CN117176085A - 一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器 - Google Patents

一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，包括：信号输入模块、共栅放大器、共源放大器、变压器、隔直电容C1、电容C2、电容C3；共源放大器的输出通过电容C3反馈至共栅放大器的栅端，实现增大晶体管M1的跨导的目的；共源放大器采用两级MOS管层叠，共用输入信号，通过引入变压器、晶体管M3、电容C2和电容C3，从而实现了晶体管的栅源信号反相，有效增大晶体管等效跨导，从而可以实现低功耗的目的，还可以有效的去除前置巴伦。晶体管M1产生的噪声在差分输出端是同相信号，而第一放大信号和第二放大信号在差分输出端是反相信号，能够使得晶体管M1的噪声贡献被抵消，进而实现降低噪声的目的。

Description

一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器
技术领域
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器。
背景技术
近年来，随着无线通讯系统和相关技术的快速发展，性能优异的射频接收机的需求量越来越大。传统的射频接收机包括低噪声放大器、混频器、滤波器和可变增益放大器等关键电路。低噪声放大器负责将接收到的弱信号进行放大，并在放大的同时尽可能小的引入噪声。射频接收机接收到的信号是单端信号，而接收机电路通常是差分电路，因此通常需要在低噪声放大器的前端前置一个巴伦实现单端转差分功能。但前置巴伦会恶化接收机的噪声系数，同时会增加芯片的外围电路复杂度，因此需要将单端转差分的功能集成到低噪声放大器中。一种常见的单端转差分低噪声放大器是基于噪声抵消架构实现的，该结构可以实现单端转差分的同时还可以有效抵消噪声，但缺点是功耗较高。因此需要针对高功耗的问题，提出新的技术进行优化。
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跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，包括：
信号输入模块、共栅放大器、共源放大器、变压器、隔直电容C1、电容C2、电容C3；其中，
所述信号输入模块用于接收射频输入信号并输出待放大信号；
所述共栅放大器包括：晶体管M1和电阻R1；所述共栅放大器用于将所述待放大信号放大并输出第一放大信号；
所述共源放大器包括：晶体管M2、晶体管M3和电阻R2；所述共源放大器用于将所述待放大信号放大并输出第二放大信号；
所述第一放大信号和所述第二放大信号为所述基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端的输出信号；
所述变压器包括：电感L1、电感L2和电感L3；所述变压器通过所述电感L1提供直流通路，保证所述共栅放大器的正常工作；所述变压器还用于将所述电感L1上的交流信号耦合到所述电感L2和所述电感L3上，使得所述晶体管M2的栅源信号反相，以增加所述晶体管M2的跨导；
所述隔直电容C1用于独立提供栅端偏置电压给所述晶体管M2；
所述电容C2用于将所述晶体管M3的栅源信号反相，以增加所述晶体管M3的跨导；
所述电容C3用于接收所述第二放大信号作为反馈信号，将所述晶体管M1的栅源信号反相，以增加所述晶体管M1的跨导。
在本发明的一个实施例中，信号输入模块包括：
信号源内阻RS、隔直电容C4；其中，
所述信号源内阻RS的第一端接地，所述信号源内阻RS的第二端与所述隔直电容C4的第一端连接，所述隔直电容C4的第二端与所述晶体管M1的源极连接。
在本发明的一个实施例中，共栅放大器的电路连接方式包括：
所述晶体管M1的源极与所述隔直电容C1的第一端连接，所述晶体管M1的栅极与所述电容C3的第一端连接，所述晶体管M1的漏极与所述电阻R1的第一端连接；
所述电阻R1的第二端接入VDD。
在本发明的一个实施例中，共源放大器的电路连接方式包括：
所述晶体管M2的源极与所述电感L2的第二端连接，所述晶体管M2的栅极与所述隔直电容C1的第二端连接，所述晶体管M2的漏极与所述晶体管M3的源极连接；
所述晶体管M3的栅极与所述电容C2的第二端连接，所述晶体管M3的漏极与所述电容C3的第二端连接；
所述电阻R2的第一端与所述晶体管M3的漏极连接，所述电阻R2的第二端接入VDD。
在本发明的一个实施例中，变压器的电路连接方式包括：
所述电感L1的第一端与所述晶体管M1的源极连接，所述电感L1的第二端接地；
所述电感L2的第一端接地，所述电感L2的第二端与所述晶体管M2的源极连接；
所述电感L3的第一端与所述电容C2的第一端连接，所述电感L3的第二端与所述电感L2的第一端连接。
在本发明的一个实施例中，晶体管M1产生的噪声在所述基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端是同相信号，所述第一放大信号和所述第二放大信号在所述差分输出端是反相信号。
在本发明的一个实施例中，共栅放大器的增益为：
AVCG＝gm1*(1+2gm3*R2)*R1
其中，gm1为所述晶体管M1的跨导，gm3为所述晶体管M3的跨导，R1为所述电阻R1的阻值，R2为所述电阻R2的阻值。
在本发明的一个实施例中，共源放大器的增益为：
AVCS＝-2gm3*R2。
在本发明的一个实施例中，共栅放大器的增益与所述共源放大器的增益大小相等，相位相反，所述共栅放大器和共源放大器的约束关系包括：
本发明的有益效果：
本发明实施例所提供的方案中，共源放大器的输出通过电容C3反馈至共栅放大器的栅端，将晶体管M1的栅源信号反相，使得晶体管M1的栅极电压增大，进而实现增大晶体管M1的跨导的目的；共源放大器采用两级MOS管层叠，共用输入信号，通过引入变压器、电容C1和电容C2，从而实现了晶体管M2和晶体管M3的栅源信号反相，有效增大晶体管M2和晶体管M3的等效跨导，从而可以实现低功耗的目的，还可以有效的去除前置巴伦。进一步的，本发明实施例中晶体管M1产生的噪声在差分输出端是同相信号，而第一放大信号和第二放大信号在差分输出端是反相信号，能够使得晶体管M1的噪声贡献被抵消，进而实现降低噪声的目的。
附图说明
图1为传统单端转差分低噪声放大器的结构示意图；
图2为传统单端转差分低噪声放大器的初步改进的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的结构示意图。
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。
为了便于理解本发明实施例方案，首先对相关技术进行介绍。
图1为传统单端转差分低噪声放大器的结构示意图。在传统的结构中，晶体管M1产生的噪声在源端和漏端的相位是反相的，晶体管M1源端的噪声被晶体管M2反相放大后到达晶体管M2的漏端。晶体管M1的漏端的噪声和晶体管M2的漏端的噪声此时是同相信号，可以相减抵消掉。但是，传统的单端转差分低噪声放大器存在的问题是，晶体管M2的噪声没有类似的机制进行噪声抵消。优化晶体管M2的噪声的唯一方法是增大晶体管M2的功耗，而这种方法将增加整体电路的功耗。
图2为传统单端转差分低噪声放大器的初步改进的结构示意图。初步改进的结构将晶体管M2的漏端的信号通过电容耦合到晶体管M1的栅端。但这种初步改进的结构的问题是，晶体管M2的功耗没有得到优化，整体电路的功耗仍然较大。由于晶体管M2的源端接地，无法进行功耗优化，因此需要对初步改进的结构进行进一步的改进。
针对上述问题，本发明实施例提出了一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，如图3所示，包括：
信号输入模块、共栅放大器、共源放大器、变压器、隔直电容C1、电容C2、电容C3；其中，
信号输入模块用于接收射频输入信号并输出待放大信号；
共栅放大器包括：晶体管M1和电阻R1；共栅放大器用于将待放大信号放大并输出第一放大信号；
共源放大器包括：晶体管M2、晶体管M3和电阻R2；共源放大器用于将待放大信号放大并输出第二放大信号；
第一放大信号和第二放大信号为基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端的输出信号；
变压器包括：电感L1、电感L2和电感L3；变压器通过电感L1提供直流通路，保证共栅放大器的正常工作；变压器还用于将电感L1上的交流信号耦合到电感L2和电感L3上，通过预设的变压器同名端，使得晶体管M2的栅源信号反相，以增加晶体管M2的跨导；
隔直电容C1用于独立提供栅端偏置电压给晶体管M2；
电容C2用于将晶体管M3的栅源信号反相，以增加晶体管M3的跨导；
电容C3用于接收第二放大信号作为反馈信号，将晶体管M1的栅源信号反相，以增加晶体管M1的跨导。
本发明实施例所提供的方案中，共源放大器的输出通过电容C3反馈至共栅放大器的栅端，将晶体管M1的栅源信号反相，使得晶体管M1的栅极电压增大，进而实现增大晶体管M1的跨导的目的；共源放大器采用两级MOS管层叠，共用输入信号，通过引入变压器、电容C1、电容C2，从而实现了晶体管M2和晶体管M3的栅源信号反相，有效增大晶体管M2和晶体管M3的等效跨导，从而可以实现低功耗的目的，还可以有效的去除前置巴伦。
可选的一种实施方式中，信号输入模块包括：
信号源内阻RS、隔直电容C4；其中，
信号源内阻RS的第一端接地，信号源内阻RS的第二端与隔直电容C4的第一端连接，隔直电容C4的第二端与晶体管M1的源极连接。
信号输入模块接收射频输入信号时，隔直电容C4起到了阻交流、通直流的作用。
可选的一种实施方式中，共栅放大器的电路连接方式包括：
晶体管M1的源极与隔直电容C1的第一端连接，晶体管M1的栅极与电容C3的第一端连接，晶体管M1的漏极与电阻R1的第一端连接；
电阻R1的第二端接入VDD。
可选的一种实施方式中，共源放大器的电路连接方式包括：
晶体管M2的源极与电感L2的第二端连接，晶体管M2的栅极与隔直电容C1的第二端连接，晶体管M2的漏极与晶体管M3的源极连接；
晶体管M3的栅极与电容C2的第二端连接，晶体管M3的漏极与电容C3的第二端连接；
电阻R2的第一端与晶体管M3的漏极连接，电阻R2的第二端接入VDD。
可选的一种实施方式中，变压器的电路连接方式包括：
电感L1的第一端与晶体管M1的源极连接，电感L1的第二端接地；
电感L2的第一端接地，电感L2的第二端与晶体管M2的源极连接；
电感L3的第一端与电容C2的第一端连接，电感L3的第二端与电感L2的第一端连接。
变压器、电容C1和电容C2实现晶体管M2和晶体管M3的栅源信号反相，从而变相的提高了晶体管的跨导，进而降低了电路的功耗。
可选的一种实施方式中，晶体管M1产生的噪声在基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端是同相信号，第一放大信号和第二放大信号在差分输出端是反相信号。
晶体管M1用以实现输入阻抗匹配，同时晶体管M1产生的噪声在差分输出端是同相信号，而第一放大信号和第二放大信号在差分输出端是反相信号，所以可以实现晶体管M1的噪声贡献被抵消的效果。
本发明实施例引入变压器、晶体管M3、电容C2和电容C3后，共源放大器的放大管由晶体管M2和晶体管M3共同组成，进入晶体管M3的栅端信号和源端信号是反相信号，因此晶体管M3的跨导增加了一倍，共源放大器的功耗降低至传统结构的一半。通过设置变压器，并合理的设置变压器同名端，使得A点耦合到B点的信号是反相的，从而导致晶体管M2的栅端和源端之间的信号反相，提高了晶体管M2的等效跨导，降低晶体管M2的电流功耗；同时电容C3将共源放大器的信号反馈至共栅放大器中晶体管M1的栅端，从而导致晶体管M1的栅端信号和源端信号反相，进而使得晶体管M1的跨导增加。
本发明实施例的一个重要的功能是实现单端转差分，因此共栅放大器的增益和共源放大器的增益需要达到平衡。共栅放大器的增益与共源放大器的增益大小相等，相位相反。
可选的一种实施方式中，共栅放大器的增益为：
AVCG＝gm1*(1+2gm3*R2)*R1
其中，gm1为晶体管M1的跨导，gm3为晶体管M3的跨导，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值。
晶体管M1的增益为gm1*(1+2gm3*R2)*R1，晶体管M1的跨导gm1增大了1+2gm3*R2倍，晶体管M1的功耗降低为没有连接反馈信号时的1/1+2gm3*R2。
可选的一种实施方式中，共源放大器的增益为：
AVCS＝-2gm3*R2。
要使得共栅放大器的增益与共源放大器的增益大小相等，相位相反。则需要满足以下条件：
2gm3*R2＝gm1*(1+2gm3*R2)*R1
由上式可得，共栅放大器和共源放大器的约束关系包括：
通过上式可以看到gm1，R1，gm3，R2之间的约束关系。
gm1，R1，gm3，R2在满足上述约束关系的情况下，本发明的两个输出点VOUT1和VOUT2的信号大小相等，相位相反，实现了单端输入转差分输出的功能。从该约束公式中可以看到，当2gm3*R2足够大时，gm1*R1基本趋近于1。此时共源放大器和共栅放大器的增益均只依赖于gm3以及R2，摆脱了工艺以及温度对于单端输入转差分输出的功能的影响，提高了电路的鲁棒性。
本发明实施例所提供的方案中，共源放大器的输出通过电容C3反馈至共栅放大器的栅端，将晶体管M1的栅源信号反相，使得所述晶体管M1的栅极电压增大，进而实现增大晶体管M1的跨导的目的；共源放大器采用两级MOS管层叠，共用输入信号，通过引入变压器、电容C1和电容C2，从而实现了晶体管M2和晶体管M3的栅源信号反相，有效增大晶体管M2和晶体管M3的等效跨导，从而可以实现低功耗的目的，还可以有效的去除前置巴伦。进一步的，本发明实施例中晶体管M1产生的噪声在差分输出端是同相信号，而第一放大信号和第二放大信号在差分输出端是反相信号，能够使得晶体管M1的噪声贡献被抵消，进而实现降低噪声的目的。
需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，包括：
信号输入模块、共栅放大器、共源放大器、变压器、隔直电容C1、电容C2、电容C3；其中，
所述信号输入模块用于接收射频输入信号并输出待放大信号；
所述共栅放大器包括：晶体管M1和电阻R1；所述共栅放大器用于将所述待放大信号放大并输出第一放大信号；
所述共源放大器包括：晶体管M2、晶体管M3和电阻R2；所述共源放大器用于将所述待放大信号放大并输出第二放大信号；
所述第一放大信号和所述第二放大信号为所述基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端的输出信号；
所述变压器包括：电感L1、电感L2和电感L3；所述变压器通过所述电感L1提供直流通路，保证所述共栅放大器的正常工作；所述变压器还用于将所述电感L1上的交流信号耦合到所述电感L2和所述电感L3上，使得所述晶体管M2的栅源信号反相，以增加所述晶体管M2的跨导；
所述隔直电容C1用于独立提供栅端偏置电压给所述晶体管M2；
所述电容C2用于将所述晶体管M3的栅源信号反相，以增加所述晶体管M3的跨导；
所述电容C3用于接收所述第二放大信号作为反馈信号，将所述晶体管M1的栅源信号反相，以增加所述晶体管M1的跨导。
2.根据权利要求1所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述信号输入模块包括：
信号源内阻RS、隔直电容C4；其中，
所述信号源内阻RS的第一端接地，所述信号源内阻RS的第二端与所述隔直电容C4的第一端连接，所述隔直电容C4的第二端与所述晶体管M1的源极连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述共栅放大器的电路连接方式包括：
所述晶体管M1的源极与所述隔直电容C1的第一端连接，所述晶体管M1的栅极与所述电容C3的第一端连接，所述晶体管M1的漏极与所述电阻R1的第一端连接；
所述电阻R1的第二端接入VDD。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述共源放大器的电路连接方式包括：
所述晶体管M2的源极与所述电感L2的第二端连接，所述晶体管M2的栅极与所述隔直电容C1的第二端连接，所述晶体管M2的漏极与所述晶体管M3的源极连接；
所述晶体管M3的栅极与所述电容C2的第二端连接，所述晶体管M3的漏极与所述电容C3的第二端连接；
所述电阻R2的第一端与所述晶体管M3的漏极连接，所述电阻R2的第二端接入VDD。
5.根据权利要求1所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述变压器的电路连接方式包括：
所述电感L1的第一端与所述晶体管M1的源极连接，所述电感L1的第二端接地；
所述电感L2的第一端接地，所述电感L2的第二端与所述晶体管M2的源极连接；
所述电感L3的第一端与所述电容C2的第一端连接，所述电感L3的第二端与所述电感L2的第一端连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述晶体管M1产生的噪声在所述基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器的差分输出端是同相信号，所述第一放大信号和所述第二放大信号在所述差分输出端是反相信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述共栅放大器的增益为：
AVCG＝gm1*(1+2gm3*R2)*R1
其中，gm1为所述晶体管M1的跨导，gm3为所述晶体管M3的跨导，R1为所述电阻R1的阻值，R2为所述电阻R2的阻值。
8.根据权利要求7所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述共源放大器的增益为：
AVCS＝-2gm3*R2。
9.根据权利要求8所述的一种基于跨导增强技术的单端转差分低噪声放大器，其特征在于，所述共栅放大器的增益与所述共源放大器的增益大小相等，相位相反，所述共栅放大器和共源放大器的约束关系包括：
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117713704A (zh) * 2024-02-02 2024-03-15 深圳飞骧科技股份有限公司 跨导增强的低噪声放大器及射频芯片

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