一種電流復用低噪放和混頻器的融合結構的製作方法
2023-10-10 12:13:04
專利名稱：一種電流復用低噪放和混頻器的融合結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種電流復用低噪放和混頻器的融合結構，能顯著降低射頻接收機前端的功耗，同時利用電流復用完成了輸出共模反饋；具有功耗低，模塊間隔離度高、輸出共模電平穩定的特點；適合用於低電壓、低功耗射頻接收機前端電路。
背景技術：
進入21世紀，無線射頻系統的發展極為迅速，其中WSN(無線傳感網絡)技術的崛起更是可以與網際網路相媲美。WSN技術對射頻收發機的低功耗提出了很高的要求。對於現有的射頻接收機，低噪放的輸入管由於需要做阻抗匹配和實現高帶寬，混頻器的跨導級由於要實現高帶寬和較高的轉換增益，都需要較大的偏置電流，這樣就限制了射頻系統的總體功耗。而混頻器為了降低輸出閃爍噪聲和提高轉換增益，往往需要開關級和負載級偏置在較低的偏置電流下。因此理論上混頻器的跨導級和低噪聲放大器的輸入級之間可以復用大電流。以往的低噪聲放大器和混頻器復用電流的電路，大多採用垂直層疊結構，對電源電壓要求較高。
實用新型內容實用新型目的針對現有技術中存在的問題與不足，本實用新型提供ー種融合低噪放與混頻器偏置電流的一種電流復用低噪放和混頻器的融合結構。其具有工作電壓低、靜態功耗小、輸出共模穩定的特點。技術方案ー種電流復用低噪放和混頻器的融合結構，包括低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構，還包括跨導增強低噪放和混頻差分輸出共模電平穩定電路；所述低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構和跨導增強低噪放，通過低噪聲放大器輸入電晶體和混頻器跨導級電晶體之間使用電感電容濾波網絡和共柵極NMOS管(N型金屬氧化物場效應管)串聯，實現低噪聲放大器與混頻器跨導級偏置電流的共享，同時實現了兩模塊間信號的隔離；所述混頻差分輸出共模電平穩定電路，通過誤差放大器A的輸出連接到所述電流復用結構中的共柵管的柵極形成共模反饋環路，達到穩定混頻器輸出端共模電平的效果。所述低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構包括第五電感、第六電感，第九電容、第十電容，第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五電感和第九電容並聯，第五電感和第九電容並聯結構一端接第一 NMOS管的漏極，另一端接第五NMOS管的源極；所述第六電感和第十電容並聯，此並聯結構一端接第二 NMOS管的漏極，另一端接第六匪OS管的源扱；所述第五NMOS管的漏極接第一 PMOS管(PM0S管，P型金屬氧化物場效應管)的漏極，第六NMOS管的漏極接第二 PMOS管的漏極；所述第五NMOS管和第六NMOS管的柵極互連，並接誤差放大器A的輸出端。
第一 PMOS管、第二 PMOS管的絕大部分偏置電流和低噪放輸入第一 NMOS管、第二NMOS管的偏置電流通過所述偏置結構實現共用。低噪放的輸出信號通過第五電感和第九電容並聯結構以及第六電感和第十電容並聯結構實現了射頻信號到混頻器的隔離，同時也實現了混頻器的射頻信號對低噪聲放大器的隔離。混頻器內的中頻信號，通過第五NMOS管和第六NMOS管漏極的高阻抗實現了對低噪放的隔離。所述跨導增強低噪放(採用跨導增強結構輸入管的差分輸入低噪聲放大器)包括第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容、第六電容、第七電容和第八電容，第一NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一電感、第二電感、第三電感和第四電感；輸入差分信號分別通過第一電容、第二電容做交流耦合輸入；所述第一 NMOS管源極分別接第一電容和第 三電容的一端，第三電容另一端接第二 NMOS管的柵極；第二 NMOS管的源極分別接第二電容和第四電容的一端，第四電容的另一端接第一 NMOS管的柵極；第三NMOS管的源極接第一 NMOS管的漏極，第四NMOS管的源極接第二 NMOS管的漏極，第三NMOS管和第四NMOS管的柵極互連並接偏置電壓Vbiasl;第三電感和第五電容並聯，此並聯結構一端接第三NMOS管的漏極，另一端接電源；第四電感和第六電容並聯，此並聯結構一端接第四NMOS管的漏扱，另一端接電源；第七電容一端接第四NMOS管的漏扱，另一端接第一 PMOS管的柵極；第八電容一端接N型第三場效應管的漏扱，另一端接第二 PMOS管的柵極。同向的輸入信號通過電容耦合，同時加在第一 NMOS管(或者第二 NMOS管)的源極和第二 NMOS管(或者第一 NMOS管)的柵極，相當於小信號柵源電壓較傳統共柵結構增加了一倍，其等效效果相當於增大了輸入管的跨導(以下簡稱gm)，形成了跨導增強結構，這樣在單個輸入管尺寸和偏置電流不變的情況下，増加了電路對輸入信號的放大能力，在保證相同的輸入阻抗基礎上，減小了低噪放的偏置電流。所述混頻差分輸出共模電平穩定電路包含第一電阻、第二電阻和誤差放大器A ;所述第一電阻一端接第七NMOS管的漏極，其另一端接第二電阻的一端；所述第二電阻的另一端接第十NMOS管的漏極；所述第一電阻和第二電阻的相連接端(公共端)接放大器A的正向輸入端；所述放大器A的負向輸入接參考共模電平；放大器A的輸出接第五NMOS管和第六NMOS管的相連接端(公共端)。上述共模電平穩定電路，通過第一電阻和第二電阻採集輸出共模電平，通過放大器A的輸出和本實用新型所述的低噪放輸入管與混頻電流源偏置電流的復用結構形成環路，達到穩定混頻器輸出端共模電平的效果。有益效果與現有技術相比，本實用新型所提供的電流復用低噪放和混頻器的融合結構中的低噪聲放大器的輸入級和混頻器的跨導級分別採用的是NMOS管和PMOS管。結構上是並列的，從電源到地之間最多只有3個電晶體，因此可以工作在較低的電源電壓下，提高了其應用價值，具有工作電壓低，靜態功耗小，輸出共模穩定的優點。
圖I為本實用新型實施例中的電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例，進ー步闡明本實用新型，應理解這些實施例僅用於說明本實用新型而不用於限制本實用新型的範圍，在閱讀了本實用新型之後，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。[0015]本 實用新型利用低噪放與混頻器之間的電流共享結構，實現了低噪放與混頻器在相互隔離的前提下進行偏置電流共用的功能，顯著降低了靜態功耗。同時在輸入端採用差分輸入的跨導增強結構，在相同匹配條件和相同電壓增益條件下，低噪聲放大器放大管的功耗顯著下降了。具體實施例如圖I所示作為射頻接收電路的前端，低噪聲放大器的輸入管第一NMOS管NI、第二 NMOS管N2和混頻器的跨導級第一 PMOS管Pl和第二 PMOS管P2需要較大的偏置電流。本實用新型設計的低噪放輸入管與混頻電流源偏置電流的復用結構，包括第五電感L5、第六電感L6，第九電容C9、第十電容C10，第五NMOS管N5、第六NMOS管N6。第五電感L5與第九電容C9並聯,此並聯結構一端接第一 NMOS管NI的漏極,其另一端接第五NMOS管N5的源極，第五NMOS管N5的漏極接第一 PMOS管Pl的漏極。第六電感L6與第十電容ClO並聯，此並聯結構一端接第二 NMOS管N2的漏極，其另一端接第六NMOS管N6的源極，第六NMOS管N6接第一 PMOS管Pl的漏極。第五NMOS管N5、第六NMOS管N6柵極相連，接放大器A的輸出，放大器A為第五NMOS管N5、第六NMOS管N6提供偏置電壓。電感電容並聯網絡(第五電感L5和第九電容C9並聯，第六電感L6和第十電容ClO並聯)對於輸入頻段的射頻信號開路，起到信號隔離的作用。本實施例包括採用跨導增強結構輸入管的差分輸入低噪聲放大器(以下簡稱跨導增強低噪放)，跨導增強低噪放包括第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7和第八電容C8，第一 NMOS管NI、第二 NMOS管N2、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4，第一電感LI、第二電感L2、第三電感L3和第四電感L4。輸入差分信號分別通過第一電容Cl、第二電容C2做交流稱合輸入；第一 NMOS管NI源極接第一電容Cl和第三電容C3的一端，第三電容C3另一端接第二 NMOS管N2的柵極；第二 NMOS管N2的源極接第二電容C2和第四電容C4的一端，第四電容C4的另一端接第一 NMOS管NI的柵極；第三NMOS管N3的源極接第一 NMOS管NI的漏極，第四NMOS管N4的源極接第二 NMOS管N2的漏極，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的柵極互連並接偏置電壓Vbiasl ;第三電感L3和第五電容C5並聯，此並聯結構一端接第三NMOS管N3的漏極，另一端接電源；第四電感L4和第六電容C6並聯，此並聯結構一端接第四NMOS管N4的漏極，另一端接電源；第七電容C7 —端接第四NMOS管N4的漏極，另一端接第一 PMOS管Pl的柵極；第八電容C8 —端接第三NMOS管N3的漏極，另一端接第二 PMOS管P2的柵極。同向的輸入信號通過電容耦合，同時加在第一 NMOS管NI (或第二 NMOS管N2)的源極和第二 NMOS管N2(或第一 NMOS管NI)的柵極，相當於小信號柵源電壓較傳統共柵結構增加了一倍，其等效效果相當於增大了輸入管的跨導(以下簡稱gm)，形成了跨導增強結構，這樣在單個輸入管尺寸和偏置電流不變的情況下，増加了電路對輸入信號的放大能力，在保證相同的輸入阻抗基礎上，減小了低噪放的偏置電流。本實施例還包括混頻器差分輸出共模電平穩定電路。混頻器差分輸出共模電平穩點電路包含第一電阻R1、第二電阻R2和誤差放大器A。第一電阻Rl —端接第七NMOS管N7的漏極，其另一端接第二電阻R2的一端，第二電阻R2的另一端接第十NMOS管NlO的漏極；第一電阻Rl和第二電阻R2的公共端接放大器A的正向輸入端；放大器A的負向輸入接參考共模電平；放大器A的輸出接第五NMOS管N5和第六NMOS管N6的公共端。上述共模電平穩定電路，通過第一電阻Rl和第二電阻R2採集輸出共模電平，通過放大器A的輸出和本實用新型所述的低噪放輸入管與混頻電流源偏置電流的復用結構形成環路，達到穩定混頻器輸出端共模電平的效果。本實用新型通過cadence軟體仿真，得到的結果顯示，在I. 2V的工作電壓下，靜態偏置電流為3. 5mA左右，而同樣的未採用所述電流復用結構低噪聲放大器和下混頻器的靜態偏置電流為6mA。本實用新型靜態功耗只有傳統應用的58%，大大降低了射頻接收機前
端的功耗，而相比之下性能指標沒有明顯惡化。具有新型實用的特點。
權利要求1.一種電流復用低噪放和混頻器的融合結構，其特徵在於包括低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構，還包括跨導增強低噪放和混頻差分輸出共模電平穩定電路；所述低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構和跨導增強低噪放，通過低噪聲放大器輸入電晶體和混頻器跨導級電晶體之間使用電感電容濾波網絡和共柵極NMOS管串聯，實現低噪聲放大器與混頻器跨導級偏置電流的共享，同時實現了兩模塊間信號的隔離；所述混頻差分輸出共模電平穩定電路，通過誤差放大器A的輸出連接到所述電流復用結構中的共柵管的柵極形成共模反饋環路。
2.如權利要求I所述的電流復用低噪放和混頻器的融合結構，其特徵在於所述低噪放輸入管與混頻器偏置電流的復用結構包括第五電感、第六電感，第九電容、第十電容，第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五電感和第九電容並聯，第五電感和第九電容並聯結構一端接第一 NMOS管的漏極，另一端接第五NMOS管的源極；所述第六電感和第十電容並聯，此並聯結構一端接第二 NMOS管的漏扱，另一端接第六NMOS管的源極；所述第五NMOS管的漏極接第一 PMOS管的漏極，第六NMOS管的漏極接第二 PMOS管的漏極；所述第五NMOS管和第六NMOS管的柵極互連，並接誤差放大器A的輸出端。
3.如權利要求I所述的電流復用低噪放和混頻器的融合結構，其特徵在於所述跨導增強低噪放包括第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容、第六電容、第七電容和第八電容，第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，第一電感、第二電感、第三電感和第四電感；輸入差分信號分別通過第一電容、第二電容做交流稱合輸入；所述第一 NMOS管源極分別接第一電容和第三電容的一端，第三電容另一端接第二 NMOS管的柵極；第二 NMOS管的源極分別接第ニ電容和第四電容的一端，第四電容的另一端接第一 NMOS管的柵極 ，第三NMOS管的源極接第一 NMOS管的漏極，第四NMOS管的源極接第二 NMOS管的漏極，第三NMOS管和第四NMOS管的柵極互連並接偏置電壓Vbiasl ;第三電感和第五電容並聯，此並聯結構一端接第三NMOS管的漏極，另一端接電源；第四電感和第六電容並聯，此並聯結構一端接第四NMOS管的漏極，另一端接電源；第七電容一端接第四NMOS管的漏極，另一端接第一 PMOS管的柵極；第八電容一端接N型第三場效應管的漏扱，另一端接第二PMOS管的柵極。
4.如權利要求I所述的電流復用低噪放和混頻器的融合結構，其特徵在於所述混頻差分輸出共模電平穩定電路包含第一電阻、第二電阻和誤差放大器A ;所述第一電阻一端接第七NMOS管的漏極，其另一端接第二電阻的一端；所述第二電阻的另一端接第十NMOS管的漏極；所述第一電阻和第二電阻的相連接端接放大器A的正向輸入端；所述放大器A的負向輸入接參考共模電平；放大器A的輸出接第五NMOS管和第六NMOS管的相連接端。
專利摘要本實用新型公開一種電流復用低噪放和混頻器的融合結構，該結構的低噪放的輸入管和下混頻器跨導級復用靜態偏置電流，使用電感電容並聯網絡來實現對來自低噪聲放大器射頻信號往混頻器的隔離，使用電感電容網絡和共柵極電晶體的高輸出阻抗實現對來自混頻器跨導級射頻信號往低噪聲放大器的隔離，對混頻器中頻信號往低噪聲放大器方向的信號隔離是通過電流復用支路共柵極電晶體N5、N6的高輸出阻抗和工作在飽和區的雙平衡開關管的高輸出阻抗一起實現的。低噪放和混頻器復用電流大大提高了電流利用效率從而降低了功耗。同時由於本實用新型中的電流復用方式具有較高的信號隔離能力，在降低功耗的同時保證了電路的性能。
文檔編號H03D7/12GK202406088SQ20112053547
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者吳建輝, 溫俊峰, 王旭東, 田茜, 白春風, 趙強, 陳超 申請人:東南大學