CN113422580B - 一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，包括主体放大电路、负反馈电路，所述主体放大电路包括第一 PMOS管、第一NMOS管、第四电阻、第五电阻、第四电容、第五电容，所述负反馈电路包括电流源、第二NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻，所述第一 PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极，所述第一PMOS管的栅极接第四电容的一端、第四电阻的一端。本发明电路能够在实现较好的线性度、噪声系数同时覆盖较宽的频带，可在满足系统性能指标的条件下极大地降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及低噪声放大器技术领域，具体为一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器。
背景技术
对4G LTE系统，更高数据率的增长需求推动工业界使用更大的工作带宽，尽管传统的窄带低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）可以在线性度、噪声系数方面提供非常好的性能。但是要想覆盖LTE系统非常宽的工作频段，就同时需要多个窄带接收机，这势必会大大增加芯片面积、功耗及片外元件数目，从而增加成本。
本发明电路能够在实现较好的线性度、噪声系数同时覆盖较宽的频带，可在满足系统性能指标的条件下极大地降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，覆盖频段宽 、无电感、结构简单，可方便地实现与天线间的阻抗匹配。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，包括主体放大电路、负反馈电路，所述主体放大电路包括第一 PMOS管、第一NMOS管、第四电阻、第五电阻、第四电容、第五电容，所述负反馈电路包括电流源、第二NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻，所述第一 PMOS管的漏极连接第一NMOS管的漏极，所述第一PMOS管的栅极接第四电容的一端、第四电阻的一端，所述第一NMOS管的栅极接第五电阻的一端、第五电容的一端，所述第四电容的另一端与第五电容的另一端、第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接第三电容的一端，所述第三电容的另一端接第三NMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的源极接第二NMOS管的源极、第一NMOS管的源极，所述第四NMOS管的源极接第一 PMOS管的源极、电流源的一端，所述电流源的另一端接第二NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的栅极接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端接第一电容的一端、第三NMOS管的栅极，所述第一电容的另一端接第二NMOS管的源极。
优选的，所述第一PMOS管的栅极通过第四电阻接直流偏置工作电压，所述第一NMOS管的栅极通过第五电阻接直流偏置工作电压。
优选的，所述第四电容、第五电容为隔直电容，所述第四电容的另一端与第五电容的另一端连接处接输入信号。
优选的，所述第一 PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极的连接点为输出信号点，所述输出信号点通过第二电容与第四NMOS管的栅极连接，在版图设计中，第一 PMOS管和第一NMOS管的栅极、源极的走线采用线电阻低的高层金属走线。
优选的，所述第四NMOS管的栅极通过第二电阻与第四NMOS管的源极连接，且都接电源电压。
优选的，所述第二NMOS管与第三NMOS管构成电流镜，并为第四NMOS管提供恒流负载，第四NMOS管为源跟随管。
优选的，所述第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管组成缓冲器来隔离输入信号和输出信号。
优选的，第一电阻和第一电容构成低通滤波。
优选的，所述电流源、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、、第一电阻、第一电容构成源跟随器，源跟随器的输出通过第三电容、第三电阻连接到输入信号。
优选的，所述适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器与天线的阻抗匹配通过第三电容、第三电阻的值调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明的电路结构中没有电感，相对经典的窄带源简并电感型低噪声放大器在保证良好的线性度、噪声系数情况下可极大的降低芯片面积。
2. 本发明采用电流复用技术 ，即第一 PMOS管Mp0、第一NMOS管Mn0共用偏置电流，使得gm/ID相比仅用NMOS管实现提高两倍，可以有效改善LNA的噪声性能。
3. 本发明的反馈电路采用源跟随器来隔离输入端与输出端，与天线的匹配主要通过反馈电阻来实现，并且还提高设计灵活度，可以分别设计输入信号VIN,输出信号VOUT的阻抗，减小两者的相互影响。
4. 本发明的连接于第二NMOS管MN1、第三NMOS管MN2栅极的第一电阻R1及栅极至AVSS的第一电容C1构成低通滤波，能够滤除偏置电路的噪声，提高电路的抗干扰能力。
5. 本发明的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器的输入阻抗主要由第三电阻RF和LNA增益决定，这两者的3dB带宽很宽，这样LNA在很宽的带宽内可以保持S11都低于-10dB，从而可以大大提高本发明的覆盖频段，适用于宽带匹配的接收机。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为传统的LC负载源兼并电感型低噪声放大器的电路原理图；
图2为本发明的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器的电路原理图；
图3为本发明的源跟随器的作用效果示意图。
图中：Mp0、第一 PMOS管；Mn0、第一NMOS管；Mn1、第二NMOS管；Mn2、第三NMOS管；Mn3、第四NMOS管；R1、第一电阻；R2、第二电阻；RF、第三电阻；RBP、第四电阻； RBN、第五电阻；C1、第一电容；C2、第二电容；CF、第三电容；CP0、第四电容；CN0、第五电容；IDC、电流源；
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为传统的LC负载源兼并电感型低噪声放大器的电路原理图，该电路利用电感Ls在栅极引入实部阻抗，提供输入阻抗的实部，M1管栅极电感Lg与栅极对地寄生电容Cgs谐振，使得输入阻抗虚部为零，从而实现阻抗匹配。因为LC的谐振只发生在有限的频带宽度内，故只能实现窄带放大作用，不大适用宽带接收系统。
寄生电容（parasitic capacitance），也称为杂散电容，是电路中电子元件之间或电路模块之间，由于相互靠近所形成的电容。
本发明提供一种技术方案：如图2-3所示，一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，包括主体放大电路、负反馈电路，主体放大电路包括第一 PMOS管Mp0、第一NMOS管Mn0、第四电阻RBP、第五电阻RBN、第四电容CP0、第五电容CN0，负反馈电路包括电流源IDC、第二NMOS管Mn1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容CF、第一电阻R1、第二电阻R2，第一 PMOS管Mp0的漏极连接第一NMOS管Mn0的漏极，第一PMOS管的栅极接第四电容CP0的一端、第四电阻RBP的一端，第一NMOS管Mn0的栅极接第五电阻RBN的一端、第五电容CN0的一端，第四电容CP0的另一端与第五电容CN0的另一端、第三电阻RF的一端，第三电阻RF的另一端接第三电容CF的一端，第三电容CF的另一端接第三NMOS管Mn2的漏极、第四NMOS管Mn3的漏极，第三NMOS管Mn2的源极接第二NMOS管Mn1的源极、第一NMOS管Mn0的源极，第四NMOS管Mn3的源极接第一 PMOS管Mp0的源极、电流源IDC的一端，电流源IDC的另一端接第二NMOS管Mn1的漏极，第二NMOS管Mn1的栅极接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端接第一电容C1的一端、第三NMOS管Mn2的栅极，第一电容C1的另一端接第二NMOS管Mn1的源极。第一PMOS管的栅极通过第四电阻RBP接直流偏置工作电压，第一NMOS管Mn0的栅极通过第五电阻RBN接直流偏置工作电压，这样设计能提高设计灵活度，分开偏置第一 PMOS和第一 NMOS，从而提高低噪声放大器LNA的线性度。
主体放大电路利用互补的第一 PMOS管和第一NMOS管构成共源级，有利于提高跨导效率，采用电流复用技术，即使第一 PMOS管和第一NMOS管共用偏置电流，可以使gm/ID（gm/ID的比值反映了电流（即功耗）转化成跨导的效率）相比仅用NMOS管实现提高两倍，还可以有效改善低噪声放大器LNA的噪声性能。反馈电路采用源跟随器来隔离输入端与输出端，与天线的匹配主要通过反馈电阻来实现。
第四电容CP0、第五电容CN0为隔直电容，第四电容CP0的另一端与第五电容CN0的另一端连接处接输入信号，能够阻止直流附近信号进入低噪声放大器LNA。
第一 PMOS管Mp0的漏极与第一NMOS管Mn0的漏极的连接点为输出信号点，输出信号点通过第二电容C2与第四NMOS管Mn3的栅极连接。
在版图设计中，第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0栅极尽量采用线电阻低的高层金属走线，以降低MOS管栅极电阻噪声被直接放大到接收机的输出端。
在版图设计中，第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0源极连接到地、电源的走线也应采用线电阻低的高层金属走线，以避免第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0的gm退化致使低噪声放大器的增益降低。
第四NMOS管Mn3的栅极通过第二电阻R2与第四NMOS管Mn3的源极连接，且都接电源电压，使其工作于饱和区。
第二NMOS管Mn1与第三NMOS管Mn2构成电流镜，为第四NMOS管MN3提供恒定的偏置电流和恒流负载，第四NMOS管Mn3为源跟随管。
第二NMOS管Mn1、第三NMOS管Mn2、第四NMOS管Mn3组成缓冲器Buffer来隔离输入信号和输出信号，这样能提高设计灵活度，可以分别设计输入信号VIN,输出信号VOUT的阻抗，减小两者的相互影响。
第一电阻R1和第一电容C1构成低通滤波，滤除干扰。
电流源IDC、第二NMOS管Mn1、第三NMOS管Mn2、第四NMOS管Mn3、第一电阻R1、第一电容C1构成源跟随器，源跟随器的输出通过第三电容CF、第三电阻RF连接到输入信号VIN。
本发明电路采用源跟随器和第三电容CF、第三电阻RF构成负反馈回路，降低了电路的输入、输出阻抗，可通过调节第三电容CF、第三电阻RF值来实现适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器与天线间的阻抗匹配。
下述表达式中符号含义：
指MOS管XX的跨导；
指MOS管XX的N阶跨导； 
、
分别指第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0漏-源极间的电导；
、
分别指第一NMOS管MN0和第一 PMOS管MP0漏极、栅极对地的总寄生电容；
指第三NMOS
管MN2漏极对地的寄生电容；
指源跟随器Buffer增益。
指第一NMOS管MN0、第一
PMOS管MP0的电流热噪声；
指低噪声放大器LNA的等效跨导。
本发明单端无电感低噪声放大器的开环增益Av为：
其中，
指第一NMOS管MN0的跨导；
指第一 PMOS管MP0的跨导；
、
分别指第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0漏-源极间的电导；
指
第一NMOS管MN0和第一PMOS管MP0的栅极对地的总寄生电容，
为参数；在高频时，第一
NMOS管MN0和第一 PMOS管MP0漏极对地的总寄生电容会影响开环的增益，故电路设计时应
尽量降低输出信号VOUT对地的寄生电容。
单端无电感低噪声放大器的环路增益
：
其中，
指第三电阻的电阻值，
指第三电容的电容值，
指第一 PMOS管MP0漏极、栅极对地的总寄生电容。
单端无电感低噪声放大器的输入阻抗
：
单端无电感低噪声放大器的输出阻抗
：
单端无电感低噪声放大器的噪声系数
：
其中， 
为系数，
指第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0的电流热噪声；
指低噪声放大器LNA的等效跨导。
如图3所示，由于交流输入信号对于第一NMOS管MN0、第一 PMOS管MP0是反相的，故：
其中，
指第一NMOS管MN0的小信号电流，
指第一PMOS管MP0的小信号电
流，
指端口VOUT的小信号电流，
指第一NMOS管MN0和第一PMOS管MP0的栅源之间小信
号电压，
指第一NMOS管MN0的1阶跨导，
指第一 PMOS管MP0的1阶跨导， 
指第一NMOS管MN0的2阶跨导，
指第一 PMOS管MP0的2阶跨导，
指第一NMOS管MN0的3阶跨导，
指第一 PMOS管MP0的3阶跨导，
若第一NMOS管MN0和第一 PMOS管MP0的跨导近似相等，则单端无电感低噪声放大器的总跨导相比仅使用等尺寸的NMOS管约增大一倍 ，在同样电流下总跨导增加，可以能改善噪声性能。
由于
,
具有相同的符号，通过合理调整第一NMOS管MN0、第一
PMOS管MP0的尺寸以及相应的偏置电压VBN、VBP，可消除电路的二次非线性，使得线性度更
好，能提高LNA电路的性能。此外，
,
具有不同的符号，三阶非线性也会得到
减小。
本发明结构的低噪声放大电器为单端输入单端输出结构，可提供端至天线的50Ω阻抗匹配；没有使用电感，可大大降低芯片面积；使用电流复用技术，可改善噪声性能，并消除二阶非线性；工作频带宽，可用于LTE（Long Term Evolution，简称LTE）等宽带接收系统；可在CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS）工艺实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，包括主体放大电路,其特征在于：还包括负反馈电路，所述主体放大电路包括第一 PMOS管（Mp0）、第一NMOS管（Mn0）、第四电阻（RBP）、第五电阻（RBN）、第四电容（CP0）、第五电容（CN0），所述负反馈电路包括电流源（IDC）、第二NMOS管（Mn1）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（CF）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2），所述第一 PMOS管（Mp0）的漏极连接第一NMOS管（Mn0）的漏极，所述第一PMOS管的栅极接第四电容（CP0）的一端、第四电阻（RBP）的一端，所述第一NMOS管（Mn0）的栅极接第五电阻（RBN）的一端、第五电容（CN0）的一端，所述第四电容（CP0）的另一端与第五电容（CN0）的另一端、第三电阻（RF）的一端，所述第三电阻（RF）的另一端接第三电容（CF）的一端，所述第三电容（CF）的另一端接第三NMOS管（Mn2）的漏极、第四NMOS管（Mn3）的漏极，所述第三NMOS管（Mn2）的源极接第二NMOS管（Mn1）的源极、第一NMOS管（Mn0）的源极，所述第四NMOS管（Mn3）的源极接第一 PMOS管（Mp0）的源极、电流源（IDC）的一端，所述电流源（IDC）的另一端接第二NMOS管（Mn1）的漏极，所述第二NMOS管（Mn1）的栅极接第一电阻（R1）的一端，所述第一电阻（R1）的另一端接第一电容（C1）的一端、第三NMOS管（Mn2）的栅极，所述第一电容（C1）的另一端接第二NMOS管（Mn1）的源极。
2.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第一PMOS管的栅极通过第四电阻（RBP）接直流偏置工作电压，所述第一NMOS管（Mn0）的栅极通过第五电阻（RBN）接直流偏置工作电压。
3.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第四电容（CP0）、第五电容（CN0）为隔直电容，所述第四电容（CP0）的另一端与第五电容（CN0）的另一端连接处接输入信号。
4.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第一 PMOS管（Mp0）的漏极与第一NMOS管（Mn0）的漏极的连接点为输出信号点，所述输出信号点通过第二电容（C2）与第四NMOS管（Mn3）的栅极连接，在版图设计中，第一 PMOS管（Mp0）和第一NMOS管（Mn0）的栅极、源极的走线采用线电阻低的高层金属走线。
5.根据权利要求4所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第四NMOS管（Mn3）的栅极通过第二电阻（R2）与第四NMOS管（Mn3）的源极连接，且都接电源电压。
6.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第二NMOS管（Mn1）与第三NMOS管（Mn2）构成电流镜，并为第四NMOS管（Mn3）提供恒流负载，第四NMOS管（Mn3）为源跟随管。
7.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述第二NMOS管（Mn1）、第三NMOS管（Mn2）、第四NMOS管（Mn3）组成缓冲器来隔离输入信号和输出信号。
8.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：第一电阻（R1）和第一电容（C1）构成低通滤波。
9.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述电流源（IDC）、第二NMOS管（Mn1）、第三NMOS管（Mn2）、第四NMOS管（Mn3）、第一电阻（R1）、第一电容（C1）构成源跟随器，源跟随器的输出通过第三电容（CF）、第三电阻（RF）连接到输入信号。
10.根据权利要求1所述的适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器，其特征在于：所述适用于宽带接收机的单端无电感低噪声放大器与天线的阻抗匹配通过第三电容（CF）、第三电阻（RF）的值调整。
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