CN112968674B - 一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路 - Google Patents

一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，主要解决现有噪声消除电路难以在高频段实现的问题。该电路包括CG共栅放大器，与CG共栅放大器相连的幅噪调整变压器T，输入端与CG共栅放大器一端相连电容C1，与电容C1的另一端相连的CS共源放大器，分别与CG共栅放大器的另一端、CS共源放大器的输出端对应相连的相位调整电路P1、P2，以及分别与相位调整电路P1、P2的输出端对应相连的幅度调整电路A1、A2。通过上述设计，本发明实现了宽频范围内的低噪声系数，并可降低电路寄生对噪声抵消电路性能的影响，将噪声抵消原理实现在毫米波段。因此，适宜推广应用。

Description

一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路
技术领域
本发明涉及低噪声放大器技术领域，具体地说，是涉及一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路。
背景技术
噪声抵消电路能降低放大器的晶体管热噪声，一般的低噪声放大器通过噪声匹配、跨导提升等技术实现低噪声系数；但是这些技术均是针对特定工作频率进行优化，在较宽的工作频率范围内效果不好，且存在工作带宽与噪声系数之间的权衡。随着高速率无线通信的发展，无线系统工作带宽越来越宽，而噪声抵消技术能够有效降低晶体管的热噪声从而降低放大器噪声系数，并且噪声消除技术打破了工作带宽与噪声系数之间的权衡关系，能够在宽频范围内实现低噪声。
如图1所示为现有技术中的一种噪声抵消电路，CG共栅放大器噪声消除电路中，CG共栅放大器晶体管(gmCG)的热噪声电流(in)能够在其源极和漏极之间产生异相但不等幅的噪声电压。其中漏极噪声电压为VnCG，源极噪声电压经过一级CS共源放大器反相放大后获得噪声电压VnCS，上述噪声电压作为共模电压在放大器差分输出端口被抵消。但是该电路只能抵消CG共栅放大器的噪声，而CS共源放大器的噪声无法抵消，限制了这种低噪声放大器噪声系数的进一步降低。同时受制于器件寄生对噪声信号的幅相影响，该电路难以在高频段实现，如毫米波等。
如图2、3所示为现有技术中的另一种双路噪声消除电路，该电路包含一级CS共源放大器(由晶体管M1组成)，CG共栅放大器(由晶体管M2组成)和源极跟随器M3。如图2所示，CS共源放大器的噪声经由反馈电阻Rf后在其栅极与漏极形成同相不等幅的噪声电压，栅极噪声电压经过输入级变压器调整后反相输入CG共栅放大器，经过放大调整后与漏极噪声电压异相叠加抵消。CG共栅放大器的热噪声抵消原理与CG噪声消除电路原理相似，利用CG共栅放大器晶体管源漏级噪声电压反相的特性，对噪声电压幅度进行调整后进行异相抵消，如图3所示。该双路噪声抵消电路输入端需要一个变压器，变压器的插入损耗将会提高整体电路的噪声系数。并且，在更高工作频段下变压器、晶体管的寄生会恶化噪声抵消性能，因此该电路无法应用于高频段，如毫米波等。最后，由于双路噪声抵消条件难以同时满足，该电路不适合宽频应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，主要解决现有噪声消除电路难以在高频段实现的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，包括CG共栅放大器，输入端与CG共栅放大器一端相连电容C1，与电容C1的另一端相连的CS共源放大器，分别与CG共栅放大器的另一端、CS共源放大器的输出端对应相连的相位调整电路P1、P2，以及分别与相位调整电路P1、P2的输出端对应相连的幅度调整电路A1、A2。
进一步地，所述抵消电路还包括与CG共栅放大器相连的幅噪调整变压器T。
进一步地，所述CG共栅放大器包括晶体管M1，与晶体管M1的源极相连的电感Lgs，以及一端与晶体管M1的栅极相连且另一端接电压Vg的电感Lg；其中，所述幅噪调整变压器T与晶体管M1的漏极和电感Lgs的自由端相连，所述电容C1与电感Lgs的自由端相连。
进一步地，所述CS共源放大器包括与电容C1的另一端相连的电感Lin，栅极与电感Lin另一端相连且源极接地的晶体管M2，以及连接于晶体管M2的栅极和漏极之间的反馈电阻Rf；其中，晶体管M2、反馈电阻Rf的公共端与相位调整电路P2的输入端相连。
进一步地，所述幅噪调整变压器T包括同名端与晶体管M1的漏极相连且另一端接Vdd电压的电感L1，以及同名端与晶体管M1的源极相连且另一端接地的电感L2。
进一步地，所述幅度调整电路A1包括栅极与相位调整电路P1的输出端相连的晶体管M3及一端与晶体管M3的源极相连且另一端接地的源极退化电感Ls1；所述幅度调整电路A2与幅度调整电路A1的电路结构相同。
进一步地，所述CG共栅放大器、CS共源放大器与相位调整电路P1、P2之间还设置有级间匹配变压器T1、T2。
进一步地，所述幅度调整电路A1、A2的差分输出端口通过巴伦变压器转化为单端输出。
进一步地，所述相位调整电路P1、P2是任意具有可变相移\时延功能的电路或是具有固定相移\时延的电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中的CG和CS放大器采用最大增益设计，以提高电路第一级增益，进一步降低噪声系数。同时通过幅度相位调整电路对形成自M1和M2的噪声电压进行调整，使其作为等幅同相信号在差分端口被抵消，该方法可以降低因前级器件寄生导致噪声电压幅相变化而引起的噪声抵消性能恶化。从而实现宽频范围内的低噪声系数，并可降低电路寄生对噪声抵消电路性能的影响，将噪声抵消原理实现在毫米波段。
附图说明
图1为现有技术中的一种噪声抵消电路；
图2为现有技术中的另一种双路噪声消除电路及其第一路噪声抵消原理；
图3为现有技术中的另一种双路噪声消除电路及其第二路噪声抵消原理；
图4为本发明的电路架构图；
图5为本发明实施例的电路图；
图6为本发明实施例的测试参数波形图；
图7为本发明实施例的测试结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图4所示，本发明公开的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，包括CG共栅放大器，与CG共栅放大器相连的幅噪调整变压器T，输入端与CG共栅放大器一端相连电容C1，与电容C1的另一端相连的CS共源放大器，分别与CG共栅放大器的另一端、CS共源放大器的输出端对应相连的相位调整电路P1、P2，以及分别与相位调整电路P1、P2的输出端对应相连的幅度调整电路A1、A2。输入信号Vin经过CG放大和CS放大变成差分信号，经过幅相调整电路后在差分输出端作为差模电压叠加。
如图5所示，在本实施例中，所述CG共栅放大器包括晶体管M1，与晶体管M1的源极相连的电感Lgs，以及一端与晶体管M1的栅极相连且另一端接电压Vg的电感Lg；其中，所述幅噪调整变压器T与晶体管M1的漏极和电感Lgs的自由端相连，所述电容C1与电感Lgs的自由端相连。
在本实施例中，所述CS共源放大器包括与电容C1的另一端相连的电感Lin，栅极与电感Lin另一端相连且源极接地的晶体管M2，以及连接于晶体管M2的栅极和漏极之间的反馈电阻Rf；其中，晶体管M2、反馈电阻Rf的公共端与相位调整电路P2的输入端相连。
在本实施例中，所述幅噪调整变压器T包括同名端与晶体管M1的漏极相连且另一端接Vdd电压的电感L1，以及同名端与晶体管M1的源极相连且另一端接地的电感L2。
在本实施例中，所述幅度调整电路A1包括栅极与相位调整电路P1的输出端相连的晶体管M3及一端与晶体管M3的源极相连且另一端接地的源极退化电感Ls1；所述幅度调整电路A2与幅度调整电路A1的电路结构相同，且幅度调整电路可以是任意具有放大\衰减功能的电路。
在本实施例中，所述CG共栅放大器、CS共源放大器与相位调整电路P1、P2之间还设置有级间匹配变压器T1、T2。且相位调整电路P1、P2可以是任意具有可变相移\时延功能的电路或是具有固定相移\时延的电路，如无源可调传输线结构。
如图5所示，记晶体管M2、电感L1的连接点为节点X，记晶体管M1、电容C1、电感L2的公共端为节点Y，记反馈电阻Rf与晶体管M2的漏极端连接点位节点Z，输入信号经过CG放大和CS放大变成差分信号，经过幅相调整电路后在差分输出端作为差模电压叠加。而晶体管M1产生的噪声电流In1在节点X和Y产生反相不等幅的噪声电压，节点Y噪声经过CS放大后在节点Z产生与节点Y反相的噪声电压，节点Z与节点X的噪声一起经过相位调整电路P1和幅度调整电路A1，作为共模电压在差分输出端口被抵消。而晶体管M2产生的噪声电压，经过反馈电阻Rf后在节点Y和节点Z形成同相不等幅的噪声电压。节点Y噪声经过CG放大器放大后在节点X形成与节点Y同相的噪声电压，并与节点Z噪声一起经过相位调整电路P2和幅度调整电路A2，形成等幅同相的噪声电压，然后在差分端口被抵消。并且，所述幅度调整电路A1、A2的差分输出端口还可通过巴伦变压器T3转化为单端输出。
在本发明中，CG和CS放大器采用最大增益设计，以提高电路第一级增益，进一步降低噪声系数。而幅度相位调整电路对形成自M1和M2的噪声电压进行调整，使其作为等幅同相信号在差分端口被抵消，该方法可以降低因前级器件寄生导致噪声电压幅相变化而引起的噪声抵消性能恶化。其中，由于CG放大器在原理上会产生比CS放大器更高的噪声电压，且CG放大器的增益在原理上会低于CS放大器。因此本发明采用一个额外的CG放大器幅噪调整变压器T对CG放大器的增益和噪声进行调整。输出信号通过电磁感应在输入端形成与输入信号同相的感生信号，感生信号与输入信号叠加后等效提高了输入信号的大小，形成一个正反馈回路，从而等效提高了电路增益。同时，晶体管噪声电流在输入输出端口产生了异相的噪声电压，经过电磁感应后，感生噪声电压分别与输入输出端口噪声电压异相抵消，从而降低了输入输出端口的噪声。通过幅噪调整变压器T后，CG放大器的增益和噪声水平可以与CS放大器类似，从而更好地进行双路噪声抵消。
为了证明上述有益效果，本实施例采用传统28nm CMOS集成电路工艺实际加工后进行测试。测试结果如图6、7所示，从测试结果可以看出，采用本发明的低噪声放大器可以在毫米波频段实现宽频低噪声性能。3dB带宽为22.9-38.2GHz,带内噪声系数为2.65-4.62dB。
通过上述设计，本发明实现了宽频范围内的低噪声系数，并可降低电路寄生对噪声抵消电路性能的影响，将噪声抵消原理实现在毫米波段。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，包括CG共栅放大器，输入端与CG共栅放大器一端相连电容C1，与电容C1的另一端相连的CS共源放大器，分别与CG共栅放大器的另一端、CS共源放大器的输出端对应相连的相位调整电路P1、P2，以及分别与相位调整电路P1、P2的输出端对应相连的幅度调整电路A1、A2；
所述CG共栅放大器包括晶体管M1，与晶体管M1的源极相连的电感Lgs，以及一端与晶体管M1的栅极相连且另一端接电压Vg的电感Lg；其中，所述电容C1与电感Lgs的自由端相连；
所述CS共源放大器包括与电容C1的另一端相连的电感Lin，栅极与电感Lin另一端相连且源极接地的晶体管M2，以及连接于晶体管M2的栅极和漏极之间的反馈电阻Rf；其中，晶体管M2、反馈电阻Rf的公共端与相位调整电路P2的输入端相连；
所述幅度调整电路A1包括栅极与相位调整电路P1的输出端相连的晶体管M3及一端与晶体管M3的源极相连且另一端接地的源极退化电感Ls1；所述幅度调整电路A2与幅度调整电路A1的电路结构相同。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，还包括与CG共栅放大器相连的幅噪调整变压器T。
3.根据权利要求2所述的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，所述幅噪调整变压器T包括同名端与晶体管M1的漏极相连且另一端接Vdd电压的电感L1，以及同名端与晶体管M1的源极相连且另一端接地的电感L2。
4.根据权利要求3所述的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，所述CG共栅放大器、CS共源放大器与相位调整电路P1、P2之间还设置有级间匹配变压器T1、T2。
5.根据权利要求4所述的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，所述幅度调整电路A1、A2的差分输出端口通过巴伦变压器T3转化为单端输出。
6.根据权利要求5所述的一种低噪声放大器的双路噪声抵消电路，其特征在于，所述相位调整电路P1、P2是任意具有可变相移\时延功能的电路或是具有固定相移\时延的电路。
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