CN103762947B

CN103762947B - 一种交叉耦合输入的低噪声跨导放大器

Info

Publication number: CN103762947B
Application number: CN201410015029.7A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 薛晨辉; 李红; 陈超; 白春风; 刘智林; 尹海峰; 徐哲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-01-13
Also published as: CN103762947A

Abstract

本发明公开了一种交叉耦合输入的具有噪声抵消性能的低噪声跨导放大器，该放大器包含交叉耦合输入级放大器、片外接受网络以及隔离电路，交叉耦合输入级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管、第二N型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管、第四P型金属氧化物晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；隔离电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容；片外接受网络包括第九电容、第十电容、第五电感、第六电感、模拟天线的信号源和天线内阻；该结构的低噪声跨导放大器具有噪声抵消的功能，同时采用交叉耦合输入，低功耗的性能。

Description

一种交叉耦合输入的低噪声跨导放大器

技术领域

本发明涉及一种放大器，特别涉及一种交叉耦合输入的具有噪声抵消性能的低噪声跨导放大器。

背景技术

在射频信号接收链路中，低噪声放大器是接收机的第一极有源电路，它本身具有很低的噪声系数并提供足够的增益。从整个接收链路考虑，低噪声放大器应具有较高的增益以抑制后极射频电路以及中频电路的噪声对整个接收链路噪声的影响。此外，低噪声放大器本身应具有较低的噪声系数以减轻混频器的设计压力。随着多载波技术和复杂调制技术越来越多地应用到无线通讯中，对接收机各项性能参数的要求也逐渐提高。由于MOS管(金属氧化物晶体管)截止频率的限制，很难对射频电路采用诸如运放反馈、跨导自举等改善性能的技术。这使得射频电路不能像中频电路那样可以灵活应用各种模拟电路设计方法进行优化及折中。低噪声放大器位于射频前端电路的第一极，根据***的级联噪声系数的公式，低噪声放大器对整个射频电路的噪声系数的影响起到决定性的作用。综上所述，降低低噪声放大器的噪声系数是设计者不断追求的目标。

传统的低噪声放大器的结构大致可以分为共源极的低噪声放大器和共栅极的低噪声放大器。共源极低噪声放大器，信号从栅极输入。为了实现阻抗匹配，达到信号最优传输的目的，一般在源极接入一个源极退化电感，从栅极看进去的阻抗具有实数部分。共栅输入级放大器，信号从源极输入，源极看进去的等效阻抗如果与天线的内阻相等，即可实现阻抗匹配。然而，这两种传统的放大器都具有相对较高的噪声系数，降低低噪声放大器的噪声系数主要有噪声抵消和交叉耦合输入等重要方法。

噪声抵消结构的低噪声放大器有很多种，一般的思路是使信号通过两个支路进行放大，在输出端得到差分或者单端的输出信号。对于同一个器件产生的噪声经过两个支路后仍然是相干的噪声电压信号。采用适当的电路控制增益及相位差，在放大射频信号的同时，抵消相应器件产生的噪声，这样就可以通过差分或单端抵消的方法达到噪声抵消的目的。也可以通过另一种方式理解，信号通过两个支路放大，与此同时，只有一个支路中器件的噪声或者附加另一个支路中的部分器件的噪声在输出端产生影响。这样的话，输出端的噪声电压保持在相同增益的单支路放大器的数值，而信号的增益比单支路放大器的增益高了6dB(放大一倍)。这样就达到了相对较低的噪声系数。

交叉耦合输入技术主要是采用一对相互匹配的金属氧化物晶体管作为低噪声放大器的输入管，利用电容将一对相互匹配的金属氧化物晶体管的其中一个金属氧化物晶体管的栅极与另一个金属氧化物的源极连接在一起，这样就形成了交叉耦合输入。每一个金属氧化物晶体管的栅极和源极都接极性相反的射频信号。这样，在金属氧化物晶体管的尺寸和偏置电压相同的情况下，每一个金属氧化物晶体管的实际跨导增大了一倍。因此，在相同的功耗和噪声电流的情况下，低噪声放大器的增益增大了一倍，进而起到降低低噪声放大器噪声系数的作用。

根据噪声系数的公式，提高低噪声放大器的增益对噪声系数的优化起到重要的作用。而高增益的一般是以直流电流或者功耗作为代价的，在电阻负载的结构中，大偏置电流产生的压降附加在负载电阻上，因此是被浪费掉的。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种交叉耦合输入的低噪声跨导放大器，该低噪声跨导放大器的噪声比传统的交叉耦合输入结构具有更低的噪声和功耗；同时解决传统交叉耦合输入结构在较大偏置电流时在负载电阻上产生较大电压降的问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的结构是一种交叉耦合输入的噪声抵消低噪声跨导放大器，该放大器包含交叉耦合输入级放大器、片外接受网络以及隔离电路；所述交叉耦合输入级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管、第二N型金属氧化物晶体管、第三P型金属氧化物晶体管、第四P型金属氧化物晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；所述隔离电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容；所述片外接受网络包括第九电容、第十电容、第五电感、第六电感、模拟天线的信号源和天线内阻。

第六电容的下极板和第三电感的负端、第三电容的上极板、第三P型金属氧化物晶体管的源极连接；第五电容的下极板和第一电感的正端、第一电容的上极板、第一N型金属氧化物晶体管的源极连接；第六电容的上极板和第五电容的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的正端；第八电容的下极板和第二电感的正端、第二电容的上极板、第二N型金属氧化物晶体管的源极连接；第七电容的下极板和第四电感的负端、第四电容的上极板、第四P型金属氧化物晶体管的源极连接；第八电容的上极板和第七电容的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的负端；第一N型金属氧化物晶体管的栅极和第一电阻的正端、第二电容的下极板连接；第二N型金属氧化物晶体管的栅极和第二电阻的正端、第一电容的下极板连接；第三P型金属氧化物晶体管的栅极和第三电阻的正端、第四电容的下极板连接；第四P型金属氧化物晶体管的栅极和第四电阻的正端、第三电容的下极板连接；第一N型金属氧化物晶体管的漏极和第三P型金属氧化物晶体管的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器输出信号的正端；第二N型金属氧化物晶体管的漏极和第四P型金属氧化物晶体管的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器输出信号的负端；第四电阻的负端和第三电阻的负端连接，并且接固定电压Vbias2，为第四P型金属氧化物晶体管的栅极和第三P型金属氧化物晶体管的栅极提供直流偏置；第二电阻的负端和第一电阻的负端连接，并且接固定电压Vbias1，为第一N型金属氧化物晶体管的栅极和第二N型金属氧化物晶体管的栅极提供直流偏置；第一电感的负端和第二电感的负端接地；第三电感的正端和第四电感的正端接电源电压。

所述片外接受网络的模拟天线的信号源和天线内阻设置在低噪声跨导放大器的输入端，模拟天线的信号源的输出端和天线内阻的一端连接；第六电感的正端、第九电容的上极板和天线内阻的另一端相连；第九电容的下极板和第五电感的正端连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的正端；第六电感的负端和第十电容的上极板连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的负端；第五电感的负端和、第十电容的下极板接地。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.噪声系数低。本发明的低噪声跨导放大器处于接收机***的第一级，对***噪声的贡献起到关键的作用。本发明的低噪声跨导放大器从两个角度降低了电路的噪声系数：

第一，采用噪声抵消技术。本发明的电路通过第一N型金属氧化物晶体管和第三P型金属氧化物晶体管以及第二N型金属氧化物晶体管和第四P型金属氧化物晶体管组成的两个支路对信号进行放大，在差分输出端得到极性相反的射频信号和极性相同的噪声信号。通过正负两个输出端相减达到噪声抵消的目的。

第二，采用交叉耦合输入。本发明的低噪声跨导放大器采用上下对称的交叉耦合输入，在相同的直流工作点的情况下，将输入金属氧化物晶体管的实际跨导提高了一倍，提高了整个低噪声跨导放大器的增益，因此降低了电路的噪声系数。

2.电流利用效率高，功耗低。传统的交叉耦合输入结构以一对相互匹配的金属氧化物晶体管作为输入管，以电阻作为负载。本发明的低噪声跨导放大器采用两对相互匹配的金属氧化物晶体管作为输入管，同时每一对相互匹配的金属氧化物晶体管又是另一对相互匹配的金属氧化物晶体管的负载。与传统的交叉耦合结构相比，本发明的低噪声跨导放大器在相同增益和噪声系数的情况下，功耗是传统结构的一半；同时由于两对相互匹配的金属氧化物晶体管彼此作为对方的负载，未采用电阻负载，因此解决了在较大偏置电流时在负载电阻上产生的较大的电压降。

附图说明

图1为本发明的芯片内部电路图；

图2为本发明的电路结构的片外接受网络；

图3为本发明与传统低噪声跨导放大器进行噪声系数比较的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种交叉耦合输入的低噪声跨导放大器，该放大器包含交叉耦合输入级放大器、片外接受网络以及隔离电路。交叉耦合输入级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3、第四P型金属氧化物晶体管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4。隔离电路包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8。片外接受网络包括第九电容C9、第十电容C10、第五电感L5、第六电感L6、模拟天线的信号源Vin和天线内阻RS。

第六电容C6的下极板和第三电感L3的负端、第三电容C3的上极板、第三P型金属氧化物晶体管M3的源极连接；第五电容C5的下极板和第一电感L1的正端、第一电容C1的上极板、第一N型金属氧化物晶体管M1的源极连接。第六电容C6的上极板和第五电容C5的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的正端Vinp。第八电容C8的下极板和第二电感L2的正端、第二电容C2的上极板、第二N型金属氧化物晶体管M2的源极连接。第七电容C7的下极板和第四电感L4的负端、第四电容C4的上极板、第四P型金属氧化物晶体管M4的源极连接。第八电容C8的上极板和第七电容C7的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的负端Vinn。第一N型金属氧化物晶体管M1的栅极和第一电阻R1的正端、第二电容C2的下极板连接。第二N型金属氧化物晶体管M2的栅极和第二电阻R2的正端、第一电容C1的下极板连接。第三P型金属氧化物晶体管M3的栅极和第三电阻R3的正端、第四电容C4的下极板连接。第四P型金属氧化物晶体管M4的栅极和第四电阻R4的正端、第三电容C3的下极板连接。第一N型金属氧化物晶体管M1的漏极和第三P型金属氧化物晶体管M3的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器输出信号的正端Vout+。第二N型金属氧化物晶体管M2的漏极和第四P型金属氧化物晶体管M4的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器的输出信号的负端Vout-。第四电阻R4的负端和第三电阻R3的负端连接，并且接固定电压Vbias2，为第四P型金属氧化物晶体管M4的栅极和第三P型金属氧化物晶体管M3的栅极提供直流偏置，本实施例中Vbias2取值为1.2V。第二电阻R2的负端和第一电阻R1的负端连接，并且接固定电压Vbias1，为第一N型金属氧化物晶体管M1的栅极和第二N型金属氧化物晶体管M2的栅极提供直流偏置，本实施例中Vbias1取值为0.55V。第一电感L1的负端和第二电感L2的负端接地。第三电感L3的正端和第四电感L4的正端接电源电压，本实施例中该电源电压取值为1.8V。

片外接受网络的模拟天线的信号源Vin和天线内阻RS设置在低噪声跨导放大器的输入端，模拟天线的信号源Vin的输出端和天线内阻RS的一端连接。第六电感L6的正端、第九电容C9的上极板和天线内阻RS的另一端相连。第九电容C9的下极板和第五电感L5的正端连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的正端Vinp。第六电感L6的负端和第十电容C10的上极板连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的负端Vinn。第五电感L5的负端和、第十电容C10的下极板接地。

上述交叉耦合输入的噪声抵消低噪声跨导放大器，抵消了交叉耦合输入级放大器的第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4在输出端的噪声，并且采用交叉耦合输入，提高了金属氧化物晶体管的实际跨导。本发明的信号隔离网络包括由第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、和第四电感L4的主要作用是通直流阻交流。第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8的主要作用是阻直流通交流。

该低噪声跨导放大器利用噪声抵消的方法极大的降低了电路的噪声系数。射频信号流过由第一N型金属氧化物晶体管M1和第三P型金属氧化物晶体管M3以及第二N型金属氧化物晶体管M2和第四P型金属氧化物晶体管M4组成的两个支路，在差分输出端产生极性相反的信号；第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4的噪声电流在在差分输出端产生极性相同的信号。通过正负输出端的信号相减可以达到噪声抵消的目的，在完全匹配的情况下，可以完全抵消掉第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4在输出端产生的噪声。

本发明的匹配网络包括第五电感L5、第六电感L6、第九电容C9和第十电容C10。本发明所采用的片外差分网络为L型匹配网络。在低噪声跨导放大器的输入端设置模拟天线的信号源Vin以及天线内阻RS。模拟天线的信号源Vin接收射频信号，然后通过片外匹配网络以及第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8交流耦合到第一N型金属氧化物晶体管M1的源端、第三P型金属氧化物晶体管M3的源端、第二N型金属氧化物晶体管M2的源极和第四P型金属氧化物晶体管M4的源端。第一N型金属氧化物晶体管M1的源端、第三P型金属氧化物晶体管M3的源端、第二N型金属氧化物晶体管M2的栅极和第四P型金属氧化物晶体管M4的栅极通过第五电容C5、第六电容C6、第三电容C3和第一电容C1连接在一起，作为输入信号的正端。第一N型金属氧化物晶体管M1的栅端、第三P型金属氧化物晶体管M3的栅端、第二N型金属氧化物晶体管M2的源极和第四P型金属氧化物晶体管M4的源极通过第四电容C4、第二电容C2、第七电容C7和第八电容C8连接在一起，作为输入信号的负端。整个电路具有上下左右对称的结构。每一个金属氧化物晶体管的栅极和源极分别连接不同的信号输入端，这样提高了金属氧化物晶体管的实际跨导，在同样功耗的情况下提高了增益，同时降低了电路的噪声系数。

本发明以第一N型金属氧化物晶体管M1和第三P型金属氧化物晶体管M3的漏极为输出端的正端Vout+；以第二N型金属氧化物晶体管M2和第四P型金属氧化物晶体管M4的漏极为输出端的负端Vout-。第一N型金属氧化物晶体管M1和第三P型金属氧化物晶体管M3的漏极以及第二N型金属氧化物晶体管M2和第四P型金属氧化物晶体管M4的漏极具有较大的输入阻抗，因此可以提高较大的信号增益。对于流过第一N型金属氧化物晶体管M1的噪声电流而言，噪声电流的一端流过由第三电感L3、第一电感L1、第一N型金属氧化物晶体管M1和第三P型金属氧化物晶体管M3组成的支路；噪声电流的另一端流过由第二电感L2、第四电感L4、第二N型金属氧化物晶体管M2和第四P型金属氧化物晶体管M4组成的支路。该噪声电流在输出端的正端Vout+和输出端的负端Vout-产生极性相同的噪声电压，通过两者相减可以消除该噪声电流产生的噪声电压；同样的道理分别可以抵消流过第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4的噪声电流。为了满足上述功能，要求设置第一N型金属氧化物晶体管M1的跨导、第二N型金属氧化物晶体管M2的跨导、第三P型金属氧化物晶体管M3的跨导和第四P型金属氧化物晶体管M4的跨导相同。

该低噪声跨导放大器采用上下对称的交叉耦合输入，第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4均是交叉耦合输入晶体管。通过抵消第一N型金属氧化物晶体管M1、第二N型金属氧化物晶体管M2、第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4在输出端产生的噪声电压，降低了放大器的噪声系数；同时，与传统的交叉耦合结构相比，该结构的低噪声跨导放大器采用两对相互匹配的金属氧化物晶体管作为输入管。同时，每一对相互匹配的金属氧化物晶体管又是另一对相互匹配的金属氧化物晶体管的负载，即第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4在作为交叉耦合输入晶体管的同时也是第一N型金属氧化物晶体管M1和第二N型金属氧化物晶体管M2的负载；同样的，第一N型金属氧化物晶体管M1和第二N型金属氧化物晶体管M2在作为交叉耦合输入晶体管的同时也是第三P型金属氧化物晶体管M3和第四P型金属氧化物晶体管M4的负载。从而，在同样的增益和噪声系数的要求下，本发明的低噪声跨导放大器的功耗是传统交叉耦合输入结构的一半。并且由于每一对相互匹配的金属氧化物晶体管又是另一对相互匹配的金属氧化物晶体管的负载，未采用电阻负载，避免了电路在较大偏置电流时在电阻负载上产生较大的电压降。

下面通过仿真对比来说明本发明具有低噪声系数和低功耗的优点。

采用Virtuoso仿真软件进行低噪声跨导放大器噪声系数的仿真对比。对比对象是本发明的放大器和传统的共源极低噪声跨导放大器。

仿真对比结果如图3所示，横坐标表示输入射频信号的频率，单位Hz,纵坐标表示噪声系数，单位dB。从图3可以看出，本发明的低噪声跨导放大器工作在433MHz附近时，噪声系数可达1.54dB。而传统的交叉耦合输入级低噪声跨导放大器在此频率附近工作时的噪声系数约为3.2dB。本发明的低噪声跨导放大器对噪声系数的优化接近1.66dB。该结构的偏置电流仅为传统的交叉耦合输入级低噪声跨导放大器的一半。与具有相同增益的传统的交叉耦合输入级低噪声跨导放大器相比，本发明具有更低的功率和噪声系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种交叉耦合输入的低噪声跨导放大器，其特征在于：该放大器包含交叉耦合输入级放大器、片外接受网络以及隔离电路；所述交叉耦合输入级放大器包括第一N型金属氧化物晶体管(M1)、第二N型金属氧化物晶体管(M2)、第三P型金属氧化物晶体管(M3)、第四P型金属氧化物晶体管(M4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)；所述隔离电路包括第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8)；所述片外接受网络包括第九电容(C9)、第十电容(C10)、第五电感(L5)、第六电感(L6)、模拟天线的信号源(Vin)和天线内阻(RS)；

所述第六电容(C6)的下极板和第三电感(L3)的负端、第三电容(C3)的上极板、第三P型金属氧化物晶体管(M3)的源极连接；第五电容(C5)的下极板和第一电感(L1)的正端、第一电容(C1)的上极板、第一N型金属氧化物晶体管(M1)的源极连接；第六电容(C6)的上极板和第五电容(C5)的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的正端(Vinp)；第八电容(C8)的下极板和第二电感(L2)的正端、第二电容(C2)的上极板、第二N型金属氧化物晶体管(M2)的源极连接；第七电容(C7)的下极板和第四电感(L4)的负端、第四电容(C4)的上极板、第四P型金属氧化物晶体管(M4)的源极连接；第八电容(C8)的上极板和第七电容(C7)的上极板连接，并作为低噪声跨导放大器的输入信号的负端(Vinn)；第一N型金属氧化物晶体管(M1)的栅极和第一电阻(R1)的正端、第二电容(C2)的下极板连接；第二N型金属氧化物晶体管(M2)的栅极和第二电阻(R2)的正端、第一电容(C1)的下极板连接；第三P型金属氧化物晶体管(M3)的栅极和第三电阻(R3)的正端、第四电容(C4)的下极板连接；第四P型金属氧化物晶体管(M4)的栅极和第四电阻(R4)的正端、第三电容(C3)的下极板连接；第一N型金属氧化物晶体管(M1)的漏极和第三P型金属氧化物晶体管(M3)的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器输出信号的正端(Vout+)；第二N型金属氧化物晶体管(M2)的漏极和第四P型金属氧化物晶体管(M4)的漏极连接，并且作为低噪声跨导放大器的输出信号的负端(Vout-)；第四电阻(R4)的负端和第三电阻(R3)的负端连接，并且接固定电压Vbias2，为第四P型金属氧化物晶体管(M4)的栅极和第三P型金属氧化物晶体管(M3)的栅极提供直流偏置；第二电阻(R2)的负端和第一电阻(R1)的负端连接，并且接固定电压Vbias1，为第一N型金属氧化物晶体管(M1)的栅极和第二N型金属氧化物晶体管(M2)的栅极提供直流偏置；第一电感(L1)的负端和第二电感(L2)的负端接地；第三电感(L3)的正端和第四电感(L4)的正端接电源电压；

所述片外接受网络的模拟天线的信号源(Vin)和天线内阻(RS)设置在低噪声跨导放大器的输入端，模拟天线的信号源(Vin)的输出端和天线内阻(RS)的一端连接；第六电感(L6)的正端、第九电容(C9)的上极板和天线内阻(RS)的另一端相连；第九电容(C9)的下极板和第五电感(L5)的正端连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的正端(Vinp)；第六电感(L6)的负端和第十电容(C10)的上极板连接到所述低噪声跨导放大器的输入信号的负端(Vinn)；第五电感(L5)的负端和、第十电容(C10)的下极板接地。