CN113131883B - 低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种低噪声放大器。低噪声放大器包括前级放大器、多个第一差分放大器、多个第二差分放大器、信号加法器以及负载电路。前级放大器接收输入信号，放大所述输入信号以产生第一信号，所述输入信号与所述第一信号的相位相同。第一差分放大器接收第一输入差分信号对，依据第一差分信号对以产生第一输出差分信号对。第二差分放大器接收第二输入差分信号对，依据第二差分信号对以产生第二输出差分信号对。信号加法器使第一输出差分信号对与第二输出差分信号对相加。负载电路耦接信号加法器，依据加法结果以产生第三输出差分信号。低噪声放大器在信号相加和放大的过程中，消除了部分噪声，有效降低了整个电路的噪声系数，提升了信号质量。

Description

低噪声放大器
技术领域
本申请涉及一种低噪声放大器，尤其涉及一种宽频带的单端转差分的低噪声放大器。
背景技术
在习知技术领域中，单端转差分的低噪声放大器中常采用共源极放大器和巴伦来同时实现单端转差分和低噪声放大功能，其中共源极放大器用以处理单端信号。然而，共源极放大器所提供的噪声消除阻抗匹配以及增益，对于芯片的打线状况都非常敏感。而打线为习知技术的低噪声放大器的反馈结构的重要构件。另外，习知技术的单端共源极放大器的共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)以及电源抑制比(power supplyrejection ratio,PSRR)的表现都较差，容易受到电源端及接地端上的噪声影响。另外，在习知技术领域中低噪声放大器中常采用反馈结构来实现阻抗匹配。所述反馈结构需要从输出端到输入端的反馈路径，以达到宽频带下的输入阻抗匹配，这要求低噪声放大器必须提供稳定的从输入端到输出端的增益。因此，在不同的工作频率下提供固定的负载阻抗是很重要的。也因此，在习知技术的宽带低噪声放大器中，采用电感电容共振腔或无源混频器作为反馈电路的一部分，是无法接受的。如果采用额外的增益级或者放大器插入在低噪声放大器和阻抗随频率变化的负载中间，可能造成过度的功耗并且限制信号的线性度。
发明内容
本申请是针对一种低噪声放大器，可同时实现宽带匹配和单端转差分功能的低噪声放大器，其采用差分模式下的噪声消除实现非常良好的噪声性能，并且可以直接接载阻抗在工作频带内随频率变化的负载，同时在较高的频率范围内具有良好的线性度和电源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)性能。
根据本申请的实施例，低噪声放大器包括前级放大器、多个第一差分放大器、多个第二差分放大器、信号加法器以及负载电路。前级放大器接收输入信号，放大所述输入信号以产生第一信号，所述输入信号与所述第一信号的相位相同。第一差分放大器耦接前级放大器，共同接收第一信号以及第一参考信号以作为第一输入差分信号对，依据第一差分信号对以产生第一输出差分信号对。第二差分放大器共同接收输入信号以及第二参考信号以作为第二输入差分信号对，依据第二差分信号对以产生第二输出差分信号对。信号加法器耦接所述第一差分放大器以及多个第二差分放大器，用以使第一输出差分信号对与第二输出差分信号相加以产生加法结果。负载电路耦接信号加法器，依据加法结果以产生第三输出差分信号对。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，第一差分放大器的每一包括差动对以及电流源。差动对具有第一输入端接收第一信号，差动对的第二输入端接收第一参考信号。电流源耦接在差动对的共同端以及参考电压端间，在差动对的共同端以及参考电压端间提供参考电流。其中，差动对具有第一输出端用以产生第一输出信号，差动对具有第二输出端用以产生第二输出信号，第一输出信号以及第二输出信号形成第一输出差分信号对。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，第一差分放大器的每一还包括电容器。电容器耦接在差动对的第二输入端以及参考电压端间，以实现工作频率下的低阻特性。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中还包括直流解耦合电容器。直流解耦合电容器耦接在前级放大器以及差动对的第一输入端间。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，第二差分放大器的每一包括差动对以及电流源。差动对具有第一输入端接收输入信号，差动对的第二输入端接收第二参考信号。电流源耦接在差动对的共同端以及参考电压端间，在差动对的共同端以及参考电压端间提供参考电流。其中，差动对具有第一输出端用以产生第一输出信号，差动对具有第二输出端用以产生第二输出信号，第一输出信号以及第二输出信号形成第二输出差分信号对。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，前级放大器为共栅极放大器或能提供输入阻抗匹配的同相放大器。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，前级放大器包括负载、晶体管以及电流源。负载具有第一端接收电源电压。晶体管具有第一端耦接至负载的第二端，晶体管的控制端通过电容器耦接至参考电压端，晶体管的第二端接收输入信号。电流源耦接在晶体管的第二端与参考电压端间。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，前级放大器中的电流源由电感器或线圈来建构。
在根据本申请的实施例的低噪声放大器中，负载电路包括第一电阻器、第二电阻器以及电感电容谐振腔。第一电阻器串联耦接在电源电压以及信号加法器的第一输出端间。第二电阻器串联耦接在电源电压以及所述信号加法器的第二输出端间。电感电容谐振腔耦接在信号加法器的第一输出端以及第二输出端间。
基于上述，本申请的低噪声放大器中设置两个路径的多个第一差分放大器以及多个第二差分放大器。并通过使多个第一差分放大器以及多个第二差分放大器所产生的第一输出差分信号对以及第二输出差分信号对相加，可使信号得到增强，同时由前级放大器产生的噪声得到全部或部分的消除，提升信号的质量。
为让本申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
包含附图以便进一步理解本申请，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本申请的实施例，并与描述一起用于解释本申请的原理。
图1绘示本申请一实施例的低噪声放大器的示意图；
图2绘示本申请另一实施例的低噪声放大器的示意图；
图3绘示本申请图2实施例的低噪声放大器的方式的示意图。
附图标号说明
100、200：低噪声放大器；
110、210：前级放大器；
120、220：第一差分放大器；
130、230：第二差分放大器；
140、240：信号加法器；
150、250：负载电路；
221、231：差动对；
C1-C3、CA1、CA2：电容器；
DC1、DC2：直流解耦合电容器；
E1-E4：端点；
GND：参考电压端；
IS1-IS3：电流源；
IA1、IA2、IB1、IB2：输出电流信号；
L1、LA1、LA2：电感器；
M1-M5：晶体管；
R1、R2：电阻器；
V1：第一信号；
VA1、VB1、VA2、VB2、VA3、VB3、Vop、Von：输出信号；
Vin：输入信号；
Z1：负载；
Z2：电感电容谐振腔。
具体实施方式
现将详细地参考本申请的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1，图1绘示本申请一实施例的低噪声放大器的示意图。低噪声放大器100包括前级放大器110、第一差分放大器120、第二差分放大器130、信号加法器140以及负载电路150。前级放大器110接收输入信号Vin，并放大输入信号Vin以产生第一信号V1，输入信号Vin与第一信号V1的相位相同。第一差分放大器120的数量为多个，并具有相互连接的输入端以共同接收第一信号V1。另外，第一差分放大器120也具有共同耦接的第一输出端以及共同耦接第二输出端。第一差分放大器120的第一输出端以及第二输出端分别产生输出信号VA1以及VB1，其中输出信号VA1以及VB1形成第一输出差分信号对。
第二差分放大器130的数量同样为多个，并具有相互连接的输入端以共同接收输入信号Vin。另外，第二差分放大器130也具有共同耦接的第三输出端以及共同耦接第四输出端。第二差分放大器130的第三输出端以及第四输出端分别产生输出信号VA2以及VB2，其中输出信号VA2以及VB2形成第二输出差分信号对。
信号加法器140耦接至第一差分放大器120的第一输出端以及第二输出端。信号加法器140并耦接至第二差分放大器130的第三输出端以及第四输出端。信号加法器140接收由输出信号VA1以及VB1形成的第一输出差分信号对，并接收由输出信号VA2以及VB2形成的第二输出差分信号对。信号加法器140使输出信号VA1以及VB1形成的第一输出差分信号对，与输出信号VA2以及VB2形成的第二输出差分信号对同相相加，藉以产生输出信号VA3以及VB3。
输出信号VA3以及VB3并被传送至负载电路150。负载电路150耦接信号加法器140。并依据输出信号VA3以及VB3，来产生由输出信号Vop以及Von所组成的第三输出差分信号对。
在此请注意，在本实施范例中，通过前级放大器110所产生的第一信号V1上的噪声与输入信号Vin上的噪声具有相反的相位。而通过多个第一差分放大器120，第一信号V1上的噪声可产生第一相位延迟。通过多个第二差分放大器130，输入信号Vin上的噪声则可具有第二相位延迟。在每一第一差分放大器120与每一第二差分放大器130的电路结构相类似的条件下，上述的第一相位延迟与第二相位延迟实质上是相等的，而通过设计或者调整第一差分放大器120和第二差分放大器130的相对增益，两路噪声的幅度也是可以相等的。也因此，通过信号加法器140的加法动作，可以使差分信号VA1和VB1上的噪声与差分信号VA2和VB2上的噪声相互抵消，并产生低噪声的输出信号Vop以及Von。
另外，在本申请实施例中，单端转差分信号的转换动作是通过第一差分放大器120与第二差分放大器130来进行的。因此，低噪声放大器100可以避免使用变压器或巴伦器来执行单端转差分信号转换动作，可有效降低电路的面积。
相较于习知技术的低噪声放大器的电路架构，本申请实施例的低噪声放大器100避免使用反馈架构，可有效提升低噪声放大器100的工作频率范围带宽。另外，当要求信号增益降低以实现相对更大的动态范围时，低噪声放大器100可通过调整第一差分放大器120与第二差分放大器130的被启动的数量，来保持噪声抵消和阻抗匹配的功效。
请参照图2，图2绘示本申请另一实施例的低噪声放大器的示意图。低噪声放大器200包括前级放大器210、第一差分放大器220、第二差分放大器230、信号加法器240以及负载电路250。前级放大器210为共栅极放大器。前级放大器210包括负载Z1、晶体管M3以及电流源IS1。负载Z1的第一端接收电源电压VDD，负载Z1的第二端耦接至晶体管M3的第一端，并产生第一信号V1。负载Z1由电感器LA1、电容器CA1并联耦接而成。晶体管M3的控制端(例如栅极)则通过电容器C1耦接至参考电压端GND。在本实施例中，参考电压端GND可以是参考接地端。晶体管M3的第二端则耦接至电流源IS1的第一端，并接收输入信号Vin。
另外，电流源IS1则耦接在晶体管M3的第二端与参考电压端GND间。
在另一方面，第一差分放大器220包括差动对221以及电流源IS2。差动对221由晶体管M4、M5所建构。其中，晶体管M4的控制端为差动对221的第一输入端，并通过端点E1接收第一信号V1。晶体管M5的控制端则为差动对221的第二输入端，并用以通过电容器C2耦接至参考电压端GND。晶体管M5的控制端接收第一参考信号。晶体管M4的第一端耦接至端点E3，晶体管M5的第一端则耦接至端点E4，其中端点E3以及E4可以分别为差动对221的第一输出端以及第二输出端。差动对221并分别提供输出电流信号IA1以及输出电流信号IB1至端点E3以及E4。电流源IS2串接在晶体管M4与M5相互耦接的第二端(差动对221的共同端)与参考电压端GND间，用以在差动对221的共同端以及参考电压端GND间提供参考电流。
值得一提的，第一差分放大器220的数量为多个，且每一第一差分放大器220的电路架构都是相同的。多个第一差分放大器220共享端点E1以作为第一输入端，共享端点E3以作为第一输出端，并共享端点E4以作为第二输出端。
第二差分放大器230包括差动对231以及电流源IS3。差动对231由晶体管M1、M2所建构。其中，晶体管M1的控制端为差动对231的第一输入端，并通过端点E2接收输入信号Vin。晶体管M2的控制端则为差动对231的第二输入端，并用以通过电容器C3耦接至参考电压端GND。晶体管M2的控制端接收第二参考信号。晶体管M1的第一端耦接至端点E3，晶体管M2的第一端则耦接至端点E4，其中端点E3以及E4也可以分别为差动对231的第一输出端以及第二输出端。差动对231并分别提供输出电流信号IA2以及输出电流信号IB2至端点E3以及E4。电流源IS3串接在晶体管M1与M2相互耦接的第二端(差动对231的共同端)与参考电压端GND间，用以在差动对231的共同端以及参考电压端GND间提供参考电流。
值得一提的，第二差分放大器230的数量同样为多个，且每一第二差分放大器230的电路架构都是相同的。多个第二差分放大器230共享端点E2以作为第一输入端，共享端点E3以作为第一输出端，并共享端点E4以作为第二输出端。此外，第一差分放大器220与第二差分放大器230所造成的信号的相位延迟是相同的。
在本实施例中，信号加法器240由端点E3、E4所形成。其中，第一差分放大器220产生的输出电流信号IA1、IB1，与第二差分放大器230产生的输出电流信号IA2、IB2，通过共享输出端点的形式，产生信号相加的效果。信号加法器240所产生的加法结果被提供至负载电路250。负载电路250则依据加法结果来产生输出信号Vop、Von所构成的第三输出差分信号对。
负载电路250包括电阻器R1、R2以及电感电容谐振腔(LC tank)Z2。电阻器R1串联耦接在电源电压VDD以及信号加法器240的第一输出端(也就是端点E3)间，电阻器R2串联耦接在电源电压VDD以及信号加法器240的第二输出端(也就是端点E4)间。电感电容谐振腔(LC tank)Z2则耦接在端点E3以及E4间。负载电路250通过感测端点E3以及E4上所提供的电流信号，可产生输出信号Vop、Von所构成的第三输出差分信号对。
在本实施例中，电感电容谐振腔Z2由电感器LA2以及电容器CA2并联耦接而成。
附带一提的，在本实施例的低噪声放大器200中，在前级放大器210以及第一差分放大器220的差动对221的第一输入端间另设置直流解耦合电容器DC1；在第二差分放大器230的差动对231的第一输入端接收输入信号Vin的路径间则另设置直流解耦合电容器DC2。直流解耦合电容器DC1以及直流解耦合电容器DC2用以分别滤除第一信号V1以及输入信号Vin的直流成分。
请参照图3，图3绘示本申请图2实施例的低噪声放大器的方式的示意图。与图2的实施方式不同的，图3绘示的低噪声放大器200中，前级放大器210中的电流源IS1，是利用电感器L1来建构。在另一方面，电感器L1也可通过线圈的方式来建构，没有固定的限制。
综上所述，本申请实施例的低噪声放大器中，设置两个路径的多个第一差分放大器以及多个第二差分放大器。在通过第一信号与输入信号上的噪声相位相反的特性，通过信号加法器来使噪声可以被消除。在本申请实施例中，通过避免使用反馈架构以及变压器或巴伦器的设置，有效降低电路面积，并可提升低噪声放大器的工作频率范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种低噪声放大器，其特征在于，包含：
前级放大器，接收输入信号，放大所述输入信号以产生第一信号，所述输入信号与所述第一信号的相位相同；
多个第一差分放大器，耦接所述前级放大器，共同接收所述第一信号以及第一参考信号以作为第一输入差分信号对，依据所述第一差分信号对以产生第一输出差分信号对；
多个第二差分放大器，共同接收所述输入信号以及第二参考信号以作为第二输入差分信号对，依据所述第二差分信号对以产生第二输出差分信号对；
信号加法器，耦接所述多个第一差分放大器以及所述多个第二差分放大器，用以使所述第一输出差分信号对与所述第二输出差分信号相加以产生加法结果；以及
负载电路，耦接所述信号加法器，依据所述加法结果以产生第三输出差分信号对，
其中由所述前级放大器中的同一噪声源产生的所述第一信号上的噪声与所述输入信号上的噪声具有相反的相位。
2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述多个第一差分放大器的每一包含：
差动对，具有第一输入端接收所述第一信号，所述差动对的第二输入端接收所述第一参考信号；以及
电流源，耦接在所述差动对的共同端以及参考电压端间，在所述差动对的所述共同端以及所述参考电压端间提供参考电流，
其中，所述差动对具有第一输出端用以产生第一输出信号，所述差动对具有第二输出端用以产生第二输出信号，所述第一输出信号以及所述第二输出信号形成所述第一输出差分信号对。
3.根据权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述多个第一差分放大器的每一还包含：
电容器，耦接在所述差动对的所述第二输入端以及所述参考电压端间。
4.根据权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含：
直流解耦合电容器，耦接在所述前级放大器以及所述差动对的所述第一输入端间。
5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述多个第二差分放大器的每一包含：
差动对，具有第一输入端接收所述输入信号，所述差动对的第二输入端接收所述第二参考信号；以及
电流源，耦接在所述差动对的共同端以及参考电压端间，在所述差动对的所述共同端以及所述参考电压端间提供参考电流，
其中，所述差动对具有第一输出端用以产生第一输出信号，所述差动对具有第二输出端用以产生第二输出信号，所述第一输出信号以及所述第二输出信号形成所述第二输出差分信号对。
6.根据权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述多个第二差分放大器的每一还包含：
电容器，耦接在所述差动对的所述第二输入端以及所述参考电压端间。
7.根据权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，还包含：
直流解耦合电容器，耦接在所述差动对接收所述输入信号的路径上。
8.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述前级放大器为共栅极放大器或提供输入阻抗匹配的同相放大器。
9.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述前级放大器包含：
负载，具有第一端接收电源电压；
晶体管，具有第一端耦接至所述负载的第二端，所述晶体管的控制端通过电容器耦接至参考电压端，所述晶体管的第二端接收所述输入信号；以及
电流源，耦接在所述晶体管的第二端与所述参考电压端间。
10.根据权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，所述负载包含相互并联的电容器以及电感器。
11.根据权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，所述电流源由电感器或线圈来建构。
12.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述负载电路包含：
第一电阻器，串联耦接在电源电压以及所述信号加法器的第一输出端间；
第二电阻器，串联耦接在电源电压以及所述信号加法器的第二输出端间；以及
电感电容谐振腔，耦接在所述信号加法器的所述第一输出端以及所述第二输出端间。
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Denomination of invention: low noise amplifier

Granted publication date: 20221028

Pledgee: Renlai Electronic Technology (Shanghai) Co.,Ltd.

Pledgor: Montage LZ Technologies (Chengdu) Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980016173