CN107786171A - 一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器 - Google Patents

一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，包括依次连接的输入电路和输出电路；所述输入电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第一MOS管NM1和变压器；所述变压器包括互感的第一线圈和第二线圈；所述R1的一端和第一线圈的一端共节点，且R1的另一端接偏置电压Vbias，第一线圈的另一端接NM1的栅极；所述C1的一端、NM1的源极和第二线圈的一端共节点，且C1的另一端接输入电压Vin，第二线圈的另一端接地，NM1的漏级接输出电路；所述NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs。本发明一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，由于变压器和衬底偏置电压的相互作用，实现了整个装置的低功耗、低噪声和高增益。

Description

一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频CMOS集成电路领域，具体涉及一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器。
背景技术
在无线局域网射频前端系统中，低噪声放大器是一个关键的组成部分，它直接影响着整个系统的性能。它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将信号输出给后级的混频器，在这个过程中引入的噪声必须很低，作为接收系统第一级的低噪声放大器，它的噪声性能直接影响整个系统的噪声性能；其次，它的增益，线性度，功耗以及面积等参数直接影响着整个接收机的性能。这些性能参数之间互相影响互相制约，如何寻求一个折衷方案成为设计的难点。
随着无线通信技术的发展，高集成度、小型化、低功耗和低成本成为无线通信的重要特征和需求，如可穿戴电子设备，共享单车的智能锁等物联网领域都需要低电压低功耗电路来延长电池的使用寿命，并减少系统散热的相关问题，以保证系统长时间的稳定工作，这些都需要低功耗，小型化的芯片支持。然而，现有的低噪声放大器中存在功耗大和噪声系数高的缺陷和不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的低噪声放大器功耗大和噪声系数高，目的在于提供一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，包括依次连接的输入电路和输出电路；所述输入电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第一MOS管NM1和变压器；所述变压器包括互感的第一线圈和第二线圈；所述R1的一端和第一线圈的一端共节点，且R1的另一端接偏置电压Vbias，第一线圈的另一端接NM1的栅极；所述C1的一端、NM1的源极和第二线圈的一端共节点，且C1的另一端接输入电压Vin，第二线圈的另一端接地，NM1的漏级接输出电路；所述NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs。
现有技术中，现有的低噪声放大器中存在功耗大和噪声系数高的缺陷和不足。本发明应用时，由于引入变压器，第一线圈和第二线圈互感，从而缓解了噪声和输入匹配之间的约束，并在保证输入匹配的同时，改善噪声性能，同时在较低的功耗下实现高增益；而且在输入电路中利用变压器的设计，在不增加额外功耗的条件下，利用变压器达到跨导增强的目的，提高低噪声放大器增益，R1在电路中起分压作用，并为NM1提供偏置电压。同时，在NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs，MOS管的栅源电压在略小于阈值电压时，栅下形成耗尽层没有反型层存在，当在衬底加正偏压时，将有更多的衬底电极的空穴被排斥到MOS管的栅极附近，耗尽厚度就会变窄，从而影响沟道电流的大小，最终影响MOS管的阈值电压，降低工作电压和电路功耗。发明人创造性的发现，在加入NM1接入衬底偏置电压Vbs后，NM1的工作电压和电路功耗降低，从而在相同的电路功耗下，提高了变压器对噪声和输入匹配之间约束的缓解能力，使得噪声性能进一步提高，并提高了整个装置的增益，同时，由于噪声和输入匹配之间约束的进一步缓解，NM1的衬底偏压可以进一步提高，从而进一步降低阈值电压，对于降低电路功耗和缓解增益与电路功耗的约束的作用更加明显，由于变压器和衬底偏置电压的相互作用，实现了整个装置的低功耗、低噪声和高增益。
进一步的，所述输入电路还包括第二电容C2；所述C2的一端连接于R1和第一线圈的共节点处，C2的另一端接地。
本发明应用时，第二电容C2接地，从而形成了交流地，实现了对整个装置的滤波，降低了噪声。
进一步的，所述输出电路包括第二电阻R2、第二MOS管NM2、第三电容C3、第五电容C5、第一电感L1和第二电感L2；所述R2的一端、C3的一端和NM2的栅极共节点，且R2的另一端接工作电压VDD，C3的另一端接NM1的漏级；所述L2的一端、C5的一端和NM2的漏级共节点，且L2的另一端接工作电压VDD，C5的另一端接输出电压Vout；所述L1的一端和NM2的源极共节点，且L1的另一端接NM1的漏级。
本发明应用时，VDD通过R2对NM2通过偏置电压，而由于C3的一端和NM2的栅极共节点，且C3接NM1的漏级，从而该电流支路可以作为交流信号通路；同时L1的一端和NM2的源极共节点，且L1接NM1的漏级，从而该电流支路可以作为直流通路，由于交流信号通路和直流通路的相互配合，实现了整个装置的电流复用，与传统共栅或共源电路相比，降低了电路中的总电流，从而大大降低了电路功耗；而信号通过L2和C5组成的LC匹配电路后输出,输出匹配为为共轭匹配，达到最大增益。
进一步，所述第二MOS管NM2采用NMOS管。
再进一步，所述输出电路还包括第四电容C4；所述第四电容C4的一端连接于NM1的漏级，C4的另一端接地。
本发明应用时，第四电容C4接地，从而形成了交流地，实现了对整个装置的滤波，降低了噪声。
再进一步的，所述工作电压VDD采用0.7～0.9V。
进一步，所述第一MOS管NM1采用NMOS管。
进一步，所述衬底偏置电压Vbs采用0.2～0.6V。
进一步，所述偏置电压Vbias采用0.2～0.6V。
进一步，所述偏置电压Vbias采用0.45V。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，由于变压器和衬底偏置电压的相互作用，实现了整个装置的低功耗、低噪声和高增益；
2、本发明一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，实现了整个装置的电流复用，与传统共栅或共源电路相比，降低了电路中的总电流，从而大大降低了电路功耗；
3、本发明一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，信号通过L2和C5组成的LC匹配电路后输出,输出匹配为为共轭匹配，达到最大增益。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明电路示意图；
图2为本发明实施例6示意图；
图3为本发明实施例7增益示意图；
图4为本发明实施例8隔离示意图；
图5为本发明实施例9示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-输入电路，2-输出电路，3-变压器，4-第一线圈，5-第二线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，包括依次连接的输入电路1和输出电路2；所述输入电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第一MOS管NM1和变压器3；所述变压器3包括互感的第一线圈4和第二线圈5；所述R1的一端和第一线圈4的一端共节点，且R1的另一端接偏置电压Vbias，第一线圈4的另一端接NM1的栅极；所述C1的一端、NM1的源极和第二线圈5的一端共节点，且C1的另一端接输入电压Vin，第二线圈5的另一端接地，NM1的漏级接输出电路2；所述NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs。
本实施例实施时，由于引入变压器3，第一线圈4和第二线圈5互感，从而缓解了噪声和输入匹配之间的约束，并在保证输入匹配的同时，改善噪声性能，同时在较低的功耗下实现高增益；而且在输入电路1中利用变压器3的设计，在不增加额外功耗的条件下，利用变压器达到跨导增强的目的，提高低噪声放大器增益，R1在电路中起分压作用，并为NM1提供偏置电压。同时，在NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs，MOS管的栅源电压在略小于阈值电压时，栅下形成耗尽层没有反型层存在，当在衬底加正偏压时，将有更多的衬底电极的空穴被排斥到MOS管的栅极附近，耗尽厚度就会变窄，从而影响沟道电流的大小，最终影响MOS管的阈值电压，降低工作电压和电路功耗。发明人创造性的发现，在加入NM1接入衬底偏置电压Vbs后，NM1的工作电压和电路功耗降低，从而在相同的电路功耗下，提高了变压器对噪声和输入匹配之间约束的缓解能力，使得噪声性能进一步提高，并提高了整个装置的增益，同时，由于噪声和输入匹配之间约束的进一步缓解，NM1的衬底偏压可以进一步提高，从而进一步降低阈值电压，对于降低电路功耗和缓解增益与电路功耗的约束的作用更加明显，由于变压器和衬底偏置电压的相互作用，实现了整个装置的低功耗、低噪声和高增益。
实施例2
如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，所述输入电路1还包括第二电容C2；所述C2的一端连接于R1和第一线圈4的共节点处，C2的另一端接地。
本实施例实施时，第二电容C2接地，从而形成了交流地，实现了对整个装置的滤波，降低了噪声。
实施例3
如图1所示，本实施例在实施例1的基础上，所述输出电路2包括第二电阻R2、第二MOS管NM2、第三电容C3、第五电容C5、第一电感L1和第二电感L2；所述R2的一端、C3的一端和NM2的栅极共节点，且R2的另一端接工作电压VDD，C3的另一端接NM1的漏级；所述L2的一端、C5的一端和NM2的漏级共节点，且L2的另一端接工作电压VDD，C5的另一端接输出电压Vout；所述L1的一端和NM2的源极共节点，且L1的另一端接NM1的漏级。
本实施例实施时，VDD通过R2对NM2通过偏置电压，而由于C3的一端和NM2的栅极共节点，且C3接NM1的漏级，从而该电流支路可以作为交流信号通路；同时L1的一端和NM2的源极共节点，且L1接NM1的漏级，从而该电流支路可以作为直流通路，由于交流信号通路和直流通路的相互配合，实现了整个装置的电流复用，与传统共栅或共源电路相比，降低了电路中的总电流，从而大大降低了电路功耗；而信号通过L2和C5组成的LC匹配电路后输出,输出匹配为为共轭匹配，达到最大增益。
实施例4
如图1所示，本实施例在实施例3的基础上，所述输出电路2还包括第四电容C4；所述第四电容C4的一端连接于NM1的漏级，C4的另一端接地。
本实施例实施时，所述输出电路还包括第四电容C4；所述第四电容C4的一端连接于NM1的漏级，C4的另一端接地。
实施例5
本实施例在实施例1～4的基础上，采用0.13um CMOS工艺，NM1和NM2优选为NMOS管，VDD优选为0.8V，当衬底偏置电压Vbs采用0.4V时，功耗为0.66mW，当衬底偏置电压Vbs采用0.3V时，功耗为0.48mW，而现有的同等性能的低噪声放大器的功耗普遍在1mW左右，显然，本实施例的低噪声放大器功耗远低于现有的低噪声放大器。
实施例6
如图2所示，本实施例在实施例5的基础上，图中NF为噪声系数，在工作频带5.7-6GHz范围内，平均噪声系数在2.2dB左右，最小噪声系数为2.08dB，明显具有良好的噪声性能。
实施例7
如图3所示，本实施例在实施例5的基础上，图中Gain为S(2,1)即增益系数，可见在工作带宽内最大增益为15.8dB，3dB带宽为650MHz，可见该低噪声放大器具有良好的增益效果。
实施例8
如图4所示，本实施例在实施例5的基础上，图中S(1,2)即隔离系数，可见在整个工作带宽内隔离都大于29dB，可见该低噪声放大器具有良好的隔离效果。
实施例9
如图5所示，本实施例在实施例5的基础上，图中S(1,1)和S(2,2)即反射系数，可见在整个工作带宽内，输入输出端的反射系数都小于-10dB，匹配结果良好。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，包括依次连接的输入电路(1)和输出电路(2)；所述输入电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第一MOS管NM1和变压器(3)；所述变压器(3)包括互感的第一线圈(4)和第二线圈(5)；所述R1的一端和第一线圈(4)的一端共节点，且R1的另一端接偏置电压Vbias，第一线圈(4)的另一端接NM1的栅极；所述C1的一端、NM1的源极和第二线圈(5)的一端共节点，且C1的另一端接输入电压Vin，第二线圈(5)的另一端接地，NM1的漏级接输出电路(2)；所述NM1的衬底接衬底偏置电压Vbs。
2.根据权利要求1所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述输入电路(1)还包括第二电容C2；所述C2的一端连接于R1和第一线圈(4)的共节点处，C2的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述输出电路(2)包括第二电阻R2、第二MOS管NM2、第三电容C3、第五电容C5、第一电感L1和第二电感L2；所述R2的一端、C3的一端和NM2的栅极共节点，且R2的另一端接工作电压VDD，C3的另一端接NM1的漏级；所述L2的一端、C5的一端和NM2的漏级共节点，且L2的另一端接工作电压VDD，C5的另一端接输出电压Vout；所述L1的一端和NM2的源极共节点，且L1的另一端接NM1的漏级。
4.根据权利要求3所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第二MOS管NM2采用NMOS管。
5.根据权利要求3所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述输出电路(2)还包括第四电容C4；所述第四电容C4的一端连接于NM1的漏级，C4的另一端接地。
6.根据权利要求3所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述工作电压VDD采用0.7～0.9V。
7.根据权利要求1所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述第一MOS管NM1采用NMOS管。
8.根据权利要求1所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述衬底偏置电压Vbs采用0.2～0.6V。
9.根据权利要求1所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电压Vbias采用0.2～0.6V。
10.根据权利要求9所述的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电压Vbias采用0.45V。
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