CN102324896A

CN102324896A - 一种带线性度补偿的宽带低噪声放大器

Info

Publication number: CN102324896A
Application number: CN201110192379A
Authority: CN
Inventors: 秦希; 黄杏丽; 洪志良
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: CN102324896B

Abstract

本发明属于射频集成电路设计领域，具体公开了一种带线性度补偿的宽带低噪声放大器。该电路包括有源反馈单元、电流复用型跨导单元、用于稳定工作点的直流反馈单元和带线性度补偿的低电源电压偏置单元。其中有源反馈单元实现宽带输入阻抗匹配，电流复用型跨导单元使用一个与主跨导单元互补型的晶体管作为另外一个跨导单元，实现等功耗情况下增益的提高，直流反馈环路被用来稳定电路的工作点，具有线性度补偿的低电源电压偏置单元在为电路提供偏置的情况下具有线性度补偿的功能。利用本发明，可以使用CMOS工艺以较低的功耗为代价，获得高线性度的宽带低噪声放大器。

Description

一种带线性度补偿的宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种低噪声放大器。

背景技术

通信***的接收机前端通常包括低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、可变增益放大器（VGA）和一些滤波器。作为接收机中有源电路的第一级，LNA需要将输入信号放大，降低整个***的噪声，同时完成与输入端子的阻抗匹配，其性能常常给整个接收机的性能设定了极限。

传统的窄带接收机处理带宽仅为几十千赫兹到几兆赫兹的信号，带外镜像、杂散和噪声可以被滤波器很好的滤除。然而，当前多模通信的发展却提出了不一样的***需求。在需要处理多模信号的***中，接收机必须对工作于不同频段、不同带宽的信号都具有处理能力，且相对于单模信号处理，其性能要求几乎不变。很多***使用多个针对各自模式的子模块，利用在子模块间进行切换来实现多模，这样极大的增加了芯片的面积，从而降低了产量、增加了成本。一种高集成度的解决方案就是使用宽带接收机的架构。这首先就要求LNA必须具有宽带信号放大、宽带低噪声和宽带阻抗匹配的特性。除此之外，高速数据通信的发展对传输数据的信号带宽提出了越来越高的要求。根据香农—哈特例定理，信道容量与带宽成正比。在频谱使用密度越来越大、信道干扰严重的今天，通过提高信号的带宽来提高传输速率的方法已经被广泛接收并付诸实施，如扩频通信，超宽带（UWB）通信等等。具有宽带信号的处理能力的接收机前端是保证这些技术得以实现的基础。在一个带宽达到百兆甚至几个吉赫兹的LNA中，除了前面提到的增益、噪声和阻抗匹配设计需要与窄带LNA不同的考虑之外，线性度也成为影响宽带LNA性能的关键因素。当带宽大到使得二次、三次、甚至更高次的谐波都处在信号带宽之内的时候，滤波器对提高线性度的改善作用也变得很有限。此时，需要LNA自身具有较高的线性度，或者使用额外的线性度补偿的方法。

图1所示的是一个传统的基于有源反馈的低噪声放大器的实例。在该实例中，有源反馈单元110在放大器的输入和输出节点之间强加了一个大于晶体管M2的栅-源电压的压降，使得该电路很难应用于低电源电压场合。而且该电路采用的有源反馈属于非线性反馈，反馈电阻102的使用虽然能够部分线性化该电路，但是线性度的进一步提高还需要借助其它方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自身具有线性度补偿功能的、适合宽带应用的低噪声放大器，并且保持传统低噪声放大器的增益和噪声特性。

本发明提供的宽带低噪声放大器，包括：

（1）主跨导单元，将输入电压转换成电流；

（2）电流复用型跨导单元，复用主跨导支路的电流，提供电压-电流转换增益；

（3）有源反馈单元，用于反馈至所述放大器输入端，提供宽带阻抗匹配功能；

（4）直流反馈单元，用于稳定放大器工作点；

（5）带线性度补偿的低电源电压偏置单元，提高所述放大器的线性度。

本发明的宽带低噪声放大器中，进一步包括：

第一端连接至放大器输入端的隔直电容；

第一端连接至输入隔直电容第二端的第一电感器；

与电流复用型跨导单元并联的电阻器；

连接于电源和电流复用型跨导单元之间的第二电感器。

本发明中，所述的主跨导单元，包括栅极连接至第一电感器第二端的第一晶体管，和源极与第一晶体管漏极相连、栅极连接偏置电压源的第二晶体管。

本发明中，所述的有源反馈单元，包括第四晶体管和一个一端连接至其源极的电阻器，该反馈采用源极跟随器结构，第四晶体管的栅极与放大器的输出端相连，其源极通过一个源极退化电阻与主跨导单元的第一晶体管的栅极相连。

本发明中，所述的电流复用型跨导单元，使用与主跨导单元中晶体管类型互补的第三晶体管，其栅极连接至第一晶体管的栅极，源极连接至第二电感器的第一端。

本发明中，所述的直流反馈单元，包括至少一个低通滤波器和一个比较器。

本发明中，所述的带线性度补偿的低电源电压偏置单元，在为低噪声放大器提供合适工作点的同时，包括至少一个可以注入电压谐波或电流谐波的节点。

本发明中，所述的带线性度补偿的低电源电压偏置单元，进一步包括为其提供偏置电压的电压源和产生谐波的谐波注入单元。

连接在输入端隔直电容和主跨导单元之间的第一电感器以及连接在电源和电流复用型跨导单元之间的第二电感器，它们参与完成噪声频率响应特性的优化；与电流复用型跨导并联的电阻器，为电流复用型跨导设置合理的工作点，并同时作为主跨导单元的负载。

本发明提供了一种宽带阻抗匹配和噪声优化方法，包括：使用有源反馈技术实现宽带阻抗匹配，再利用带有源极退化电感的跨导单元实现窄带匹配，将二者结合从而完成噪声频率响应特性的优化。

其中，窄带匹配包括第一电感器、第二电感器和连接在第三晶体管的栅极和源极之间的电容，该电容可以是电容器或者是寄生电容。

本发明也提供了一种使用谐波注入的线性度补偿方法，包括：使用具有谐波注入节点的偏置电路以及相应的谐波产生电路。

其中的谐波产生电路包括利用低噪声放大器的输入信号产生所需谐波和利用低噪声放大器的输出信号反馈产生所需谐波两种方法。

本发明的优点在于保持了窄带LNA低噪声、阻抗匹配特性好的优点，以最小的额外功耗为代价，获得了一个适合于宽带应用的LNA，并给出了其相应的噪声优化和线性度补偿的方法，提高了通信***接收机前端的集成度。

附图说明

图1为所示为传统的有源反馈LNA电路示意图。

图2为根据本发明的一个实施例的宽带LNA电路示意图。

图3为根据本发明的一种采用输入信号产生注入谐波的方法的实施例示意图。

图4为根据本发明的一种采用输出信号反馈产生注入谐波的方法的实施例示意图。

具体实施方式

现在将参照附图更加具体的描述本发明。为了有助于理解本发明，在以下的描述中将涉及到很多电路的细节，然而，本发明可以按照多种不同的形式来实现，并不受限于这里描述的细节以及附图。

如图2所示为根据本发明的一个实例性宽带低噪声放大器200的示意图。低噪声放大器200包括主跨导单元210、电流复用型跨导单元220、有源反馈单元230、直流反馈单元240、带线性度补偿的低电源电压偏置单元250、谐波注入单元260、以及输入隔直电容器C₀，第一电感器L₀，第二电感器L₁和电阻器R_L。其中主跨导单元210包括共源共栅连接的NMOS晶体管M1和M2，电流复用型跨导单元220包括PMOS晶体管M3，有源反馈单元230包括晶体管M4和电阻器R_F，直流反馈单元240包括低通滤波器204、比较器205和比较器的参考电压源V_ref，带线性度补偿的低电源电压偏置单元250包括晶体管M5和M6、反馈电阻R_F，以及隔直电容器C₁。

输入信号（V_in）经过隔直电容器C₀和电感器L₀之后加到晶体管M1和M3的栅极（节点X）进行放大，被放大之后的输出信号（V_out）又经过晶体管M4和电阻器R_F的反馈回到节点X。该电流-电流反馈降低了X点的输入电阻，使其能够与信号源内阻进行阻抗匹配。节点X的输入电阻R_X可以表示为：

Figure 2011101923797100002DEST_PATH_IMAGE002

(1)

然而出于噪声和增益等方面的考虑，晶体管M1和M3的尺寸通常都比较大，这使得节点X具有很大的对地寄生电容，在高频时阻抗变小。电感器L₀正好补偿了这种高频时输入阻抗的降低，扩展了阻抗匹配的带宽。除了有源反馈引入的宽带阻抗匹配之外，L₀-M3-L₁构成了传统窄带LNA中常使用的利用带有源极退化电感的跨导单元产生谐振的匹配网络，该匹配网络在宽带LNA中对于阻抗匹配的贡献不大，但是它的存在可以改变宽带LNA的噪声传递函数，为优化噪声系数的频率响应特性提供了更多的自由度。关于优化窄带LNA的噪声系数，D. Shadffer和T. Lee已经在JSSC 1997，第745-759页中的“A 1.5-V, 1.5-GHz CMOS Low Noise Amplifier”中给出了详尽的阐述，这里可以使用类似的方法得到其对与宽带LNA噪声的影响。

除了提供噪声优化功能之外，电感器L₁同时作为共源共栅级M1-M2的负载，提供带宽扩展功能，此时，R_L也作为M1-M2负载提供将电流转换成为电压的功能。R_L的另外一个作用是分流部分流经M3的电流，使M3有合理的跨导，保证工作点正确。

图1所示的有源反馈方案不适合低电源电压的应用，图2中采用了适用于低电源电压场合的偏置单元250，该方法使用从节点X和Y分别注入电流的方式减小了有源反馈电路消耗的电压余量。为了稳定X节点的电压，使电路具有合适的工作点，电流源M6使用自偏置方式，利用直流反馈单元240提供其栅极电压。直流反馈单元240通过对放大器输出信号进行滤波得到输出端的静态电压值，使之与参考电平（V_ref）比较，用比较器的输出控制M6栅级，完成反馈控制。此外，M6的栅极还通过隔直电容连接到一个谐波注入单元，该谐波注入单元通过注入一个谐波的方式起到线性度补偿的效果。关于使用谐波注入进行线性度补偿，S. Lou和H. Luong在JSSC 2008，第2404-2412页中的“A Linearization Technique for RF Receiver Front-End Using Second-Order-Intermodulation Injection”已经有较为详尽的阐述，这里使用的是相同的原理。

本发明中谐波注入可以有两种方式进行，第一种是直接使用LNA的输入信号，在产生输入的同时也产生所需的谐波信号，如图3所示。出于简洁和易读的考虑，这里只画出了与谐波产生和注入相关的电路部分，其它部分具体电路与图2所示相同。在图3中，信号源310是向LNA提供输入信号的单元，可以是测试仪器或者是天线等设备。信号源除了直接将信号加到输入隔直电容C₀上之外，还使信号通过一个滤波器320和谐波产生电路330，然后经过隔直电容C₁加到M6的栅极，完成谐波注入。第二种产生谐波的方法如图4所示。这里，低噪声放大器的输出信号（V_out）经过滤波器420和谐波产生电路430之后，通过隔直电容C₁反馈到M6的栅极，完成谐波的注入。这两种方法对于谐波产生电路的要求不同，但对于提高电路的三阶交调点等参数具有相同的作用。

尽管已结合本发明的实例描述了本发明，但是本领域技术人员应该认识到本发明不局限于所描述的实例，在不脱离所附权利要求的精神和范围内可以进行修改和改变。因此，本说明书应该被视为解释性的而非限制性的。

Claims

1.一种宽带低噪声放大器，其特征在于包括：

（1）主跨导单元，将输入电压转换成电流；

（4）直流反馈单元，用于稳定放大器工作点；

2.如权利要求1所述的宽带低噪声放大器，其特征在于进一步包括：

第一端连接至放大器输入端的隔直电容；

第一端连接至输入隔直电容第二端的第一电感器；

与电流复用型跨导单元并联的电阻器；

连接于电源和电流复用型跨导单元之间的第二电感器。

3.如权利要求1或2所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的主跨导单元，包括栅极连接至第一电感器第二端的第一晶体管，和源极与第一晶体管漏极相连、栅极连接偏置电压源的第二晶体管。

4.如权利要求1—3之一所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的有源反馈单元，包括第四晶体管和一个一端连接至其源极的电阻器，该反馈采用源极跟随器结构，第四晶体管的栅极与放大器的输出端相连，其源极通过一个源极退化电阻与主跨导单元的第一晶体管的栅极相连。

5.如权利要求1—4之一所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的电流复用型跨导单元，使用与主跨导单元中晶体管类型互补的第三晶体管，其栅极连接至第一晶体管的栅极，源极连接至第二电感器的第一端。

6.如权利要求1—5之一所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的直流反馈单元，包括至少一个低通滤波器和一个比较器。

7.如权利要求1—6之一所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的带线性度补偿的低电源电压偏置单元，在为低噪声放大器提供合适工作点的同时，包括至少一个可以注入电压谐波或电流谐波的节点。

8.如权利要求7所述的宽带低噪声放大器，其特征在于所述的带线性度补偿的低电源电压偏置单元，进一步包括为其提供偏置电压的电压源和产生谐波的谐波注入单元。