CN117526865A - 一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路 - Google Patents

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CN117526865A CN202311460168.6A CN202311460168A CN117526865A CN 117526865 A CN117526865 A CN 117526865A CN 202311460168 A CN202311460168 A CN 202311460168A CN 117526865 A CN117526865 A CN 117526865A
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Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体为一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路。本发明双路噪声消除电路包括信号输入电路、第一变压器网络、第二变压器网络、共栅NMOS晶体管、共源NMOS晶体管、第一负载阻抗、第二负载阻抗；其中，第一变压器网络和第二变压器网络分别具有N1和N2的线圈匝数比；共栅NMOS晶体组成共栅放大级，共源NMOS管组成共源放大级，即两者构成两路放大级；由于变压器的双向及宽带特性，两路噪声信号在输出端实现宽带的双路噪声消除。该双路噪声消除电路可以应用在单级电路或多级电路中；可以应用在射频电路或毫米波电路中。

Description

一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路。
背景技术
高数据速率和多标准无线应用的日益增长的需求已经将实际宽带子系统(如接收机)的工作频段推向毫米波频率。作为毫米波宽带接收机的关键部件，需要具有低噪声系数和高线性度的低噪声放大器(LNA)来获得良好的性能。通常，通过使用共栅放大器(CG)或级联拓扑结构。然而，CG晶体管增加了NF，而在级联拓扑中需要相对高的电源电压。共源(CS)LNA可以从低电源电压提供较低的NF，这是以牺牲相对窄的操作带宽(BW)为代价的。为了扩展CS放大器的带宽，开发了几种技术，例如反馈技术和分布式拓扑。尽管如此，上述放大器仍然受到宽带匹配和NF之间的基本折衷的影响，这导致相对较大的带内NF变化。
最近的研究表明，可以消除放大器核心晶体管引入的噪声，而通过在LNA实现中引入噪声消除方案，可以释放BW和NF之间的折衷。两种众所周知的噪声消除LNA拓扑是CG噪声消除和电阻反馈CS噪声消除。图1(a)显示了CG噪声消除LNA的典型配置和工作原理。CG级的噪声由辅助CS级复制，用于在差分输出端口处消除噪声。对于毫米波应用一种天线LNA联合设计原理可以实现CG噪声消除LNA，其中天线可以用作变压器来调整噪声消除性能。同时，如图1(b)所示，可以在CS放大器中引入电阻反馈方案进行噪声消除。然而，由于在CG或CS噪声消除拓扑中仅降低了核心晶体管的噪声，因此进一步降低NF是有限的。
通过结合图1(a)(b)中的噪声消除原理，如图1(c)所示，双路径噪声消除LNA具有增强的NF性能，主路径和辅助路径的噪声都有所降低。尽管如此，由于寄生和互连的相对较大的影响，宽带双路径噪声消除拓扑结构不容易在毫米波中实现。因此，设计具有低NF的宽带毫米波噪声消除LNA仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路，以解决宽带双路噪声消除电路无法在宽频带上实现双路噪声消除的问题。
本发明提出的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，通过变压器实现噪声信号的传递；由于变压器的双向及宽带特性以及电路的对称性，对于两路噪声信号，每一路的噪声信号自身支路均为共栅放大级级，另一条支路均为共源放大级，从而在输出端实现宽带等比的同相噪声信号，进而得以在输出端实现宽带的双路噪声消除。
本发明提供的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，包括信号输入电路110、第一变压器网络120、第二变压器网络130、共栅NMOS晶体管M1 140、共源NMOS晶体管M2150、第一负载阻抗160、第二负载阻抗170；信号输入电路110由一个信号源及源阻抗Rs组成，第一变压器网络120和第二变压器网络130分别具有N1和N2的线圈匝数比。其中：
信号输入电路110用作信号的输入；通过两路晶体管(共栅NMOS晶体管M1 140、共源NMOS晶体管M2 150)，将输入的电压信号转换为电流信号，电流信号通过第一负载阻抗160和第二负载阻抗170分别在两路的输出端产生电压信号；
共栅NMOS晶体管M1 140组成的共栅放大级，共源NMOS管M2 150组成的共源放大级，即两者构成两路放大级；输入信号在两路放大级的输出端产生反相的信号，差分输出，然后信号叠加；双路的噪声信号在两路放大级的输出端产生同相的信号，差分输出，然后噪声相消；通过具有双向和宽带特性的变压器，本发明最终实现宽带双路噪声消除。
本发明中，共栅NMOS晶体管M1 140和共源NMOS晶体管M2 150的噪声等效为并联在每条支路输入和输出两端的不相关噪声电流源，该噪声电流源在每路输入和输出端产生反相的噪声电压。每一级的噪声均会由另一放大级辅助输出，从而在输出端产生同相的信号，在输出端实现差分相消，实现两路噪声同时消除。
本发明中，所实现的负载阻抗可以不一样，通过调整负载阻抗的比值，实现每一路晶体管产生的噪声在两路输出端呈现等幅值，从而实现完美的噪声消除。
本发明中，两个线圈匝数比为N1和N2的变压器是保证两路放大级的噪声源在两输出端的产生的噪声电流比值相等，从而实现同时噪声相消。
本发明中，对输入信号来说，共栅放大级为同相信号放大，共源放大级为反相信号放大。共栅放大级和共源放大级的噪声等效为并联在每条支路输入和输出两端的不相关噪声电流源，该噪声电流源在每路输入和输出端产生反相的噪声电压，共栅NMOS晶体管M1140产生在源端的噪声能被耦合到共源NMOS晶体管M2 150的栅端，经过放大后在输出端产生同相信号，差分相减后抵消；共源NMOS晶体管M2 150产生在源端的噪声同样能被耦合到共栅NMOS晶体管M1 140的栅端，经过放大后在输出端产生同相信号。具体说明如下：
由于共栅NMOS晶体管M1 140和共源NMOS晶体管M2 150产生的噪声是不相关的，因此分别将两个噪声源独立计算，此外考虑两个变压器线圈匝数比均为N1＝N2＝N的情况：
首先考虑共栅NMOS晶体管M1 140的噪声消除过程，如图3(a)所示，共栅NMOS晶体管M1 140的噪声等效为并联在晶体管源和漏端的电流源in1，共源NMOS晶体管M2150为无噪晶体管。共栅NMOS晶体管M1 140的噪声在晶体管的漏端和源端产生了反相的信号，分别为Vn，Y1和Vn，x1，该源端的噪声电压通过线圈匝数比为N的第一变压器网络(120)在共源NMOS晶体管M2(150)的栅端产生噪声电压Vn，m2，该噪声电压经过共源NMOS晶体管M2 150放大后，在共源NMOS晶体管M2 150的漏端产生输出电压Vn，Y2。考虑源端阻抗远大于1/gm，共栅NMOS晶体管M1 14)的噪声电流源在共栅NMOS晶体管M1 140的漏端iCG，M1和共源NMOS晶体管M2 150的漏端iCS，M1产生的噪声电流比值受到变压器线圈匝数比的控制，即：
当第一负载阻抗160和第二负载阻抗170比值为1∶N时，共栅NMOS晶体管M1 140的噪声电流源在两输出端产生了同幅值的噪声电压信号，差分输出后实现噪声消除。
同样，考虑共源NMOS晶体管M2 150的噪声消除过程，如图3(b)所示，共源NMOS晶体管M2 150的噪声等效为并联在晶体管源和漏端的电流源in2，共栅NMOS晶体管M1(140)为无噪晶体管。共源NMOS晶体管M2 150的噪声在晶体管的漏端和源端产生了反相的信号，分别为Vn，，Y2和Vn，x2，该源端的噪声电压通过线圈匝数比为N的第二变压器网络130在共栅NMOS晶体管M1 140的栅端产生噪声电压Vn，m1，该噪声电压经过共栅NMOS晶体管M1 140放大后，在共栅NMOS晶体管M1 140的漏端产生输出电压Vn，Y1。考虑源端阻抗远大于1/gm，共源NMOS晶体管M2 150的噪声电流源在共源NMOS晶体管M2 150的漏端iCS，M2和共栅NMOS晶体管M1 140的漏端iCG，M2产生的噪声电流比值受到变压器线圈匝数比的控制为N。当第一负载阻抗160和第二负载阻抗170比值为1∶N时，共源NMOS晶体管M2 150的噪声电流源在两输出端产生了同幅值的噪声电压信号，差分输出后实现噪声消除。
两个噪声消除的条件同时发生，且不会随着频率的变化而发生偏移，因此该基于变压器耦合的双路噪声消除电路可以实现宽带双路噪声消除。
进一步地，信号输入电路110可以采用单端输入，也可以采用差分输入。
进一步地，第一变压器网络120、第二变压器网络130可以采用片内变压器实现，也可以采用片外变压器实现。
进一步地，共栅NMOS晶体管M1 140、共源NMOS晶体管M2 150可以采用单晶体管实现，也可以采用Cascode架构实现。
进一步地，一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路，可以应用在单级电路中，也可以应用在多级电路中。
进一步地，一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路，可以应用在射频电路中，也可以应用在毫米波电路中，可以应用在低噪声放大器LNA上，也可以应用在噪声消除接收机上，还可以应用在其他噪声消除电路中，包括但不限于列举的应用，其他应用都可以。
进一步地，一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路，可以在CMOS工艺下实现，也可以在化合物半导体工艺下实现，如GeSi，GaN等工艺，还可以在BiCMOS工艺下实现，包括但不限于列举的工艺，其他工艺都可以。
本发明通过基于变压器耦合的双路噪声消除电路，采用两个变压器实现宽带双路噪声消除，从而实现噪声消除电路噪声最优化，最终实现整个接收链路的噪声及灵敏度的提升。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
传统的双路噪声消除电路通过共栅晶体管和电阻负反馈共源晶体管实现，两路的噪声均在输出端产生同相信号，合理设计电路参数可以实现完美的双路噪声消除。然而受限于晶体管的频率特性，该双路噪声消除仅仅能在一个窄带能发生，甚至单频点上发生，因此双路噪声消除电路在宽带上的应用受限。而本发明采用的基于变压器的双路噪声消除电路，两路的不相关噪声源在两输出端产生的噪声电流比值均为变压器的线圈匝数比N，该噪声电压并不受到晶体管频率特性的影响而发生变化，因此设计两输出端的负载阻抗比值为1:N即可以实现相同幅值的噪声电压，差分输出后，即可实现宽带的双路噪声消除。
附图说明
图1为传统噪声消除电路的不同实现方式。其中，(a)基于共栅结构，(b)基于电阻负反馈共源结构，(c)基于共栅和电阻负反馈的双路噪声消除结构。
图2为基于变压器耦合的双路噪声消除电路结构图示。
图3为本发明提出的双路噪声消除电路噪声消除结构图示。其中，(a)共栅晶体管噪声消除原理，(b)共源晶体管噪声消除原理。
图4为本发明基于电感负载的一种实施方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图2所示，本发明的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，包括信号输入电路110、第一变压器网络120、第二变压器网络130、共栅NMOS晶体管M1 140、共源NMOS晶体管M2150、第一负载阻抗160、第二负载阻抗170；其中，信号输入电路由一个信号源及源阻抗Rs组成，第一变压器网络和第二变压器网络分别具有N1和N2的线圈匝数比。共栅NMOS晶体管M1140和共源NMOS晶体管M2 150的噪声电流源分别在共栅NMOS晶体管M1 140的漏端和共源NMOS晶体管M2 150的漏端产生噪声电流，两噪声电流源在输出端产生的噪声电流源比值相等且与变压器的线圈匝数比N有关，为N，通过令第一负载阻抗160和第二负载阻抗170比值为1:N，共栅NMOS晶体管M1 140的噪声电流源在两输出端产生了同幅值的噪声电压信号，差分输出后实现双路噪声消除。
本发明的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，采用变压器耦合方式，令两晶体管噪声在差分输出端均产生电流幅值比为N:1的同相噪声电流信号，通过调整负载阻抗比值为1:N，从而令差分输出产生电压赋值比为1:1，从而同时消除两晶体管的噪声，实现双路噪声消除，同时该噪声消除的条件并不会随频率发生变化，因而可以实现宽带双路噪声消除LNA。
如图4所示，为本发明利用电感负载实现的基于变压器耦合的双路噪声消除电路的具体实施例，其为应于射频/毫米波宽带接收机中。所述的信号输入电路110即为LNA上的天线和来自天线的接收信号，为图4中的等效信号输入电路210，该电压的电阻Rs等效天线的特征阻抗，电压源Vin等效接收到的信号。所述的第一变压器网络120、第二变压器网络130即为图4中的第一变压器网络220、第二变压器网络230，该变压器用于信号及噪声的传递，同时还起到输入阻抗匹配的作用，该变压器网路具有N的线圈匝数比。所述的共栅NMOS晶体管M1 140、共源NMOS晶体管M2 150即为图4中的共栅NMOS晶体管M1 240、共源NMOS晶体管M2 250，其中共栅NMOS晶体管M1 240组成双路噪声消除电路中的共栅放大级，信号在晶体管的源端输入，在晶体管的漏端输出，信号为同相放大；共源NMOS晶体管M2 250组成双路噪声消除电路中的共源放大级，信号在晶体管的栅端输入，在晶体管的漏端输出，信号为反相放大。信号经过两路放大级后差分输出，信号得到叠加。所述的第一负载阻抗160、第二负载阻抗17)即为图4中的第一负载电感L1 260、第二负载电感L2 270，负载电感作用为调节输出噪声电压的比值，从而实现双路噪声完全消除。
共栅NMOS晶体管M1 240和共源NMOS晶体管M2 250的噪声等效于两个挂载在漏端和源端的并联噪声电流源，该噪声电流源不相关，且分别在共栅NMOS晶体管M1 240的漏端和共源NMOS晶体管M2 250的漏端产生噪声电流，如上文中所分析，两噪声电流源在输出端产生的噪声电流比值相等且与变压器的线圈匝数比N有关，为N，通过令第一负载电感160和第二负载电感170比值为1:N，噪声电流源在两输出端产生了同幅值的噪声电压信号，差分输出后实现双路噪声消除。
本发明基于变压器耦合的双路噪声消除电路，采用变压器耦合方式，在两路放大级之间传递噪声信号，令输出的噪声电流比值同时为N:1，进一步通过调整两负载阻抗的比值，从而实现两晶体管的噪声同时消除，同时该双路噪声消除的条件并不会随频率发生变化，因而可以实现宽带双路噪声消除电路。
整个利用电感负载实现的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，其工作流程如下：
如图4所示，天线接收来自空间中的信号，该信号等效为信号输入电路中的电源电压Vin，等效特征阻抗为Rs的天线为电阻Rs。该信号连接到第一共栅NMOS晶体管M1上，经过放大后在第一负载电感L1上输出同相的信号；同时第一变压器网络起到电压转换的作用，将输入在第一共栅NMOS晶体管M1源端的信号经过N倍的放大后输出到第二共源NMOS晶体管M2的栅端，经过第二共源NMOS晶体管M2的放大后在第二负载电感L2上输出反相的信号。信号经过整个放大器的放大后，在第一共栅NMOS晶体管M1和第二共源NMOS晶体管M2的漏端分别产生了反相的信号。整个放大器差分输出，反相信号相互叠加，从而实现信号的叠加。
对于噪声消除过程，由于共栅NMOS晶体管M1和共源NMOS晶体管M2产生的噪声是不相关的，因此可以独立考虑两个噪声的消除过程。首先考虑共栅NMOS晶体管M1的噪声，该噪声等效为并联在晶体管源和漏端的电流源，该噪声电流源在晶体管的漏端和源端产生了反相的信号。线圈匝数比为N的第一变压器网络是同向耦合，因而电压同相放大，因此共栅NMOS晶体管M1源端的噪声在共源NMOS晶体管M2栅端产生同相的噪声电压，经过共源NMOS晶体管M2的放大后，在第二负载电感L2上产生反相的噪声电压信号。因此，共栅NMOS晶体管M1漏端的噪声电压和共源NMOS晶体管M2漏端的噪声电压为同相信号，该噪声电压信号的比值由第一负载电感L1和第二负载电感L2确定。其次考虑共源NMOS晶体管M2的噪声，该噪声等效为并联在晶体管源端和漏端的电流源，该噪声电流源在晶体管的漏端和源端产生了反相的信号。线圈匝数比为N的第二变压器网络是同向耦合，电压同相放大，因此共源NMOS晶体管M2源端的噪声在共栅NMOS晶体管M1栅端产生同相的噪声电压，经过共栅NMOS晶体管M1的放大后，在第一负载电感L1上产生反相的噪声电压信号。因此，共源NMOS晶体管M2漏端的噪声电压和共栅NMOS晶体管M1漏端的噪声电压为同相信号，该噪声电压信号的比值由第一负载电感L1和第二负载电感L2确定。由上文分析可知，两噪声电流源在第一负载电感L1和第二负载电感L2上产生的噪声电流比均为N，当第一负载电感L1和第二负载电感L2比值为1:N时，共栅NMOS晶体管M1和共栅NMOS晶体管M1的噪声在第一负载电感L1和第二负载电感L2上产生同幅值的噪声电压信号，差分输出后实现噪声消除。两噪声实现消除的条件同时发生且不随频率而发生偏移，因此该基于变压器的双路噪声消除电路可以实现宽带双路噪声消除。
综上所述，本发明提出的基于变压器耦合的双路噪声消除电路，通过在双路噪声消除电路中引入变压器耦合，令两噪声源在负载端产生的噪声电流比值相等，通过调整两路负载阻抗，使噪声源在输出端产生的噪声电压比值相等，差分输出后实现宽带噪声消除及信号叠加。

Claims (5)

1.一种基于变压器耦合的双路噪声消除电路，其特征在于，包括信号输入电路(110)、第一变压器网络(120)、第二变压器网络(130)、共栅NMOS晶体管M1(140)、共源NMOS晶体管M2(150)、第一负载阻抗(160)、第二负载阻抗(170)；信号输入电路(110)由一个信号源及源阻抗Rs组成，第一变压器网络(120)和第二变压器网络(130)分别具有N1和N2的线圈匝数比；其中：
信号输入电路(110)用作信号的输入；通过两路晶体管即共栅NMOS晶体管M1(140)、共源NMOS晶体管M2(150)，将输入的电压信号转换为电流信号，电流信号通过第一负载阻抗(160)和第二负载阻抗(170)分别在两路的输出端产生电压信号；
共栅NMOS晶体管M1(140)组成共栅放大级，共源NMOS管M2(150)组成共源放大级，即两者构成两路放大级；输入信号在两路放大级的输出端产生反相的信号，差分输出，然后信号叠加；双路的噪声信号在两路放大级的输出端产生同相的信号，差分输出，然后噪声相消；通过具有双向和宽带特性的变压器，最终实现宽带双路噪声消除。
2.根据权利要求1所述的双路噪声消除电路，其特征在于，对输入信号来说，共栅放大级为同相信号放大，共源放大级为反相信号放大；共栅放大级和共源放大级的噪声等效为并联在每条支路输入和输出两端的不相关噪声电流源，该噪声电流源在每路输入和输出端产生反相的噪声电压，共栅NMOS晶体管M1(140)产生在源端的噪声被耦合到共源NMOS晶体管M2(150)的栅端，经过放大后在输出端产生同相信号，差分相减后抵消；共源NMOS晶体管M2(150)产生在源端的噪声同样被耦合到共栅NMOS晶体管M1(140)的栅端，经过放大后在输出端产生同相信号。
3.根据权利要求1所述的双路噪声消除电路，其特征在于，所实现的负载阻抗不一样，通过调整负载阻抗的比值，实现每一路晶体管产生的噪声在两路输出端呈现等幅值，从而实现完美的噪声消除。
4.根据权利要求1所述的双路噪声消除电路，其特征在于，两个线圈匝数比为N1和N2的变压器是保证两路放大级的噪声源在两输出端的产生的噪声电流比值相等，从而实现同时噪声相消。
5.根据权利要求1-4之一所述的双路噪声消除电路，其特征在于：
信号输入电路(110)采用单端输入，或者采用差分输入；
第一变压器网络(120)、第二变压器网络(130)采用片内变压器实现，或者采用片外变压器实现；
共栅NMOS晶体管M1(140)、共源NMOS晶体管M2(150)采用单晶体管实现，或者
采用Cascode架构实现。
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