CN107579714A - 一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，解决现有低噪声放大器带宽较窄、噪声系数较高的问题，并具有较高的增益和良好的线性度。该低噪声放大器包括输入放大模块(1)、有源负反馈模块(2)和输出放大模块(3)。本发明引入有源负反馈，利用源级跟随器构成有源电感，通过补偿高频段的增益拓展了电路的带宽，此结构同时还具有噪声抵消的作用，优化了电路的噪声系数。此外，输入放大模块和输出放大模块通过分流静态电流优化了电路的线性度。同时，在所设计低噪声放大器的输出端还引入了源级负反馈，进一步拓展了电路的带宽。本发明结构简单，易集成，占用面积小。

Description

一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，具有超宽带、超低噪声和高线性度的特点，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

随着5G时代的到来，无线通信技术开始向着超高速、超宽带、超大容量的方向发展，这就对射频接收机的宽带性能提出了较高要求。低噪声放大器是射频接收前端的重要模块，用于对天线接收的信号进行第一级放大，对射频接收机的整体噪声性能和信号的后续处理起着关键的作用，低噪声放大器的主要性能指标包括增益、噪声系数和线性度等。由于高速通信对于带宽的较高要求，以及通信设备需要兼容多个通信标准，具有良好宽带性能的低噪声放大器成为目前的研究热点之一。一种常见的LNA宽带实现方式是采用源级电感负反馈，利用电感在高频段的负反馈实现宽带增益和输入匹配(参见Wu,Hui-I.,RobertHu,and Christina F.Jou."Complementary UWB LNA design using asymmetricalinductive source degeneration."IEEE Microwave and wireless Components letters20.7(2010):402-404.)。这种实现方式结构简单，易于实现，而且与电流复用技术相结合能实现较宽带宽内的高增益和输入匹配，但由于使用了片上电感，将会占用较大的芯片面积，制作成本较高。宽带低噪声放大器的另一种实现方式是采用阻性负反馈，利用负反馈电路对电路参数变化的稳定性来实现宽带性能(参见Perumana,Bevin G.,et al."A 0.5-6GHzimproved linearity,resistive feedback90-nm CMOS LNA."Solid-State CircuitsConference,2006.ASSCC 2006.IEEE Asian.IEEE,2006.)。这种实现方式宽带性能良好，而且没有使用片上电感，芯片制作成本大大降低，但是由于反馈电阻本身将会贡献噪声，导致电路的噪声性能较差，需要增加功耗来获得较低的噪声系数，而且反馈电阻的取值对电路增益的影响较大，增加了电路设计的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，解决现有低噪声放大器带宽较窄、噪声系数较高的问题，并具有较高的增益和良好的线性度。本发明在输入放大模块1结合了电流复用结构和Cascode结构，在保证良好的输入匹配的同时，实现了较好的线性度，并节省了一定的功耗。本发明采用有源负反馈方式实现了良好的宽带性能，减小了输入匹配条件对增益的影响，并实现噪声抵消，优化了电路的噪声性能。输出放大模块3采用PMOS管分流静态电流，优化了电路的线性度，并引入了源级负反馈，进一步拓展了电路的带宽。整体电路采用差分输入输出，提高了电路的共模抑制性能，并且采用了无片上电感的设计，减小了芯片面积，大大降低了制造成本。本发明结构简单，易集成，芯片占用面积小。该低噪声放大器可应用于UWB、5G移动通信和BLE等系统中。

为此，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，该超宽带低噪声放大器包括输入放大模块1、有源负反馈模块2和输出放大模块3，其中，

所述的输入放大模块1由第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2、第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8和第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2以及第一负载电阻R_L1、第二负载电阻R_L2构成，第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的栅端分别接入差分输入信号V_in+、V_in-，源端均接GND，漏端分别与第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2漏端相连，第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2栅端接入差分输入信号V_in+、V_in-，构成电流复用结构，对输入信号进行反相放大，第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2漏端分别由第一隔直电容C_BW1、第二隔直电容C_BW2交流耦合接入反相差分输入信号V_in-、V_in+，用于调节所设计低噪声放大器的增益和输入阻抗，拓展电路的带宽，第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8的源端分别与第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的漏端相连，构成Cascode结构，其栅端均接电源VDD，漏端为输入放大模块的输出端；第一负载负载R_L1、第二负载电阻R_L2连接第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8漏端与电源电压VDD；输入放大模块实现了对输入信号的反相放大，为整体电路提供主要的增益；

所述的有源负反馈模块2由第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4、第五NMOS放大管NM5、第六NMOS放大管NM6组成，第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的栅端分别接第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8的漏端，其源端分别与第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的栅端相连，漏端均接电源VDD，即反馈放大管构成源级跟随器，将输入放大模块放大后的信号反馈到第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的栅端；第五NMOS放大管NM5、第六NMOS放大管NM6得源端接GND，漏端分别接第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的源端，栅端接入偏置电压，从而为第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4提供偏置电流；经主放大模块的放大后的信号通过第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM构成的源级跟随器反馈到整个电路的输入端，构成有源负反馈回路；

所述的输出放大模块(3)由第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10、第十一NMOS放大管NM11、第十二NMOS放大管NM12和第三PMOS放大管PM、第四PMOS放大管PM4以及第五电阻R_SS1、第六电阻R_SS2，第三电容C_B1、第四电容C_B2、第三负载电阻R_L3、第四负载电阻R_L4构成；第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10由栅端接入主放大模块的输出信号，漏端分别与第三PMOS放大管PM3、第四PMOS放大管PM4的漏端相连，第五电阻R_SS1、第六电阻R_SS2分别与第三电容C_B1、第四电容C_B2并联构成源级负反馈电路，第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的源端经前述两个源级负反馈电路连接到地，对主放大模块的输出信号进行进一步放大；第三PMOS放大管PM3、第四PMOS放大管PM4的漏端与第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的漏端相连，栅端接偏置电压V_bp，源端接电源电压VDD，用于分流第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的静态偏置电流；第十一NMOS放大管NM11、第十二NMOS放大管NM12的栅端接电源电压VDD，源端与第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)的漏端相连，构成Cascode结构，其漏端经第三负载电阻R_L3、第四负载电阻R_L4连接到电源电压VDD，整个电路的宽带放大信号由第十一NMOS放大管NM11、第十二NMOS放大管NM12漏端输出；输出放大模块对经主放大模块的放大后的信号进行反相放大，进一步提高了整体电路的增益。

该超宽带低噪声放大器实现了高增益、超宽带、超低噪声和高线性度。

本发明与现有技术相比的优点主要体现在如下方面：

1.本发明拓展了低噪声放大器的带宽，在较宽频带上保持了优良的性能；

2.本发明降低了低噪声放大器的噪声，在整个频带内都具有较低的噪声系数；

3.本发明改进了低噪声放大器的线性度和功耗性能，具有良好的小信号线性度，且功耗较低；

4.本发明没有使用片上电感，极大的节省了芯片的面积，降低了芯片的生产制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明提供的带有源负反馈噪声抵消结构的超宽带低噪声放大器示意图。

图中：1为输入放大模块，2为有源负反馈模块，3为输出放大模块。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，由输入放大模块1、有源负反馈模块2和输出放大模块3组成。输入放大模块1由第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的栅端接入差分输入信号V_in+、V_in-，源端接GND，漏端分别与第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的漏端相连，第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的栅端亦接入差分输入信号V_in+、V_in-，构成电流复用结构。第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的漏端由电容C_BW1、C_BW2耦合分别接入反相差分输入信号V_in-、V_in+。第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8的源端分别与第一PMOS放大管NM1、第二PMOS放大管NM2的漏端相连，其栅端均接电源电压VDD，漏端为输入放大模块的输出端。第一负载电阻R_L1、第二负载电阻R_L2连接第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8漏端与电源VDD；有源负反馈模块2将输入放大模块放大后的信号接入第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的栅端，即第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的栅端分别接第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8的漏端，源端分别与第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2栅端相连，漏端均接电源VDD。第五NMOS放大管NM5、第六NMOS放大管NM6的源端接地，漏端分别接第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的源端，由栅端接入偏置电压，为第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4提供偏置电流；输出放大模块3中，第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的栅端分别接第七NMOS放大管NM7、第八NMOS放大管NM8的漏端，将输入放大模块放大后的信号接入输出放大模块，第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的漏端分别与第三PMOS放大管PM3、第四PMOS放大管PM4的漏端相连，第五电阻R_SS1、第六电阻R_SS2分别与第三电容C_B1、第四电容C_B2并联构成源级负反馈电路，第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的源端经前述两个源级负反馈电路连接到地，对主放大模块的输出信号进行第二次宽带放大。第三PMOS放大管PM3、第四PMOS放大管PM4的漏端与第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10的漏端相连，栅端接偏置电压V_bp，源端接电源VDD，用于分流次级放大管的静态偏置电流。第十一NMOS放大管NM11、第十二NMOS放大管NM12的栅端接电源VDD，源端与第九NMOS放大管NM9、第十NMOS放大管NM10漏端相连，构成Cascode结构，漏端经第三负载电阻R_L3、第四负载电阻R_L4连接到电源电压VDD，整个电路的宽带放大信号由第十一NMOS放大管NM11、第十二NMOS放大管NM12的漏端输出。

对于上述的实施例，通过小信号电路等效分析可得，所发明的低噪声放大器的增益和输入阻抗可分别由式(1)和式(2)表示，式(3)和式(4)分别是本发明不引入有源负反馈时的噪声系数和引入有源负反馈后的噪声系数：

A_vi＝-(g_mn1，2+g_mp1，2)R_Ll，2 (1)

其中A_V1是第一级放大电路的的电压增益，gmn_1,2为作为主放大管的第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2的跨导。g_mn3,4、g_mn5,6、g_mp1,2分别是第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4，第五NMOS放大管NM5、第六NMOS放大管NM6和第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的跨导，γ_n1,2、γ_n3,4、γ_n5,6、γ_p1,2是对应晶体管的剩余噪声系数,R_S为信号源阻抗。由式(1)可知，电路的输入阻抗主要由作为反馈放大管的第三NMOS放大管NM3、第四NMOS放大管NM4的跨导决定，可以通过调节反馈放大管的尺寸来调整输入匹配性能，但这同时也会对电路的增益造成影响，在进行电路设计时需要考虑到增益性能与输入匹配的折衷。由式(3)和(4)的对比可知有源负反馈结构显著降低了噪声系数表达式中第一项的数值，即减小了第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2和第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的噪声贡献，在A_V1>>1时，第一NMOS放大管NM1、第二NMOS放大管NM2和第一PMOS放大管PM1、第二PMOS放大管PM2的噪声贡献为不引入有源负反馈结构时的3/4。由此可见，本次发明中引入的有源负反馈结构具有噪声抵消的作用，有效降低了电路的噪声系数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于：该超宽带低噪声放大器包括输入放大模块(1)、有源负反馈模块(2)和输出放大模块(3)，其中：

所述的输入放大模块(1)由第一NMOS放大管(NM1)、第二NMOS放大管(NM2)、第七NMOS放大管(NM7)、第八NMOS放大管(NM8)和第一PMOS放大管(PM1)、第二PMOS放大管(PM2)以及第一负载电阻(R_L1)、第二负载电阻(R_L2)构成，第一NMOS放大管(NM1)、第二NMOS放大管(NM2)的栅端分别接入差分输入信号V_in+、V_in-，源端均接GND，漏端分别与第一PMOS放大管(PM1)、第二PMOS放大管(PM2)漏端相连，第一PMOS放大管(PM1)、第二PMOS放大管(PM2)栅端接入差分输入信号V_in+、V_in-，构成电流复用结构，对输入信号进行反相放大，第一PMOS放大管(PM1)、第二PMOS放大管(PM2)漏端分别由第一隔直电容(C_BW1)、第二隔直电容(C_BW2)交流耦合接入反相差分输入信号V_in-、V_in+，用于调节所设计低噪声放大器的增益和输入阻抗，拓展电路的带宽，第七NMOS放大管(NM7)、第八NMOS放大管(NM8)的源端分别与第一NMOS放大管(NM1)、第二NMOS放大管(NM2)的漏端相连，构成Cascode结构，其栅端均接电源VDD，漏端为输入放大模块的输出端；第一负载负载(R_L1)、第二负载电阻(R_L2)连接第七NMOS放大管(NM7)、第八NMOS放大管(NM8)漏端与电源电压VDD；输入放大模块实现了对输入信号的反相放大，为整体电路提供主要的增益；

所述的有源负反馈模块(2)由第三NMOS放大管(NM3)、第四NMOS放大管(NM4)、第五NMOS放大管(NM5)、第六NMOS放大管(NM6)组成，第三NMOS放大管(NM3)、第四NMOS放大管(NM4)的栅端分别接第七NMOS放大管(NM7)、第八NMOS放大管(NM8)的漏端，其源端分别与第一NMOS放大管(NM1)、第二NMOS放大管(NM2)的栅端相连，漏端均接电源VDD，即反馈放大管构成源级跟随器，将输入放大模块放大后的信号反馈到第一NMOS放大管(NM1)、第二NMOS放大管(NM2)的栅端；第五NMOS放大管(NM5)、第六NMOS放大管(NM6)得源端接GND，漏端分别接第三NMOS放大管(NM3)、第四NMOS放大管(NM4)的源端，栅端接入偏置电压，从而为第三NMOS放大管(NM3)、第四NMOS放大管(NM4)提供偏置电流；经主放大模块的放大后的信号通过第三NMOS放大管(NM3)、第四NMOS放大管(NM4)构成的源级跟随器反馈到整个电路的输入端，构成有源负反馈回路；

所述的输出放大模块(3)由第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)、第十一NMOS放大管(NM11)、第十二NMOS放大管(NM12)和第三PMOS放大管(PM3)、第四PMOS放大管(PM4)以及第五电阻(R_SS1)、第六电阻(R_SS2)，第三电容(C_B1)、第四电容(C_B2)、第三负载电阻(R_L3)、第四负载电阻(R_L4)构成；第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)由栅端接入主放大模块的输出信号，漏端分别与第三PMOS放大管(PM3)、第四PMOS放大管(PM4)的漏端相连，第五电阻(R_SS1)、第六电阻(R_SS2)分别与第三电容(C_B1)、第四电容(C_B2)并联构成源级负反馈电路，第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)的源端经前述两个源级负反馈电路连接到地，对主放大模块的输出信号进行进一步放大；第三PMOS放大管(PM3)、第四PMOS放大管(PM4)的漏端与第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)的漏端相连，栅端接偏置电压V_bp，源端接电源电压VDD，用于分流第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)的静态偏置电流；第十一NMOS放大管(NM11)、第十二NMOS放大管(NM12)的栅端接电源电压VDD，源端与第九NMOS放大管(NM9)、第十NMOS放大管(NM10)的漏端相连，构成Cascode结构，其漏端经第三负载电阻(R_L3)、第四负载电阻(R_L4)连接到电源电压VDD，整个电路的宽带放大信号由第十一NMOS放大管(NM11)、第十二NMOS放大管(NM12)漏端输出；输出放大模块对经主放大模块的放大后的信号进行反相放大，进一步提高了整体电路的增益。

2.根据权利要求1所述的一种带有源负反馈结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，该超宽带低噪声放大器实现了高增益、超宽带、超低噪声和高线性度。