CN1697312A - 低压低功耗高隔离度差分放大器 - Google Patents

低压低功耗高隔离度差分放大器 Download PDF

Info

Publication number
CN1697312A
CN1697312A CNA2005100119276A CN200510011927A CN1697312A CN 1697312 A CN1697312 A CN 1697312A CN A2005100119276 A CNA2005100119276 A CN A2005100119276A CN 200510011927 A CN200510011927 A CN 200510011927A CN 1697312 A CN1697312 A CN 1697312A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mosfet
input
amplifier
common source
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005100119276A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100459417C (zh
Inventor
宋睿丰
廖怀林
张国艳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CNB2005100119276A priority Critical patent/CN100459417C/zh
Publication of CN1697312A publication Critical patent/CN1697312A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100459417C publication Critical patent/CN100459417C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明提供一种低压低功耗高隔离度差分放大器，该放大器差分信号的输入端为两个以共源方式连接的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，本发明增加了两个与共源输入MOSFET完全相同的MOSFET，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连(负输出端)，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，漏端与输入正信号的共源MOSFET漏端相连(正输出端)。由于充分利用了深亚微米MOSFET器件工作在饱和区和工作在截止区时器件的栅漏电容相同的特点，本发明具有低压低功耗、高反向隔离度。

Description

低压低功耗高隔离度差分放大器
技术领域
本发明属于深亚微米时代的低压低功耗CMOS RFIC应用技术领域，尤其适用于射频CMOS集成电路(RFIC)中的低噪声放大器(LNA)。
背景技术
随着CMOS超大规模集成电路技术进入65纳米技术时代，电路中的场效应晶体管出现严重的短沟道效应(short channel effect)，表现为阈值电压(threshold voltage)随沟道长度减小而下降，阈值电压随漏端电压增加而下降，源漏直接穿通(punch-through)沟长调制效应造成的器件本征输出电阻降低等。短沟道效应所引起的器件的二阶效应容易造成电路失效。因此短沟道效应的抑制是提高CMOS超大规模集成电路电路性能和减小电路失效的急需解决的问题。
在器件尺寸缩小的同时器件的工作电压也随之不断降低，因此要求电路中的电源电压不得超过器件的最大工作电压。在射频电路设计过程中应尽可能的降低电源电压以满足器件的工作要求。
低噪声放大器是射频接收机中所必不可少的组成模块之一。根据Friis公式可知，作为整个接收机组成模块中的第一级，放大器的噪声系数决定了整个接收机的噪声系数。因此在设计放大器的过程中应尽可能降低其噪声系数以提高整个系统的噪声性能。同时作为与天线和混频器相连的模块，放大器还必须具有较高的反向隔离性能来降低本振信号通过天线向外界的泄漏。尤其是对于直接转换接收机来说，由于本振信号与接收信号的频率相同，因此这一问题尤其重要。通常在放大器的设计过程中，为了提高其稳定性和反向隔离性能，最常采用的放大器的结构为共源共栅结构，如图1所示。该结构通过引入第二个器件，使得两个MOS管之间的阻抗为 从而减少了由于Cgd产生的Miller效应，提高了电路的反向隔离能力，尤其是对随后混频器的LO泄漏。同时由于该结构提高了LNA的输出阻抗(约为原来的gm2ro2倍)，从而也有利于整个放大器增益的提高。虽然解决了隔离问题但是，由于多引入的MOS管也产生了其它问题。首先，需要更多的电压余度，使得电路的工作电压很难降到1伏特以下，不是很适合于低压低功耗应用；其次，引入了额外的噪声源(共栅MOS管)，虽然在低频下由共栅MOS管引入的这些噪声可以忽略，但是随着频率的升高，两个MOS管之间的阻抗由于寄生电容的作用迅速降低，使得来自MG的噪声不能忽略。虽然可以通过在MG的源端并联电感与该处的寄生电容产生谐振，以增加其阻抗值，提高噪声性能，但是这一方面会增加整个模块的面积，同时还会引入额外的寄生和电路的复杂性。折叠共源共栅结构是另外一种共源共栅结构的放大器(如图2所示)，由于采用了PMOS和NMOS相结合的方法，使得电源电压可以小于传统的共源共栅结构，然而实际中折叠共源共栅结构的使用却受到了很大限制。这主要是因为在CMOS集成电路的设计中很难获得高品质因子的LC谐振网络，使得LC谐振网络的实际阻抗与 可比拟，使得RF信号产生分流，一部分的信号因此而损失在了LC谐振网络中，所以折叠共源共栅结构的增益通常要小于传统的共源共栅结构。
Thomas H.Lee报道了一种采用交叉耦合电容中和化的方式来提高差分放大器输入输出端之间隔离度的结构，如图3所示。这种结构要求电容CN与共源管的栅漏寄生电容精确匹配以实现输入输出信号之间的中和。然而由于共源管的栅漏寄生电容通常随其输入的栅漏电压变化变化，这使得电容CN与共源管的栅漏寄生电容精确匹配通常难以实现。因此在实际放大器的设计中这种结构的应用通常非常有限。
作为结构最为简单的共源型差分放大器(如图4所示)，该放大器采用两个以共源方式连接的MOSFET作为两个差分信号的输入端，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，采用电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源。该结构具有非常低的工作电压，同时由于使用了最少的器件来实现低噪声放大功能，其噪声系数也会较其它结构的放大器低，因此是一种具有很好应用潜力的结构。但是由于只采用了单管其输入输出端之间的隔离效果会由于Miller效应而变得非常差，因此在实际应用过程中限制了这种结构的应用范围。尤其是在高频下的应用更是困难，因为这会使得电路的稳定性产生很大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有低压低功耗、高反向隔离度的差分放大器。
本发明的技术内容：一种低压低功耗高隔离度差分放大器，差分信号的输入端为两个以共源方式连接的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，其特征在于：增加两个与共源输入MOSFET完全相同的MOSFET，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连(负输出端)，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入正信号的的共源MOSFET漏端相连(正输出端)。
增加的两个MOSFET的源端可以彼此相连，也可以悬空。
本发明的技术效果：由于深亚微米MOSFET器件在饱和区和在截止区时，器件的栅漏工作电容相同，充分利用该特点，通过增加两个与共源输入MOSFET完全相同的，工作在截止区且采用交叉连接方式的MOSFET，提供一种新型的具有低压低功耗、高反向隔离度的差分放大器。与传统差分共源型放大器相比，该电路结构可以在保证放大器在低电压下工作，同时实现输入与输出端之间的高隔离性，有效的降低整个电路的电源电压和功耗，使之适合于低压、低功耗射频无线接收机中放大器的应用。
与传统共源型差分结构的放大器相比，本发明保证了放大器在整体性能基本不变的前提下的反向隔离性能，有效的提高整个电路的反向隔离性能，使之适合于低压、低功耗射频无线接收机中放大器的应用。
本发明与采用电容进行中和化(Neutralization)的放大器相比，由于利用与输入MOSFET相同尺寸且工作在截止区的MOSFET栅漏极所产生的寄生电容与输入MOSFET的寄生栅漏电容匹配，因此不受输入栅电压的影响，具有很强的应用前景。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为传统经典型共源共栅放大器结构示意图；
图2是折叠共源共栅放大器结构示意图；
图3是采用电容中和法提高放大器输入输出端口隔离的结构示意图；
图4为传统共源型差分放大器的电路结构示意图；
图5是本发明低压低功耗高隔离度差分放大器的电路结构示意图；
图6为两种结构放大器进行的S12参数仿真结果比较。
具体实施方式
本发明低压低功耗高隔离度差分放大器采用两个以共源方式连接的MOSFET作为两个差分信号的输入端，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，采用电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源；同时采用两个与输入MOSFET完全相同的MOSFET，这两个MOSFET的源端彼此相连或悬空，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连(负输出端)，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入正信号的的共源MOSFET漏端相连(正输出端)，呈交叉连接方式。整个差分放大器的负载根据应用背景的不同可以采用电感、电容、电阻、有源器件等，或者是它们之间的组合；输入MOSFET的源端可采用电感、电容、电阻、有源器件等以形成反馈或尾电流源。
本发明电路结构示意图如图5所示，由图5中可以看出，包括四个完全相同的MOSFET，分别为M1、M2、M3、M4，差分信号的输入端为M1和M4，M2、M3为工作在截止区且采用交叉连接方式的MOSFET，由于采用了M2、M3来实现输入与输出信号之间的相互抵消，从而达到了实现高隔离度的特点。且采用交叉耦合方式连接的MOSFET处于截止状态，因此还不会产生静态功耗。
本发明具有如下特点：
1、由于差分结构的电路具有较强的抑制共模信号的能力，有利于电路性能的提高，因此现代射频无线通讯中射频信号的输入通常是采用差分的形式。
2、因为M1与M2、M3与M4的栅极相互连接。根据短沟器件工作在强反型状态下和工作在截止状态下其栅漏电容相等原理可知，此时由器件栅端看进去的M1-M4器件的栅漏电容完全相等。因此可以保证输入管M1和M4的寄生电容Cgd与由M2和M3所产生的补偿电容Cgd1完全匹配，不受输入栅压变化的影响。
3、由于两个输入信号RF+和RF-信号的大小相同相位相反，因此当M2和M3采用如图4所示的方式进行连接时，由于差分输出端的信号的相位相差180°，因此可以将输出端向输入端馈通的信号相互抵消。
4、由于采用了上述方法，因此电路在实现相同的输入输出端口之间的隔离程度下，本发明所采用结构可以不使用共栅管。从而减少了一层MOS管的堆垛，使得电源电压至少可以降低一个过驱动电压(约0.2---0.3V)。因此在电流消耗不变的前提下可以有效的降低整个放大器的功耗。
将本发明低压低功耗高隔离度放大器与共源型差分放大器相比较：
两个放大器的工作频率为5.0GHz，输入匹配采用经典的电感源反馈方式。采用的工艺为Jazz BC35标准CMOS工艺，其最小特征尺寸为0.35um，所使用的MOSFET的阈值电压为0.58V，线路所使用的电源电压为0.8V，整个放大器和的电流消耗为4mA。
图6为采用Cadence Spectra RF仿真软件对两种结构放大器进行的S12参数仿真结果。其中横坐标表示频率，纵坐标表示放大器的反向隔离度(S21)，曲线1表示传统共源型差分放大器的反向隔离度，曲线2为采用本发明所提出的放大器的反向隔离度。由图6中仿真结果的比较可以看出，采用本结构的放大器的反向隔离度得到了明显的提高(20dB以上)，其隔离程度与传统的共源共栅型放大器的反向隔离性能相当。

Claims (3)

1、一种低压低功耗高隔离度差分放大器，差分信号的输入端为两个以共源方式连接的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，其特征在于：增加两个与共源输入MOSFET完全相同的MOSFET，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入正信号的的共源MOSFET漏端相连。
2、如权利要求1所述的低压低功耗高隔离度差分放大器，其特征在于：增加的两个MOSFET的源端彼此相连。
3、如权利要求1所述的低压低功耗高隔离度差分放大器，其特征在于：增加的两个MOSFET的源端悬空。
CNB2005100119276A 2005-06-14 2005-06-14 低压低功耗高隔离度差分放大器 Expired - Fee Related CN100459417C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005100119276A CN100459417C (zh) 2005-06-14 2005-06-14 低压低功耗高隔离度差分放大器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2005100119276A CN100459417C (zh) 2005-06-14 2005-06-14 低压低功耗高隔离度差分放大器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1697312A true CN1697312A (zh) 2005-11-16
CN100459417C CN100459417C (zh) 2009-02-04

Family

ID=35349874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005100119276A Expired - Fee Related CN100459417C (zh) 2005-06-14 2005-06-14 低压低功耗高隔离度差分放大器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100459417C (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102811048A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 瑞萨电子株式会社 半导体器件
CN102969015A (zh) * 2011-08-29 2013-03-13 瑞萨电子株式会社 半导体集成电路器件
CN103715999B (zh) * 2012-10-04 2017-12-12 美国亚德诺半导体公司 失调电流微调电路
CN107592079A (zh) * 2017-08-25 2018-01-16 加特兰微电子科技(上海)有限公司 差分放大电路
CN114499425A (zh) * 2022-01-10 2022-05-13 电子科技大学 一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6057709A (ja) * 1983-09-08 1985-04-03 Nec Corp 差動増幅回路
JPH05102736A (ja) * 1991-10-09 1993-04-23 Nec Corp 周波数ミキサ回路
JP2841978B2 (ja) * 1991-10-30 1998-12-24 日本電気株式会社 周波数逓倍・ミキサ回路
JP2836358B2 (ja) * 1992-03-11 1998-12-14 日本電気株式会社 差動増幅回路
US5422529A (en) * 1993-12-10 1995-06-06 Rambus, Inc. Differential charge pump circuit with high differential and low common mode impedance
US6057714A (en) * 1998-05-29 2000-05-02 Conexant Systems, Inc. Double balance differential active ring mixer with current shared active input balun

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102811048A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 瑞萨电子株式会社 半导体器件
CN102969015A (zh) * 2011-08-29 2013-03-13 瑞萨电子株式会社 半导体集成电路器件
CN102969015B (zh) * 2011-08-29 2018-03-06 瑞萨电子株式会社 半导体集成电路器件
CN103715999B (zh) * 2012-10-04 2017-12-12 美国亚德诺半导体公司 失调电流微调电路
CN107592079A (zh) * 2017-08-25 2018-01-16 加特兰微电子科技(上海)有限公司 差分放大电路
CN107592079B (zh) * 2017-08-25 2021-03-09 加特兰微电子科技(上海)有限公司 差分放大电路
CN114499425A (zh) * 2022-01-10 2022-05-13 电子科技大学 一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器

Also Published As

Publication number Publication date
CN100459417C (zh) 2009-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5719259B2 (ja) 高周波電力増幅装置
US7286013B2 (en) Coupled-inductance differential amplifier
CN103595359B (zh) 一种0.1～5GHz超宽带CMOS功率放大器
US7768350B2 (en) Output gain stage for a power amplifier
US7224231B2 (en) Method for transforming output signals of a low-noise amplifier of a wireless transceiver
US8093950B2 (en) Power amplifier having transformer
US7049888B2 (en) Active inductance circuit and differential amplifier circuit
KR100747113B1 (ko) 전력 증폭기
US20090174480A1 (en) Systems and Methods for Cascode Switching Power Amplifiers
CN108574464B (zh) 一种低功耗高线性双模式毫米波宽带堆叠低噪声放大器
CN106487338B (zh) 一种考虑密勒效应的分布式三堆叠结构的功率放大器
CN100459417C (zh) 低压低功耗高隔离度差分放大器
CN111030614A (zh) 一种跨导增强型毫米波低噪声放大器
CN106330109A (zh) 共源共栅放大电路及功率放大器
CN115664349B (zh) 一种有源差分低噪声放大电路和射频接收前端系统
CN110708025A (zh) 利用二极管补偿电容的功率放大器
CN111211745B (zh) 一种新型毫米波宽带高增益功率放大器
CN114826175A (zh) 功率放大电路
US20030112076A1 (en) Power amplifier
US8866514B2 (en) Transmit driver circuit
CN117060856A (zh) 一种cmos工艺太赫兹信号发生电路
US9143185B2 (en) Transmit-receive switching circuit and wireless device
CN209787140U (zh) 一种射频开关及射频通信装置
CN108768323B (zh) 一种高功率高效率高增益逆f类堆叠功率放大器
CN116915193B (zh) 一种高线性度高输出功率的毫米波可重构功率放大器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090204

Termination date: 20150614

EXPY Termination of patent right or utility model