CN204290887U - 一种带有补偿偏置电路的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器，其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管(M1)、第二NMOS晶体管(M2)、第三NMOS晶体管(M3)、第四NMOS晶体管(M4)、低噪声放大器的共源放大管(M5)、低噪声放大器的共栅晶体管(M6)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3)。这种偏置电路可以对温度，工艺角以及电源电压的变化进行一定的补偿，使得低噪声放大器在不同的工艺角，温度，电源电压下性能保持基本的稳定，或者做出进一步的过补偿调整，以满足实际生产和应用条件下的需求。

Description

一种带有补偿偏置电路的低噪声放大器

一、技术领域

本实用新型是一种带有补偿电路的低噪声放大器，可以对温度，工艺角，电源电压的波动进行补偿。

二、背景技术

随着现代通信技术的飞速发展，各种便携式的电子设备给人们的生活带来了极大的方便，如手机等。低噪声放大器是这些设备中必不可少的电路模块。低噪声放大器用来从天线接收到微弱信号并进行放大，叠加尽可能少的噪声。其增益，噪声，线性度等都将直接影响整个接收机的性能。一个好的低噪声放大器所应该具备的性能包括：提供足够高的增益，克服后继级噪声的干扰；优良的噪声性能以防止系统灵敏度的下降；良好的线性度以减少对系统动态范围的影响；较高的反向隔离度，防止信号的泄漏并增强系统的稳定性；良好的输入匹配以利于信号的有效传输。在实际设计中，通常采用折衷方案，综合考虑各项因素，兼顾各项指标的平衡。

传统的低噪声放大器通常采用共源或共源共栅结构，其中共源共栅的源极电感蜕化放大器最为常见。在实际的制造和使用中，工艺角，温度的变化对低噪声放大器的性能有着重要的影响，因此，需要对这些因素进行一定的补偿，以保证低噪声放大器性能的稳定。

三、发明内容

为了补偿工艺角，温度的变化对低噪声放大器性能的影响，本实用新型提供了一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器，可以起到补偿温度，工艺角，电源电压的作用。

本实用新型的技术方案是：

一种带有补偿偏置的单端输入低噪声放大器，其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3、第四NMOS晶体管M4、低噪声放大器的共源放大管M5、低噪声放大器的共栅晶体管M6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；其中第一NMOS晶体管M1的漏极连接电源VCC，栅极与第二电阻R2和第三电阻R3连接，第二电阻R2的另一端连接电源VCC，第三电阻R3的另一端连接第二NMOS晶体管M2的漏极和第三NMOS晶体管M3的栅极，第三NMOS晶体管M3的栅极经过第一电容C1连接到地，第二NMOS晶体管M2的栅极连接第一NMOS晶体管M1的源极，第一NMOS晶体管M1的源极通过第一电阻R1连接到地；第二NMOS晶体管M2的源极直接连接到地；第三NMOS晶体管M3的漏极连接第四电阻R4，第四电阻R4为低噪声放大器的共栅晶体管M6的栅极提供偏置电压，并经过第三电容C3连接到地，第四电阻R4的另一端连接电源VCC，第三NMOS晶体管M3的源极连接第四NMOS晶体管M4的漏极和栅极，第四NMOS晶体管M4经过第五电阻R5给低噪声放大器的共源放大管M5的栅极提供偏置电压，并经过第二电容C2连接到地，第四电阻R4的源极接地。

所述第一NMOS晶体管M1的漏极连接电源VCC，源极连接第一电阻R1，栅极则连接第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2的另一端连接电源VCC；第二NMOS晶体管M2的漏极连接第三电阻R3的另一端，栅极连接第一NMOS晶体管M1的源极和第一电阻R1，源极接地。第一电阻R1的另一端接地，第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3构成一个反馈的稳定结构。

所述第三NMOS晶体管M3的栅极连接权利要求2中所述的反馈结构中的一个稳定的电压点，并用电容C1连接到地，第三NMOS晶体管M3的漏极通过第四电阻R4连接至电源VCC，第三NMOS晶体管M3的源极连接第四NMOS晶体管M4的漏极和栅极，第四NMOS晶体管M4的源极接地。

所述第三NMOS晶体管M3的源极经过NMOS晶体管的二极管连接方式到地，并在该源极为低噪声放大器的共源放大管M5提供偏置电压。该提供偏置电压的源极通过一个电容连接到地，并经过大第五电阻R5连接到低噪声放大器共源管M5的栅极。

所述低噪声放大器的共栅晶体管M6的偏置电压可由偏置电路中的任意一个稳定且合适的电路节点提供。

本实用新型的有益效果是：

这种偏置电路可以对温度，工艺角以及电源电压的变化进行一定的补偿，使得低噪声放大器在不同的工艺角，温度，电源电压下性能保持基本的稳定，或者做出进一步的过补偿调整，以满足实际生产和应用条件下的需求。

四、附图说明

图1本实用新型的带有补偿偏置电路的低噪声放大器的电路原理图。

五、具体实施方案

以下结合附图对本实用新型做进一步详述：

如图1所示，M5和M6是一个传统的共源共栅低噪声放大器(LNA)的共源NMOS晶体管和共栅NMOS晶体管，电感L2为源极蜕化电感，电感L1是低噪声放大器(LNA)的电感负载，C4是输出隔直电容。以上元器件构成低噪声放大器的信号放大电路。输入输出位置如图1所示。例如，图1中所示的情况是由晶体管M3的漏极电压提供偏置。该偏置点通过一个大的电容C3连接到地，以保证共栅管M6的栅极在低噪声放大器的工作频率处交流连接到地。

本实用新型的补偿是通过低噪声放大器的偏置电路实现的。

如图1所示，该偏置电路包括NMOS晶体管M1～M4，电阻R1～R5，电容C1～C3。其中M1的漏极连接电源VCC，栅极与R2和R3连接。R2的另一端连接电源，R3的另一端连接M2的漏极和M3的栅极，该节点经过电容C1连接到地。M2的栅极连接M1的源极，该节点通过电阻R1连接到地。M2的源极直接连接到地。M3的漏极连接R4，该节点为低噪声放大器(LNA)的共栅晶体管的栅极提供偏置电压，并经过电容C3连接到地。R4的另一端连接电源VCC。M3的源极连接M4的漏极和栅极，该节点经过电阻R5给低噪声放大器(LNA)的共源放大管的栅极提供偏置电压，并经过电容C2连接到地。M4的源极接地。

共源共栅低噪声放大器电路中，共源NMOS晶体管和共栅NMOS晶体管的电流相等，增益主要由两者的电流决定，噪声和电流之间也具有一定的联系。通过补偿或改变流过共源共栅放大器的电流，就可以实现对放大器性能的补偿。工作在饱和区的晶体管，其电流的表达式为：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

因此，通过对晶体管M5栅极管脚电压的控制，就可以实现对电流的控制和补偿，从而实现对增益和噪声性能的补偿。

NMOS晶体管跨导的表达式为：

g_m＝μ_nC_OX(V_GS-V_TH)；

当温度升高时，晶体管沟道中的电子迁移率μ_n会降低，从而导致跨导g_m下降，电流I_ds也随之下降，低噪声放大器的增益也会降低。但同时，晶体管的阈值电压V_TH也会发生变化，对于NCMOS晶体管来说，其阈值电压一般会降低，导致跨导g_m和电流I_ds增大。两者的影响会抵消一部分，一般情况下，在温度升高时，在偏置电压不变的情况下，流过晶体管的电流会增大一些，但低噪声放大器的增益是有所下降的。

此时，若能够提高NMOS晶体管M5的栅极输入电压，则I_ds和增益也会得到提高，会对温度变化起到补偿作用，反之亦然。

在图1所示的电路中，当温度升高时，补偿电阻R1，R2，R3均减小，流过晶体管M2的电流也会减小，而M3的栅极电压表达式为：

V_g(M3)＝VCC-I_ds(M2)(R2+R3)

其中，V_g(M3)表示晶体管M3的栅极电压，I_ds(M2)表示流过晶体管M2的源漏极电流。在本专利后面出现公式时，其符号表达的含义也与此类似，不再做特别说明。因此，晶体管M3的栅极电压会增大，使得M3的源极电压也随之抬高。

另一方面，NMOS晶体管M4是二极管接法(即栅极和漏极连在一起接高电位，源极接低电位)。在温度升高，电流不变的情况下，其漏极的电压会减小，又会使得M3的源极电压降低。

对低噪声放大器来讲，温度升高时，由于热噪声的增加，低噪放以及整个系统的噪声性能都会下降，因此，仅仅保持增益不变的补偿往往是不够的，经常需要过补偿，即把电流和增益在温度升高时都增大，才能满足噪声方面的要求。

通过适当选取偏置电路中元器件参数的值，可以使温度升高时，晶体管M3的源极电位，即晶体管M5的栅极电位按一定的比例升高，从而达到增大低噪声放大器的电流，补偿低噪声放大器的噪声和增益的作用。

关于电源电压的变化的补偿，当电源电压VCC变化时，若其变化量为ΔVCC，可以假设晶体管M1和M2的栅源电压也相应变化了ΔV_gs(M1)和ΔV_gs(M2)，流过晶体管M2的电流变化了ΔI_ds(M2)。根据图1可以看出，电源电压可以用下式来表达：

VCC＝V_gs(M1)+V_gs(M2)+I_ds(M2)R2

根据上文提到的M3栅极电压表达式，可以进一步写出：

V_g(M3)＝VCC-I_ds(M2)(R2+R3)

＝V_gs(M1)+V_gs(M2)+I_ds(M2)R2-I_ds(M2)(R2+R3)

＝V_gs(M1)+V_gs(M2)-I_ds(M2)R3

因此，若电源电压变化ΔVCC，则M3栅极电压的变化量可以表示为：

ΔV_g(M3)＝ΔV_gs(M1)+ΔV_gs(M2)-ΔI_ds(M2)R3

由上式可以看出，只要合理分配R3的大小，可以使得当电源电压变化时，M3的栅极电压变化近似为0，即M3的栅极电压对电源电压的波动不敏感。

下面讨论该偏置电路对于工艺角变化的补偿。如上文所述，工作在饱和区的晶体管M5，其电流的表达式为：

$I_{\mathrm{ds}\left(M5\right)}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W_{M5}}{L_{M5}}{(V_{\mathrm{gs}\left(M5\right)}-V_{\mathrm{TH}\left(M5\right)})}^2;$

工艺角的变化会使得晶体管M5的V_TH(M5)发生变化，当V_gs(M5)不变时，晶体管的电流会发生较大的波动。

不过，偏置电路产生的偏置电压也会随工艺角的改变而改变。因为偏置电路和主电路均采用NMOS晶体管，且在版图中距离不会很远。因此它们的晶体管工艺角可以认为是一致的。

假设工艺角使得晶体管的阈值电压V_TH升高，则流过晶体管M2的电流会减小，使得M3的栅极电压升高。同时，晶体管M4的阈值电压升高也会使得其相同电流下的导通电压抬高。

以上两者同时作用的结果，会使得晶体管M5的栅极电压抬高，从而补偿工艺角所带来的阈值电压的变化，使低噪声放大器的电流基本不变。反之亦然。

图1所示的电路中，电容C1，C2，C3主要起稳压和滤波的作用，把来自电源上的干扰滤除掉，减小其对低噪声放大器的负面影响。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有多种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有补偿偏置电路的低噪声放大器，其特征是该偏置电路包括第一NMOS晶体管（M1）、第二NMOS晶体管（M2）、第三NMOS晶体管（M3）、第四NMOS晶体管（M4）、低噪声放大器的共源放大管（M5）、低噪声放大器的共栅晶体管（M6）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第一电容（C1）、第二电容（C2）和第三电容（C3）；其中第一NMOS晶体管（M1）的漏极连接电源（VCC），栅极与第二电阻（R2）和第三电阻（R3）连接，第二电阻（R2）的另一端连接电源（VCC），第三电阻（R3）的另一端连接第二NMOS晶体管（M2）的漏极和第三NMOS晶体管（M3）的栅极，第三NMOS晶体管（M3）的栅极经过第一电容（C1）连接到地，第二NMOS晶体管（M2）的栅极连接第一NMOS晶体管（M1）的源极，第一NMOS晶体管（M1）的源极通过第一电阻（R1）连接到地；第二NMOS晶体管（M2）的源极直接连接到地；第三NMOS晶体管（M3）的漏极连接第四电阻（R4），第四电阻（R4）为低噪声放大器的共栅晶体管（M6）的栅极提供偏置电压，并经过第三电容（C3）连接到地，第四电阻（R4）的另一端连接电源（VCC），第三NMOS晶体管（M3）的源极连接第四NMOS晶体管（M4）的漏极和栅极，第四NMOS晶体管（M4）经过第五电阻（R5）给低噪声放大器的共源放大管（M5）的栅极提供偏置电压，并经过第二电容（C2）连接到地，第四电阻（R4）的源极接地。

2.根据权利要求1所述的带有补偿偏置电路的低噪声放大器，其特征是所述第一NMOS晶体管（M1）的漏极连接电源（VCC），源极连接第一电阻（R1），栅极则连接第二电阻（R2）和第三电阻（R3），第二电阻（R2）的另一端连接电源（VCC）；第二NMOS晶体管（M2）的漏极连接第三电阻（R3）的另一端，栅极连接第一NMOS晶体管（M1）的源极和第一电阻（R1），源极接地；第一电阻（R1）的另一端接地，第一NMOS晶体管（M1）、第二NMOS晶体管（M2）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）构成一个反馈的稳定结构。

3.根据权利要求1所述的带有补偿偏置电路的低噪声放大器，其特征是所述第三NMOS晶体管（M3）的栅极连接权利要求2中所述的反馈结构中的一个稳定的电压点，并用电容C1连接到地，第三NMOS晶体管（M3）的漏极通过第四电阻（R4）连接至电源（VCC），第三NMOS晶体管（M3）的源极连接第四NMOS晶体管（M4）的漏极和栅极，第四NMOS晶体管（M4）的源极接地。

4.根据权利要求1所述的带有补偿偏置电路的低噪声放大器，其特征是所述第三NMOS晶体管（M3）的源极经过NMOS晶体管的二极管连接方式到地，并在该源极为低噪声放大器的共源放大管（M5）提供偏置电压；该提供偏置电压的源极通过一个电容连接到地，并经过大第五电阻（R5）连接到低噪声放大器的共源放大管（M5）的栅极。