CN101282110A - 一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，属于射频通讯技术领域。该放大器包括输入匹配电路，相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路，以及输出负载匹配电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，第一级放大电路和第二级共源放大电路之间设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号射频信号流向第二级共源放大电路的源端，第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。本发明可使***功耗降低一半，且第二级放大电路对称，保证了差分信号的输出噪声、相位和增益更加对称。

Description

一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器
技术领域
本发明是关于射频通讯技术领域中的射频接收机设计，具体涉及一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器。
背景技术
随着无线通信技术和CMOS集成电路工艺的的迅猛发展，无线终端小型化、低功耗、低成本、高性能已成为射频集成电路(RFIC)发展的必然趋势。
在射频接收机设计中，要得到良好的总体***性能，关键在于性能优越的前端。射频接收机的第一级模块低噪声放大器(LNA)是其中最关键的电路之一，如图1所示，单端输入差分输出低噪声放大器的功能是在尽可能低地产生噪声的前提下，对射频信号进行放大，以降低后面各级模块产生的噪声对信号的影响。LNA需要具有良好的噪声系数，并提供足够的增益，以确保整个接收***具有最小NF；同时当接收信号较大时，应有足够的线性度以减小信号失真。此外低噪声放大器的前级通常为分立的射频带通滤波器，由于滤波器的传输特性与终端所接负载有很大关系，低噪声放大器的输入阻抗必需符合滤波器的规定，在射频领域，该阻抗通常设定为一个统一的纯电阻值50欧姆。
当前射频接受机前端模块LNA和mixer使用方案主要有：单端LNA和单平衡混频器；片外Balun、差分LNA和双平衡混频器；以及单端输入差分输出LNA和双平衡混频器。
随着电路集成度的提高，特别是随着把RF电路和Baseband电路集成在一起的SOC的发展，衬底耦合噪声变得越来越严重，单端放大器、mixer等对衬底耦合没有抑制能力，衬底耦合会极大影响低噪声放大器和mixer的性能，最终大大恶化***接收机的性能。
差分LNA和双平衡混频器方案可以较好抑制共模噪声的影响，但是需要使用一个额外的平衡转换器Balun把天线接收的单端信号转化为差分信号。平衡转换器很难片上集成，需要使用片外元件，而且会引入1-3dB的损耗，这将大大恶化射频接收机的灵敏度(约1-3dB)，降低***的集成度，提高***成本。
因此，传统的单端输入差分输出低噪声放大器不能很好地解决差分输出信号中增益、幅度、相位之间的失配问题，特别是差分信号的噪声失配严重，而且功耗很大。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种低功耗的单端输入差分输出低噪声放大器，以在低功耗低噪声放大信号的基础上，实现幅度、相位、噪声输出匹配的差分信号，满足后续电路对高质量差分信号的要求。
本发明的技术方案是：
一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，包括输入匹配电路和输出负载匹配电路，其特征在于，还包括相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，在第一级放大电路和第二级共源放大电路之间增加设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号流向第二级共源放大电路的源端，所述第二级共栅放大电路和所述第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。
所述第一级放大电路可为共源放大电路，所述共源放大电路和共栅放大电路分别包括一NMOS晶体管，即所述第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的栅端与输入匹配电路连接，第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端与所述第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的漏端和第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的漏端分别与各自的输出负载匹配电路连接。
所述控制电路可包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
所述第一级放大电路可为共源共栅放大电路，即所述第一级共源共栅放大电路包括相互连接的NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M4，所述第二级共栅放大电路包括一NMOS晶体管M2，所述第二级共源放大电路包括一NMOS晶体管M3，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅端与输入噪声匹配电路连接，上述NMOS晶体管M1的漏端和所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的源端相连，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的栅端接偏置电压，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端与所述第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2和第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的漏端分别与输出负载匹配电路连接。
所述控制电路可包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
所述输入匹配电路可包括一电容C1、一电感Lg和另一电感Ls，所述第一级共源放大电路或第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅极连接上述电感Lg和上述电容C1，电容C1的另一端与电感Ls和上述NMOS晶体管M1的源端相连，电感Ls的另一端与地连接。
所述输出负载匹配电路可包括一电容Cd、一电感Ld和一电阻Rd，所述电感Ld与所述电阻Rd串联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接。
所述电感Lg可与一并联的电容C2和电感L2连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果是：
(1)控制流过第二级共源放大电路M3的直流电流流向第一级共源放大电路M1，实现重复利用该电流实现电流复用的目的，利用此技术可以使***的功耗降低一半且大大提高***的噪声性能；
(2)控制第一级共源放大电路M1输出的射频信号，使它们只能流过第二级共源放大电路M3的栅极和第二级共栅放大电路M2的漏极。避免射频信号流向M3的源端，干扰***的增益和噪声性能；
(3)直流电流和射频信号的控制电路中，Lds两个节点的寄生电容在工作频率谐振，减小Lds两个节点的寄生电容对***增益和噪声性能的影响；
(4)直流电流和射频信号的控制电路给***提供了三个自由度，便于调整输出信号增益、相位和噪声的匹配，有利于实现匹配的差分输出信号。
(5)放大器的结构对称，容易实现增益、相位、噪声高度对称的差分输出信号，特别适用于射频信号，且用较少的元器件实现了单端输入差分输出低噪声放大功能，降低了射频接收机的复杂性；
(6)低成本：为了获得更优的***性能，射频接收机前端一般可使用差分低噪声放大器和双平衡混频器，这需要射频接收机的输入是一个差分信号，但是天线实际接收的只是单端信号，需要使用片外Balun把天线接收的单端信号转化为差分信号。本发明可以在不影响***性能的基础上，不用片外Balun，利于CMOS工艺集成，节约了射频接收机的成本；进一步提高了射频接收机前端的集成度和便携性，提高了射频接收机***的稳定性和可靠性，有利于大规模生产。
附图说明
图1是传统单端输入差分输出窄带低噪声法大器；
图2是本发明设计的单端输入差分输出窄带低噪声放大器的一实施例；
图3是本发明设计的单端输入差分输出窄带低噪声放大器的另一实施例；
图4是本发明设计的单端输入差分输出宽带低噪声放大器的一实施例；
图5是本发明设计的单端输入差分输出宽带低噪声放大器的另一实施例；
图6利用本专利设计的应用与GPS***的工作频率为1.575GHz的单端输入差分输出LNA的噪声失配对比，可以看出本电路的两路输出噪声失配约为0.15dB，远远小于1dB，性能非常好。图一所示电路的噪声其中一路out-处噪声与本电路相差不大，但OUT+处噪声要在3dB以上，噪声失配大于2dB，性能很难满足实际应用。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
参考图2，单端输入差分输出窄带低噪声放大器包括：输入匹配电路、第一级共源放大电路、第二级共栅放大电路、第二级共源放大电路和直流电流和射频信号的控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号流向第二级共源放大电路的源端。第一级共源放大电路包括一NMOS晶体管M1，第二级共栅放大电路包括一NMOS晶体管M2和第二级共源放大电路包括一NMOS晶体管M3，直流电流和射频信号的控制电路，包括一电容Cs和一电感Lds。
所述输入匹配电路为输入噪声匹配电路和功率匹配电路，其包括一电容C1、一电感Lg和另一电感Ls，电感Lg与电容C1和NMOS晶体管M1的栅极连接，电容C1的另一端与NMOS晶体管M1的源极和电感Ls连接，电感Ls的另一端与地连接；NMOS晶体管M1的漏端分别和NMOS晶体管M2的源端、电感Lds、电容Cb连接；电容Cb的另一端与NMOS晶体管M3的栅极连接，电感Lds的另一端与NMOS晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地；NMOS晶体管M2和NMOS晶体管M3的漏端分别为节点②和③，它们分别与输出负载匹配电路连接。
本发明直流电流和射频信号控制电路主要实现的功能为，控制流过M3的直流电流，使它只能通过Lds流入M1，从而完全控制流过M2和M3的直流电流流过M1，为***放大电路设置一个更为合理的直流工作点。与图1相比，本发明可以使***功耗降低一半，且第二级放大电路更加对称，从而保证差分信号的输出噪声、相位和增益更加对称。
本发明射频小信号RFin通过输入匹配电路后，经过第一级共源放大电路进行放大，到达节点①，这个放大的小信号为X1；X1分为两路，一路流过第二级共栅放大电路，到达节点②，实现共栅放大；另外一路流过隔直电容，从Bias处流入第二级共源放大电路，到达节点③，实现共源放大。本发明巧妙利用共源放大电路和共栅放大电路输出信号相位相差180°的特性，实现在输入信号X1相同的情况下，输出信号相位相差180°。
本发明为了改善***的隔离度以及输入匹配对***输出信号匹配性能的影响，可以把第一级共源放大电路改为共源共栅放大电路，如图3所示。第一级共源共栅放大电路包括相互连接的NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M4。
为了对本发明进行详细说明，提供第二个具体实例，即射频信号RFin频率可以在1.1-2GHz之间，这个频带的宽带LNA可以应用于GPS***、欧洲伽利略导航系中国北斗导航***和俄罗斯GLONASS导航***等。
本发明单端输入差分输出宽带低噪声放大器具体连接关系如图4所示为：第一级共源共栅放大电路包括相互连接的NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M4，输入匹配电路包括：电容C2与电感L2并联连接然后与电感Lg相连，电感Lg的另一端与电容C1和NMOS晶体管M1的栅端相连，电容C1的另一端与电感Ls和NMOS晶体管M1源端相连，电感Ls的另一端与地连接；NMOS晶体管M1的漏端和NMOS晶体管M4的源端相连，NMOS晶体管M4的栅端接偏置电压，NMOS晶体管M4漏端分别连接电感Lds、电容Cb和NMOS晶体管M2的源端，电容Cb的另一端接NMOS晶体管M3的栅端；电感Lds的另一端与电容Cs和NMOS晶体管M3的源端相连，电容Cs的另一端接地；NMOS晶体管M2的栅端接偏置电压、NMOS晶体管M3的栅端Bias处通过大电阻接偏置电压；NMOS晶体管M2、NMOS晶体管M3的漏端分别与输出宽带匹配电路(Rd、Ld、Cd)相连；宽带输出匹配电路连接关系为：电感Ld与电阻Rd串联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接，该宽带输出匹配电路的另一端和工作电压连接。
如图4或图5所示：射频信号RFin通过输入匹配电路，进入到第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅端，通过第一级共源共栅放大电路NMOS晶体管M1进行放大后到达①点，由于射频信号和直流电流控制电路的限制，该射频信号只能分别进入到第二级共源放大电路NMOS晶体管M3的栅端和第二级共栅放大电路NMOS晶体管M2的源端中，所以分别有两路输出信号分别到达②③处，通过调整射频信号和直流电流控制电路(Lds、Cs、Cb)各元器件的参数，可以实现需要的增益和相位高度对称的低噪声的差分信号。
本发明射频信号RFin通过输入匹配电路，进入到第一级共源放大电路NMOS晶体管M1的栅端，输入匹配电路在此主要有两个作用，实现输入端功率匹配和噪声匹配，以实现对输入信号能量的有效利用和噪声的最佳优化，根据工作频段的不同，输入匹配电路的取值会有较大的变化，一般2nH＜Lg＜50nH，0.1nH＜Ls＜1.5nH，10fF＜C1＜2PF。
射频信号通过第一级共源放大电路M1进行放大后到达①点，由于射频信号和直流电流控制电路的限制，该射频信号只能分别进入到第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的栅端和第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端，分别到达②③处，通过调整射频信号和直流电流控制电路各元器件的参数，可以实现需要的增益和相位高度对称的低噪声的差分信号，根据工作频段的不同，其参数会在2nH＜Lds＜60nH、500fF＜Cs＜60pF、200fF＜Cb＜50PF。
NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2和NMOS晶体管M3的栅长L一般取工艺允许的最小栅长，15nm＜L＜0.5um，栅宽W的取值范围根据工作频段和功耗的要求一般在1um＜W＜500um。
另外NMOS晶体管可以用BJT、HBT、HEMT、FET、电子管、真空管等具有放大特性的晶体管代替，同时该晶体管也不局限于用硅工艺实现，可以使用GaAs、InP等工艺实现。
输出负载匹配电路决定了信号的输出阻抗，流经②③的射频信号通过输出负载匹配电路，获得需要的增益、相位、和噪声高度对称得差分信号。根据工作频率和工作频带的不同，其数值会在0.1nH＜Ld＜30nH、5mOhm＜Rd＜1K Ohm、20fF＜Cd＜2pF之间变化。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的单端输入差分输出低噪声放大器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (10)

1、一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，包括输入匹配电路和输出负载匹配电路，其特征在于，还包括相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，在第一级放大电路和第二级共源放大电路之间增加设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号射频信号流向第二级共源放大电路的源端，所述第二级共栅放大电路和所述第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。
2、如权利要求1所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路为共源放大电路。
3、如权利要求1所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路为共源共栅放大电路。
4、如权利要求2所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述共源放大电路和共栅放大电路分别包括一NMOS晶体管，所述第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的栅端与输入匹配电路连接，第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端与所述第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的漏端和第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的漏端分别与各自的输出负载匹配电路连接。
5、如权利要求4所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述控制电路，包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源放大电路的NMOS晶体管M1的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
6、如权利要求3所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一级共源共栅放大电路包括相互连接的NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M4，所述第二级共栅放大电路包括一NMOS晶体管M2，所述第二级共源放大电路包括一NMOS晶体管M3，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅端与输入噪声匹配电路连接，上述NMOS晶体管M1的漏端和所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的源端相连，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的栅端接偏置电压，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端与所述第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2和第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的漏端分别与输出负载匹配电路连接。
7、如权利要求6所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述控制电路包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
8、如权利要求4-7所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括一电容C1、一电感Lg和另一电感Ls，所述第一级共源放大电路或第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅极连接上述电感Lg和上述电容C1，电容C1的另一端与电感Ls和上述NMOS晶体管M1的源端相连，电感Ls的另一端与地连接。
9、如权利要求4-7所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述输出负载匹配电路包括一电容Cd、一电感Ld和一电阻Rd，所述电感Ld与所述电阻Rd串联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接。
10、如权利要求8所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述电感Lg与一并联的电容C2和电感L2连接。
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