CN212695961U

CN212695961U - 一种噪声抵消低噪声放大器

Info

Publication number: CN212695961U
Application number: CN202021736022.1U
Authority: CN
Inventors: 刘雪颖; 余正冬; 张高峰; 章圣长
Original assignee: Chengdu Rdw Tech Co ltd
Current assignee: Chengdu Rdw Tech Co ltd
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2030-08-19

Abstract

本申请属于射频集成电路领域，具体的说，是涉及一种基于变压器无源电压增益的噪声抵消低噪声放大器，其包括第一晶体管和第二晶体管，处于共栅结构工作状态的第一晶体管的源极依次通过变压器和电容器后，与处于共源结构工作状态的第二晶体管的栅极相连，变压器将输入信号与第二晶体管之间进行耦合并进行电压放大，电容器起到隔离直流，耦合信号的作用；本申请引入变压器耦合结构，提供了无源的电压放大功能，从而降低了反相放大器设计中对共源结构晶体管跨导和增益的要求，降低了电路设计难度，使噪声抵消结构的低噪声放大器可以应用在更高的频段，如毫米波频段。

Description

一种噪声抵消低噪声放大器

技术领域

本申请属于射频集成电路领域，具体的说，是涉及一种基于变压器无源电压增益的噪声抵消低噪声放大器。

背景技术

在通信系统和其他的电子系统中，经常需要利用被称为低噪声放大器（LNA）的电路将某一射频（RF）带内的信号进行低噪声的放大。低噪声放大器是接收链路的第一级有源电路模块，其只要作用是再引入较少噪声的前提下对天线接收到的微弱射频信号进行放大，从而一直后级电路模块对整体接收机链路的噪声贡献，保证接收机的整体性能。其设计需要考虑到增益、噪声系数、带宽、线性度和功耗等多个指标的折中。

根据应用场景的不同，对LNA指标的要求和侧重点也不同，因此，为满足不同的应用需求，LNA电路可能具有不一样的架构，常用的架构包括：共栅低噪声放大器、共源低噪声放大器、共源共栅低噪声放大器、分布式低噪声放大器、反馈式低噪声放大器、噪声抵消结构低噪声放大器等多种结构。

其中共栅低噪声放大器、共源低噪声放大器、共源共栅低噪声放大器、分布式低噪声放大器、反馈式低噪声放大器等电路结构，可查看：THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRADE CIRCUITS：Section 9 HIGH-FREQUENCY AMPLIFIER DESIGN andSection 12 LNA DESIGN, Thomas Lee著，2nd Edition；CMOS射频集成电路设计于分析：第八章低噪声放大器，池保勇等著。为了获得更加优良的噪声特性，噪声抵消结构的低噪声放大器电路由Federico Bruccoleri, Eric A. M. Klumperink和Bram Nauta在IEEE JSSC2004，第275-281页中的“Wideband CMOS Low-Noise Amplifier Exploiting ThermalNoise Canceling“中提出。普遍认为噪声抵消技术是改善低噪声放大器的一个途径。噪声抵消技术的原理如图1所示，由晶体管M1内部的噪声电流inoise会在晶体管M1的漏极和源级产生相位相反的噪声电压信号，其中漏极的噪声信号到达正相输出端口12，源级的噪声信号经过反相放大器60之后到达反相输出端13，相位发生反转，幅度被放大了AV倍。只要恰当的设计方向放大器60的放大倍数AV，就可以使正相输出端12和反相输出端13的噪声信号幅度也相等。在差分电路中，相位相同、幅度相等的信号将会被抵消掉。需要的信号从输入端口11进入电路，也会被分为两路，一路经过共栅结构晶体管M1同相放大后，到达正相输出端口12，一路经过反相放大器60之后到达反相输出端13，相位发生反转，幅度被放大了AV倍。这样，所需要的信号由输入端口11输入后，既得了信号的放大，又实现了单端转差分的转换。现有技术中，常用共源结构晶体管来实现反相放大器60的功能，如图2所示。图2中的电路结构存在有其自身的局限性，输入信号和噪声信号的放大，都对反相放大晶体管M2的跨到和增益提出了较高的要求，实际电路实现难度较大，且不适合高频的应用的场合。

现有技术中专利号为CN201310095232、CN201310095543、CN201410431317的发明专利中，主共栅放大器的源级与共源放大器的栅极直接耦合连接，并且对比文件均为差分输入、差分输出结构，这种结构的输入端需要增加平衡-非平衡变压器来实现单端到差分信号的变换，会引入额外的噪声。

再如发明专利“基于噪声抵消结构的低噪声放大器”（201310747466.3）中的提出的噪声抵消的实现方式如图3所示，此发明是在图1的基础上，分别在共栅管M1和共源管M2的源级和漏极用变压器耦合实现正反馈，可以提供增益、噪声减弱以及抵消MOS管的密勒效应的作用。但这种结构并没有解决上面提到的对共源晶体管M2的跨导和增益要求比较高的限制。同时，正反馈结构有潜在不稳定风险，特别是在频率较高的工作场合，对于如何防止该风险的发生，专利中没有给出相应措施。

发明内容

针对现有技术上的上述不足，本发明旨在降低现有噪声抵消结构的低噪声放大器设计中，对共源晶体管的跨导和增益的要求，同时又不引入不稳定因素，从而提出一种使噪声抵消结构可以应用在更高频段的无线系统中的噪声抵消低噪声放大器。

为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：

一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：包括第一晶体管和第二晶体管，处于共栅结构工作状态的第一晶体管的源极依次通过变压器和电容器后，与处于共源结构工作状态的第二晶体管的栅极相连，变压器将输入信号与第二晶体管之间进行耦合并进行电压放大，电容器起到隔离直流，耦合信号的作用；从而实现共源级晶体管的偏置。

所述变压器包括第一电感器和第二电感器叠加而成，第一电感器的一端和第二电感器的一端均连接到地，第一电感器的另一端和第二电感器的另一端作为变压器的输入和输出端口。

进一步地，第一电感器的一端连接到第一晶体管的源级，第二电感器的一端连接到电容器的一端，电容器另一端连接到第二晶体管的栅极。

进一步地，电路的信号输入端口与第一晶体管的源级以及变压器中第一电感器的端口连接在一起。

进一步地，第一晶体管的漏极连接到第一电源偏置上，同时作为电路的信号正相输出端；第二晶体管的漏极连接到第二电源偏置上，同时作为电路的信号反相输出端；信号正相输出端和信号反相输出端共同成为本电路结构的差分输出端口；第一电源偏置和第二电源偏置的作用是隔离高频信号，同时提供直流通路，第一电源偏置和第二电源偏置由电阻、电感或电阻与电感的并联组成；第一电源偏置和第二电源偏置的另外一端连接到电源。

进一步地，第一晶体管和第二晶体管是包含具有漏极、源级和栅极的场效应晶体管（FET）。

进一步地，第一晶体管和第二晶体管的漏极分别连接有共栅结构的第三晶体管和共栅结构的第四晶体管，差分输出端口的信号正相输出端连接在第三晶体管的漏极，差分输出端口的信号反相输出端连接在共栅结构的第四晶体管的漏极。

进一步地，第一晶体管的第一栅极偏置端口连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg1，第二晶体管的第二栅极偏置端口连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg2。

进一步地，第三晶体管的第三栅极偏置端口连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg3，第四晶体管的第四栅极偏置端口连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg4。

本发明的有益效果：

1、本申请引入变压器耦合结构，提供了无源的电压放大功能，从而降低了反相放大器设计中对共源结构晶体管跨导和增益的要求，降低了电路设计难度，使噪声抵消结构的低噪声放大器可以应用在更高的频段，如毫米波频段。

2、本申请在噪声抵消反相放大器-Av的实现上，利用了变压器结构带来无源电压增益这一特点，来更好的实现噪声抵消，从而降低对共源级放大器的需求。

3、共源结构晶体管跨导的降低，就意味着功耗的降低，采用本发明中所提出的结构可以降低电路的功耗。

4、在芯片上实现本发明所述变压器结构时，不会带来芯片面积的增加。变压器由两个电感叠加来实现，其在芯片上实现时，变压器所占用的芯片面积与一个电感所占用的面积相差无几，故占用的芯片面积将几乎不会增加。

5、通过变压器耦合带来无源电压增益的技术，实现噪声抵消的低噪声放大器，可应用于低、中、高频信号的放大，并且同时具有良好的匹配和噪声性能。

附图说明

图1为噪声抵消技术原理图。

图2为现有技术一附图。

图3为现有技术二附图。

图4 本发明实施例一附图。

图5 本发明实施例二附图。

附图中：

11-信号输入端口，12-信号正相输出端，13-信号反相输出端，14-第一栅极偏置端口，15-第二栅极偏置端口，16-电源，17-地，18-第三栅极偏置端口，19-第四栅极偏置端口，31-电容器，41-第一电源偏置，42-第二电源偏置，51-第一晶体管，52-第二晶体管，53-第三晶体管，54-第四晶体管，70-变压器，71-第一电感器，72-第二电感器。

具体实施方式

除了优选实施例或下面公开的实施例，本发明可以用于其他实施例且以各种方式被实现或被执行。因此，可以理解本发明不限于在下面的描述提出的或附图示例出的元件的结构和排列的细节的应用。如果在此仅描述了一个实施例，关于它的权利要求不限于该实施例。此外，关于它的权利要求不应该被限制性地理解，除非有清楚的和有力的迹象证明某一种排除、限制或放弃。

图1显示了噪声抵消结构低噪声放大器的原理，由晶体管M1内部的噪声电流i_noise会在晶体管M1的漏极和源级产生相位相反的噪声电压信号，其中漏极的噪声信号到达信号正相输出端口12，源级的噪声信号经过反相放大器60之后到达信号反相输出端13，相位发生反转，幅度被放大了A_V倍。只要恰当的设计方向放大器60的放大倍数A_V，就可以使正相输出端12和反相输出端13的噪声信号幅度也相等。在差分电路中，相位相同、幅度相等的信号将会被抵消掉。需要的信号从输入端口11进入电路，也会被分为两路，一路经过共栅结构晶体管M1同相放大后，到达正相输出端口12，一路经过反相放大器60之后到达反相输出端13，相位发生反转，幅度被放大了A_V倍。这样，所需要的信号由输入端口11输入后，既得了信号的放大，又实现了单端转差分的转换。

图2显示了现有技术的噪声抵消结构低噪声放大器的一种实现方法，采用共源结构晶体管M2来实现图1中反相放大器60的功能。

图3显示了现有技术的噪声抵消结构低噪声放大器的一种实现方法，同样采用共源结构晶体管M2来实现图1中反相放大器60的功能，不同点在于此电路中分别在共栅管M1和共源管M2的源级和漏极用变压器耦合实现正反馈。

图4显示了本发明的一个实施例，变压器70实现输入信号与共源结构第二晶体管52之间的耦合，并提供一定的电压放大倍数。这样做可以降低对共源结构第二晶体管52的要求，从而降低电路在芯片上的实现难度，以及降低功耗。在芯片上实现时，变压器70是通过第一电感器71和第二电感器72交叠摆放组合而成的，其占用的芯片面积与单个电感占用的芯片面积相差无几，因此本实施例不会增加芯片的面积。

在图示的配置中，第一晶体管51和第二晶体管52是包含具有漏极、源级和栅极的场效应晶体管（FET）。第一晶体管51为共栅结构工作状态，即信号由源级输入，由漏极输出。第二晶体管52为共源级工作状态，即信号由栅极输入，由漏极输出。

变压器70由第一电感器71和第二电感器72叠加组合而成，两个电感器的电感量的比值和它们之间的互感系数决定了变压器无源电压增益的大小。两个电感的其中一端均连接到地17，两外一端作为变压器70的两个输入/输出端口。第一电感器71的端口连接到第一晶体管51的源级，第二电感器72的端口连接到电容器31的一端。电容器31起到隔离直流，耦合信号的左右，其另一端连接到第二晶体管52的栅极。

电路的信号输入端口与第一晶体管51的源级以及变压器70中第一电感器71的端口连接在一起。

第一晶体管51的漏极连接到第一电源偏置41上，同时作为电路的信号正相输出端12。第二晶体管52的漏极连接到第二电源偏置42上，同时作为电路的信号反相输出端13。输出端12和13共同成为本电路结构的差分输出端口。第一电源偏置41和42的作用是隔离高频信号，同时提供直流通路，一次第一电源偏置41和42可以由电阻、电感或电阻与电感的并联组成。第一电源偏置41和42的另外一端连接到电源16。

图5所示为另一实施例，其与图4中实施例差别在于，分别在第一晶体管51和第二晶体管52的漏极增加了共栅结构第三晶体管53和54，差分输出端口12和13也改为连接在第三晶体管53和54的漏极。与图4中实施例相比，图5的实施例可提高电路的增益和输出功率，优化输出阻抗特性，缺点是需要更高的电源电压。

实施例图4和图5中晶体管的第一栅极偏置端口14、15、18、19连接到偏置电路中，得到合适的偏置电压Vg1、Vg2、Vg3、Vg4。

实施例2

一种噪声抵消低噪声放大器，包括第一晶体管51和第二晶体管52，处于共栅结构工作状态的第一晶体管51的源极依次通过变压器70和电容器31后，与处于共源结构工作状态的第二晶体管52的栅极相连，变压器70将输入信号与第二晶体管52之间进行耦合并进行电压放大，电容器31起到隔离直流，耦合信号的作用；从而实现共源级晶体管的偏置。

变压器70包括第一电感器71和第二电感器72叠加而成，第一电感器71的一端和第二电感器72的一端均连接到地17，第一电感器71的另一端和第二电感器72的另一端作为变压器70的输入和输出端口。

第一电感器71的一端连接到第一晶体管51的源级，第二电感器72的一端连接到电容器31的一端，电容器31另一端连接到第二晶体管52的栅极。

电路的信号输入端口11与第一晶体管51的源级以及变压器70中第一电感器71的端口连接在一起。

第一晶体管51的漏极连接到第一电源偏置41上，同时作为电路的信号正相输出端12；第二晶体管52的漏极连接到第二电源偏置42上，同时作为电路的信号反相输出端13；信号正相输出端12和信号反相输出端13共同成为本电路结构的差分输出端口；第一电源偏置41和第二电源偏置42的作用是隔离高频信号，同时提供直流通路，第一电源偏置41和第二电源偏置42由电阻、电感或电阻与电感的并联组成；第一电源偏置41和第二电源偏置42的另外一端连接到电源16。

第一晶体管51和第二晶体管52是包含具有漏极、源级和栅极的场效应晶体管（FET）。第一晶体管51的第一栅极偏置端口14连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg1，第二晶体管52的第二栅极偏置端口15连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg2。

实施例3

第一电感器71的一端连接到第一晶体管51的源级，第二电感器72的一端连接到电容器31的一端，电容器31另一端连接到第二晶体管52的栅极。电路的信号输入端口11与第一晶体管51的源级以及变压器70中第一电感器71的端口连接在一起。

第一晶体管51和第二晶体管52是包含具有漏极、源级和栅极的场效应晶体管（FET）。第一晶体管51和第二晶体管52的漏极分别连接有共栅结构的第三晶体管53和共栅结构的第四晶体管54，差分输出端口的信号正相输出端12连接在第三晶体管53的漏极，差分输出端口的信号反相输出端13连接在共栅结构的第四晶体管54的漏极。第一晶体管51的第一栅极偏置端口14连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg1，第二晶体管52的第二栅极偏置端口15连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg2。第三晶体管53的第三栅极偏置端口18连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg3，第四晶体管54的第四栅极偏置端口19连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg4。

Claims

1.一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：包括第一晶体管（51）和第二晶体管（52），处于共栅结构工作状态的第一晶体管（51）的源极依次通过变压器（70）和电容器（31）后，与处于共源结构工作状态的第二晶体管（52）的栅极相连，变压器（70）将输入信号与第二晶体管（52）之间进行耦合并进行电压放大，电容器（31）起到隔离直流，耦合信号的作用；从而实现共源级晶体管的偏置；

第一晶体管（51）和第二晶体管（52）是包含具有漏极、源级和栅极的场效应晶体管；

第一晶体管（51）的第一栅极偏置端口（14）连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg1，第二晶体管（52）的第二栅极偏置端口（15）连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg2。

2.根据权利要求1所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：变压器（70）包括第一电感器（71）和第二电感器（72）叠加而成，第一电感器（71）的一端和第二电感器（72）的一端均连接到地（17），第一电感器（71）的另一端和第二电感器（72）的另一端作为变压器（70）的输入和输出端口。

3.根据权利要求2所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：第一电感器（71）的一端连接到第一晶体管（51）的源级，第二电感器（72）的一端连接到电容器（31）的一端，电容器（31）另一端连接到第二晶体管（52）的栅极。

4.根据权利要求2所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：电路的信号输入端口（11）与第一晶体管（51）的源级以及变压器（70）中第一电感器（71）的端口连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：第一晶体管（51）的漏极连接到第一电源偏置（41）上，同时作为电路的信号正相输出端（12）；第二晶体管（52）的漏极连接到第二电源偏置（42）上，同时作为电路的信号反相输出端（13）；信号正相输出端（12）和信号反相输出端（13）共同成为本电路结构的差分输出端口；第一电源偏置（41）和第二电源偏置（42）的作用是隔离高频信号，同时提供直流通路，第一电源偏置（41）和第二电源偏置（42）由电阻、电感或电阻与电感的并联组成；第一电源偏置（41）和第二电源偏置（42）的另外一端连接到电源（16）。

6.根据权利要求1所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：第一晶体管（51）和第二晶体管（52）的漏极分别连接有共栅结构的第三晶体管（53）和共栅结构的第四晶体管（54），差分输出端口的信号正相输出端（12）连接在第三晶体管（53）的漏极，差分输出端口的信号反相输出端（13）连接在共栅结构的第四晶体管（54）的漏极。

7.根据权利要求6所述的一种噪声抵消低噪声放大器，其特征在于：第三晶体管（53）的第三栅极偏置端口（18）连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg3，第四晶体管（54）的第四栅极偏置端口（19）连接到偏置电路中，得到偏置电压Vg4。