CN110198156A - 一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，包括输入放大器和有源反馈支路；输入放大器包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，使用电流复用技术提高等效跨导，使用复合NMOS/PMOS交叉耦合技术实现噪声消除，从而提高增益和降低噪声系数；有源反馈支路包括第七晶体管、第八晶体管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容，满足输入匹配。本发明的电路结构解决了现有全差分共源低噪声放大器中噪声、增益、输入匹配和带宽等性能相互制约的矛盾，具有低噪声系数和高增益的特点。

Description

一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及晶体管放大领域，尤其涉及一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器。
背景技术
射频接收器是射频集成电路中重要构成部分，低噪声放大器是接收器中首个有源模块。为了适应单个设备中的不同频段应用，需要在单个芯片上实现支持多种标准的射频接收器。解决方案有两种，一是将几个不同的窄带低噪声放大器集成在一起，通过开关选择实现宽带接收器，二是使用单个宽带低噪声放大器满足所有标准。第二份方案可以实现更低的成本、面积和功耗，是宽带接收器的未来发展趋势。但宽带低噪声放大器中存在噪声、增益、输入匹配和带宽等性能相互制约的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器。本发明利用电流复用方案提高等效跨导，利用复合NMOS/PMOS晶体管对交叉耦合技术部分消除输入级晶体管的噪声贡献，采用有源反馈技术解决现有低噪声放大器中噪声、增益、输入匹配和带宽等性能相互制约的矛盾，最终实现低噪声系数和高增益。
本发明通过下述技术方案实现：
一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，包括输入放大器和有源反馈支路；
所述输入放大器由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成；
所述输入放大器的第一晶体管M1的漏极接地，其源级和第三晶体管M3的源级相连，其栅极通过第二电容C2和第四晶体管M4的栅极相连；
第二晶体管M2的漏极接地，其源级和第四晶体管M4的源级相连，其栅极通过第一电容C1和第三晶体管M3的栅极相连；
第三晶体管M3的漏极和第五晶体管M5的漏极相连，其漏级还与输出端口Von相连，其源级和第一晶体管M1的源级相连，其栅极与输入端口Vin相连；
第四晶体管M4的漏极和第六晶体管M6的漏极相连，其漏级还与输出端口Vop相连，其源级和第二晶体管M2的源级相连，其栅极与输入端口Vip相连；
第五晶体管M5的漏极和第三晶体管M3的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第三晶体管M3的栅极相连；
第六晶体管M6的漏极和第四晶体管M4的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第四晶体管M4的栅极相连；
第一电阻R1的一端接地，另一端和第一晶体管M1的栅极相连；
第二电阻R2的一端接地，另一端和第二晶体管M2的栅极相连；
第三电阻R3的一端接偏置电压Vb，另一端和第五晶体管M5的栅极相连；
第四电阻R4的一端接偏置电压Vb，另一端和第六晶体管M6的栅极相连；所述第一电容C1的一端接第二晶体管M2的栅极，另一端接第三晶体管M3的栅极；
第二电容C2的一端接第一晶体管M1的栅极，另一端接第四晶体管M4的栅极；
所述有源反馈支路包括第七晶体管M7、第八晶体管M8、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；
所述有源反馈支路的第七晶体管M7的漏极和电源相连，其源级和第七电阻R7相连，其栅极通过第三电容C3和第五晶体管M5的漏极相连；
第八晶体管M8的漏极和电源相连，其源级和第八电阻R8相连，其栅极通过第四电容C4和第六晶体管M6的漏极相连；
第五电阻R5的一端接电源，另一端和第七晶体管M7的栅极相连；
第六电阻R6的一端接电源，另一端和第八晶体管M8的栅极相连；
第七电阻R7的一端接地，另一端和第七晶体管M7的源极相连；
第八电阻R8的一端接地，另一端和第八晶体管M8的源极相连；
第三电容C3的一端接第五晶体管M5的漏极，另一端接第七晶体管M7的栅极；
第四电容C4的一端接第六晶体管M6的漏极，另一端接第八晶体管M8的栅极；
第五电容C5的一端接第三晶体管M3的栅极，另一端接第七晶体管M7的源极；
第六电容C6的一端接第四晶体管M4的栅极，另一端接第八晶体管M8的源极。
输入放大器中输入信号经过第一晶体管M1、第三晶体管M3的等效跨导为2(gm1//gm3)＝gm1＝gm3,输入信号经过第五晶体管M5的跨导为gm5,则输入放大器提供的总电路跨导为gm1+gm5；低噪声放大器的电压增益为：
Av≈(gm1+gm5)·(2ro3||ro5) (1)
式(1)中，gm1和gm5分别为第一晶体管M1和第五晶体管M5的跨导；ro3和ro5分别为第三晶体管M3和第五晶体管M5的等效本征漏源电阻；
低噪声放大器的输入电阻为：
式(2)中gm7为第七晶体管M7的跨导；当Rin＝2Rs＝100Ω时，低噪声放大器满足输入电阻匹配，2Rs为电路的输入源阻抗。
输入放大器中第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4构成了复合NMOS/PMOS晶体管对交叉耦合结构，并部分消除这四个输入级晶体管的噪声贡献，以降低电路噪声系数；只考虑第四晶体管M4产生的热噪声源，并将其模拟成与晶体管的源级和漏极连接的电流电流 在有源反馈支路中产生输出噪声电压Vop，在输入放大器中产生输出噪声电压Von，其中Von＝βVop，β<1；由于第一晶体管M1/第二晶体管M2和第三晶体管M3/第四晶体管M4交叉连接，噪声电压Vop与Von具有相同的极性，第四晶体管M4产生的噪声电压Vop在差分输出时对消与Von相等的部分，从而降低了电路的噪声系数。
低噪声放大器满足输入匹配Rin＝2Rs时，噪声系数为：
式(3)中，γ为沟道热噪声系数，α＝gm/gd0为晶体管跨导gm跟零偏置跨导gd0的比；
式中的第二项为第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4的噪声系数；
式中的第三项为第五晶体管M5和第六晶体管M6的噪声系数；
第四项为第七晶体管M7和第八晶体管M8的噪声系数；
第五项为第七电阻R7和第八电阻R8的噪声系数。
由式(1)的增益目标确定第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6的尺寸后，根据式(2)调节第七晶体管M7、第八晶体管M8的尺寸以满足输入匹配条件。
所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第五晶体管M5和第六晶体管M6均为PMOS管；
所述第三晶体管M3、第四晶体管M4、第七晶体管M7和第八晶体管M8均为NMOS管。
所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的尺寸相同；
所述第三晶体管M3和第四晶体管M4的尺寸相同；
所述第五晶体管M5和第六晶体管M6的尺寸相同；
所述第七晶体管M7和第八晶体管M8的尺寸相同。
所述第一电阻R1和第二电阻R2的尺寸相同；
所述第三电阻R3和第四电阻R4的尺寸相同；
所述第五电阻R5和第六电阻R6的尺寸相同；
所述第七电阻R7和第八电阻R8的尺寸相同。
所述第一电容C1和第二电容C2的尺寸相同；
所述第三电容C3和第四电容C4的尺寸相同；
所述第五电容C5和第六电容C6的尺寸相同。
所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4的跨导相同。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明的复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，最主要特征是输入放大器中第一、第二、第三和第四晶体管构成了复合NMOS/PMOS晶体管对交叉耦合结构，部分消除了这四个输入级晶体管的噪声贡献,降低了电路的噪声系数；使用第五和第六晶体管构成电流复用结构，既提供了输出阻抗又提高了放大器的等效跨导，从而提高电路增益；在输入端和输出端连接晶体管构成有源反馈结构，满足输入匹配；最终实现了高增益和低噪声系数的宽带低噪声放大器。
附图说明
图1为本发明复合结构有源反馈宽带低噪声放大器的电路结构图；
图2为本发明复合结构有源反馈宽带低噪声放大器的输入匹配曲线图；
图3为本发明复合结构有源反馈宽带低噪声放大器的噪声系数曲线图；
图4为本发明复合结构有源反馈宽带低噪声放大器的增益曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-4所示。本发明公开了一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，包括输入放大器和有源反馈支路；
所述输入放大器由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成；
所述输入放大器的第一晶体管M1的漏极接地，其源级和第三晶体管M3的源级相连，其栅极通过第二电容C2和第四晶体管M4的栅极相连；
第二晶体管M2的漏极接地，其源级和第四晶体管M4的源级相连，其栅极通过第一电容C1和第三晶体管M3的栅极相连；
第三晶体管M3的漏极和第五晶体管M5的漏极相连，其漏级还与输出端口Von相连，其源级和第一晶体管M1的源级相连，其栅极与输入端口Vin相连；
第四晶体管M4的漏极和第六晶体管M6的漏极相连，其漏级还与输出端口Vop相连，其源级和第二晶体管M2的源级相连，其栅极与输入端口Vip相连；
第五晶体管M5的漏极和第三晶体管M3的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第三晶体管M3的栅极相连；
第六晶体管M6的漏极和第四晶体管M4的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第四晶体管M4的栅极相连；
第一电阻R1的一端接地，另一端和第一晶体管M1的栅极相连；
第二电阻R2的一端接地，另一端和第二晶体管M2的栅极相连；
第三电阻R3的一端接偏置电压Vb，另一端和第五晶体管M5的栅极相连；
第四电阻R4的一端接偏置电压Vb，另一端和第六晶体管M6的栅极相连；所述第一电容C1的一端接第二晶体管M2的栅极，另一端接第三晶体管M3的栅极；
第二电容C2的一端接第一晶体管M1的栅极，另一端接第四晶体管M4的栅极；
所述有源反馈支路包括第七晶体管M7、第八晶体管M8、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；
所述有源反馈支路的第七晶体管M7的漏极和电源相连，其源级和第七电阻R7相连，其栅极通过第三电容C3和第五晶体管M5的漏极相连；
第八晶体管M8的漏极和电源相连，其源级和第八电阻R8相连，其栅极通过第四电容C4和第六晶体管M6的漏极相连；
第五电阻R5的一端接电源，另一端和第七晶体管M7的栅极相连；
第六电阻R6的一端接电源，另一端和第八晶体管M8的栅极相连；
第七电阻R7的一端接地，另一端和第七晶体管M7的源极相连；
第八电阻R8的一端接地，另一端和第八晶体管M8的源极相连；
第三电容C3的一端接第五晶体管M5的漏极，另一端接第七晶体管M7的栅极；
第四电容C4的一端接第六晶体管M6的漏极，另一端接第八晶体管M8的栅极；
第五电容C5的一端接第三晶体管M3的栅极，另一端接第七晶体管M7的源极；
第六电容C6的一端接第四晶体管M4的栅极，另一端接第八晶体管M8的源极。
所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第五晶体管M5和第六晶体管M6均为PMOS管；
所述第三晶体管M3、第四晶体管M4、第七晶体管M7和第八晶体管M8均为NMOS管。
所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的尺寸相同；
所述第三晶体管M3和第四晶体管M4的尺寸相同；
所述第五晶体管M5和第六晶体管M6的尺寸相同；
所述第七晶体管M7和第八晶体管M8的尺寸相同。
所述第一电阻R1和第二电阻R2的尺寸相同；
所述第三电阻R3和第四电阻R4的尺寸相同；
所述第五电阻R5和第六电阻R6的尺寸相同；
所述第七电阻R7和第八电阻R8的尺寸相同。
所述第一电容C1和第二电容C2的尺寸相同；
所述第三电容C3和第四电容C4的尺寸相同；
所述第五电容C5和第六电容C6的尺寸相同。
所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4的跨导相同。
输入放大器中输入信号经过第一和第三晶体管的等效跨导为2(gm1//gm3)＝gm1＝gm3,输入信号经过第五晶体管的跨导为gm5,则输入放大器提供的总电路跨导为gm1+gm5。低噪声放大器的电压增益为：
Av≈(gm1+gm5)·(2ro3||ro5) (1)
式(1)中，gm1和gm5分别为第一晶体管M1和第五晶体管M5的跨导，ro3和ro5为分别为第三晶体管和第五晶体管的等效本征漏源电阻。
低噪声放大器的输入电阻为：
式(2)中gm7为第七晶体管的跨导。当Rin＝2Rs＝100Ω时，低噪声放大器满足输入电阻匹配，2Rs为电路的输入源阻抗。由式(1)的增益目标确定第一、第二、第三、第四、第五和第六晶体管的尺寸后，可以根据式(2)调节第七和第八晶体管的尺寸来满足输入匹配条件。
输入放大器中第一、第二、第三和第四晶体管构成了复合NMOS/PMOS晶体管对交叉耦合结构，部分消除了这四个输入级晶体管的噪声贡献,降低了电路的噪声系数。只考虑第四晶体管M4产生的热噪声源，并将其模拟成与晶体管的源级和漏极连接的电流 在右边电路产生输出噪声电压Vop，在左边电路产生输出噪声电压Von，其中Von＝βVop，β<1。由于第一/二晶体管和第三/四晶体管交叉连接，噪声电压Vop与Von具有相同的极性，M4产生的噪声电压Vop在差分输出时对消与Von相等的部分，从而降低了电路的噪声系数。而在传统的共源低噪声放大器中，第四晶体管M4产生的热噪声源产生的噪声电压Vop与Von具有不同的极性，二者在输出端叠加导致更高的噪声系数。同理，第一、第二和第三晶体管产生的噪声系数在输出端被部分消除。
低噪声放大器满足输入匹配Rin＝2Rs时，噪声系数为：
式(3)中，γ为沟道热噪声系数，α＝gm/gd0为晶体管跨导gm跟零偏置跨导gd0的比。式中的第二项为第一、第二、第三和第四晶体管的噪声系数,第三项为第五和第六晶体管的噪声系数，第四项为第七和第八晶体管的噪声系数，第五项为第七和第八电阻的噪声系数。与传统的共源低噪声放大器相比，本发明的低噪声放大器的输入级晶体管M1、M2、M3和M4产生的噪声系数降低一半。
本实施例使用90nm工艺，电压源为1.8V，主体电路的总电流为6.2mA。图2给出了实施例的输入反射系数S11：在0.03～3GHz的频率内S11小于-10dB。图3给出了实施例的噪声系数NF：在0.03～3GHz的频率内NF为0.62～0.85dB。图4给出了实施例的增益,其增益可达到25.29dB。以上结果表明，本发明的实施例在0.03～3GHz的频率内实现了良好的输入匹配、高增益和低噪声系数。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：包括输入放大器和有源反馈支路；
所述输入放大器由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成；
所述输入放大器的第一晶体管M1的漏极接地，其源级和第三晶体管M3的源级相连，其栅极通过第二电容C2和第四晶体管M4的栅极相连；
第二晶体管M2的漏极接地，其源级和第四晶体管M4的源级相连，其栅极通过第一电容C1和第三晶体管M3的栅极相连；
第三晶体管M3的漏极和第五晶体管M5的漏极相连，其漏级还与输出端口Von相连，其源级和第一晶体管M1的源级相连，其栅极与输入端口Vin相连；
第四晶体管M4的漏极和第六晶体管M6的漏极相连，其漏级还与输出端口Vop相连，其源级和第二晶体管M2的源级相连，其栅极与输入端口Vip相连；
第五晶体管M5的漏极和第三晶体管M3的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第三晶体管M3的栅极相连；
第六晶体管M6的漏极和第四晶体管M4的漏极相连，其源级和电源相连，其栅极和第四晶体管M4的栅极相连；
第一电阻R1的一端接地，另一端和第一晶体管M1的栅极相连；
第二电阻R2的一端接地，另一端和第二晶体管M2的栅极相连；
第三电阻R3的一端接偏置电压Vb，另一端和第五晶体管M5的栅极相连；
第四电阻R4的一端接偏置电压Vb，另一端和第六晶体管M6的栅极相连；
第一电容C1的一端接第二晶体管M2的栅极，另一端接第三晶体管M3的栅极；
第二电容C2的一端接第一晶体管M1的栅极，另一端接第四晶体管M4的栅极；
所述有源反馈支路包括第七晶体管M7、第八晶体管M8、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6；
所述有源反馈支路的第七晶体管M7的漏极和电源相连，其源级和第七电阻R7相连，其栅极通过第三电容C3和第五晶体管M5的漏极相连；
第八晶体管M8的漏极和电源相连，其源级和第八电阻R8相连，其栅极通过第四电容C4和第六晶体管M6的漏极相连；
第五电阻R5的一端接电源，另一端和第七晶体管M7的栅极相连；
第六电阻R6的一端接电源，另一端和第八晶体管M8的栅极相连；
第七电阻R7的一端接地，另一端和第七晶体管M7的源极相连；
第八电阻R8的一端接地，另一端和第八晶体管M8的源极相连；
第三电容C3的一端接第五晶体管M5的漏极，另一端接第七晶体管M7的栅极；
第四电容C4的一端接第六晶体管M6的漏极，另一端接第八晶体管M8的栅极；
第五电容C5的一端接第三晶体管M3的栅极，另一端接第七晶体管M7的源极；
第六电容C6的一端接第四晶体管M4的栅极，另一端接第八晶体管M8的源极。
2.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：输入放大器中输入信号经过第一晶体管M1、第三晶体管M3的等效跨导为2(gm1//gm3)＝gm1＝gm3,输入信号经过第五晶体管M5的跨导为gm5,则输入放大器提供的总电路跨导为gm1+gm5；低噪声放大器的电压增益为：
Av≈(gm1+gm5)·(2ro3||ro5)(1)
式(1)中，gm1和gm5分别为第一晶体管M1和第五晶体管M5的跨导；ro3和ro5分别为第三晶体管M3和第五晶体管M5的等效本征漏源电阻；
低噪声放大器的输入电阻为：
式(2)中gm7为第七晶体管M7的跨导；当Rin＝2Rs＝100Ω时，低噪声放大器满足输入电阻匹配，2Rs为电路的输入源阻抗。
3.根据权利要求2所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：输入放大器中第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4构成了复合NMOS/PMOS晶体管对交叉耦合结构，并部分消除这四个输入级晶体管的噪声贡献，以降低电路噪声系数；只考虑第四晶体管M4产生的热噪声源，并将其模拟成与晶体管的源级和漏极连接的电流电流 在有源反馈支路中产生输出噪声电压Vop，在输入放大器中产生输出噪声电压Von，其中Von＝βVop，β<1；由于第一晶体管M1/第二晶体管M2和第三晶体管M3/第四晶体管M4交叉连接，噪声电压Vop与Von具有相同的极性，第四晶体管M4产生的噪声电压Vop在差分输出时对消与Von相等的部分，从而降低了电路的噪声系数。
4.根据权利要求2所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：低噪声放大器满足输入匹配Rin＝2Rs时，噪声系数为：
式(3)中，γ为沟道热噪声系数，α＝gm/gd0为晶体管跨导gm跟零偏置跨导gd0的比；
式中的第二项为第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4的噪声系数；
式中的第三项为第五晶体管M5和第六晶体管M6的噪声系数；
第四项为第七晶体管M7和第八晶体管M8的噪声系数；
第五项为第七电阻R7和第八电阻R8的噪声系数。
5.根据权利要求2所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：由式(1)的增益目标确定第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6的尺寸后，根据式(2)调节第七晶体管M7、第八晶体管M8的尺寸以满足输入匹配条件。
6.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第五晶体管M5和第六晶体管M6均为PMOS管；
所述第三晶体管M3、第四晶体管M4、第七晶体管M7和第八晶体管M8均为NMOS管。
7.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一晶体管M1和第二晶体管M2的尺寸相同；
所述第三晶体管M3和第四晶体管M4的尺寸相同；
所述第五晶体管M5和第六晶体管M6的尺寸相同；
所述第七晶体管M7和第八晶体管M8的尺寸相同。
8.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一电阻R1和第二电阻R2的尺寸相同；
所述第三电阻R3和第四电阻R4的尺寸相同；
所述第五电阻R5和第六电阻R6的尺寸相同；
所述第七电阻R7和第八电阻R8的尺寸相同。
9.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一电容C1和第二电容C2的尺寸相同；
所述第三电容C3和第四电容C4的尺寸相同；
所述第五电容C5和第六电容C6的尺寸相同。
10.根据权利要求1所述复合结构有源反馈宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4的跨导相同。
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