一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器的製作方法
2023-06-14 08:29:01 1
專利名稱：一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，具有低噪聲係數低功耗的特點，屬於射頻集成電路技術領域。
背景技術：
低噪聲放大器是無線傳輸系統中接收機的關鍵模塊，它一般與天線相連，放大接收到的微弱信號，並儘量減少對信號的惡化。埠匹配，增益，噪聲係數，功耗和線性度是低噪聲放大器的主要技術參數。傳統的低噪聲放大器採用源級電感反饋技術，可以提供窄帶輸入匹配和較低的噪聲係數，但是這種結構需要片上電感，而且不適合用於寬帶系統。採用噪聲抵消技術的低噪聲放大器能夠在寬帶實現較低的噪聲係數，但是功耗較大。採用共柵結構的低噪聲放大器具有寬帶輸入匹配的特性和較低的功耗，但是噪聲係數較大。圖1為改進後的共柵結構低噪聲放大器，採用了差分電容交叉耦合技術。改進的共柵結構低噪聲放大器由平衡非平衡變壓器(I)、電容交叉耦合的共柵放大級(2)和負載級(3)組成。平衡非平衡變壓器(I)將單端信號轉化為差分信號並為NMl和NM2提供源級直流偏置。電容交叉耦合的共柵放大級(2)由共柵放大管匪1和匪2組成，交叉耦合的電容Cl和C2將差分輸入信號耦合到相對的電晶體的柵極，使得共柵放大管匪1和匪2的柵 源間信號電壓增加一倍，從而增加共柵放大管的等效跨導，降低了噪聲係數和功耗。負載級
(3)由電容，電阻，電感等無源器件中的一種或多種組成。只考慮共柵放大管的噪聲貢獻，在輸入阻抗和源阻抗完全匹配的假設下，該電路的噪聲係數為:F=I+Y/2 (I)為了進一步降低功耗，可以採用二次跨導增強技術，即在電容交叉耦合共柵放大器之後級聯一級主共柵放大器，主共柵放大器的源級與輸入差分信號相連，如圖 2 所不，參考文獻I(F.Belmas, F.Hameau, and J.-Μ.Fournier, 「A Low PowerInductorless LNA with Double Gm Enhancement in 130nm CMOS,，』IEEE J.Solid-StateCircuits, vol.47, n0.5, pp.1094 - 1103, May.2012.)。這樣的結構可以用很小的功耗實現較大的等效跨導，提供較好的輸入匹配和較高的增益。這樣的結構可以抑制主共柵放大管的噪聲貢獻，但是對於交叉電容耦合共柵放大管的噪聲抑制不夠，使得整個電路的噪聲係數較高。
發明內容
本發明的技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，通過跨導二次增強和前饋噪聲抵消技術的結合，實現了低噪聲係數和低功耗，解決現有低功耗共柵低噪聲放大器的噪聲係數較高的問題。本發明提供了如下的技術方案:一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，包括平衡非平衡變壓器1、電容交叉耦合的共柵放大級2、前饋噪聲抵消級3、主共柵放大級4和負載阻抗5。電容交叉耦合的共柵放大級2和主共柵放大級4級聯；平衡非平衡變壓器I的兩個平衡輸出端與電容交叉耦合的共柵放大級2和主共柵放大級4的輸入端直接耦合，即平衡非平衡變壓器I的兩個平衡輸出端與兩級共柵放大器的源級相連，同時平衡非平衡變壓器I兩個平衡輸出端與前饋噪聲抵消級3的柵端通過電容耦合方式連接；前饋噪聲抵消級3的漏端連接至電容交叉耦合的共柵放大級2的漏端，並通過電容耦合連接至主共柵放大級4的柵極；負載阻抗5與主共柵放大級4的漏極相接；前饋噪聲抵消級3作為負載電晶體疊在電容交叉耦合的共柵放大級2之上，共用直流電流，可以降低功耗；且前饋噪聲抵消級3為電容交叉耦合的共柵放大級2提供了額外的噪聲抵消路徑，可以降低共柵放大管匪I和匪2在差分輸出端Vo的噪聲貢獻；電容交叉耦合的共柵放大級2採用兩個相同的N型電晶體匪1和匪2作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻Rl和R2接到偏置電壓vbl，電容Cl的兩端分別接匪I的源級和匪2的柵極，電容C2的兩端分別接匪2的源級和匪I的柵極；主共柵放大級 4用兩個相同的N型電晶體匪3和NM4作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻R3和R4接到偏置電壓vb2 ；平衡非平衡變壓器I的單端輸入I連接至信號源，平衡輸出端2直接耦合到匪I的源級和NM4的源級，平衡輸出端3直接耦合到匪2的源級和匪3的源級，第4端和第5端接地；前饋噪聲抵消級3)由兩個相同的P型電晶體PMl和PM2組成，PMl和PM2的源級接到電源，PMl的漏極與匪I的漏極相連並通過電容C5耦合到匪3，PM2的漏極與匪2的漏極相連並通過電容C6耦合到NM4，PMl和PM2的柵極分別通過大電阻R5和R6接到偏置電壓vb3 ；電容交叉耦合的共柵放大級2和前饋噪聲抵消級3通過電容耦合，C4的兩端分別接到匪I的源級和PM2的柵極，C3的兩端分別接到匪2的源級和PMl的柵極；負載阻抗5由阻抗Zl和Z2組成，由電阻，電感，電容無源器件中的一種或者幾種組合而成，Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接到電源和NM4的漏極。本發明與現有技術相比的優點在於:( I)本發明中的電容交叉耦合的共柵放大級和主共柵放大級級聯，平衡非平衡變壓器的兩個平衡輸出端分別與兩級共柵放大器的源級相連，這種連接方式可以對跨導進行二次增強，用低功耗實現較大的等效跨導，降低了電路功耗；(2)本發明的前饋噪聲抵消級為電容交叉耦合的共柵放大級提供了額外的噪聲抵消路徑，可以降低共柵放大管匪1和匪2在差分輸出端Vo的噪聲貢獻；(3)本發明的前饋噪聲抵消級疊在電容交叉耦合的共柵放大級之上，PMl和PM2同時作為負載電晶體，前饋噪聲抵消級和交叉耦合的共柵放大級共用直流電流，降低功耗了功耗；(4)本發明的前饋噪聲抵消級用P型電晶體PMl和PM2實現，疊在電容交叉耦合的共柵放大級的N型電晶體匪I和匪2之上，這樣的連接方式需要的電壓裕度較少，可以採用低電壓供電，降低了功耗；(5)本發明的前饋噪聲抵消級用P型電晶體PMl和PM2實現，因此電容交叉耦合的共柵放大級的輸出阻抗為電晶體的漏端阻抗並聯，電容交叉耦合的共柵放大級的高增益有助於抑制主共柵放大器的噪聲貢獻，也有助於整個低噪聲放大器的高增益；
圖1是現有技術中採用差分電容交叉耦合的共柵低噪聲放大器；圖2是現有技術中採用二次跨導增強技術的共柵低噪聲放大器；圖3是本發明提供的採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器結構示意圖；圖4是平衡非平衡變壓器抵消噪聲的原理圖；圖5是電容交叉耦合抵消噪聲的原理圖；圖6是主共柵放大級抵消噪聲的原理圖；圖7是前饋噪聲抵消級抵消噪聲的原理圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明的具體實施方式
提供了一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，如圖3所示，包括平衡非平衡變壓器1、電容交叉耦合的共柵放大級2、前饋噪聲抵消級3、主共柵放大級4和負載阻抗5。電容交叉耦合的共柵放大級2用兩個相同的N型電晶體匪1和匪2作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通 過大電阻Rl和R2接到偏置電壓vbl，電容Cl的兩端分別接匪I的源級和匪2的柵極，電容C2的兩端分別接匪2的源級和匪I的柵極；主共柵放大級4用兩個相同的N型電晶體匪3和NM4作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻R3和R4接到偏置電壓vb2;平衡非平衡變壓器I的單端輸入I連接至信號源，平衡輸出端2直接耦合到匪I的源級和NM4的源級，平衡輸出端3直接耦合到匪2的源級和匪3的源級，第4端和第5端接地；前饋噪聲抵消級3由兩個相同的P型電晶體PMl和PM2組成，PMl和PM2的源級接到電源，PMl的漏極與匪I的漏極相連並通過電容C5耦合到匪3，PM2的漏極與匪2的漏極相連並通過電容C6耦合到NM4，PMl和PM2的柵極分別通過大電阻R5和R6接到偏置電壓 vb3 ；電容交叉耦合的共柵放大級2和前饋噪聲抵消級3通過電容耦合，C4的兩端分別接到匪I的源級和PM2的柵極，C3的兩端分別接到匪2的源級和PMl的柵極；負載阻抗5由電阻Zl和Z2組成，無電感的設計有助於節省成本，Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接到電源和NM4的漏極。共柵放大器的主要噪聲源是共柵放大電晶體的溝道熱噪聲，可以等效為一個從電晶體漏極流向源級的噪聲電流。以匪1的溝道熱噪聲為例，噪聲電流從匪1的漏極流向源級,在匪I源級產生一個正相的噪聲電壓，在匪I漏極產生一個反相的噪聲電壓，進一步在NM3的漏極產生一個同相的噪聲電壓。除了平衡非平衡變壓器，電容交叉耦合以及主共柵放大級三條噪聲抵消通路，本發明設計了額外的噪聲前饋路徑，在NM4的漏端產生相干的同相噪聲電壓，從而差分輸出端Vo可以抵消大部分的匪I噪聲貢獻。本發明採用的四條噪聲抵消路徑，其原理如下:1、平衡非平衡變壓器平衡非平衡變壓器抵消噪聲的原理如圖4所示。電晶體NMl的源級噪聲電壓會耦合到電晶體匪2的源級，由於理想平衡非平衡變壓器的相互耦合作用，匪2的源級產生的噪聲電壓與匪I源級的噪聲電壓幅度相同而相位相反。匪2的源級噪聲電壓經過匪2的共柵放大到匪2的漏端，匪2漏級的噪聲電壓與匪2源級的噪聲電壓同相，也與匪I漏極的噪聲電壓同相。匪2漏極的噪聲電壓經 過電容C6耦合到NM4的柵極並經過NM4的放大到NM4的漏極，產生的噪聲電壓與匪2漏極噪聲電壓反相，與匪3漏極噪聲電壓同相。這樣差分輸出端可以抵消一部分的共模噪聲，降低了電路的噪聲係數。2、電容交叉耦合電容交叉耦合結構抵消噪聲的原理如圖5所示。電晶體匪I的源級噪聲電壓通過電容Cl耦合到匪2的柵極，匪2柵極噪聲電壓與匪I源級噪聲電壓幅度相同相位相同。匪2柵極噪聲電壓通過匪2的共源放大到匪2的漏極，匪2的漏極噪聲電壓與匪2柵極噪聲電壓反相，與匪I漏極噪聲電壓同相。匪2漏極的噪聲電壓經過電容C6耦合到NM4的柵極並經過NM4的放大到NM4的漏極，產生的噪聲電壓與匪2漏極噪聲電壓反相，與匪3漏極噪聲電壓同相。因此，差分輸出端可以抵消一部分的共模噪聲，降低了電路的噪聲係數。3、主共柵放大級主共柵放大級抵消噪聲的原理如圖6所示。電晶體NMl的源級噪聲電壓直接耦合到NM4的源級，NM4源極噪聲電壓通過NM4共柵放大到NM4的漏極，產生的噪聲電壓與NM4源極噪聲電壓同相，與匪3漏極噪聲電壓同相。因此，差分輸出端可以抵消一部分的共模噪聲，降低了電路的噪聲係數。4、前饋噪聲抵消級前饋噪聲抵消級抵消噪聲的原理如圖7所示。電晶體匪I的源級噪聲電壓通過電容C4耦合到PM2的柵極，PM2柵極噪聲電壓與匪1源級噪聲電壓幅度相同相位相同。PM2柵極噪聲電壓通過PM2的共源放大到PM2的漏極(即匪2的漏極)，匪2的漏極噪聲電壓與PM2柵極噪聲電壓反相，與匪1漏極噪聲電壓同相。匪2漏極的噪聲電壓經過電容C6耦合到NM4的柵極並經過NM4的放大到NM4的漏極，產生的噪聲電壓與匪2漏極噪聲電壓反相，與匪3漏極噪聲電壓同相。因此，差分輸出端可以抵消一部分的共模噪聲，降低了電路的噪聲係數。在上述四條噪聲抵消路徑的作用下，在NM4的漏極產生了一個和匪3的漏級同相的噪聲電壓。額外的噪聲抵消路徑，使得差分輸出端可以抵消更多電晶體匪I的噪聲。由於全差分電路的對稱性，差分輸出端同樣可以抵消更多的電晶體匪2的噪聲。電容交叉耦合共柵放大級和前饋噪聲放大級在主共柵放大級之前提供了一定的增益,這樣可以抑制主共柵放大管匪3，NM4的噪聲貢獻。這樣，四個共柵放大管，匪1，匪2，匪3，NM4的噪聲貢獻都得到了抑制，整個電路的噪聲係數減小了。本發明通過額外噪聲抵消路徑的設計，使得共柵放大管的噪聲在差分輸出端被抵消，降低了電路的噪聲係數。採用本發明具體實施方式
提供的技術方案，能夠實現以下的技術效果:
1、本發明用兩級共柵放大器對跨導進行二次增強，用低功耗實現較大的等效跨導，降低了電路功耗；2、本發明的前饋噪聲抵消級為電容交叉耦合的共柵放大級提供了額外的噪聲抵消路徑，可以降低共柵放大管匪1和匪2在差分輸出端Vo的噪聲貢獻；3、本發明的前饋噪聲抵消級疊在電容交叉耦合的共柵放大級之上，PMl和PM2同時作為負載電晶體，前饋噪聲抵消級和交叉耦合的共柵放大級共用直流電流，降低功耗了功耗；4、本發明的前饋噪聲抵消級用P型電晶體PMl和PM2實現，疊在電容交叉耦合的共柵放大級的N型電晶體匪I和匪2之上，這樣的連接方式需要的電壓裕度較少，可以採用低電壓供電，降低了功耗；5、本發明的前饋噪聲抵消級用P型電晶體PMl和PM2實現，因此電容交叉耦合的共柵放大級的輸出阻抗為電晶體的漏端阻抗並聯，電容交叉耦合的共柵放大級的高增益有助於抑制主共柵放大器的噪聲貢獻，也有助於整個低噪聲放大器的高增益。總之，本發明採用電容交叉耦合的共柵放大級和主共柵放大級級聯的方式，對跨導進行了二次增強，用低功耗實現較高的等效跨導；前饋噪聲抵消級，可以減小電容交叉耦合的共柵放大級的噪聲貢獻；電容交叉耦合的共柵放大級和前饋噪聲抵消級提供的增益可以抑制主共柵放大級的噪聲貢獻。本發明通過跨導二次增強和前饋噪聲抵消技術的結合，實現了低噪聲係數和低功耗。本發明未詳細闡述部分屬於本領域公知技術。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明實施例揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發 明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，其特徵在於:包括平衡非平衡變壓器(I)、電容交叉耦合的共柵放大級(2)、前饋噪聲抵消級(3)、主共柵放大級(4)和負載阻抗(5);電容交叉耦合的共柵放大級(2)和主共柵放大級(4)級聯；平衡非平衡變壓器(I)的兩個平衡輸出端與電容交叉耦合的共柵放大級(2)和主共柵放大級(4)的輸入端直接耦合，即平衡非平衡變壓器(I)的兩個平衡輸出端與兩級共柵放大器的源級相連，同時平衡非平衡變壓器(I)兩個平衡輸出端與前饋噪聲抵消級(3)的柵端通過電容耦合方式連接；前饋噪聲抵消級(3)的漏端連接至電容交叉耦合的共柵放大級(2)的漏端，並通過電容耦合連接至主共柵放大級(4)的柵極；負載阻抗(5)與主共柵放大級(4)的漏極相接； 電容交叉耦合的共柵放大級(2)採用兩個相同的N型電晶體Wl和W2作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻Rl和R2接到偏置電壓vbl，電容Cl的兩端分別接匪I的源級和匪2的柵極，電容C2的兩端分別接匪2的源級和匪I的柵極； 主共柵放大級(4)用兩個相同的N型電晶體匪3和NM4作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻R3和R4接到偏置電壓vb2 ； 平衡非平衡變壓器(I)的單 端輸入I連接至信號源，平衡輸出端2直接耦合到匪I的源級和NM4的源級，平衡輸出端3直接耦合到匪2的源級和匪3的源級，第4端和第5端接地； 前饋噪聲抵消級⑶由兩個相同的P型電晶體PMl和PM2組成，PMl和PM2的源級接到電源，PMl的漏極與匪I的漏極相連並通過電容C5耦合到匪3，PM2的漏極與匪2的漏極相連並通過電容C6耦合到NM4，PMl和PM2的柵極分別通過大電阻R5和R6接到偏置電壓vb3 ； 電容交叉耦合的共柵放大級(2)和前饋噪聲抵消級(3)通過電容耦合，C4的兩端分別接到匪I的源級和PM2的柵極，C3的兩端分別接到匪2的源級和PMl的柵極； 負載阻抗(5)由阻抗Zl和Z2組成，由電阻，電感，電容無源器件中的一種或者幾種組合而成，Zl的兩端分別接到電源和匪3的漏極，Z2的兩端分別接到電源和NM4的漏極。
全文摘要
本發明提供了一種採用噪聲抵消技術的低功耗低噪聲放大器，包括平衡非平衡變壓器(1)、電容交叉耦合的共柵放大級(2)、前饋噪聲抵消級(3)、主共柵放大級(4)和負載阻抗(5)。本發明採用電容交叉耦合的共柵放大級和主共柵放大級級聯的方式，對跨導進行了二次增強，用低功耗實現較高的等效跨導；前饋噪聲抵消級，可以減小電容交叉耦合的共柵放大級的噪聲貢獻；電容交叉耦合的共柵放大級和前饋噪聲抵消級提供的增益可以抑制主共柵放大級的噪聲貢獻。本發明通過跨導二次增強和前饋噪聲抵消技術的結合，實現了低噪聲係數和低功耗。
文檔編號H03F1/26GK103219951SQ20131009523
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者李治, 孫利國, 黃魯 申請人:中國科學技術大學