CN114978050A - 一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器 - Google Patents

一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，包括第一电阻、第二电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、耦合电容、第一可调有源电感以及第二可调有源电感，其中，第一电阻连接在电源端与第三NMOS管的漏极之间，第二电阻连接在电源端VDD与第四NMOS管的漏极之间，第三NMOS管的漏极作为第一差分电压输出端，第四NMOS管的漏极作为第二差分电压输出端；第一可调有源电感连接在第一NMOS管的源极与接地端之间，第二可调有源电感连接在第二NMOS管的源极与接地端之间，第一可调有源电感和第二可调有源电感能够根据输入电压的频率调节电感值。本发明通过可调有源电感的使用减少了芯片内部电感，极大的减小了面积，降低了成本。

Description

一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器是通常接收系统的第一级，需要提供足够的增益来减小后级模块等效到接收机输入端的噪声贡献，此外，其自身也必须具有很低的噪声系数，因为其所具有的噪声系数将1:1的体现到接收机整体噪声系数。随着无线通信技术的快速发展，万物联网的愿景逐步成为现实，这就要求更多的无线设备接入互联网，低功耗和高性能的需求越发明显。随着工艺的发展，单个晶体管所消耗的能耗日益减少，截止频率越来越高，高密度集成的CMOS收发芯片设计日渐成熟。
在传统低噪声放大器的设计当中，片上电感广泛的被设计师所使用。片上电感经常被用作阻抗匹配和源极的负反馈。CMOS集成度提高反而使得片上电感的设计越来越困难。这是由于片上电感需要较宽的高层金属，较多的金属匝数，这在小工艺下面临着很大的挑战。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、耦合电容Cc、第一可调有源电感LAI1以及第二可调有源电感LAI2，其中，
所述第一电阻R1连接在电源端VDD与所述第三NMOS管M3的漏极之间，所述第二电阻R2连接在电源端VDD与所述第四NMOS管M4的漏极之间，所述第三NMOS管M3的漏极作为第一差分电压输出端，所述第四NMOS管M4的漏极作为第二差分电压输出端；
所述第三NMOS管M3的栅极连接所述第四NMOS管M4的栅极并连接第一偏置电压输入端，所述第三NMOS管M3的源极连接所述第一NMOS管M1的漏极，所述第四NMOS管M4的源极连接所述第二NMOS管M2的漏极；
所述耦合电容Cc连接在所述第三NMOS管M3的源极与所述第二NMOS管M2的栅极之间，所述第一可调有源电感LAI1连接在所述第一NMOS管M1的源极与接地端之间，所述第二可调有源电感LAI2连接在所述第二NMOS管M2的源极与接地端之间，所述第一NMOS管M1的栅极连接电压输入端和第二偏置电压输入端，所述第二NMOS管M2的栅极连接第三偏置电压输入端；
所述第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2能够根据输入电压的频率调节电感值。
在本发明的一个实施例中，所述基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器还包括第三电阻R3和第四电阻R4，其中，所述第三电阻R3连接在所述第二偏置电压输入端与所述第一NMOS管M1的栅极之间，所述第四电阻R4连接在所述第三偏置电压输入端与所述第二NMOS管M2的栅极之间。
在本发明的一个实施例中，所述第一可调有源电感LAI1包括第五电阻R5、第一电容C1以及第一可调并联晶体管单元，其中，
所述第五电阻R5和所述第一电容C1串联在所述第一NMOS管M1的源极与接地端之间；
所述第一可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M5，所述2n个NMOS管M5的栅极均连接在所述第五电阻R5与所述第一电容C1之间，所述2n个NMOS管M5的源极均连接接地端，所述2n个NMOS管M5的漏极均连接所述第一NMOS管M1的源极，n为大于等于1的整数。
在本发明的一个实施例中，每个NMOS管M5的漏极均连接有一个第一开关KC1，每个NMOS管M5的源极均连接有一个第二开关KC2，所述第一开关KC1和所述第二开关KC2用于控制当前NMOS管M5的通断。
在本发明的一个实施例中，所述第二可调有源电感LAI2包括第六电阻R6、第二电容C2以及第二可调并联晶体管结构，其中，
所述第六电阻R6和所述第二电容C2串联在所述第二NMOS管M2的源极与接地端之间；
所述第二可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M6，所述2n个NMOS管M6的栅极均连接在所述第六电阻R6与所述第二电容C2之间，所述2n个NMOS管M6的源极均连接接地端，所述2n个NMOS管M6的漏极均连接所述第二NMOS管M2的源极，n为大于等于1的整数。
在本发明的一个实施例中，每个NMOS管M6的漏极均连接有一个第三开关KC3，每个NMOS管M6的源极均连接有一个第四开关KC4，所述第三开关KC3和所述第四开关KC4用于控制当前NMOS管M6的通断。
在本发明的一个实施例中，所述基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器还包括控制模块，所述控制模块中设置有查找表，所述查找表预先设置了输出信号频率与所述第一开关KC1、所述第二开关KC2、所述第三开关KC3以及所述第四开关KC4的通断关系，所述控制模块用于根据所述输入信号和所述查找表，控制所述第一开关KC1、所述第二开关KC2、所述第三开关KC3以及所述第四开关KC4的通断，进而控制所述第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2的电感值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用晶体管在特定结构下的电感特性，代替传统电感使用。片上有源电感只需要晶体管按照本发明所述的特殊连接方式就可以实现，无需制造中适用厚度很大的顶层金属(通常会占据很大的芯片面积，一般的片上电感会占据低噪声放大器芯片面积的一半甚至更多)，较大幅度的节省了芯片面积。于此同时，本发明的可调有源电感结构简单，可以很方便地实现片上可调电感的功能，可以灵活调节输入阻抗匹配，降低了电感设计难度。同时该可调有源电感结构可以作为第二级负载电感使用，通过数字控制电路对低噪声放大器(LNA)进行可配置调节，可调有源电感的使用增加了电路的可配置性和灵活性，使得电路适应更多的频率范围和匹配要求。
2、普通的巴伦LNA由于寄生电容的存在，使得第一级和第二级存在相位差，而本发明提出的低噪声放大器可以通过调节第二级的有源电感负载，补偿由寄生电容产生的相位误差，达到可配置效果。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种有源电感的工作原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种第一可调有源电感的电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种第二可调有源电感的电路结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器的电路结构示意图。该单端输入差分输出低噪声放大器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、耦合电容Cc、第一可调有源电感LAI1以及第二可调有源电感LAI2，其中，第一电阻R1连接在电源端VDD与第三NMOS管M3的漏极之间，第二电阻R2连接在电源端VDD与第四NMOS管M4的漏极之间，第三NMOS管M3的漏极作为第一差分电压输出端VOUT+，第四NMOS管M4的漏极作为第二差分电压输出端VOUT-；第三NMOS管M3的栅极连接第四NMOS管M4的栅极并连接第一偏置电压输入端，第一偏置电压输入端用于输入偏置电压VBias，第三NMOS管M3的源极连接第一NMOS管M1的漏极，第四NMOS管M4的源极连接第二NMOS管M2的漏极；耦合电容Cc连接在第三NMOS管M3的源极与第二NMOS管M2的栅极之间，第一可调有源电感LAI1连接在第一NMOS管M1的源极与接地端之间，第二可调有源电感LAI2连接在第二NMOS管M2的源极与接地端之间，第一NMOS管M1的栅极连接电压输入端和第二偏置电压输入端，第二偏置电压输入端用于输入偏置电压VB1，第二NMOS管M2的栅极连接第三偏置电压输入端，第三偏置电压输入端用于输入偏置电压VB2；第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2能够根据输入电压的频率调节电感值。
本实施例的低噪声放大器采用两级放大的结构，第一电阻R1、第三NMOS管M3、第一NMOS管M1和第一可调有源电感LAI1构成第一级放大器结构，第二电阻R2、第四NMOS管M4、第二NMOS管M2、第二可调有源电感LAI2为第二级放大器结构。具体地，第一电阻R1和第二电阻R2为输出负载电阻，分别为第一级放大电路和第二级放大电路提供负载电阻，将放大后的电流信号变为电压信号输出。第三NMOS管M3和第四NMOS管M4为两个共栅极接法的cascode级晶体管，这种接法在本实施例的电路中可以有效改善输入输出的隔离度，同时这两个NMOS管的偏置电压VBias固定，故而这两个NMOS管可以有效隔离电路其他部分耦合到输出的噪声。
第一NMOS管M1和第二NMOS管M2是两个共源极接法的放大晶体管，其作用是给输入信号提供放大功能。进一步地，该低噪声放大器还包括第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3连接在所述第二偏置电压输入端与所述第一NMOS管M1的栅极之间，所述第四电阻R4连接在所述第三偏置电压输入端与所述第二NMOS管M2的栅极之间。第三电阻R3和第四电阻R4均为大电阻，阻值在10kΩ以上。第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的偏置电压VB1和VB2分别通过第三电阻R3和第四电阻R4输入至对应的栅极，第三电阻R3和第四电阻R4起到隔离交流信号的作用。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种有源电感的工作原理示意图。在该有源电感的电路结构下，晶体管具有电感的特点。具体地，X点处的电压可以表示为Vx，输入点的电流为i1和ix之和，由环路电压和节点电流的关系可以推导出以下公式：
Figure BDA0003701266340000071
Figure BDA0003701266340000072
Figure BDA0003701266340000073
Figure BDA0003701266340000074
其中，Vin表示输入点的输入电压，gm1表示晶体管M0的跨导，Cgs1表示晶体管M0栅极源极的寄生电容，在计算电容的阻抗时，ω表示信号的角频率，f表示信号频率，s表示傅里叶变换算子，s＝jω，j表示虚数单位，Requ表示该有源电感结构的等效电阻，Lequ表示该有源电感结构的等效电感。公式(1)表示X点的电压，公式(2)表示流入晶体管M0漏极的电流I1，公式(3)表示该双端口有源电感结构的阻抗，从公式(3)可以看出，该有源电感的阻抗包括实部和虚部两部分，公式(4)将这两部分阻抗分别表示，实部用Requ表示，呈现电阻特性，虚部可以用Lequ表示，呈现明显的电感特性。可以清楚地看到，改变图2中晶体管M0的宽长比或者并联个数可以改变晶体管跨导gm1的值，从而达到改变等效电感Lequ的效果，达到适用不同匹配频率的低噪声放大器。
进一步地，本实施例的第一可调有源电感LAI1包括第五电阻R5、第一电容C1以及第一可调并联晶体管单元，其中，第五电阻R5和第一电容C1串联在第一NMOS管M1的源极与接地端之间；第一可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M5，2n个NMOS管M5的栅极均连接在第五电阻R5与第一电容C1之间，2n个NMOS管M5的源极均连接接地端，2n个NMOS管M5的漏极均连接第一NMOS管M1的源极，n为大于等于1的整数。每个NMOS管M5的漏极均连接有一个第一开关KC1，每个NMOS管M5的源极均连接有一个第二开关KC2，第一开关KC1和第二开关KC2用于控制当前NMOS管M5的通断。
本实施例的第二可调有源电感LAI2包括第六电阻R6、第二电容C2以及第二可调并联晶体管结构，其中，第六电阻R6和第二电容C2串联在第二NMOS管M2的源极与接地端之间；第二可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M6，2n个NMOS管M6的栅极均连接在第六电阻R6与第二电容C2之间，2n个NMOS管M6的源极均连接接地端，2n个NMOS管M6的漏极均连接第二NMOS管M2的源极，n为大于等于1的整数。每个NMOS管M6的漏极均连接有一个第三开关KC3，每个NMOS管M6的源极均连接有一个第四开关KC4，所述第三开关KC3和所述第四开关KC4用于控制当前NMOS管M6的通断。
具体地，第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2均为内部晶体管个数可调的有源电感，为图2提出的有源电感结构的扩充，通过开关KC1和KC2控制第一可调并联晶体管单元中的晶体管M5，通过开关KC3和KC4控制第一可调并联晶体管单元中的晶体管M6。第一可调并联晶体管单元和第二可调并联晶体管单元均由二进制(2，4，8…)并联的晶体管构成。可以通过开关KC1和KC2控制导通晶体管M5的个数，来达到控制M5的跨导gm5的作用，从而达到控制晶体管M5等效电感的作用。类似地，可以通过开关KC3和KC4控制导通晶体管M6的个数，来达到控制晶体管M6的跨导gm6的作用，从而达到控制M6等效电感的作用。
进一步地，本实施例的单端输入差分输出低噪声放大器还包括控制模块，所述控制模块中设置有查找表，查找表预先设置了输出信号频率与第一开关KC1、第二开关KC2、第三开关KC3以及第四开关KC4的通断地一一对应关系，控制模块用于根据输入信号和查找表，控制第一开关KC1、第二开关KC2、第三开关KC3以及第四开关KC4的通断，进而控制第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2的电感值。
具体地，在该低噪声放大器电路工作时，从天线接收的射频信号通过输入进入第一NMOS管M1的栅极进行第一级的放大。此时该低噪声放大器的输入阻抗主要由输入晶体管M1的gm1、晶体管M1的栅源寄生电容Cgs以及第一可调有源电感LAI1产生。在实际使用中，可以根据输入频率的不同或匹配要求的不同，通过调节控制第一可调有源电感LAI1的开关来调节负载电感LAI1。通过改变LAI1的电感值来达到改变该放大器的输入阻抗，从而达到调节输入匹配的作用。被第一NMOS管M1放大后的信号通过耦合电容CC输入到第二级放大器的栅极进行第二次放大，其中，CC为两个放大级的耦合电容，起到把第一级放大的信号耦合到第二级的作用，同时也作为两级放大器的密勒补偿电容起到调节放大器极点的作用。由于第一级放大器和第二级放大器本质上都属于共源级放大器，因此输入信号经过第一NMOS管M1之后会发生一次相位反转，通过耦合电容CC之后被第二NMOS管M2放大后也会发生一次相位反转。
从输出信号Vout来看，输入信号放大后的信号呈现相反的相位，故而该低噪声放大器还完成了输入的单端转差分作用，因此本实施例提出的LNA是一个巴伦LNA。相比于一般的两级巴伦LNA，该结构第二级的负载也使用可调有源电感结构，该结构可以通过调节晶体管M6的个数，调节第二可调有源电感LAI2电感值的大小来调节第二级的相位。可调结构可以有效消除两级放大器间的寄生电容的影响，来保证第一级和第二级相位差接近180°。
综上，本发明实施例利用晶体管在特定结构下的电感特性，代替传统电感使用。片上有源电感只需要晶体管按照本发明所述的特殊连接方式就可以实现，无需制造中适用厚度很大的顶层金属(通常会占据很大的芯片面积，一般的片上电感会占据LNA芯片面积的一半甚至更多)，较大幅度的节省了芯片面积。于此同时，本发明的可调有源电感结构简单，可以很方便地实现片上可调电感的功能，可以灵活调节输入阻抗匹配，降低了电感设计难度。同时该可调有源电感结构可以作为第二级负载电感使用，通过数字控制电路对低噪声放大器(LNA)进行可配置调节，可调有源电感的使用增加了电路的可配置性和灵活性，使得电路适应更多的频率范围和匹配要求。
此外，普通的巴伦LNA由于寄生电容的存在，使得第一级和第二级存在相位差，而本发明提出的低噪声放大器可以通过调节第二级的有源电感负载，补偿由寄生电容产生的相位误差，达到可配置效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、耦合电容Cc、第一可调有源电感LAI1以及第二可调有源电感LAI2，其中，
所述第一电阻R1连接在电源端VDD与所述第三NMOS管M3的漏极之间，所述第二电阻R2连接在电源端VDD与所述第四NMOS管M4的漏极之间，所述第三NMOS管M3的漏极作为第一差分电压输出端，所述第四NMOS管M4的漏极作为第二差分电压输出端；
所述第三NMOS管M3的栅极连接所述第四NMOS管M4的栅极并连接第一偏置电压输入端，所述第三NMOS管M3的源极连接所述第一NMOS管M1的漏极，所述第四NMOS管M4的源极连接所述第二NMOS管M2的漏极；
所述耦合电容Cc连接在所述第三NMOS管M3的源极与所述第二NMOS管M2的栅极之间，所述第一可调有源电感LAI1连接在所述第一NMOS管M1的源极与接地端之间，所述第二可调有源电感LAI2连接在所述第二NMOS管M2的源极与接地端之间，所述第一NMOS管M1的栅极连接电压输入端和第二偏置电压输入端，所述第二NMOS管M2的栅极连接第三偏置电压输入端；
所述第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2能够根据输入电压的频率调节电感值。
2.根据权利要求1所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，还包括第三电阻R3和第四电阻R4，其中，所述第三电阻R3连接在所述第二偏置电压输入端与所述第一NMOS管M1的栅极之间，所述第四电阻R4连接在所述第三偏置电压输入端与所述第二NMOS管M2的栅极之间。
3.根据权利要求1所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一可调有源电感LAI1包括第五电阻R5、第一电容C1以及第一可调并联晶体管单元，其中，
所述第五电阻R5和所述第一电容C1串联在所述第一NMOS管M1的源极与接地端之间；
所述第一可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M5，所述2n个NMOS管M5的栅极均连接在所述第五电阻R5与所述第一电容C1之间，所述2n个NMOS管M5的源极均连接接地端，所述2n个NMOS管M5的漏极均连接所述第一NMOS管M1的源极，n为大于等于1的整数。
4.根据权利要求3所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，每个NMOS管M5的漏极均连接有一个第一开关KC1，每个NMOS管M5的源极均连接有一个第二开关KC2，所述第一开关KC1和所述第二开关KC2用于控制当前NMOS管M5的通断。
5.根据权利要求4所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第二可调有源电感LAI2包括第六电阻R6、第二电容C2以及第二可调并联晶体管结构，其中，
所述第六电阻R6和所述第二电容C2串联在所述第二NMOS管M2的源极与接地端之间；
所述第二可调并联晶体管单元中包括并联的2n个NMOS管M6，所述2n个NMOS管M6的栅极均连接在所述第六电阻R6与所述第二电容C2之间，所述2n个NMOS管M6的源极均连接接地端，所述2n个NMOS管M6的漏极均连接所述第二NMOS管M2的源极，n为大于等于1的整数。
6.根据权利要求5所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，每个NMOS管M6的漏极均连接有一个第三开关KC3，每个NMOS管M6的源极均连接有一个第四开关KC4，所述第三开关KC3和所述第四开关KC4用于控制当前NMOS管M6的通断。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的基于可调有源电感的单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块中设置有查找表，所述查找表预先设置了输出信号频率与所述第一开关KC1、所述第二开关KC2、所述第三开关KC3以及所述第四开关KC4的通断关系，所述控制模块用于根据所述输入信号和所述查找表，控制所述第一开关KC1、所述第二开关KC2、所述第三开关KC3以及所述第四开关KC4的通断，进而控制所述第一可调有源电感LAI1和第二可调有源电感LAI2的电感值。
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