CN118117973A - 多路增益提升双路噪声抵消电路、放大器、芯片及设备 - Google Patents

多路增益提升双路噪声抵消电路、放大器、芯片及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路增益提升双路噪声抵消电路、低噪声放大器、芯片及设备。其中电路包括输入匹配网络、第一级CS共源放大器、CG共栅放大器和第二级CS共源放大器；输入匹配网络的一端作为多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连接至第一级CS共源放大器的输入端；第一级CS共源放大器的输出端同时连接CG共栅放大器的输入端和第二级CS共源放大器的输入端，第二级CS共源放大器的输出端作为多路增益提升双路噪声抵消电路的输出端。本发明同时采用了共源‑共栅结构和共源‑共源结构相交叠组合进行噪声抵消，增益提升。本申请可广泛应用于通信技术领域。

Description

多路增益提升双路噪声抵消电路、放大器、芯片及设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多路增益提升双路噪声抵消电路、低噪声放大器、芯片及设备。
背景技术
通信系统不断升级换代，无线通信发展也在快速前进。用于无线通信的射频电路设计与性能也需要相应的发展与提升。低噪声放大器是应用于射频前端决定接收机整体性能的关键电路模块，其噪声系数，带宽和增益决定着接收机的灵敏度，工作范围和数据传输速率。高性能的低噪声放大器应具有更低的噪声。因此降低低噪声放大器的噪声是设计低噪声放大器所优先考虑和设计的关键点。
目前应用于噪声抵消的两种典型电路如图1、图2所示。图1所示电路实现噪声抵消的原理是M2在源和漏级产生反向幅度不相等的噪声信号，源端的噪声通过M1放大到输出和M1漏端到输出的噪声同向相互抵消，从而减少噪声。M1的噪声也是类似，其源级噪声通过TR1传输到M2的源极，通过放大与M1漏端到输出的噪声同向相互抵消。图2所示电路实现噪声抵消的原理是M1在源和漏级产生反向幅度不相等的噪声信号，源端的噪声通过M2和M3放大后再通过M4到输出，实现与M1漏端噪声信号相互抵消。类似的M2在源和漏级产生反向幅度不相等的噪声信号，漏端的噪声信号通过电阻反馈输出到M1放大与通过M4输出的噪声信号相互抵消。然而，它们所抵消的噪声只是对于第一级放大器的管子进行抵消，对于后级放大级没有抵消效果。因而对于拓展提升低噪声放大器的噪声性能的方案，需要可实现更多器件的噪声抵消，从而优化低噪声放大器噪声系数。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种多路增益提升双路噪声抵消电路、低噪声放大器、芯片及设备。
本发明所采用的第一技术方案是：
一种多路增益提升双路噪声抵消电路，包括输入匹配网络、第一级CS共源放大器、CG共栅放大器和第二级CS共源放大器；
所述输入匹配网络的一端作为所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连接至第一级CS共源放大器的输入端；所述第一级CS共源放大器的输出端同时连接CG共栅放大器的输入端和第二级CS共源放大器的输入端，所述第二级CS共源放大器的输出端作为所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输出端；其中所述第二级CS共源放大器放大后的交流信号和所述CG共栅放大器放大后的交流信号进行叠加后，作为所述多路增益提升双路噪声抵消电路输出的交流信号，以提升电路增益。
进一步地，所述输入匹配网络包括电容C1和变压器TR1，所述变压器TR1包括电感L1和电感L2；
所述电容C1一端连接所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连接所述变压器TR1；
所述电感L1的同名端连接所述电容C1的另一端，所述电感L1的异名端连接偏置电压Vb1；
所述电感L2的异名端连接所述电容C1的另一端，所述电感L2的同名端连接所述第一级CS共源放大器的输入端。
进一步地，所述第一级CS共源放大器包括晶体管M1；
所述晶体管M1的栅极作为所述第一级CS共源放大器的输入端，所述晶体管M1的漏极作为所述第一级CS共源放大器的输出端，所述晶体管M1的源极作为所述第一级CS共源放大器的接地端。
进一步地，所述CG共栅放大器包括晶体管M2和电阻R1；
所述晶体管M2的源极作为所述CG共栅放大器的输入端，所述晶体管M2的漏极作为所述CG共栅放大器的输出端，所述晶体管M2的栅极通过所述电阻R1连接至电源电压。
进一步地，所述第二级CS共源放大器包括晶体管M3；
所述晶体管M3的栅极作为所述第二级CS共源放大器的输入端，所述晶体管M3的漏极作为所述第二级CS共源放大器的输出端，所述晶体管M3的源极作为所述第二级CS共源放大器的接地端。
进一步地，所述多路增益提升双路噪声抵消电路还包括反馈网络，所述反馈网络分别与所述第一级CS共源放大器的接地端和所述第二级CS共源放大器的接地端连接。
进一步地，所述反馈网络包括电感L3和电感L4；
所述电感L3的同名端连接所述第一级CS共源放大器的接地端，异名端接地；所述电感L4的异名端连接所述第二级CS共源放大器的接地端，同名端接地。
进一步地，所述多路增益提升双路噪声抵消电路还包括合路网络，所述合路网络分别与所述CG共栅放大器的输出端和所述第二级CS共源放大器的输出端连接。
进一步地，所述合路网络包括电感L5和电感L6；
所述电感L5的异名端连接所述CG共栅放大器的输出端，同名端连接电源电压；所述电感L6的同名端连接所述第二级CS共源放大器的输出端，异名端连接电源电压。
本发明所采用的第二技术方案是：
一种低噪声放大器，包括如上所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路。
本发明所采用的第三技术方案是：
一种芯片，包括如上所述的一种低噪声放大器。
本发明所采用的第四技术方案是：
一种通信设备，包括如上所述的一种芯片。
本发明的有益效果是：
本发明同时采用了共源-共栅结构和共源-共源结构相交叠组合进行噪声抵消，增益提升。实现了低噪声放大器的多个器件的噪声抵消，有效的提升噪声性能，提升电路增益，具有低噪声，低功耗的优势，可适用于噪声，功耗要求高的应用当中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是现有技术中采用经典共源共栅放大器结构抵消噪声的低噪声放大器电路结构图；
图2是现有技术中采用电阻反馈变压器耦合结构抵消噪声的低噪声放大器电路结构图；
图3是本发明实施例1中多路增益提升双路噪声抵消电路的电路架构图；
图4是本发明实施例1中多路增益提升双路噪声抵消电路的电路图；
图5是本发明实施例1中多路增益提升双路噪声抵消电路的仿真S参数波形图；
图6是本发明实施例1中多路增益提升双路噪声抵消电路的仿真NF参数波形图。
图7是本发明实施例1中多路增益提升双路噪声抵消电路的仿真线性度参数波形图。
图8是本发明实施例2中多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器的电路图；
图9是本发明实施例3中多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器的电路图；
图10是本发明实施例4中多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图3所示，本实施例提供一种多路增益提升双路噪声抵消电路，包括输入匹配网络、反馈网络、合路网络、第一级CS共源放大器、CG共栅放大器和第二级CS共源放大器；
输入匹配网络的一端作为多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连接至第一级CS共源放大器的输入端；第一级CS共源放大器的输出端同时连接CG共栅放大器的输入端和第二级CS共源放大器的输入端，第二级CS共源放大器的输出端作为多路增益提升双路噪声抵消电路的输出端；反馈网络分别与第一级CS共源放大器的接地端和第二级CS共源放大器的接地端连接；合路网络分别与CG共栅放大器的输出端和第二级CS共源放大器的输出端连接。
本实施例电路的放大原理为：输入信号RFin通过第一级CS共源放大器放大，分别经CG共栅放大器和第二级CS共源放大器放大，后经合路网络将CG共栅放大器和第二级CS共源放大器输出叠加。
参见图4，在本实施例中，输入匹配网络包括电容C1和变压器TR1，变压器TR1包括电感L1和电感L2；电容C1一端连接所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端；电感L1的同名端连接电容C1的另一端，电感L1的异名端连接偏置电压Vb1；电感L2的异名端连接电容C1的另一端，电感L2的同名端连接第一级CS共源放大器的输入端。
参见图4，在本实施例中，第一级CS共源放大器包括晶体管M1；晶体管M1的栅极作为第一级CS共源放大器的输入端，与电感L2的同名端连接；晶体管M1的漏极作为第一级CS共源放大器的输出端；晶体管M1的源极作为第一级CS共源放大器的接地端。
参见图4，在本实施例中，CG共栅放大器包括晶体管M2和电阻R1；晶体管M2的源极作为CG共栅放大器的输入端，与晶体管M1的漏极连接；晶体管M2的漏极作为CG共栅放大器的输出端，晶体管M2的栅极通过电阻R1连接至电源电压。
参见图4，在本实施例中，第二级CS共源放大器包括晶体管M3；晶体管M3的栅极作为第二级CS共源放大器的输入端，与晶体管M1的漏极连接；晶体管M3的漏极作为第二级CS共源放大器的输出端，晶体管M3的源极作为第二级CS共源放大器的接地端。
参见图4，在本实施例中，反馈网络包括变压器TR2，变压器TR2包括电感L3和电感L4；电感L3的同名端连接晶体管M1的源极，异名端接地；电感L4的异名端连接晶体管M3的源极，同名端接地。
需要注意的是，反馈网络可以是任意具有反向信号传输的电路，在本实施例中，合路网络采用变压器TR2来实现，但并不限于该电路结构，其他具有反向信号传输的电路结构都应落入本发明的保护范围内。
参见图4，在本实施例中，合路网络包括变压器TR3，变压器TR3包括电感L5和电感L6；电感L5的异名端连接晶体管M2的漏极，同名端连接电源电压；电感L6的同名端连接晶体管M3的漏极，异名端连接电源电压。即在小信号电路中，电感L5的同名端与电感L6的异名端连接。
需要注意的是，合路网络可以是任意具有合成差分信号的放大或衰减电路，在本实施例中，合路网络采用变压器TR3来实现，但并不限于该电路结构，其他具有合成差分信号的放大或衰减电路结构都应落入本发明的保护范围内。
如图4所示，记晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3连接节点为N2。输入信号通过晶体管M1共源放大后分别通过晶体管M2共栅放大和晶体管M3共源放大成差分信号，然后通过变压器TR3反向耦合将差分信号转换为单端信号，实现将两路信号叠加提升了电路增益。晶体管M2在源端和漏端产生相位相反幅度不等的噪声电压，漏端噪声电压通过反向耦合变压器TR3到输出端口，源端噪声电压通过晶体管M3反向放大到输出，进而产生反向相关噪声在输出端口相互抵消。晶体管M3在源端和漏端产生相位相反幅度不等的噪声电压，漏端噪声电压直接输出，而源端反向噪声电压通过变压器反向耦合到晶体管M1的源端，并通过晶体管M1、晶体管M2和反向耦合变压器TR3和通过晶体管M1和晶体管M3再反向放大到输出，进而产生反向相关噪声在输出端口相互抵消。
为了证明上述有益效果，本实施例采用TSMC 65nm CMOS集成电路工艺进行仿真验证。仿真结果如图5、图6和图7所示。从仿真结果可以看出，采用本发明技术方案的低噪声放大器可以实现低噪声性能。其-3dB增益带宽为13.9GHz-19.9GHz，最高增益为14.98dB，带内噪声系数为3-3.45dB。
实施例2
如图8所示，实施例2提供的多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器同实施例1中的电路结构相同，同样采用变压器进行输入匹配，噪声抵消以及增益提升，其中的区别在于：实施例2中的一个变压器采用3变压器耦合，增加了M1漏端的电感L5与L4和L3耦合，提升了M1和M3的跨导，进而提升增益；另外减去了M2栅端的电阻，提升M2的增益。具体电路结构可以根据实际电路需求来折中选择。
实施例3
如图9所示，实施例3提供的多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器同实施例1中的电路结构相同，同样采用变压器进行输入匹配，噪声抵消以及增益提升，其中的区别在于：实施例3采用差分输出，减少实施例1中TR3传输M2信号的损耗；另外减去M2栅端的电阻，提升M2的增益。具体电路结构可以根据实际电路需求来折中选择。
实施例4
如图10所示，实施例4提供的多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器同实施例1中的电路结构相同，同样采用变压器进行输入匹配，噪声抵消以及增益提升，其中的区别在于：实施例4的第二级放大器采用cascode结构，减去M2栅端的电阻，提升M2的增益。具体电路结构可以根据实际电路需求来折中选择。
综上所述，本发明提供的一种多路增益提升双路噪声抵消电路、低噪声放大器、芯片及设备，通过上述设计，实现了低噪声放大器的多个器件的噪声抵消，解决了现有低噪声放大器对后级实现噪声抵消的技术问题，有效地提升噪声性能，提升电路增益，具有低噪声，低功耗的优势，可适用于噪声，功耗要求高的应用当中。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式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方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，包括输入匹配网络、第一级CS共源放大器、CG共栅放大器和第二级CS共源放大器；
所述输入匹配网络的一端作为所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连至第一级CS共源放大器的输入端；所述第一级CS共源放大器的输出端同时连接CG共栅放大器的输入端和第二级CS共源放大器的输入端，所述第二级CS共源放大器的输出端作为所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述输入匹配网络包括电容C1和变压器TR1，所述变压器TR1包括电感L1和电感L2；
所述电容C1一端连接所述多路增益提升双路噪声抵消电路的输入端，另一端连接所述变压器TR1；
所述电感L1的同名端连接所述电容C1的另一端，所述电感L1的异名端连接偏置电压Vb1；所述电感L2的异名端连接所述电容C1的另一端，所述电感L2的同名端连接所述第一级CS共源放大器的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述第一级CS共源放大器包括晶体管M1；
所述晶体管M1的栅极作为所述第一级CS共源放大器的输入端，所述晶体管M1的漏极作为所述第一级CS共源放大器的输出端，所述晶体管M1的源极作为所述第一级CS共源放大器的接地端。
4.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述CG共栅放大器包括晶体管M2和电阻R1；
所述晶体管M2的源极作为所述CG共栅放大器的输入端，所述晶体管M2的漏极作为所述CG共栅放大器的输出端，所述晶体管M2的栅极通过所述电阻R1连接至电源电压。
5.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述第二级CS共源放大器包括晶体管M3；
所述晶体管M3的栅极作为所述第二级CS共源放大器的输入端，所述晶体管M3的漏极作为所述第二级CS共源放大器的输出端，所述晶体管M3的源极作为所述第二级CS共源放大器的接地端。
6.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述多路增益提升双路噪声抵消电路还包括反馈网络。
所述反馈网络包括变压器TR2，所述变压器TR2包括电感L3和电感L4；
所述电感L3的同名端连接所述第一级CS共源放大器的接地端，异名端接地；所述电感L4的异名端连接所述第二级CS共源放大器的接地端，同名端接地。
7.根据权利要求1所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路，其特征在于，所述多路增益提升双路噪声抵消电路还包括合路网络。
所述合路网络包括变压器TR3，所述变压器TR3包括电感L5和电感L6；
所述电感L5的异名端连接所述CG共栅放大器的输出端，同名端连接电源电压；所述电感L6的同名端连接所述第二级CS共源放大器的输出端，异名端连接电源电压。
8.一种多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的一种多路增益提升双路噪声抵消电路。
9.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求8所述的一种多路增益提升双路噪声抵消低噪声放大器。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的芯片。
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