶体管M₁的栅极偏置电压由输入匹配反馈单元5和电流镜单元6组成的电路提供。

复用单元2包括PMOS管M₂、PMOS管M₄、电阻R_B1及电容C₁，PMOS管M₂的栅极与放大单元1的NMOS管M₁的栅极相连，PMOS管M₂源极与PMOS管M₄的漏极相连，PMOS管M₄的栅极通过电阻R_B1连接偏置电压V_B1，可以通过调节PMOS管M₄的栅极偏置电压来调整流过负载单元R_L的直流电流，从而调整级联单元NMOS管M₃的漏极的直流电平。PMOS管M₄的源极与电源端VDD相连，NMOS管M₁和PMOS管M₂构成了电流复用的共源放大器，电容C₁的一端连接PMOS管M₂的源极，另一端连接电源端VDD，大电容C₁将PMOS管M₂的源极交流接地。

级联单元3包括NMOS管M₃，NMOS管M₃的源极分别与NMOS管M₁的漏极和PMOS管M₂的漏极相连，NMOS管M₁的漏极和PMOS管M₂的漏极输出电流经过级联单元3的NMOS管M₃流入负载单元R_L，通过电流复用技术提高了LNA输入级的有效跨到，同时减小了流入NMOS管M₃以及R_L上的直流电流，减小了R_L上的电压降，从而有效提高了LNA负载单元输出级的摆幅，进而提高了LNA的线性度。负载单元4包括负载电阻R_L，R_L的一端与NMOS管M₃的漏极相连，另一端与电源端VDD相连。

输入匹配反馈单元5包括NMOS管M₅，NMOS管M₆，栅极偏置电阻R₁，反馈电阻R_F，反馈电容C_F，电容C₂。级联单元NMOS管M₃漏极与NMOS管M₅的栅极相连，NMOS管M₅的漏极端与电源端VDD相连，NMOS管M₅的源极与二极管方式连接的NMOS管M₆的漏极相连，栅漏短接的NMOS管M₆工作于饱和区，栅极偏置电阻R₁一端与NMOS管M₆的栅极相连接，另一端与级联单元NMOS管M₃的栅极相连接，为其提供直流偏置电压。反馈电阻R_F与反馈电容C_F的一端与NMOS管M₆的源极线连接，另一端与放大单元NMOS管M₁的栅极和复用单元PMOS管M₂的栅极相连，级联单元NMOS管M₃的漏极输出信号经过NMOS管M₅和M₆组成的源极跟随器，并通过反馈电阻R_F与反馈电容C_F构成的反馈回路馈入到放大器的射频信号输入端，反馈电容C_F的引入，不仅可以提高输入端的宽带匹配，还可以部分补偿放大器的高频增益损失。此反馈结构交直流反馈为同一通路，省略了隔直电容，不仅减少了芯片的面积，而且避免了隔直电容到衬底的寄生电容对源极跟随器负载的影响，从而提高了放大器的线性度。

电流镜单元6包括电阻R₂，其一端连接NMOS管M₆的源极，另一端连接接地端，用电阻R₂取代传统的电流镜电路，进一步提高了电路的线性度。

反向隔离输出匹配单元7包括PMOS管M₇、M₁₀，NMOS管M₈、M₉，栅极偏置电阻R_B2、R_B3，交流反馈电容C₃，输出匹配电阻R_out。PMOS管M₇的漏极与NMOS管M₈的漏极相连，PMOS管M₇、M₁₀的源极与电源端VDD相连，PMOS管M₇的栅极与偏置电阻R_B2的一端相连，R_B2电阻的另一端与外加偏置电压V_B2相连，NMOS管M₉的漏极与NMOS管M₈的源极相连，NMOS管M₉的源极与接地端相连，NMOS管M₉的栅极与偏置电阻R_B3的一端相连，R_B3电阻的另一端与外加偏置电压V_B3相连。NMOS管M₈、M₉构成了第二个源极跟随器提供反向隔离功能和输出匹配功能，与此同时，PMOS管M₇和NMOS管M₈构成第二个电流复用支路，降低了流经该支路的电流，进一步减小了电路的功耗。为了提高电路的大电流负载驱动能力和实现较宽的宽带匹配，将PMOS管M₁₀源极与电源端VDD相连，栅极与NMOS管M₈的漏极相连，漏极与NMOS管M₈的源极相连，电容C₃的一端与NMOS管M₈的漏极相连，另一端与NMOS管M₉的栅极相连，级联单元NMOS管M₃的漏极输出信号从NMOS管M₈的栅极输入，从NMOS管M₈的源极输出，输出的信号连接输出匹配调节电阻R_out的一端，射频输出信号由输出匹配调节电阻R_out的另一端输出。

射频输入信号由放大单元1输入，对传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器的输入阻抗近似为(1+g_m2R_F)/g_m2(1+g_m1R_L)，其中g_m1为输入晶体管跨导，g_m2为源级跟随晶体管M₂的跨导。为了获得一定的电压增益和实现输入阻抗与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，同时调整反馈电阻R_F和负载电阻R_L的值使上式近似等于50欧姆。本发明分别在复用单元2和反向隔离输出匹配单元7模块中都采用了电流复用技术，在降低功耗的同时带来了极高的增益，除此之外，将级联单元3的NMOS管M₃的漏极输出信号通过NMOS管M₅、M₆构成的源级跟随器和反馈电阻R_F、反馈电容C_F馈到信号输入端，反馈电容C_F的引入为噪声系数和输入阻抗提供了另外一个自由度，使得电路可以在维持匹配的条件下进一步降低噪声系数。

参看图4可见，相同功耗下本发明与传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，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两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的放大器相比，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3V电源电压下工作电流约为8mA。该低噪声放大器3dB带宽为0.2-2.5GHz，最大电压增益约为20.7dB，带内噪声系数约为2.5dB到3.1dB。通过对比，其性能远远优于传统的两级级联结构的有源电阻负反馈低噪声放大器和仅输入级采用电流复用技术的低噪声放大器。

Claims (1)

1.一种无电感低功耗高增益高线性度宽带低噪声放大器，其特征在于：设有放大单元、复用单元、级联单元、负载单元、输入匹配反馈单元、电流镜单元和反向隔离输出匹配单元；射频输入信号连接放大单元，放大单元的输出分别连接复用单元和级联单元，级联单元的输出分别连接负载单元、输入匹配反馈单元和反向隔离输出匹配单元，输入匹配反馈单元的输出除连接电流镜单元外还反馈连接放大单元，反向隔离输出匹配单元输出射频输出信号，其中：

放大单元包括NMOS管M₁，NMOS管M₁的栅极连接射频输入信号RF_in，NMOS管M₁的栅极偏置电压由输入匹配反馈单元和电流镜单元提供；

复用单元包括PMOS管M₂、PMOS管M₄、电阻R_B1及电容C₁，PMOS管M₂的栅极连接放大单元中NMOS管M₁的栅极，PMOS管M₂源极连接PMOS管M₄的漏极和电容C₁的一端，PMOS管M₄的栅极通过电阻R_B1连接偏置电压V_B1，PMOS管M₄的源极连接电容C₁的另一端并与电源VDD连接；

级联单元包括NMOS管M₃，NMOS管M₃的源极分别连接放大单元中NMOS管M₁的漏极和复用单元中PMOS管M₂的漏极；

负载单元包括电阻R_L，电阻R_L的一端连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，电阻R_L的另一端连接电源VDD；

输入匹配反馈单元包括NMOS管M₅、NMOS管M₆、偏置电阻R₁、反馈电阻R_F、反馈电容C_F和电容C₂，NMOS管M₅的栅极连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，NMOS管M₅的漏极连接电源VDD，NMOS管M₅的源极连接NMOS管M₆的漏极和栅极并连接偏置电阻R₁的一端，偏置电阻R₁的另一端连接电容C₂的一端和级联单元中NMOS管M₃的栅极，电容C₂的另一端接地，NMOS管M₆的源极连接反馈电阻R_F与反馈电容C_F并联后的一端，反馈电阻R_F与反馈电容C_F并联后的另一端连接放大单元中NMOS管M₁的栅极；

电流镜单元包括电阻R₂，电阻R₂的一端连接输入匹配反馈单元中NMOS管M₆的源极，电阻R₂的另一端接地；

反向隔离输出匹配单元包括PMOS管M₇、PMOS管M₁₀、NMOS管M₈、NMOS管M₉、电阻R_B2、电阻R_B3、交流反馈电容C₃和输出匹配电阻R_out；PMOS管M₇的源极和PMOS管M₁₀的源极均连接电源VDD，PMOS管M₇的栅极通过电阻R_B2连接偏置电压V_B2，PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁₀的栅极、NMOS管M₈的漏极以及交流反馈电容C₃的一端连接在一起，NMOS管M₈的栅极连接级联单元中NMOS管M₃的漏极，NMOS管M₈的源极与PMOS管M₁₀的漏极、NMOS管M₉的漏极以及输出匹配电阻R_out的一端连接在一起，NMOS管M₉的栅极连接交流反馈电容C₃的另一端并通过电阻R_B3连接偏置电压V_B3，NMOS管M₉的源极接地，输出匹配电阻R_out的另一端输出射频输出信号RF_out。