CN111478671A

CN111478671A - 一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器

Info

Publication number: CN111478671A
Application number: CN202010283521.8A
Authority: CN
Inventors: 牟首先; 胡晨恽; 胡建全
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2040-04-13
Also published as: CN111478671B

Abstract

本发明的目的在于提供一种应用于Sub‑GHz频段的新型低噪声放大电路，属于集成电路技术领域。该低噪声放大电路以共栅拓扑结构为核心，引入另一路共栅放大器，使得两路共栅放大器相互消除共栅管内部的沟道噪声；同时结合电容交叉耦合结构，使得两路共栅放大器均可获得相应等效跨导的提升；并且引入差分输入输出结构，摆脱了传统单端共栅噪声消除结构所带来的抗干扰能力弱的缺点，使得整体电路在无电感的背景下同时具有低噪声系数、高增益、低功耗等优点。

Description

一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大电路。

背景技术

无线通信的传输距离与频率成反比关系，应用于Sub-GHz频段的射频电路具有较长的通信距离，较低的功耗以及不错的穿墙能力，因此Sub-GHz频段在物联网通信协议中有着重要的应用价值。

低噪声放大电路是接收机的核心电路模块，作为接收链路的第一级放大电路，根据噪声级联公式，低噪声放大器的噪声基本决定接收链路的整体噪声；此外，低噪声放大器还有增益、输入输出匹配、功耗以及线性度的相应指标要求。根据“射频设计的六边形法则”，射频电路需要在噪声、功耗、频率、增益、供电电压以及线性度这六种电路性能进行折中调节，低噪声放大器电路设计需要根据应用要求规划相应的指标。

宽带低噪声放大器输入匹配基本有三种形式：一为源简并结构，通过在共源管栅极与漏极增加电感，输入匹配与噪声匹配可以通过栅源电感进行优化；一为电阻负反馈结构，在共源管漏栅之间加入大电阻，拓展低频带宽；一为共栅结构，共栅结构具有稳定的输入阻抗，调节共栅管的宽长比可以实现宽带输入匹配。面向Sub-GHz频段设计的宽带低噪声放大器，因低频段电路设计的片上电感所造成的版图面积过大，对电路成本的不利以及电阻负反馈结构中采用的反馈大电阻带来的噪声影响，共栅结构成为低频宽带低噪声放大器设计的拓扑选择，但共栅结构具有共栅管沟道热噪声本征缺陷。

如何降低低噪声放大器的噪声是研究领域一直研究的重点方向，为了提升基于共栅结构的低噪声放大器的噪声性能，噪声消除技术(F.Bruccoleri,E.A.M.Klumperink andB.Nauta,"Noise cancelling in wideband CMOS LNAs,"2002 IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference.Digest of Technical Papers(Cat.No.02CH37315),San Francisco,CA,USA,2002,pp.406-407vol.1.)通过消除共栅管沟道热噪声成为近年来的热点关注对象。这种噪声消除技术通过引入辅助通路的形式，消除共栅管内部的沟道噪声，但也引入新的噪声源。除噪声消除技术可以提升共栅结构的噪声性能之外，跨导增强技术(X.Li,S.Shekhar,and D.J.Allstot,“-boosted common-gate LNA and differentialcolpitts VCO/QVCO in 0.18-m CMOS,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.40,no.12,pp.2609–2619,Dec.2005.)也被广泛应用于共栅结构，其通过对共栅管等效跨导的提升，使得低噪声放大器的增益以及噪声性能均可得到

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大电路。该低噪声放大电路以共栅拓扑结构为核心，引入另一路共栅放大器，使得两路共栅放大器相互消除共栅管内部的沟道噪声；同时结合电容交叉耦合结构，使得两路共栅放大器均可获得相应等效跨导的提升；并且引入差分输入输出结构，摆脱了传统单端共栅噪声消除结构所带来的抗干扰能力弱的缺点，使得整体电路在无电感的背景下同时具有低噪声系数、高增益、低功耗等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器，包括共栅噪声消除电路，电容交叉耦合结构以及共源buffer电路，所述新型低噪声放大器采用差分输入输出结构，所述电容交叉耦合结构与共栅噪声消除电路相连接，所述共栅噪声消除电路的输出端与共源buffer电路的输入端相连，其特征在于，

所述共栅噪声消除电路包括两个NMOS晶体管M1、M3，两个PMOS晶体管M2、M4，四个负载电阻R1、R2、R5、R6，四个偏置电阻R3、R4、R7、R8，以及电容C7、C8；其中，晶体管M1的源极与M2的源极相连，M1的栅极通过偏置电阻R3与偏置电压控制端口VBIASA相连，M2的栅极通过偏置电阻R4与偏置电压控制端口VBIASB相连，M1的漏极通过负载电阻R1与供电电压端口VDDA相连，M2的漏极通过一个负载电阻R2接地，M2的漏极与M1的漏极通过电容C1相连，M3的源极与M4的源极相连，M3的栅极通过偏置电阻R7与偏置电压控制端口VBIASA相连，M4的栅极通过偏置电阻R8与偏置电压控制端口VBIASB相连，M3的漏极通过负载电阻R5与供电电压端口VDDA相连，M4的漏极通过一个负载电阻R6接地，M4的漏极与M3的漏极通过电容C2连相连；差分输入端口VIN的两端分别与M1、M2的源极连接以及M3、M4的源极连接；所述共栅噪声消除电路用于消除共栅管内部的沟道噪声；

所述电容交叉耦合结构包括四个电容，分别为C1、C2、C3、C4，电容C1分别连接晶体管M1的栅极与M3、M4的源极，电容C2分别连接M2的栅极与M3、M4的源极，电容C3分别连接M3的栅极与M1、M2的源极，电容C4分别连接M4的栅极与M1、M2的源极；所述电容交叉耦合结构用于提升共栅噪声消除电路的跨导，从而提升低噪声放大器的增益；

所述共源buffer电路包括两个NMOS晶体管M5与M6，两个电容C5和C6，两个负载电阻R10和R12，两个偏置电阻R9与R11；其中，电容C5分别连接M5的栅极与M1的漏极；M5的源极接地，漏极通过负载电阻R10连接到供电电压端口VDDB，栅极通过偏置电阻R9连接到供电电压端口VDDB；电容C6分别连接M6的栅极与M3的漏极，M6的源极接地，漏极通过负载电阻R12连接到供电电压端口VDDB，栅极通过偏置电阻R11连接到供电电压端口VDDB；差分输出端口VOUT两端分别与M5的漏极以及M6的漏极连接；所述共源buffer电路用于确保输出匹配，并同时提升低噪声放大器的增益；

差分信号的其中一路经共栅噪声消除电路中的晶体管M1、M2、M3和M4的源极输入，经同相放大后，从晶体管的漏极输出至共源buffer电路，由共源buffer电路中的晶体管M5与M6栅极输入，经反相放大后，由晶体管的漏极输出差分信号；差分信号的另一路通过电容交叉耦合结构中的电容后于晶体管M1、M2、M3和M4的栅极输入，从晶体管的漏极传输至共源buffer电路，使得低噪声放大器中的四个晶体管M1、M2、M3和M4栅极和源极均有相位相反的信号输入，经晶体管放大作用，于漏极输出同相位的信号。

进一步地，所述共栅噪声消除电路和共源buffer电路中的偏置电阻的阻值均≥10kΩ。

进一步地，所述的低噪声放大器输入匹配通过四个共栅放大器晶体管M1、M2、M3与M4实现宽带匹配。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明创新性地在引入一路共栅放大器消除共栅管内部沟道噪声的基础上结合了改电容交叉耦合技术，提高低噪放的增益性能，实现了更佳的性能指标；整体电路采用差分输入输出结构，相较传统的单端输入输出噪声消除结构具有更佳的抗干扰能力。

2.本发明低噪声放大器应用于Sub-GHz频段，电路结构中未使用任何一个电感，极大减少了版图面积；并且合理设置各个晶体管的工作状态，使共栅晶体管偏置在中等反型区，使得核心电路可以在低功耗情况下有较好的整体性能表现。

附图说明

图1为本发明新型低噪声放大器的电路图。

图2为本发明新型低噪声放大器中单路共栅噪声消除电路示意图。

图3为本发明新型低噪声放大器中电容交叉耦合技术示意图。

图4为本发明中新型低噪声放大器的输入匹配系数S11仿真结果图。

图5为本发明中新型低噪声放大器的电压增益S21仿真结果图。

图6为本发明中新型低噪声放大器的噪声系数NF仿真结果图。

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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器，电路结构如图1所示，包括共栅噪声消除电路、电容交叉耦合结构以及共源buffer电路，整体电路采用差分输入输出结构。共源buffer电路包括两个NMOS晶体管M5与M6，两个电容C5和C6，两个负载电阻R10和R12，用于实现输出匹配，两个偏置电阻R9与R11。其中，电容C5分别连接M5的栅极与M1的漏极，C5作为隔直电容，消除前一级电路输出信号中的直流分量。M5的源极接地，共源放大器使用电阻作为负载，负载电阻为R10，共源放大器通过电阻进行偏置，偏置电阻为R9。作为对应的共源buffer电路的另一路，电容C6分别连接M6的栅极与M3的漏极，M6的源极接地，漏极通过电阻R12连接到供电电压端口VDDB，栅极通过电阻R11连接到供电电压端口VDDB，差分输出端口VOUT两端分别与M5的漏极以及M6的漏极连接。共源buffer为整体低噪声放大器电路提供了额外的电压增益以及输出匹配。

图2为本发明新型低噪声放大器中单路共栅噪声消除电路示意图，如图2所示，NMOS晶体管M1与PMOS晶体管M2作为共栅放大管，M1的源极与M2的源极连接在一起，差分信号从M1与M2的源极输入。当M1管与M2管处于工作状态时，M1与M2的漏源之间均相当于一小电阻，这个电阻可以通过调节M1与M2的宽长比进行调节，输入阻抗Z_in可以表示为：

其中，g_m1和g_m2为晶体管M1和M2的跨导。

可以看到，在电路当中，当晶体管的工作状态确定了以后，共栅放大器输入阻抗的值是较为恒定的，数值为共栅放大器跨导的倒数，这个值不会随频率变化而产生的较大的改变，因此共栅低噪声放大器可以实现宽带输入匹配。

M1与M2均通过电阻偏置，M1通过偏置电阻R3与偏置电压VBIASA连接，M2通过偏置电阻R4与偏置电压VBIASB连接，R3与R4为10k的大电阻以避免信号泄露；M1与M2采用电阻作为负载，M1通过负载电阻R1与供电电压VDDA连接，M2通过负载电阻R2与地相连。M1与M2的输出端(漏极)通过电容C7耦合输出，大电容避免低频信号通过电容产生失真。

对于共栅放大器，因内部沟道噪声电流流向为漏极流向源极，从共栅管栅源两端看，源极为噪声电流流出，漏极为噪声电流流入，这使共栅放大器的栅源输出噪声电压信号相位相反。因有用信号经共栅放大器得到同相放大作用，共栅放大器栅源处有用信号相位同相。M1的栅源输出噪声电压信号为N1与N3，N1作为共栅放大器M2的输入信号，经放大得到N2，N2与N1同相，由于M1与M2通过电容耦合输出，因此N2与N3信号相位相反，通过合理设置M2管参数，使得M1共栅放大器的电压增益与M2共栅放大器的电压增益相等，可以消除M1管内部沟道噪声。有用信号通过M1与M2的共栅放大，得到两相位同相的输出信号，经由电容耦合输出，输出的有用信号得到叠加；同理，M2的沟道噪声可以通过相同方式进行消除。

供电电压VDD同时为M1与M2进行供电，实现了电流复用的效果，降低电路功耗。

跨导增强技术是通过增加共栅管栅源电压V_GS来提升等效跨导的技术。假设共栅管工作在饱和区，不考虑沟道调制效应，漏电流I_D的一般表达式为：

式中，μ_n为电子平均迁移速率，C_ox为单位面积栅氧化层电容，W/L为MOS管的宽长比，V_GS为栅源电压，V_TH为阈值电压。

根据跨导的定义：

工作在饱和区的MOS管，其跨导应当与MOS管过驱动电压(V_GS-V_TH)成正比，通过增加栅源电压，对应的MOS管等效跨导得到提升。

如图3所示，为电容交叉耦合结构，属于跨导提升技术之一。电容交叉耦合结构由两个CMOS晶体管M1与M2、两个电容C1与C2、两个负载电阻R1与R2构成。M1与M2属于共栅放大管，信号从M1与M2的源极差分输入，于M1与M2的漏极差分输出，M1的栅极通过电容C1连接M2的源极，M2的栅极通过电容C2连接M1的源极，M1与M2采用电阻作负载，分别通过R1与R2连接至供电电压VDD。电容属于无源器件，不对信号进行放大，电容交叉耦合结构对M1与M2的等效跨导提升倍数为1。

基于GF55nm CMOS工艺，本发明对上述放大器进行了版图设计及版图仿真，图4与图5给出了本发明低噪声放大器的输入匹配以及增益仿真结果，从图中可以看到，低噪声放大器的输入匹配S11可达到-10dB以下，整体增益S21在13dB以上。

图6给出了低噪声放大器的噪声系数NF，采用本发明的技术方案，相较于其他噪声消除低噪声放大器，噪声系数有明显下降，在低噪声放大器的工作频率范围内，整体电路噪声系数在3dB以内。

在供电电压VDDA为1.5V情况下，核心电路功耗只有1mW，两个共源buffer的功耗为4.1mW。由于未使用电感进行低噪放电路设计，版图面积较小；该低噪放最终的版图面积为0.43mm*0.8mm，其中，核心电路面积仅0.25mm*0.4mm。本发明提供的一种结合噪声消除技术与跨导增强技术的新型低噪放工作频段为Sub-GHz，可应用于NB-IOT、LoRa以及eMTC等物联网通信协议当中，但并不仅限于物联网领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种应用于Sub-GHz频段的新型低噪声放大器，包括共栅噪声消除电路，电容交叉耦合结构以及共源buffer电路；所述新型低噪声放大器采用差分输入输出结构，所述电容交叉耦合结构与共栅噪声消除电路相连接，所述共栅噪声消除电路的输出端与共源buffer电路的输入端相连，其特征在于，

差分信号的其中一路经共栅噪声消除电路中的晶体管M1、M2、M3和M4的源极输入，经同相放大后，从晶体管的漏极输出至共源buffer电路，由共源buffer电路中的晶体管M5与M6栅极输入，经反相放大后，由晶体管的漏极输出差分信号；差分信号的另一路通过电容交叉耦合结构中的电容后于晶体管M1、M2、M3和M4的栅极输入，从晶体管的漏极传输至共源buffer电路，由共源buffer电路中的晶体管M5与M6栅极输入，使得低噪声放大器中的四个晶体管M1、M2、M3和M4栅极和源极均有相位相反的信号输入，经晶体管放大作用，于漏极输出同相位的信号。

2.如权利要求1所述的新型低噪声放大器，其特征在于，所述共栅噪声消除电路和共源buffer电路中的偏置电阻的阻值均≥10kΩ。

3.如权利要求1所述的新型低噪声放大器，其特征在于，所述的低噪声放大器输入匹配通过四个晶体管M1、M2、M3与M4实现宽带匹配。