CN114553158A - 一种低噪声放大器及接收机下变频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨导放大器及接收机下变频系统，包括信号输入端用于接收外部频射电压信号；跨导管模块，连接信号输入端，以接收外部输入信号；跨导管模块包括主跨导管M1、辅跨导管M2、共栅折叠管M3与PMOS跨导管M4，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4一端连接所述信号输入端，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4另一端连接所述共栅折叠管M3；且主跨导管M1、辅跨导管M2采用不同的偏置电压；信号输出端用于输出噪声抵消后的射频电流输出信号。一种接收机下变频系统包括跨导放大器、混频器、锁相环、正交二分频器、跨阻放大器。本发明简化电路复杂度，解决现有技术在噪声、线性和功耗方面难以平衡的问题。

Description

一种低噪声放大器及接收机下变频系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种低噪声放大器及接收机下变频系统。
背景技术
随着导航技术的发展和用户多样性需求的提升，导航和通信终端产品的功能要求日益强大。为了更好地满足导航和通信终端对信号接收的需求，接收机需要实现更大的带宽以满足多系统导航和通信标准。
通信接收机的宽频带接收技术已经取得了很大进展，现有技术通过共源输入结构实现宽带匹配，通过交叉耦合电容CC和电感负载LP来提高射频增益和减小噪声系数，如图1所示。这种结构存在三个主要的问题：芯片差分输入的结构需要外围提供巴伦将单端信号转成差分，提高了产品应用成本；共栅输入结构的LNA噪声相对较大，即使在较为先进的40nm工艺下实现，噪声系数也达到了3-7dB；负载电感的面积大，导致接收机面积大，降低了集成度，增加了芯片成本。
现有技术也有对共栅放大器进行改进的设计，如图2所示，除了典型的共栅输入级外，增加一个共源的输入支路。共栅支路和共源支路输出同相位的噪声相互抵消一部分噪声，从而降低了噪声系数。然而，这种方式一方面无法对共源放大器的噪声进行抵消，另一方面器件寄生等因素也影响实际的噪声抵消效果。
这两种现有方案的LNA都有两个支路，需要两个支路的偏置电流，相应地下一级混频器也需要采用双平衡结构。双平衡混频器的开关数量是单平衡混频器的两倍。在接收下变频系统中，无源混频器没有直流偏置，电流消耗主要来自工作在高频率和满摆幅的缓冲器。相比单平衡混频器，翻倍的混频开关会导致缓冲器功耗的急剧增加。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低噪声跨导放大器及接收机下变频系统，简化电路复杂度，解决现有技术在噪声、线性和功耗方面难以平衡的问题。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种跨导放大器，包括：
信号输入端，所述信号输入端用于接收外部频射电压信号；
跨导管模块，连接所述信号输入端，以接收外部输入信号；所述跨导管模块包括主跨导管M1、辅跨导管M2、共栅折叠管M3与PMOS跨导管M4，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4一端连接所述信号输入端，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4另一端连接所述共栅折叠管 M3；且所述主跨导管M1、辅跨导管M2采用不同的偏置电压；
信号输出端，连接所述跨导管模块；所述信号输出端用于输出噪声抵消后的射频电流输出信号。
进一步地，还包括反馈电阻Rfb与隔直电容C1、隔直电容C2，所述反馈电阻Rfb两端分别连接所述PMOS跨导管M4的栅极与漏极，所述隔直电容C1设置于所述信号输入端与辅跨导管M2之间，所述隔直电容C2设置于所述信号输入端与PMOS跨导管M4之间。
进一步地，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4的栅极均连接所述信号输入端，所述PMOS跨导管M4的漏极连接所述共栅折叠管M3的漏极及信号输出端；所述主跨导管M1、辅跨导管M2的漏极连接所述共栅折叠管M3的源极。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种接收机下变频系统，包括如上所述一种跨导放大器，还包括：
混频器，连接所述跨导放大器，接收由低噪声跨导放大器输出的射频电流输出信号，并将所述射频电流输出信号变频为中频电流信号；
锁相环，输出两倍本振频率的信号；
正交二分频器，分别连接所述锁相环与混频器，接收所述锁相环输出的二倍本振信号，并产生IQ正交本振信号至混频器；
跨阻放大器，连接所述混频器，接收所述中频电流信号，并将所述中频电流信号转化为中频电压信号。
进一步地，所述混频器包括I路混频器和Q路混频器，且每个所述混频器均包括本振缓冲器BUF、NMOS管MS1、NMOS管MS2与隔直电容Cm，所述本振缓冲器BUF接收并放大正交二分频器输出的本振信号，驱动NMOS管MS1、 NMOS管MS2切换至开启或关闭状态。
进一步地，所述跨阻放大器包括I路跨阻放大器与Q路跨阻放大器，每个所述跨阻放大器均设置有运算放大器、可变电容CB和可变电阻RB，通过可变电容CB和可变电阻RB调整中频电压信号的滤波带宽。
进一步地，每个所述运算放大器均设置有两个可变电容CB和可变电阻RB，且每个可变电容CB和可变电阻RB均并联于所述运算放大器两端。
进一步地，还包括隔直电容CIN与匹配电感Lg，所述隔直电容CIN的输入端连接输入信号，所述隔直电容CIN的输出端连接匹配电感Lg，所述匹配电感Lg 连接所述低噪声跨导放大器的输入端。
进一步地，所述正交二分频器产生的本振信号包括I路正端本振信号、I路负端本振信号、Q路正端本振信号与Q路负端本振信号。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种低噪声放大器，在跨导管模块采用NMOS输入和PMOS 输入的电流复用技术，复用偏置电流，在相同输入跨导的情况下，减少电流，降低功耗；同时采用不同偏置电压下的主跨导管M1、辅跨导管M2，形成三阶非线性相互抵消，提高低噪声跨导放大器的线性；在信号输入端引入反馈电阻 Rfb和隔直电容C2，消除了PMOS跨导专门的直流电压偏置电路，并在信号输出端形成噪声抵消，减小了噪声系数；本跨导放大器不需要电感，在取得较好的噪声和线性性能的情况下，减少了芯片面积，降低了成本；
本发明还提供了一种接收机下变频系统，包括跨导放大器和混频器，以及跨阻放大器、锁相环和正交二分频器，由低噪声跨阻放大器先将输入射频电压信号先转成输出射频电流，混频器将射频电流信号下变频到中频电流，再经跨阻放大器重新生成中频的电压输出信号，从而在较低的频率上对带外干扰进行滤波抑制。在取得较好的噪声和线性性能的情况下，减少了芯片面积，降低了成本。同时采用单端输入单端输出的跨导放大器和单端输入差分输出的混频器，降低了射频信号和高频本振的复杂度，减少系统功耗。
附图说明
图1为背景技术电路示意图；
图2为背景技术另一电路示意图；
图3为本发明所提供的低噪声放大器和接收机下变频系统的电路示意图；
图4为本发明所提供的混频器的电路示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如图3所示，本发明提供了一种低噪声跨导放大器(LNTA)，具有低功耗、高线性、低噪声的特点。
所述低噪声跨导放大器包括信号输入端，所述信号输入端用于接收外部射频电压信号；跨导管模块，连接所述信号输入端，以接收外部输入信号；所述跨导管模块包括主跨导管M1、辅跨导管M2、共栅折叠管M3与PMOS跨导管 M4，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4一端连接所述信号输入端，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4另一端连接所述共栅折叠管M3；且所述主跨导管M1、辅跨导管M2采用不同的偏置电压；信号输出端，连接所述跨导管模块；所述信号输出端用于输出噪声抵消后的射频电流输出信号。
所述跨导管模块包括NMOS主跨导管M1、NMOS辅跨导管M2、PMOS跨导管M4、共栅折叠管M3，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4的栅极均连接所述信号输入端，所述PMOS跨导管M4的漏极连接所述共栅折叠管M3的漏极及信号输出端；所述主跨导管M1、辅跨导管M2的漏极连接所述共栅折叠管M3的源极。
其中NMOS主跨导管M1的栅极偏置电压为VB1，NMOS辅跨导管的M2栅极偏置电压为VB2，共栅折叠管M3的栅极偏置电压为VB3。将NMOS跨导管拆分为不同偏置电压下的主跨导管M1和辅跨导管M2，设置偏置电压VB1让主跨导管M1工作在MOS管的饱和区，设置偏置电压VB2让辅跨导管M2工作在MOS 管的亚阈值区。由于MOS管工作在饱和区的三阶非线性参数与工作在亚阈值区的三阶非线性参数方向相反，NMOS跨导管M1和M2的大小比例形成三阶非线性相互抵消，从而改善低噪声跨导放大器LNTA的线性性能。同时，PMOS跨导管M4的偏置电流与主跨导管M1和辅跨导管M2的偏置电流复用，在相同跨导值下，可以减少偏置电流，降低功耗。
更多的，所述低噪声跨导放大器还包括反馈电阻Rfb与隔直电容C1、隔直电容C2，所述反馈电阻Rfb两端分别连接所述PMOS跨导管M4的栅极与漏极，所述隔直电容C1设置于所述信号输入端与辅跨导管M2之间，所述隔直电容C2设置于所述信号输入端与PMOS跨导管M4之间。PMOS跨导管M4获得了栅极的直流偏置电压，消除了PMOS跨导管M4专门的直流电压偏置电路。同时，主跨导管M1、辅跨导管M2、PMOS跨导管M4的漏极噪声电流在低噪声跨导放大器输出端形成噪声电压，并通过反馈电阻Rfb和电容C2反馈到主跨导管M1、辅跨导管M2、PMOS跨导管M4的栅极，再经主跨导管M1、辅跨导管M2、PMOS 跨导管M4放大后在信号输出端与原跨导管热噪声电流的相位相反，一定程度上形成了噪声抵消，从而减小了本跨导放大器的噪声系数。
本发明提供的低噪声跨导放大器，在所述跨导管模块采用NMOS输入和 PMOS输入的电流复用技术，复用偏置电流，在相同输入跨导的情况下，减少电流，降低功耗；同时采用不同偏置电压下的主跨导管M1、辅跨导管M2，形成三阶非线性相互抵消，提高低噪声跨导放大器的线性；在信号输入端引入反馈电阻Rfb和隔直电容C2，消除了PMOS跨导专门的直流电压偏置电路，并在信号输出端形成噪声抵消，减小了噪声系数；本跨导放大器不需要电感，在取得较好的噪声和线性性能的情况下，减少了芯片面积，降低了成本。
实施例二
来自天线的有用信号非常微弱，但却可能周围环境中同时存在一个强干扰信号影响着信号的接收。虽然在射频输入端一般会使用射频滤波器滤除一部分干扰，但芯片接收到的干扰强度仍然可能远大于有用信号。接收机一方面要放大有用信号便于后级处理，另一方面要抑制干扰并减小干扰引起的非线性失真。
在下变频之前，往往由于信号和干扰的频率过高难以进行有效的干扰抑制，而且干扰抑制的成本很高。但如果在下变频直接使用低噪声电压放大器，那么可能进一步放大干扰功率而导致低噪声放大器和混频器电路产生严重的非线性失真。
因此，如图3所示，本发明还提供了一种接收机下变频系统，包括如实施例一所述的跨导放大器(LNTA)与混频器(MIX)，连接所述低噪声跨导放大器，接收由低噪声跨导放大器输出的射频电流输出信号，并将所述射频电流输出信号变频为中频电流信号；锁相环(PLL)，输出两倍本振频率的信号；正交二分频器(DIV)，分别连接所述锁相环与混频器，接收所述锁相环输出的二倍本振信号，并产生IQ正交本振信号至混频器；跨阻放大器(TIA)，连接所述混频器，接收所述中频电流信号，并将所述中频电流信号转化为中频电压信号输出，从而便于在较低的频率上对带外干扰进行滤波抑制。
具体的，所述混频器包括I路混频器MIX_I和Q路混频器MIX_Q，且每个所述混频器如图4所示，均包括本振缓冲器BUF、NMOS管MS1、NMOS管 MS2与隔直电容Cm、，所述本振缓冲器BUF接收并放大正交二分频器输出的本振信号，驱动NMOS管MS1、NMOS管MS2切换至开启或关闭状态。
正交二分频器(DIV)完成来自锁相环(PLL)信号的二分频，并产生IQ 正交本振信号至混频器，其中正交二分频器产生的本振信号包括I路正端本振信号LO_IP、I路负端本振信号LO_IN、Q路正端本振信号LO_QP与Q路负端本振信号LO_QN。I路差分本振信号LO_IP和LO_IN送I路混频器MIX_I，Q路差分本振信号LO_QP和LO_QN送给Q路混频器MIX_Q。
所述跨阻放大器(TIA)包括I路跨阻放大器与Q路跨阻放大器，每个所述跨阻放大器均设置有运算放大器、可变电容CB和可变电阻RB，通过可变电容 CB和可变电阻RB调整所述中频信号的滤波带宽。改变电阻RB的数值调节增益，搭配修改电阻RB和电容CB实现中频电压信号的滤波带宽调节。
进一步地，所述接收机下变频系统还包括隔直电容CIN与匹配电感Lg，所述隔直电容CIN的输入端连接输入信号，所述隔直电容CIN的输出端连接匹配电感Lg，所述匹配电感Lg连接所述低噪声跨导放大器的输入端。来自天线的无线导航或通信信号，进入芯片之前，先经过隔直电容CIN去除直流分量，再经匹配电感Lg实现输入阻抗匹配。
本发明提供一种接收下变频系统，包括跨导放大器LNTA和混频器MIX，以及跨阻放大器TIA、锁相环PLL和正交二分频器DIV，由低噪声跨阻放大器 LNTA先将输入射频电压信号先转成输出射频电流iRF，混频器MIX将射频电流信号下变频到中频电流iIF，再经跨阻放大器TIA重新生成中频的电压输出信号，从而在较低的频率上对带外干扰进行滤波抑制。本系统无需电感，在取得较好的噪声和线性性能的情况下，减少了芯片面积，降低了成本。同时采用单端输入单端输出的跨导放大器LNTA和单端输入差分输出的混频器MIX，降低了射频信号和高频本振的复杂度，减少系统功耗。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种跨导放大器，其特征在于，包括：
信号输入端，所述信号输入端用于接收外部频射电压信号；
跨导管模块，连接所述信号输入端，以接收外部输入信号；所述跨导管模块包括主跨导管M1、辅跨导管M2、共栅折叠管M3与PMOS跨导管M4，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4一端连接所述信号输入端，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4另一端连接所述共栅折叠管M3；且所述主跨导管M1、辅跨导管M2采用不同的偏置电压；
信号输出端，连接所述跨导管模块；所述信号输出端用于输出噪声抵消后的射频电流输出信号。
2.如权利要求1所述的一种跨导放大器，其特征在于，还包括反馈电阻Rfb与隔直电容C1、隔直电容C2，所述反馈电阻Rfb两端分别连接所述PMOS跨导管M4的栅极与漏极，所述隔直电容C1设置于所述信号输入端与辅跨导管M2之间，所述隔直电容C2设置于所述信号输入端与PMOS跨导管M4之间。
3.如权利要求1所述的一种跨导放大器，其特征在于，所述主跨导管M1、辅跨导管M2与PMOS跨导管M4的栅极均连接所述信号输入端，所述PMOS跨导管M4的漏极连接所述共栅折叠管M3的漏极及信号输出端；所述主跨导管M1、辅跨导管M2的漏极连接所述共栅折叠管M3的源极。
4.一种接收机下变频系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一所述一种跨导放大器，还包括：
混频器，连接所述跨导放大器，接收由低噪声跨导放大器输出的射频电流输出信号，并将所述射频电流输出信号变频为中频电流信号；
锁相环，输出两倍本振频率的信号；
正交二分频器，分别连接所述锁相环与混频器，接收所述锁相环输出的二倍本振信号，并产生IQ正交本振信号至混频器；
跨阻放大器，连接所述混频器，接收所述中频电流信号，并将所述中频电流信号转化为中频电压信号。
5.如权利要求4所述的一种接收机下变频系统，其特征在于，所述混频器包括I路混频器和Q路混频器，且每个所述混频器均包括本振缓冲器BUF、NMOS管MS1、NMOS管MS2与隔直电容Cm，所述本振缓冲器BUF接收并放大正交二分频器输出的本振信号，驱动NMOS管MS1、NMOS管MS2切换至开启或关闭状态。
6.如权利要求4所述的一种接收机下变频系统，其特征在于，所述跨阻放大器包括I路跨阻放大器与Q路跨阻放大器，每个所述跨阻放大器均设置有运算放大器、可变电容CB和可变电阻RB，通过可变电容CB和可变电阻RB调整中频电压信号的滤波带宽。
7.如权利要求6所述的一种接收机下变频系统，其特征在于，每个所述运算放大器均设置有两个可变电容CB和可变电阻RB，且每个可变电容CB和可变电阻RB均并联于所述运算放大器两端。
8.如权利要求7所述的一种接收机下变频系统，其特征在于，还包括隔直电容CIN与匹配电感Lg，所述隔直电容CIN的输入端连接输入信号，所述隔直电容CIN的输出端连接匹配电感Lg，所述匹配电感Lg连接所述低噪声跨导放大器的输入端。
9.如权利要求4所述的一种接收机下变频系统，其特征在于，所述正交二分频器产生的本振信号包括I路正端本振信号、I路负端本振信号、Q路正端本振信号与Q路负端本振信号。
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