CN103684274B - 具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，所述放大器包括三个跨导级、反馈网络、和负载；第一跨导级与第二跨导级并联，并采用这两个并联的跨导级作为输入，其中第一跨导级输出通过反馈网络将差分信号转换成单端信号，反馈到电压输入端形成回路，同时第一跨导级的输出通过第三跨导级的输出，与第二跨导级的输出相叠加。本发明在实现宽带低噪声放大与LC窄带滤波的同时，不需要在两者之间***驱动级或跨导级，从而有效提高了电路的线性度和噪声性能；本发明实现了单转差分功能，两路平衡输出，保证了好的IIP2性能；并且本发明利用噪声消除技术，消除了因为阻抗匹配引入的晶体管噪声。

Description

具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种低噪声放大器，特别是涉及一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器。

背景技术

在宽带接收机的RF输入前端，除了最基本的低噪声放大和阻抗匹配要求之外，往往还需要满足其他要求，包括跟踪滤波（TrackingFiltering），单端转差分，非常稳定的两阶线性度，以及越来越低的功耗等。能够满足这些要求的一种比较通用的做法就是：射频（RF）信号经过单端转差分的网络或者低噪声放大器之后，经过驱动（Buffer）级和跨导（Gm）级连接到滤波负载上完成窄带跟踪（tracking）滤波，之后再经过驱动（Buffer）级到混频器（Mixer）。其中作为中间级（InterfaceStage）的驱动（Buffer）级和跨导（Gm）级会消耗不少的功耗和面积，同时限制整体的线性度和噪声。为了能够满足上面提到的这些要求，并且尽量减小中间级对性能的影响，以下对常用的宽带低噪声放大器的结构进行分析。

目前常用的宽带低噪声放大器结构，很多都是基于单端输入单端输出的。

其中最简单的结构来自于共栅（Common-gate）或者共源（Common-Source）的单管放大。其中共源（Common-Source）加上输入电阻并联匹配的结构虽然很简单，但仍被经常使用。这些结构共同的缺点是难以同时达到好的噪声性能和阻抗匹配性能。

除了单管放大器和简单的反馈放大器之外，为了在实现阻抗匹配的同时达到更低的噪声系数，很多宽带低噪声放大器结构采用噪声消除的技术。例如，布鲁克雷利在2004年IEEEJSSC发表论文“采用热噪声消除技术的宽带低噪声放大器（Wide-BandCMOSLow-NoiseAmpliferExploitingThermalNoiseCanceling）”中提出的结构，实现了输入匹配管噪声的消除。之后，类似的结构应用于数字电视Tuner芯片，比如，古普塔在2007年IEEEISSCC发表的论文“48～860MHz的直接变频电视调谐器（A48to860MHzCMOSDirect-ConversionTVTuner）”中采用了相似的结构。然而，这一结构的缺点在于难以得到很好的IIP2性能。2009年东国英发表在IEEEJSSC的论文“应用于数字电视调谐器，采用噪声和两阶非线性消除技术的宽带低噪声放大器（AWidebandCMOSLowNoiseAmpliferEmployingNoiseandIM2DistortionCancellationforaDigitalTVTuner）”，其采用了电流镜像和CMOS的方法，不仅保留了噪声消除的能力，更能够一定程度上改善单端输入单端输出LNA的IIP2性能。但是该结构的缺点在于：电流镜限制了电路工作的带宽，且电流镜本身会引入很多噪声，而两阶线性度的好坏很大程度上与PMOS和NMOS的匹配有关，这就使得IIP2的性能比较敏感。以上介绍的宽带低噪声放大器的结构，虽然能够实现比较低的噪声系数，但都无法满足芯片上对于单端转差分的要求，并且都难以达到比较好的两阶线性度。

但是在宽带内能够实现单端转差分的低噪声放大器（LNA）结构并不多，例如，布拉克梅尔在2008年IEEEJSSC上发表论文“能同时达到平衡输出，噪声消除和非线性消除的宽带单端转差分低噪声放大器（WidebandBalun-LNAWithSimultaneousOutputBalancing,Noise-CancelingandDistortion-Canceling）”，其提出了单端输入，差分输出，并且可以消除输入匹配共栅管噪声的低噪声放大器（LNA）结构。但该结构的缺点在于：要得到平衡的电压输出，其差分两路的输出负载电阻值需要不一样大。这样，类似LCTank这样的负载滤波电路就没办法直接接在其输出。如果必须实现滤波，就需要在LNA和滤波负载间***一级跨导级（Gm）或者驱动（Buffer）级（类似于上述通用的做法），这样既限制了噪声性能，也影响了线性度性能，还增加了额外的功耗；例如，鲁智宇在2010年IEEEJSSC上发表论文“应用于低噪声谐波抑制射频采样接收机，工作于300～800M的可调节滤波器和线性低噪声放大器（A300-800MHzTunableFilterandLinearizedLNAAppliedinaLow-NoiseHarmonic-RejectionRF-SamplingReceiver）”，其提出采用反向CMOS（invertingCMOSstage）级联实现的单端转差分结构。虽然该结构能够在片上实现单转双，但是由于输出没法实现滤波，将滤波电路放在了射频（RF）输入端，从而导致输入匹配带宽很窄。此外，虽然IIP3通过预线性（post-linearization）的方法得到保证，但是其比较好的IIP2本质上还是通过PMOS和NMOS的匹配得到，因而比较敏感。但是由于没有采用噪声消除技术，整个电路的噪声系数比较大；例如，东国英在2010年的IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques上发表论文“应用于数字电视调谐器，采用噪声和两阶非线性消除技术的宽带低噪声放大器（ACMOSActiveFeedbackBalun-LNAWithHighIIP2forWidebandDigitalTVReceivers）”，其提出了通过差分对实现单端转差分，并且通过差分到单端反馈实现宽带匹配的结构。该结构具有非常稳定的IIP2性能以及非常对称的差分输出。但是其缺点在于输出的阻抗特性会直接影响输入的匹配，因而无法在一级实现低噪声放大和滤波，额外的跨导会限制噪声和线性度，同时增加功耗和面积；例如，麦沛然在2011年IEEEJSSC上发表论文“面积为0.46mm2,噪声系数为4dB，65nmCMOS工艺实现的应用于全频带移动电视的接收机前端（A0.46-mm24-dBNFUnifiedReceiverFront-EndforFull-BandMobileTVin65-nmCMOS）”，基于诺塔团队提出的噪声消除电路，将一部分跨导变成AC连接，且***多级的差分电流平衡器（DCB-DifferentialCurrentBalancer）电路以使得输出差分平衡，实现了比较好的单转双。并且由于输出负载相同，该结构可以直接在输出接LC窄带滤波。该结构的缺点在于：输出两路的平衡靠多级的DCB电路实现，这样即受限于电路的电压余量（Headroom），又受限于DCB电路的调节能力。当其调节能力受限时，输入仍然面临噪声系数和阻抗匹配的取舍。但是，该电路的IIP2性能比较敏感，容易受电源，负载和DCB电路性能的影响；例如，达尼洛在2012年的IEEEJSSC上发表了论文“具有两阶非线性消除能力的宽带低功耗低噪声有源单转双电路（ABroadbandLow-PowerLow-NoiseActiveBalunWithSecond-OrderDistortionCancellation）”，同样在诺塔团队的噪声消除电路基础上，提出了采用共模反馈来提高两阶线性度的单端转差分结构。虽然该结构能够实现较好的IIP2和NF，但是由于输出两路负载的不平衡，除非使用额外的驱动（Buffer）级或者跨导（Gm）级，不然类似LCTank这样的负载滤波电路就没办法实现。

因此，目前还没有看到能够在一级内能够实现单端转差分，具有LC滤波作用，并且具有非常低的噪声和稳定两阶线性度的宽带低噪声放大器结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，用于解决现有技术中宽带低噪声放大器的结构不具有滤波作用，且难以同时达到好的线性度性能、噪声性能和阻抗匹配性能的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器。所述宽带低噪声放大器包括：第一跨导级、第二跨导级、第三跨导级、反馈网络、以及第一负载；

第一跨导级和第二跨导级，第一跨导级与第二跨导级并联，所述第一跨导级的输入端与一电压输入端相连，第一跨导级的第一输出端与第三跨导级的第一输入端相连，第一跨导级的第二输出端与第三跨导级的第二输入端相连；第二跨导级的输入端与所述电压输入端相连，第二跨导级的第一输出端与所述第三跨导级的第一输出端相连，第二跨导级的第二输出端与第三跨导级的第二输出端相连；第一跨导级和第二跨导级用于输入电压；

反馈网络，反馈网络的输出端与所述电压输入端相连，反馈网络的第一输入端与所述第一跨导级的第二输出端相连，反馈网络的第二输入端与所述第一跨导级的第一输出端相连；所述反馈网络用于将所述第一跨导级的差分信号转换成单端信号，并反馈到电压输入端形成反馈回路；

第三跨导级，第三跨导级的第一输入端与所述第一跨导级的第一输出端相连，第三跨导级的第二输入端与所述第一跨导级的第二输出端相连，第三跨导级的第一输出端与所述第二跨导级的第一输出端相连，第三跨导级的第二输出端与所述第二跨导级的第二输出端相连；所述第三跨导级用于将所述第一跨导级输出的电压转换成的电流和第二跨导级输出的电流相叠加；

第一负载，第一负载的一端与所述第三跨导级的第一输出端相连，第一负载的另一端与所述第三跨导级的第二输出端相连；所述第一负载用于产生窄带的差分电压信号。

优选地，所述反馈网络包括第二负载、反馈电阻、以及反馈放大器。

优选地，所述反馈电阻的一端与所述电压输入端相连，反馈电阻的另一端与所述反馈放大器的输出端相连。

优选地，所述反馈放大器的第一输入端与第二负载的一端相连，反馈放大器的第二输入端与第二负载的另一端相连。

优选地，所述第一跨导级在第二负载上产生的电压信号经过所述反馈放大器和所述反馈电阻反馈到电压输入端。

优选地，所述第一负载是无源的窄带滤波电路或是随频率变化的负载电路。

优选地，所述第一跨导级输出的噪声通过第三跨导级而输出的相位，与通过所述反馈网络再经过第二跨导级而输出的相位相反。

如上所述，本发明所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，具有以下有益效果：

1、本发明提出的电路结构在实现宽带低噪声放大与LC窄带滤波的时候，不需要在两者间***额外的驱动（Buffer）级或者跨导（Gm）级，从而有效提高了整体电路的线性度和噪声性能。

2、本发明实现了单端转差分功能，两路非常平衡的输出，也保证了非常好的IIP2性能。

3、本发明还利用了噪声消除技术，将噪声要求与阻抗匹配要求相分离，消除了因为阻抗匹配引入的晶体管的噪声，达到了非常好的噪声性能。

附图说明

图1显示为常用的宽带低噪声放大器实现窄带滤波的电路示意图。

图2显示为拓扑A的单转双电路示意图。

图3显示为拓扑B的单转双电路示意图。

图4显示为拓扑C的单转双电路示意图。

图5显示为本发明所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器的示意图。

图6显示为本发明包括具体反馈网络的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器的示意图。

元件标号说明

1第一跨导级

2第二跨导级

3第三跨导级

4反馈网络

5，41负载

42反馈电阻

43反馈放大器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

常用实现窄带滤波的宽带低噪声放大器如图1所示，RF信号经过单端转差分的网络或者低噪声放大器之后，经过驱动（Buffer）级和跨导（Gm）级连接到滤波负载上完成窄带跟踪（tracking）滤波，之后再经过驱动（Buffer）级到混频器（Mixer）。其中作为中间级（InterfaceStage）的驱动（Buffer）级和跨导（Gm）级会消耗不少的功耗和面积，同时限制整体的线性度和噪声。

单转双电路存在很多种拓扑结构，如图2所示的拓扑A，其采用最直观的方式实现了单端转差分，例如，“应用于低噪声谐波抑制射频采样接收机，工作于300～800M的可调节滤波器和线性低噪声放大器（A300-800MHzTunableFilterandLinearizedLNAAppliedinaLow-NoiseHarmonic-RejectionRF-SamplingReceiver）”采用了该种结构，但是这一结构面临阻抗匹配问题和噪声系数的问题。如图3所示的拓扑B，其包含了很多基于共栅加共源的单转双电路。比如“能同时达到平衡输出，噪声消除和非线性消除的宽带单端转差分低噪声放大器（WidebandBalun-LNAWithSimultaneousOutputBalancing,Noise-CancelingandDistortion-Canceling）”、“面积为0.46mm2,噪声系数为4dB，65nmCMOS工艺实现的应用于全频带移动电视的接收机前端（A0.46-mm24-dBNFUnifiedReceiverFront-EndforFull-BandMobileTVin65-nmCMOS）”、和“具有两阶非线性消除能力的宽带低功耗低噪声有源单转双电路（ABroadbandLow-PowerLow-NoiseActiveBalunWithSecond-OrderDistortionCancellation）”其中正向的Gm1提供可输入宽带匹配，其噪声可以被消除，从而实现较低的噪声***数。“面积为0.46mm2,噪声系数为4dB，65nmCMOS工艺实现的应用于全频带移动电视的接收机前端（A0.46-mm24-dBNFUnifiedReceiverFront-EndforFull-BandMobileTVin65-nmCMOS）”和“具有两阶非线性消除能力的宽带低功耗低噪声有源单转双电路（ABroadbandLow-PowerLow-NoiseActiveBalunWithSecond-OrderDistortionCancellation）”通过一些反馈的方法对拓扑B加以改进，改善其输出平衡度或两阶线性度。但是拓扑B仍然面临输出差分平衡、噪声和阻抗匹配的权衡（trade-off）。当噪声和阻抗匹配都比较好时，输出差分两路的不平衡使其无法直接连接滤波负载电路。如图4所示的拓扑C，其包括了类似“应用于宽带数字电视接收机的具有较好两阶线性度的有源反馈单转双低噪声放大器（ACMOSActiveFeedbackBalun-LNAWithHighIIP2forWidebandDigitalTVReceivers）”的电路结构，其通过产差分到单端的反馈实现输入匹配，同时保证输出差分两路的平衡，拓扑C的缺点在于输出的阻抗特性会直接影响输入的匹配，因而无法直接连接滤波负载。

实施例

本实施例提供一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，如图5所示，所述宽带低噪声放大器包括：第一跨导级1、第二跨导级2、第三跨导级3、反馈网络4、和负载5。其中，如图6所示，反馈网络4包括负载41、反馈电阻42（Rfb）、以及反馈放大器43（Amp-fb）。宽度低噪声放大器内部连接关系为：第一跨导级1和第二跨导级2，第一跨导级1与第二跨导级2并联，第一跨导级1的输入端与一电压输入端Vin相连，第一跨导级1的第一输出端与第三跨导级3的第一输入端相连，第一跨导级1的第二输出端与第三跨导级3的第二输入端相连；第二跨导级2的输入端与所述电压输入端Vin相连，第二跨导级2的第一输出端与所述第三跨导级3的第一输出端相连，第二跨导级2的第二输出端与第三跨导级3的第二输出端相连；反馈网络4的负载41的一端与反馈放大器43的第一输入端相连，负载41的另一端与反馈放大器43的第二输入端相连，反馈放大器43的输出端与反馈电阻42的一端相连，反馈电阻42的另一端与电压输入端相连。第三跨导级3的第一输入端与所述第一跨导级1的第一输出端相连，第三跨导级3的第二输入端与所述第一跨导级1的第二输出端相连，第三跨导级3的第一输出端与第二跨导级2的第一输出端相连，第三跨导级3的第二输出端与所述第二跨导级2的第二输出端相连；负载5的一端与第三跨导级3的第一输出端相连，负载5的另一端与第三跨导级3的第二输出端相连；其中，第一跨导级1和第二跨导级2用于输入电压；所述反馈网络4用于将所述第一跨导级1的双端口转换成单端口，并反馈到电压输入端形成反馈回路。第三跨导级3用于将所述跨导级1输出的电压转换成的电流和第二跨导级2输出的电流相叠加；所述负载5用于产生窄带的差分电压信号。

本实施例通过单电压输入端Vin，并采用两个并联的第一跨导级1和第二跨导级2作为输入，其中所述跨导级1输出的电流在负载41上产生的电压信号一方面通过反馈网络4中反馈放大器43和反馈电阻42使其差分信号转换成单端信号，并将其反馈到电压输入端Vin形成反馈回路，实现电压输入端Vin的宽带匹配。另一方面第一跨导级1在负载41上产生的电压信号的、通过第三跨导级3输出的电流，与第二跨导级2的输出电流相叠加，这一电流经过负载5滤波后，产生窄带的差分电压信号，实现了单级的宽带低噪声放大和窄带滤波。所述负载5可以是无源的窄带滤波电路或者是随频率变化的负载电路。最后，输出正极电压和负极电压，实现单输入双输出。

本实施例所提供的宽带低噪声放大器的结构具有以下特点：

1、进入负载5的差分两路可以接完全相同的负载，并且第二跨导级2和第三跨导级3输出阻抗均为高阻，所述该宽带低噪声放大器的结构可以直接连接随频率变化的负载电路，包括LC振荡电路构成的窄带滤波电路，或者后级负载阻抗，例如，混频器的输入阻抗等；由于该宽带低噪声放大器的结构可以直接连接LC滤波负载，减少了低噪声放大和窄带滤波的中间级，有利于实现较好的总体噪声和线性度；

2、所述宽带低噪声放大器利用第三跨导级3的隔离作用，可以同时实现输入宽带匹配和输出窄带滤波，并且之间互不影响；

3、所述宽带低噪声放大器经过第一跨导级1和第二跨导级2的转换之后，变成了差分的两路，之后的电路比如，第三跨导级3和负载5，可以是全差分电路，这样只要第一跨导级1和第二跨导级2有良好的单端转差分性能，就可以在该放大器的输出端处得到幅度和相位匹配很好的差分输出。而这样的跨导级是比较容易实现的。

4、由于第三跨导级3和负载5是全差分电路，该放大器要得到比较好的IIP2性能，就取决于第一跨导级1、第二跨导级2和反馈网络的两阶线性度。只要采取合适的电路，第一跨导级1、第二跨导级2和反馈网络的两阶线性度都能做到比较好且稳定，所以，该放大器从原理上讲可以得到比较好的两阶线性度。

5、根据噪声分析可以发现，第一跨导级1作为实现输入匹配的必要部分，它的输出噪声通过第三跨导级3到达输出的相位，与通过反馈网络4再经过第二跨导级2到达输出的相位正好相反，这样在一定条件下，第一跨导级1的输出噪声可以被消除。这样大大减少了因为阻抗匹配要求而对噪声的恶化。而第三跨导级3的噪声会被前级放大所衰减，这样在噪声贡献中只有第二跨导级2是主要的，所述放大器可以实现非常低的噪声系数，而不影响宽度匹配性能；

6、所述放大器是完全对称的，所以随时可以切换成全差分模式，以达到更好的性能。

本发明所提供的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器1）为了整体噪声和线性度，在RF输入端，采用单级实现低噪声放大和LC滤波的电路结构。并在一级内同时实现单端转差分，宽带匹配，窄带滤波，同时达到非常低的噪声系数和非常好的两阶线性度性能；2）为了使阻抗匹配要求对噪声性能影响尽量小，在单端转差分的结构中实现了差分的噪声消除。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述宽带低噪声放大器包括：第一跨导级、第二跨导级、第三跨导级、反馈网络、以及第一负载；

第一跨导级和第二跨导级，第一跨导级与第二跨导级并联，所述第一跨导级的输入端与一电压输入端相连，第一跨导级的第一输出端与第三跨导级的第一输入端相连，第一跨导级的第二输出端与第三跨导级的第二输入端相连；第二跨导级的输入端与所述电压输入端相连，第二跨导级的第一输出端与所述第三跨导级的第一输出端相连，第二跨导级的第二输出端与第三跨导级的第二输出端相连；第一跨导级和第二跨导级用于输入电压；

反馈网络，反馈网络的输出端与所述电压输入端相连，反馈网络的第一输入端与所述第一跨导级的第二输出端相连，反馈网络的第二输入端与所述第一跨导级的第一输出端相连；所述反馈网络用于将所述第一跨导级的差分信号转换成单端信号，并反馈到电压输入端形成反馈回路；

第三跨导级，第三跨导级的第一输入端与所述第一跨导级的第一输出端相连，第三跨导级的第二输入端与所述第一跨导级的第二输出端相连，第三跨导级的第一输出端与所述第二跨导级的第一输出端相连，第三跨导级的第二输出端与所述第二跨导级的第二输出端相连；所述第三跨导级用于将所述第一跨导级输出的电压转换成的电流和第二跨导级输出的电流相叠加；

第一负载，第一负载的一端与所述第三跨导级的第一输出端相连，第一负载的另一端与所述第三跨导级的第二输出端相连；所述第一负载用于产生窄带的差分电压信号。

2.根据权利要求1所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述反馈网络包括第二负载、反馈电阻、以及反馈放大器。

3.根据权利要求2所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述反馈电阻的一端与所述电压输入端相连，反馈电阻的另一端与所述反馈放大器的输出端相连。

4.根据权利要求2所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述反馈放大器的第一输入端与第二负载的一端相连，反馈放大器的第二输入端与第二负载的另一端相连。

5.根据权利要求2所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一跨导级在第二负载上产生的电压信号经过所述反馈放大器和所述反馈电阻反馈到电压输入端。

6.根据权利要求5所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一负载是无源的窄带滤波电路或是随频率变化的负载电路。

7.根据权利要求1所述的具有单端转差分能力和滤波作用的宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第一跨导级输出的噪声通过第三跨导级而输出的相位，与通过所述反馈网络再经过第二跨导级而输出的相位相反。