CN109802638A - 基于全局噪声抵消的低噪声放大器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述基于全局噪声抵消的低噪声放大器及其方法，提供一种新的低噪声放大器电路设计与抵消方法，以期在信号输出节点处通过反相相加而实现全部有源器件的噪声抵消，达到兼顾降低噪声系数与保持较大增益的双重目的。即将低噪声放大器电路设计为双支路结构。所述的低噪声放大器电路，具有结构相同、且完全对称的结构形式；每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；信号从两个共栅极的源极输入，分别经过两个支路后，在两个共源极的漏极输出；每一支路中的有源器件，其两端的噪声均沿两个支路、不同方向，分别传输至输出节点，利用在输出节点的反相关系而相加实现抵消。

Description

基于全局噪声抵消的低噪声放大器及其方法

技术领域

本发明涉及实现全部有源器件噪声得以抵消的方法，以及基于此类方法提出了一种低噪声放大器电路结构的改进，属于射频集成电路领域。

背景技术

随着无线通讯技术的快速发展，对射频接收系统的性能提出了越来越高的要求。低噪声放大器作为射频接收系统的第一级电路，其对接收系统的噪声性能有着决定性的作用。低噪声放大器作为第一级电路，放大微弱信号，供后级电路再处理，但在放大的同时，低噪声放大器的噪声也会同信号一起被后级电路放大，所以需要优化噪声系数。除了降低噪声系数以外，还需在输入阻抗匹配、增益、带宽、功耗和线性度等关键指标方面做出相应改进。

传统的低噪声放大器通常在输入阻抗匹配和低噪声系数之间存在取舍，不能两者兼顾。为了打破这种取舍，诞生了噪声抵消技术。噪声抵消技术利用电路不同模块之间噪声和信号的相位差异，使输出信号相加增强，而噪声相加抵消。

目前较为常见的噪声抵消技术，有单支路与双支路结构的低噪声放大器。双支路结构是利用主路和辅路之间的配合，使得输入管不同两个电极之间的信号在输出加强，噪声抵消。相比于单支路的低噪声放大器，双支路的低噪声放大器对两个支路的信号都进行放大，使得信号总的增益变得更大，而且两支路之间的相位失调更小，噪声抵消的效果更好。

如在先公开以下方案内容的专利申请，申请号为CN201320460700.X，名称为一种双路噪声抵消型电流复用低噪声放大器，该放大器包含共源级放大器、共栅级放大器、信号隔离和电流复用网络、以及片外接收网络。其中，共源级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管(N₁)、第一电阻(R₁)、第三电阻(R₃)、第一电容(C₁) 和第六电容(C₆)；共栅级放大器包括第二N型金属氧化物晶体管(N₂)、第二电阻 (R₂)、第二电容(C₂)和第五电容(C₅)；信号隔离和电流复用网络包括由第一电感(L₁)和第三电容(C₃)构成的第一谐振网络，以及由第二电感(L₂)和第四电容 (C₄)构成的第二谐振网络等。

上述在先申请专利虽然也是双支路结构，但其实现的噪声抵消仍属现有常规技术手段。即利用后级辅助电路抵消输入级的噪声，而且只是实现了两条支路输入级的噪声抵消。对于两个支路全部有源器件来说，进行噪声抵消的方法手段与电路结构设计仍属空白，难以达到解决全局噪声抵消的要求。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述基于全局噪声抵消的低噪声放大器及其方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提供一种新的低噪声放大器电路设计与抵消方法，以期在信号输出节点处通过反相相加而实现全部有源器件的噪声抵消，达到兼顾降低噪声系数与保持较大增益的双重目的。

为实现上述设计目的，所述基于全局噪声抵消的方法，将低噪声放大器电路设计为双支路结构。其中，

所述的低噪声放大器电路，具有结构相同、且完全对称的形式；

每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；信号从两个共栅极的源极输入，分别经过两个支路后，在两个共源极的漏极输出；

每一支路中的有源器件，其两端形成的噪声均沿两个支路、不同方向，分别传输至输出节点，利用在输出节点的反相关系而相加实现抵消。

如上述基本设计构思，针对现有技术通常采用的双支路低噪声放大器仅是实现了输入级的噪声抵消而未能抵消辅助电路的噪声，即只是实现了局部的噪声抵消。

本申请提出的是一种全局噪声抵消技术，即抵消电路中全部有源器件的噪声。

基于全局噪声抵消的低噪声放大器，其两个支路采取完全对称的结构形式。共栅极作为输入级，易于实现输入阻抗匹配；带电阻反馈的共源极放大信号，提高增益。信号从两个共栅极的源极输入，分别经过两个支路后，在两个共源极的漏极输出。

进一步的优选方案是，在低噪声放大器电路每一支路中，共栅极输入级的漏极连接所述带电阻反馈的共源极放大级的栅极；

所述的带有电阻反馈的共源极放大级，由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电阻连接而成；NMOS管与PMOS管呈反相器结构连接，NMOS管与PMOS管的漏极均连接至输出节点；所述的电阻，在NMOS管与PMOS管的漏极和栅极之间形成一个前向反馈。

针对低噪声放大器电路每一支路中的共栅极输入级的改进方案是，其源极与漏极的噪声反相；漏极噪声到达输出节点时，经过该共栅极所在支路的共源极被反相一次；源极噪声到达输出节点时，经过另一支路的共源极被反相一次；源极噪声与漏极噪声分别到达输出节点时仍是反相的，相加后实现抵消。

针对低噪声放大器电路每一支路中的带电阻反馈的共源极放大级的改进方案是，其漏极和栅极的噪声同相；漏极噪声直接传输至输出节点；栅极噪声先后经过两个支路后，只被一个支路的共源极反相一次；漏极噪声与栅极噪声分别到达输出节点时呈反相，相加后实现抵消。

所述两个支路不仅电路结构相同，而且对于共栅极与共源极的噪声抵消方法也是相同的，即均可在输出节点处实现噪声反相并相加抵消。因此，基于上述方法能够实现全局范围内全部有源器件的噪声抵消。

基于应用上述全局噪声抵消方法，本申请同时提出针对低噪声放大器电路的以下改进：

低噪声放大器电路，具有结构相同、且完全对称的双支路结构，以期极大地优化噪声系数。

每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；两个所述共栅极的源极作为信号输入端，两个所述带有电阻反馈的共源极放大级电路的漏极作为信号输出节点。

其中，在每一支路中，共栅极输入级的漏极连接所述带电阻反馈的共源极放大级的栅极。

所述的带有电阻反馈的共源极放大级，由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电阻连接而成；NMOS管与PMOS管呈反相器结构连接，NMOS管与PMOS管的漏极均连接至输出节点；所述的电阻，在NMOS管与PMOS管的漏极和栅极之间形成一个前向反馈。

通过以上电路结构改进，上述电路中的任何一个有源器件两端的噪声，均可沿两个支路的不同方向分别到达输出节点，最终利用相位的反相关系而相加实现抵消。信号的输入端和输出端则分别设定在两个对称支路的结合处。

综上内容，所述基于全局噪声抵消的低噪声放大器及其方法具有以下优点：

1、提出了一种全局噪声抵消技术，能够极大地优化噪声系数。

2、利用双支路结构，在降低噪声系数的同时，双支路信号同相相加，提高了电路的增益。

3、在两个支路的电路设计中，相位失配较小，因此噪声抵消效果较好。

4、以共栅极作为输入级，具有良好的输入阻抗匹配。

5、在低噪声放大器电路中无需配置电感，因此芯片面积可以制作得较小，易于降低制造难度与控制成本。

附图说明

图1是信号的传输路径示意框图；

图2是支路1中噪声的传输路径示意框图；

图3是支路2中噪声的传输路径示意框图；

图4是低噪声放大器的电路结构示意图；

图5是低噪声放大器电路信号的传输路径示意图；

图6是MOS管M0的源极和漏极噪声的传输路径图；

图7是MOS管M1和MOS管M2的栅极、漏极噪声的传输路径图；

图8是MOS管M3的源极、漏极噪声的传输路径图；

图9是MOS管M4和MOS管M5的栅极、漏极噪声的传输路径图；

图10是低噪声放大器电路的增益仿真结果示意图；

图11是低噪声放大器电路的噪声系数仿真结果示意图；

在图中的箭头指示的是信号传输方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的说明。

实施例1，如图1至图3所示，所述基于全局噪声抵消的方法，将低噪声放大器电路设计为结构相同、且完全对称的双支路结构。其中，

在两个支路的结合处分别是信号源输入节点和输出节点。分别考虑两个支路中的噪声，使得两个支路的噪声都在输出处实现噪声抵消。

如图4所示，每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；信号从两个共栅极的源极输入，分别经过两个支路后，在两个共源极的漏极输出；

每一支路中的有源器件，其两端形成的噪声均沿两个支路、不同方向，分别传输至输出节点，利用在输出节点的反相关系而相加实现抵消。

在低噪声放大器电路每一支路中，共栅极输入级的漏极连接所述带电阻反馈的共源极放大级的栅极；所述的带有电阻反馈的共源极放大级，由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电阻连接而成；NMOS管与PMOS管呈反相器结构连接，NMOS 管与PMOS管的漏极均连接至输出节点；所述的电阻，在NMOS管与PMOS管的漏极和栅极之间形成一个前向反馈。

在低噪声放大器电路每一支路中，其共栅极输入级的源极与漏极的噪声反相；漏极噪声到达输出节点时，经过该共栅极所在支路的共源极被反相一次；源极噪声到达输出节点时，经过另一支路的共源极被反相一次；源极噪声与漏极噪声分别到达输出节点时仍是反相的，相加后实现抵消。

在低噪声放大器电路每一支路中，所述带电阻反馈的共源极放大级，其漏极和栅极的噪声同相；漏极噪声直接传输至输出节点；栅极噪声先后经过两个支路后，只被一个支路的共源极反相一次；漏极噪声与栅极噪声分别到达输出节点时呈反相，相加后实现抵消。

基于全局噪声抵消构思。两个支路的结构相同，都是共栅极作为输入管，实现输入阻抗的匹配。共栅极的输出连接到一个具有电阻反馈的共源极，实现放大的功能。这样设计的目的是保证两个支路完全一致，相位失配更小，也有利于减小全局噪声抵消设计的难度。

共栅极连接的MOS管，其源极和漏极的噪声反相，有电阻反馈的共源连接的 MOS的漏极和栅极处噪声同相。本设计的主要思想就是利用两种结构噪声相位的差异，以及信号和噪声的传输路径的不同，实现全局噪声抵消的设计。

如图5所示，信号从VIN处分别通过两个支路，都经过一次反相到达输出点 OUT，在结合处两支路信号同相相加，实现信号增强。

噪声的传输路径则不同于信号的传输路径，而且不同有源器件噪声的传输路径也不同。如图6所示，当考虑输入管M0的噪声时，其栅极和漏极噪声反相，漏极噪声经过M1和M2组成的结构被反相一次到达输出OUT点；而M0的源极噪声经过共栅极的M3不被反相，再经过M4和M5组成的结构后被反相一次，M0的源极和漏极噪声传输到输出点OUT处时，仍然是反相的，相加后实现抵消。

当考虑共源极连接的M1和M2的噪声时，如图7所示，有电阻反馈的共源极连接MOS管，其栅极和漏极的噪声同相，两者的漏极噪声直接传输到输出OUT点，栅极噪声则先后经过共栅极连接的M0和M3，都不被反相，再经过共源极连接的 M4和M5，被反相一次。最终M1和M2的漏极和栅极噪声传输到输出节点后变成反相，相加后实现抵消。

当考虑共栅极连接的M3的噪声时，其源极和漏极噪声反相，漏极噪声被M4 和M5反相一次，源极噪声也只被M1和M2反相一次，这样M3的源极和漏极噪声传输到输出节点后仍反相，相加后实现抵消。如图8所示。

当考虑带有电阻反馈的共源极连接的M4和M5的噪声时，两者漏极和栅极噪声同相，两者漏极噪声直接输出到输出节点，栅极噪声只被M1和M2反相一次，最终M4和M5的漏极和栅极噪声传输到输出节点OUT处反相，相加后实现抵消。如图9所示。

通过上述设计，实现了整体电路中所有有源器件噪声的抵消，即实现了全局噪声抵消，不再是单纯地实现输入管M0或是M3的噪声抵消。

从仿真结果来看，如图10至图11所示，可以看到最大增益为13.398dB，噪声系数只有1.762dB，这在低噪声放大器的设计中是很小的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于全局噪声抵消的方法，低噪声放大器电路为双支路结构，其特征在于：所述低噪声放大器电路，具有结构相同、且完全对称的结构；

每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；信号从两个共栅极的源极输入，分别经过两个支路后，在两个共源极的漏极输出；

每一支路中的有源器件，其两端形成的噪声均沿两个支路、不同方向，分别到达输出节点，利用在输出节点的反相关系而相加实现抵消。

2.根据权利要求1所述的基于全局噪声抵消的方法，其特征在于：在低噪声放大器电路每一支路中，共栅极输入级的漏极连接所述带电阻反馈的共源极放大级的栅极；

所述的带有电阻反馈的共源极放大级，由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电阻连接而成；

NMOS管与PMOS管呈反相器结构连接，NMOS管与PMOS管的漏极均连接至输出节点；

所述的电阻，在NMOS管与PMOS管的漏极和栅极之间形成一个前向反馈。

3.根据权利要求2所述的基于全局噪声抵消的方法，其特征在于：在低噪声放大器电路每一支路中，其共栅极输入级的源极与漏极的噪声反相；

漏极噪声到达输出节点时，经过共源极被反相一次；

源极噪声到达输出节点时，经过另一支路的共源极被反相一次；

源极噪声与漏极噪声分别到达输出节点时仍是反相的，相加后实现抵消。

4.根据权利要求2所述的基于全局噪声抵消的方法，其特征在于：在低噪声放大器电路每一支路中，所述带电阻反馈的共源极放大级，其漏极和栅极的噪声同相；

漏极噪声直接传输至输出节点；

栅极噪声先后经过两个支路后，只被一个支路的共源极反相一次；

漏极噪声与栅极噪声分别到达输出节点时呈反相，相加后实现抵消。

5.根据权利要求1至4所述基于全局噪声抵消方法而提出一种低噪声放大器，具有双支路电路结构，其特征在于：两个支路结构相同、且完全对称；

每一支路，均由一个共栅极输入级和带有电阻反馈的共源极放大级电路构成；两个所述共栅极的源极作为信号输入端，两个所述带有电阻反馈的共源极放大级电路的漏极作为信号输出节点。

6.根据权利要求5所述的基于全局噪声抵消方法的低噪声放大器，其特征在于：在每一支路中，共栅极输入级的漏极连接所述带电阻反馈的共源极放大级的栅极；

所述的带有电阻反馈的共源极放大级，由一个NMOS管，一个PMOS管和一个电阻连接而成；

NMOS管与PMOS管呈反相器结构连接，NMOS管与PMOS管的漏极均连接至输出节点；

所述的电阻，在NMOS管与PMOS管的漏极和栅极之间形成一个前向反馈。