CN111245373A - 一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种采用部分有源负反馈技术(local active feedback)及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，包括采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)、部分有源负反馈支路(2)、电容交叉耦合正反馈支路(3)和电阻负载(4)。本发明通过将主放大级中仅经过了共源级放大的射频信号引入有源负反馈支路，在传统有源负反馈结构的基础上进一步提升了电路的带宽和线性度，并通过噪声抵消优化了负反馈电路的噪声系数，同时采用电容交叉耦合结构，增大了主共源放大管在高频段的等效跨导，拓展了电路的带宽。此外主放大级采用电流复用技术，在有限的偏置电流下提升了电路的增益，并优化了电路的带宽和噪声系数。采用差分结构使得电路对环境噪声有更好的抑制能力。

Description

一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声 放大器
技术领域
本发明涉及一种采用部分有源负反馈技术(local active feedback)及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，具有超宽带、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
近些年来，无线通信技术得到了迅猛的发展，由于不同应用中无线通信所遵循的通信标准不同，射频接收机往往需要对多个频段的信号进行接收处理，使得射频接收机的宽带设计成为目前的一大发展趋势。低噪声放大器是接收机链路的第一级有源电路模块，其主要作用是在引入较少噪声的前提下对天线接收到的微弱射频信号进行放大，从而抑制后级电路模块对整体接收机链路的噪声贡献，保证接收机的整体性能，其设计需要考虑到增益、噪声系数、带宽、线性度和功耗等多个指标的折衷。由于MOS管寄生效应的影响，低噪声放大器在高频段的增益会有相当程度的衰减，其输入匹配状况也将恶化，同时在较宽频带内获得较低的噪声系数也是宽带低噪声放大器的一个设计难点。因此，超宽带低噪声放大器的设计是目前射频电路设计领域的一个研究重点和难点。
传统超宽带低噪声放大器的结构主要有共栅低噪声放大器、分布式低噪声放大器和带阻性负反馈的共源低噪声放大器等。其中共栅低噪声放大器的输入输出间没有密勒效应，在忽略了沟道调制效应和体效应时，其Zin≈1/gm，可令gm＝20mS使其匹配至50Ω阻抗；但这也同时限制了放大管的跨导，使得这种结构的噪声性能较差。共栅结构的电路性能可以通过电容交叉耦合等方式优化，但是增益仍然受到制约。分布式低噪声放大器具有十分优良的宽带性能，但噪声性能较差，此外分布式低噪声放大器还会占用相当大的芯片面积。带阻性负反馈的共源低噪声放大器由于负反馈的存在，其性能对于电路参数的变化较为不敏感，所以也能实现良好的宽带性能，同时其线性度也会因负反馈的存在而改善，但是其增益也会因为反馈电阻的负载效应而被限制。
有源负反馈技术是一种采用源级跟随器实现的负反馈技术，由于这种结构中反馈管对开环增益的负载效应可以忽略，因此缓解了阻性负反馈结构中增益较小的问题。图2参考文献【1】(J.Borremans,P.Wambacq,D.linten,“An ESD-protected DC-to-6GHz 9.7mWLNA in 90nm digital CMOS,”in IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.Tech.,Feb.2007,pp.422-613.)其结构主要由共源共栅放大级，有源负反馈级和有源负载级组成。其中有源负反馈级由NM3与NM4组成，NM4用于为反馈管NM3提供偏置电流，NM3将输出端的电压信号反馈到输入节点，从而实现了负反馈，拓展了电路带宽，同时这种反馈结构还实现了部分噪声抵消，在负反馈结构的基础上优化了噪声性能。但这种结构直接从输出节点引入的反馈信号幅度较大且带宽较窄，影响了整体电路的线性度与输入匹配。
电容交叉耦合技术是一种常用的跨导增强技术，它将电路中与输入信号相位相反的信号引入正反馈路径，有效增强了放大管的跨导。图3参考文献【2】(X.Yan,C.Chen,L.Yang,et al.,“A 0.1-1.1GHz inductorless differential LNA with double gm-boosting and positive feedback,”Analog Integr.Circ.Sig.Process.,vol.93,no.2,pp.205-215,Nov.2017.)其主要结构由主共栅放大级，有源正反馈级和电阻负载级组成。其在对反馈放大管应用电容交叉耦合技术的基础上，还利用多路信号的正反馈对反馈放大管NM3和NM4进行了跨导增强，从而进一步提升了主放大管NM1和NM2的跨导。但由于电路结构中缺乏负反馈路径，该低噪声放大器的带宽较窄。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，解决现有低噪声放大器带宽较窄、线性度较差的问题，并具有较高的增益和良好的噪声性能。本发明利用部分有源负反馈的方式拓展带宽，在传统有源负反馈的基础上提升了电路的带宽和线性度，并通过噪声抵消优化了负反馈结构的噪声性能。同时引入了正反馈路径，应用电容交叉耦合技术对主放大管实现了高频段的跨导增强，进一步拓展了低噪声放大器的带宽。采用差分结构使得电路对环境噪声有更好的抑制能力。主放大级与负反馈支路间采用直流耦合的方式传递信号，简化了电路结构。此外电路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，占用面积小，易实现。该设计可用于BLE、LTE和5G通信系统。
为此，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，包括采用电流复用技术的主共源共栅放大级1、部分有源负反馈支路2、电容交叉耦合正反馈支路3和电阻负载4这四个部分。采用电流复用技术的主共源共栅放大级1对输入的差分射频信号进行反相放大，电流复用结构有助于增大共源放大管在同一偏置电流下的等效跨导，部分有源负反馈支路2将部分放大的信号引入反馈支路，实现有源负反馈增加带宽，电容交叉耦合正反馈支路3利用小电容将高频段的反相信号引入主放大级，实现高频段信号的正反馈，进一步拓展带宽，电阻负载4用于将放大后的电流信号转换为电压信号后输出差分射频信号。
其中，所述采用电流复用技术的主共源共栅放大级1采用两个NMOS管NM1和NM2作为共源NMOS放大管，两个PMOS管PM1和PM2作为共源PMOS放大管，同时两个NMOS管NM7和NM8作为cascode管。其中共源NMOS放大管NM1和NM2的栅端分别接差分输入射频信号，源端接地，漏端分别接cascode管NM7和NM8的源端；共源PMOS放大管PM1和PM2的栅端分别接差分输入射频信号，源端接电源电压，漏端分别接cascode管NM7和NM8的源端；cascode管NM7和NM8的栅端接电源电压，漏端接分别接负载电阻RL1和RL2，并作为电路的信号输出端。
所述部分有源负反馈支路2采用两个NMOS管NM3和NM4作为反馈管，两个NMOS管NM5和NM6作为电流源，构成源级跟随器结构。其中反馈管NM3和NM4的漏端接电源电压，栅端分别接cascode管NM7和NM8的源端，从此节点引入反馈信号；NM5和NM6的源端接地，栅端接偏置电压Vb，漏端接反馈管NM3和NM4的源端以及共源NMOS放大管NM1和NM2的栅端，为反馈管提供电流偏置同时为共源放大管提供栅电压偏置。
所述电容交叉耦合正反馈支路3由两个电容值较小的交叉耦合电容C1和C2组成，其中C1的两端分别接NM1的漏端与NM2的栅端，C2的两端分别接NM2的漏端与NM1的栅端，将反相放大后的高频信号耦合至另一侧的输入端，实现正反馈，从而拓宽了电路的带宽。
所述电阻负载4由负载电阻RL1和RL2组成，RL1两端接NM7的漏端和电源电压，RL2两端接NM8的漏端和电源电压，将输出电流信号转换为输出电压信号。
该超宽带低噪声放大器实现了超宽带、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.本发明利用部分有源负反馈技术拓宽低噪声放大器的带宽，同时保持了较好的线性度。
2.本发明采用电容交叉耦合技术实现了高频信号的正反馈，进一步拓展了电路的带宽。
3.本发明采用电流复用结构，在有限的偏置电流下提升了电路的增益，并优化了电路的带宽和噪声系数。
4.本发明采用自偏置的方式确定晶体管的直流工作点，仅需一个外部偏置电压源，同时内部没有使用隔直电容，结构较为简单，易于实现。
5.本发明采用无片上电感的设计，极大地节省了芯片的面积，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是本发明提供的采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器示意图。图中：1为采用电流复用技术的主共源共栅放大级，2为部分有源负反馈支路，3为电容交叉耦合正反馈支路，4为电阻负载。
图2是现有技术中采用有源负反馈技术的共源低噪声放大器。
图3是现有技术中采用电容交叉耦合技术及跨导增强技术的共栅低噪声放大器。
图4是本发明的一个实施例与已有技术的低噪声放大器电压增益的对比仿真图像。
图5是本发明的一个实施例与已有技术的低噪声放大器输入匹配性能(S11)的对比仿真图像。
图6是本发明的一个实施例与已有技术的低噪声放大器输入三阶交调点(IIP3)的对比仿真图像。
图7是本发明的一个实施例与已有技术的低噪声放大器噪声性能(NF)的对比仿真图像。
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。
本发明提供了一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，如图1所示，其主要由采用电流复用技术的主共源共栅放大级1、部分有源负反馈支路2、电容交叉耦合正反馈支路3和电阻负载4组成。采用电流复用技术的主共源共栅放大级1采用两个NMOS管NM1和NM2作为共源NMOS放大管，两个PMOS管PM1和PM2作为共源PMOS放大管，同时两个NMOS管NM7和NM8作为cascode管。其中共源NMOS放大管NM1和NM2的栅端分别接差分输入射频信号，源端接地，漏端分别接cascode管NM7和NM8的源端；共源PMOS放大管PM1和PM2的栅端分别接差分输入射频信号，源端接电源电压，漏端分别接cascode管NM7和NM8的源端；cascode管NM7和NM8的栅端接电源电压，漏端接分别接负载电阻RL1和RL2，并作为电路的信号输出端。部分有源负反馈支路2采用两个NMOS管NM3和NM4作为反馈管，两个NMOS管NM5和NM6作为偏置管。其中反馈管NM3和NM4的漏端接电源电压，栅端分别接cascode管NM7和NM8的源端；偏置管NM5和NM6的源端接地，栅端接偏置电压Vb，漏端接反馈管NM3和NM4的源端以及共源NMOS放大管NM1和NM2的栅端。电容交叉耦合正反馈支路3由两个电容值较小的交叉耦合电容C1和C2组成，其中C1的两端分别接NM1的漏端与NM2的栅端，C2的两端分别接NM2的漏端与NM1的栅端。电阻负载4由负载电阻RL1和RL2组成，RL1两端接NM7的漏端和电源电压，RL2两端接NM8的漏端和电源电压。
对于上述的实施例，通过小信号电路等效分析可得，输出节点的开环增益AVO以及反馈节点①和②的开环增益AVM分别由由式(1)和式(2)表示：
AVO＝-(gmn+gmp)RL (1)
AVM＝-(gmn+gmp)/gmncas (2)
其中gmn和gmp分别表示共源NMOS放大管和共源PMOS放大管的跨导，RL表示负载阻抗，gmncas为cascode管的跨导。由于RL阻值一般为几百欧姆，而gmncas为20-30mS，故：
1/gmncas<RL (3)
|AVM|<|AVO| (4)
由此可知，反馈节点①和②引入的反馈信号幅度明显小于输出节点引入反馈信号的幅度，这使得反馈管NM3和NM4的线性度得到了提升，进而优化了整个低噪声放大器的线性度。同时，由反馈节点①和②引入的反馈信号带宽主要由共源NMOS放大管NM1、NM2以及共源PMOS放大管PM1和PM2组成的共源级放大器的带宽决定，而输出节点信号的带宽则除此之外还受到cascode管NM7和NM8的寄生参数限制，因此由反馈节点①和②引入的反馈信号具有更宽的带宽，因此可以实现更宽频带上的输入匹配，从而拓宽了低噪声放大器的带宽。
图4-图7为本发明的一个GF 130-nm SOI CMOS工艺实施例与已有技术的低噪声放大器的对比仿真结果，可以看到本发明实现了高达5.1GHz的带宽，工作频带内输入匹配情况良好，并具有较高的线性度和较优良的噪声性能。
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 (3)

1.一种采用部分有源负反馈技术和正反馈技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)、部分有源负反馈支路(2)、电容交叉耦合正反馈支路(3)和电阻负载(4)，采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)对输入的差分射频信号进行反相放大，电流复用结构有助于增大共源放大管在同一偏置电流下的等效跨导，部分有源负反馈支路(2)将部分放大的信号引入反馈支路，通过负反馈的方式增加电路带宽，电容交叉耦合正反馈支路(3)利用小电容将高频段的反相信号引入主放大级，实现高频段信号的正反馈，进一步拓展电路带宽，电阻负载(4)用于将放大后的电流信号转换为电压信号后输出差分射频信号，实现了超宽带、低噪声系数、高线性度的低噪声放大器。
2.根据权利要求1所述的一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述部分有源负反馈支路(2)采用两个NMOS管NM3和NM4作为反馈管，另有两个NMOS管NM5和NM6作为电流源为反馈管提供偏置电流，构成源级跟随器结构，NM3和NM4的栅端分别接采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)中主放大管NM1的漏端(①)和NM2的漏端(②)，NM3和NM4的源端分别接NM1和NM2的栅端，将反馈电压信号转换为反馈电流信号引入输入端，NMOS管NM5和NM6的漏端分别接反馈管NM3和NM4的源端，为其提供漏电流偏置。
3.根据权利要求1所述的一种采用部分有源负反馈技术及正反馈技术的超宽带低噪声放大器，其特征在于，采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)与部分有源负反馈支路(2)之间的信号传递采用直流耦合的方式，未使用任何隔直电容，且未使用电阻调节直流工作点。采用电流复用技术的主共源共栅放大级(1)中的共源NMOS放大管NM1、NM2，共源PMOS放大管PM1、PM2以及部分有源负反馈支路(2)中的反馈管NM3、NM4均采用电路自偏压的方式确定直流工作点，未使用外部偏置电压源。
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