CN110212870B - 一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流复用型gm‑boost低噪声放大器的集成电路，包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，所述共源放大模块分别连接至所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块，所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块通过所述直流电流隔绝模块相连接。本发明所提供的一种电流复用型gm‑boost低噪声放大器的集成电路包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，而且能够在保证提升增益的情况下，改善噪声问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路。
背景技术
在射频无线通信接收系统中，低噪声放大器作为其中的第一级有源电路，需要具备很低的噪声并提供足够的增益，以放大微弱的射频信号并抑制后级电路的噪声。
随着无线通信技术的不断演化，在便携式通信工具中，对低噪声放大器的功耗、增益、噪声综合性能指标的要求越来越高，高性能的低噪声放大器集成电路具有很大的实用价值，在商用领域和科研领域都是研究的一大热点。
然而，低噪声放大器的各项关键指标往往相互制约，在设计上很难兼顾，从而很难实现综合指标的提升，尤其是很难实现增益和噪声的共同改善。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路。
本发明的一个实施例提供了一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路，包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，所述共源放大模块分别连接至所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块，所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块通过所述直流电流隔绝模块相连接，其中，
所述共源放大模块用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
所述直流电流隔绝模块用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
所述负反馈回路模块用于使所述交流信号在所述共栅放大模块形成负反馈回路；
所述共栅放大模块用于对形成负反馈回路的交流信号进行放大处理，并提供阻抗匹配的输出阻抗。
在本发明的一个实施例中，所述共源放大模块包括第一匹配网络、第一放大管和第一电感，其中，
所述第一匹配网络串接于输入端与所述第一放大管的栅极之间，所述第一电感串接于所述第一放大管的源极和接地端之间，所述第一放大管的漏极连接于所述负反馈回路模块的一端和所述共栅放大模块的一端。
在本发明的一个实施例中，所述第一匹配网络包括第四电感和第一电容，其中，
所述第四电感的一端连接于输入端，所述第四电感的另一端连接于所述第一放大管的栅极和所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接于所述第一放大管的源极与所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接于接地端。
在本发明的一个实施例中，所述负反馈回路模块包括第二电感、第三电感和第三放大管，其中，
所述第二电感、所述第三放大管和所述第三电感依次串接于所述第一放大管的漏极和电源端之间，所述第三放大管的漏极连接于所述第三电感的一端和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第三放大管的栅极连接于所述直流电流隔绝模块的一端。
在本发明的一个实施例中，所述直流电流隔绝模块包括第一耦合电容和第二耦合电容，其中，
所述第一耦合电容的一端连接于所述第一放大管的漏极和所述共栅放大模块的一端，所述第一耦合电容的另一端连接于所述第三放大管的栅极，所述第二耦合电容的一端连接于所述共栅放大模块的一端，所述第二耦合电容的另一端连接于所述第三放大管的漏极和所述第三电感的一端。
在本发明的一个实施例中，所述共栅放大模块包括第二放大管和第二匹配网络，其中，
所述第二放大管的源极连接于所述第一耦合电容的一端和所述第一放大管的漏极，所述第二放大管的栅极连接于所述第二耦合电容的一端，所述第二匹配网络串接于所述第二放大管的漏极和输出端之间。
在本发明的一个实施例中，所述第二匹配网络包括第二电容和第五电感，其中，
所述第二电容串接于所述第二放大管的漏极和输出端之间，所述第五电感串接于所述第二放大管的漏极和电源端之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一放大管、所述第二放大管和所述第二放大管均为NMOS管。
在本发明的一个实施例中，还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻串接于所述第一放大管的栅极和第一偏置电压之间，所述第二电阻串接于所述第二放大管的栅极和第二偏置电压之间，所述第三电阻串接于所述第三放大管的栅极和第三偏置电压之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，而且能够在保证提升增益的情况下，改善噪声问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种射频一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的电压增益的仿真结果对比示意图；
图6为本发明实施例提供的一种低噪声放大器的功率增益的仿真结果对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路的电路结构示意图。本发明实施例提供的一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路，该集成电路包括：
共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，所述共源放大模块分别连接至所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块，所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块通过所述直流电流隔绝模块相连接，其中，
所述共源放大模块用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
所述直流电流隔绝模块用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
所述负反馈回路模块用于使所述交流信号在所述共栅放大模块形成负反馈回路；
所述共栅放大模块用于对形成负反馈回路的交流信号进行放大处理，并提供阻抗匹配的输出阻抗。
本发明所提供的一种电流复用型gm-boost低噪声放大器的集成电路包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，而且能够在保证提升增益的情况下，改善噪声问题。
具体地，请参见图2，共源放大模块包括第一匹配网络、第一放大管M1和第一电感L1，其中，第一匹配网络串接于输入端Vin与第一放大管M1的栅极之间，第一电感L1串接于第一放大管M1的源极和接地端GND之间，第一放大管M1的漏极连接于负反馈回路模块的一端和共栅放大模块的一端。
本实施例通过输入端Vin将电压信号传输至低噪声放大器中，并通过第一匹配网络和第一电感L1调节电压信号的输入阻抗，使得该输入阻抗与信号源的阻抗共轭，即实现该输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配，并通过第一放大管M1实现将输入阻抗匹配的电压信号转换为输入阻抗匹配的电流信号。
优选地，第一放大管M1为NMOS管。
进一步地，请参见图3，第一匹配网络包括第四电感L4和第一电容C1，其中，第四电感L4的一端连接于输入端Vin，第四电感L4的另一端连接于第一放大管M1的栅极和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接于第一放大管M1的源极与第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接于接地端GND。
本实施例通过第一电感L1、第四电感L4和第一电容C1来调节电压信号的输入阻抗，使得该输入阻抗与信号源的阻抗共轭，即实现该输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配，且可以调节至信号源的阻抗取得最佳阻抗，从而实现了阻抗的共轭匹配和噪声匹配。
本实施例的集成电路的信号源的阻抗和负载阻抗相同，例如，均为50Ω。
请参见图4，信号源由第一电阻R1和电压信号Vs组成，第一电阻R1串接于输入端Vin和接地端GND之间，信号源的阻抗是固定的，例如信号源的阻抗为50Ω。通过调整第一电感L1、第四电感L4和第一电容C1，可以实现阻抗与噪声的同时匹配，即Zin＝RS*＝50Ω，其中，Zin为输入阻抗，RS代表信号源的阻抗，RS*代表信号源阻抗的共轭，并同时使集成电路对应的信号源的最佳阻抗Zopt＝RS＝50Ω，其中，Zopt为信号源的最佳阻抗，从而实现了阻抗的共轭匹配和噪声匹配。
具体地，请再次参见图2，负反馈回路模块包括第二电感L2、第三电感L3和第三放大管M3，其中，第二电感L2、第三放大管M3和第三电感L3依次串接于第一放大管M1的漏极和电源端VDD之间，第三放大管M3的漏极连接于所述第三电感L3的一端和直流电流隔绝模块的一端，第三放大管M3的栅极连接于直流电流隔绝模块的一端。
优选地，第三放大管M3为NMOS管。
本实施例的第二电感L2用于隔绝电流信号中的交流信号，使直流信号通过，使流过第三放大管M3的直流偏置电流又流过第一放大管M1，从而实现直流电流的重复利用。
具体地，请再次参见图2，直流电流隔绝模块包括第一耦合电容CC1和第二耦合电容CC2，其中，第一耦合电容CC1的一端连接于第一放大管M1的漏极和共栅放大模块的一端，第一耦合电容CC1的另一端连接于第三放大管M3的栅极，第二耦合电容CC2的一端连接于共栅放大模块的一端，第二耦合电容CC2的另一端连接于第三放大管M3的漏极和第三电感L3的一端。
本实施例利用第一耦合电容CC1隔绝第三放大管M3的栅极至第二放大管M2的源极的直流信号，利用第二耦合电容CC2隔绝第三放大管M3的漏极至第二放大管M2的栅极的直流信号。
具体地，请再次参见图2，共栅放大模块包括第二放大管M2和第二匹配网络，其中，第二放大管M2的源极连接于第一耦合电容CC1的一端和第一放大管M1的漏极，第二放大管M2的栅极连接于第二耦合电容CC2的一端，第二匹配网络串接于第二放大管M2的漏极和输出端Vout之间。
进一步地，请再次参见图3，第二匹配网络包括第二电容C2和第五电感L5，其中，第二电容C2串接于第二放大管M2的漏极和输出端Vout之间，第五电感L5串接于第二放大管M2的漏极和电源端VDD之间。
优选地，第二放大管M2为NMOS管。
本实施例通过第二电容C2和第五电感L5调节集成电路的输出阻抗，使得该输出阻抗与负载的阻抗共轭，即实现该输出阻抗与负载的阻抗共轭匹配。
请再次参见图4，负载为第二电阻R2，第二电阻R2连接于输出端Vout，通过调节第二电容C2和第五电感L5，可以实现交流输出阻抗与负载阻抗的共轭匹配，即Zout＝RL *＝50Ω，其中，Zout为输出阻抗，RL *为负载阻抗的共轭。
进一步地，请再次参见图3，本实施例的低噪声放大器还包括第一电阻Rb1、第二电阻Rb2和第三电阻Rb3，第一电阻Rb1串接于第一放大管M1的栅极和第一偏置电压Vb1之间，第二电阻Rb2串接于第二放大管M2的栅极和第二偏置电压Vb2之间，第三电阻Rb3串接于第三放大管M3的栅极和第三偏置电压Vb3之间。
本实施例的第一放大管M1作为共源放大器，通过第一匹配网络连接至电压信号；第二放大管M2作为共栅放大器，其源极连接于第一放大管M1的漏极，并通过第二匹配网络连接至输出端；第三放大管M3作为gm-boost(跨导提升)的放大管，其栅极通过第一耦合电容CC1监测第二放大管M2的源极电压，第三放大管M3的漏极将反向放大后的交流信号，通过第二耦合电容CC2反馈回第二放大管M2的栅极，从而提高了第二放大管M2的等效跨导，并且，第三放大管M3分流了原本应流过第二放大管M2的直流电流，进而可以降低第二放大管M2的噪声贡献，改善噪声系数。
请参见图5，其中，图5的横坐标为频率，纵坐标为电压增益，其中一种为传统共源共栅结构的低噪声放大器的电压增益曲线图，另一种为本实施例的低噪声放大器的电压增益曲线图，从图中可以看出，本实施例的低噪声放大器的电压增益明显优于传统共源共栅结构的低噪声放大器的电压增益。
请参见图6，其中，图6的横坐标为频率，纵坐标为噪声，其中一种为传统共源共栅结构的低噪声放大器的噪声变化曲线图，另一种为本实施例的低噪声放大器的噪声变化曲线图，从图中可以看出，本实施例的低噪声放大器的噪声明显低于传统共源共栅结构的低噪声放大器的噪声。
本实施例的集成电路由第一放大管M1和第二放大管M2组成共源共栅结构，利用第三电感L3和第三放大管M3构成一个gm-boost支路，利用该gm-boost支路提升了第二放大管M2的跨导，并且分担了流过第二放大管M2的电流，减小其噪声，完成了对传统共源共栅型低噪声放大器的改进，能够实现低功耗、高增益、低噪声的集成电路。
本实施例的集成电路为一种电流复用型gm-boost低噪声放大器集成电路，该集成电路使用一个电流能够重复利用的gm-boost支路对传统共源共栅放大器进行了改进，第三放大管M3的电流通过第一放大管M1到接地端，从而实现了电流在第一放大管M1至第三放大管M3之间的重复利用，所以在不增大功耗的前提下提高了跨导，同时能够保持第一放大管M1的总电流不变，第三放大管M3分担了流过第二放大管M2的电流，从而使第二放大管M2的噪声贡献减小，进而改善了低噪声放大器的总体噪声。
本实施例的集成电路利用第三放大管M3和第三电感L3构成gm-boost支路，使电流信号从第二放大管M2的源极到第二放大管M2的栅极构成一个负反馈回路，提高了第二放大管M2的等效跨导，从而提高了该集成电路的增益；并且该gm-boost支路的电流通过第二电感L2流入第一放大管M1，实现了电流的复用，不增加额外功耗。另外，将第一放大管M1的直流偏置固定，则电路总电流不变，适当调节第三放大管M3的电流，可以减小流过第二放大管M2的电流；第二放大管M2的主要噪声公式：ind 2＝4kTγgd0，其中k代表波尔兹曼常数，T代表温度，γ代表一个常数参数，gd0代表漏源电压为零时的漏源电导，gd0跟放大管的工作电流正相关，所以减小第二放大管M2的电流就降低了第二放大管M2对噪声的贡献，从而减小了集成电路的噪声系数，所以本发明实施例既提高了电路的增益，又降低了噪声系数，并且没有引入额外的功耗，大大提高了低噪声放大器的综合性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种电流复用型gm-boost低噪声放大器，其特征在于，包括共源放大模块、负反馈回路模块、直流电流隔绝模块和共栅放大模块，所述共源放大模块分别连接至所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块，所述负反馈回路模块和所述共栅放大模块通过所述直流电流隔绝模块相连接，其中，
所述共源放大模块用于将电压信号转换为电流信号，并提供阻抗匹配的输入阻抗；
所述直流电流隔绝模块用于隔绝所述电流信号中的直流信号，传输所述电流信号中的交流信号；
所述负反馈回路模块用于使所述交流信号在所述共栅放大模块形成负反馈回路；
所述共栅放大模块用于对形成负反馈回路的交流信号进行放大处理，并提供阻抗匹配的输出阻抗；
所述共源放大模块包括第一匹配网络、第一放大管(M1)和第一电感(L1)，所述第一匹配网络串接于输入端(Vin)与所述第一放大管(M1)的栅极之间，所述第一电感(L1)串接于所述第一放大管(M1)的源极和接地端(GND)之间，所述第一放大管(M1)的漏极连接于所述负反馈回路模块的一端和所述共栅放大模块的一端；
所述直流电流隔绝模块包括第一耦合电容(CC1)和第二耦合电容(CC2)，所述第一耦合电容(CC1)的一端连接于所述第一放大管(M1)的漏极和所述共栅放大模块的一端，所述第一耦合电容(CC1)的另一端连接于第三放大管(M3)的栅极，所述第二耦合电容(CC2)的一端连接于所述共栅放大模块的一端，所述第二耦合电容(CC2)的另一端连接于所述第三放大管(M3)的漏极和第三电感(L3)的一端；
所述负反馈回路模块包括第二电感(L2)、所述第三电感(L3)和所述第三放大管(M3)，所述第二电感(L2)、所述第三放大管(M3)和所述第三电感(L3)依次串接于所述第一放大管(M1)的漏极和电源端(VDD)之间，所述第三放大管(M3)的漏极连接于所述第三电感(L3)的一端和所述直流电流隔绝模块的一端，所述第三放大管(M3)的栅极连接于所述直流电流隔绝模块的一端；
所述共栅放大模块包括第二放大管(M2)和第二匹配网络，所述第二放大管(M2)的源极连接于所述第一耦合电容(CC1)的一端和所述第一放大管(M1)的漏极，所述第二放大管(M2)的栅极连接于所述第二耦合电容(CC2)的一端，所述第二匹配网络串接于所述第二放大管(M2)的漏极和输出端(Vout)之间。
2.根据权利要求1所述的电流复用型gm-boost低噪声放大器，其特征在于，所述第一匹配网络包括第四电感(L4)和第一电容(C1)，其中，
所述第四电感(L4)的一端连接于输入端(Vin)，所述第四电感(L4)的另一端连接于所述第一放大管(M1)的栅极和所述第一电容(C1)的一端，所述第一电容(C1)的另一端连接于所述第一放大管(M1)的源极与所述第一电感(L1)的一端，所述第一电感(L1)的另一端连接于接地端(GND)。
3.根据权利要求2所述的电流复用型gm-boost低噪声放大器，其特征在于，所述第一放大管(M1)、所述第二放大管(M2)和所述第三放大管(M3)均为NMOS管。
4.根据权利要求1所述的电流复用型gm-boost低噪声放大器，其特征在于，所述第二匹配网络包括第二电容(C2)和第五电感(L5)，其中，
所述第二电容(C2)串接于所述第二放大管(M2)的漏极和输出端(Vout)之间，所述第五电感(L5)串接于所述第二放大管(M2)的漏极和电源端(VDD)之间。
5.根据权利要求1所述的电流复用型gm-boost低噪声放大器，其特征在于，还包括第一电阻(Rb1)、第二电阻(Rb2)和第三电阻(Rb3)，所述第一电阻(Rb1)串接于所述第一放大管(M1)的栅极和第一偏置电压(Vb1)之间，所述第二电阻(Rb2)串接于所述第二放大管(M2)的栅极和第二偏置电压(Vb2)之间，所述第三电阻(Rb3)串接于所述第三放大管(M3)的栅极和第三偏置电压(Vb3)之间。
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