CN104065355A - 全差分低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全差分低噪声放大器，包括共源共栅全差分放大电路和增益切换电路。增益切换电路的两个PMOS管和共源共栅全差分放大电路的两个共栅连接的PMOS管并联，且增益切换电路的两个PMOS管的栅极都接增益控制信号。当增益控制信号由高电平切换为低电平时，增益切换电路的两个PMOS管的源漏导通，全差分低噪声放大器的输出阻抗也减少，全差分低噪声放大器的增益降低。本发明能实现增益切换，并能同时改变P1dB和NF，能适应广泛的无线通讯接收器的电路应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种全差分低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器（LNA）的主要要求是低噪声指数(Noise Figure,NF)，高增益(gain)和大线性度,同时在实际应用中需要接收机具有近100dB的动态范围，对微弱信号需要大的增益，而对于较强信号又需要较小的增益和较大的1dB压缩点(P1dB)。如图1所示，是现有全差分低噪声放大器的电路图，它采用源极简并的共源共栅的高频放大器电路结构，输入信号为交流偶合方式实现，包括：
由NMOS管1、NMOS管2、PMOS管3和PMOS管4连接形成的共源共栅全差分放大电路。
NMOS管1和2的栅极分别通过一个电感Lg、电容Cb和50欧姆电阻和一对差分输入信号in中的一个相连接。
NMOS管1和2的源极分别通过一个电感Ls和偏置电流源Ibias连接。
PMOS管3和4的源极分别通过一个电感Ld接电源Vdd，且PMOS管3和4的源极输出一个差分输出信号Vout。
如图1所示的现有全差分低噪声放大器无法实现增益切换，当接收机的动态范围较大时，无法做到对微弱信号具有较大增益、而较强信号又具有较小的增益，即实际所能处理的动态范围较小，如果要做在具有近100dB的动态范围内应用，低噪声放大器必须能够进行增益切换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全差分低噪声放大器，能实现增益切换，并能同时改变P1dB和NF，能适应广泛的无线通讯接收器的电路应用。
为解决上述技术问题，本发明提供的全差分低噪声放大器包括：由第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管组成的共源共栅全差分放大电路，以及由第三PMOS管和第四PMOS管组成的增益切换电路。
所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极分别通过一个输入匹配网络电路和一对差分输入信号中的一个连接。
所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的源极分别和源极负载网络电路相连。
所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极相连，所述第二NMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极相连。
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的栅极都连接电源。
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极输出一对差分输出信号。
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极分别和输出负载网络电路相连。
所述第三PMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极连接，所述第四PMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极连接；所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都接电源；所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极都接增益控制信号。
所述第三PMOS管和所述第一PMOS管形成并联结构，所述第四PMOS管和所述第二PMOS管形成并联结构。当所述增益控制信号为高电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管关断，全差分低噪声放大器处于高增益工作模式；当所述增益控制信号为低电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管源漏导通而使所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的信号链路加入，使得所述共源共栅全差分放大电路的输出阻抗减少，所述全差分低噪声放大器处于低增益工作模式，所述低增益工作模式的增益比所述高增益工作模式的增益低。
进一步的改进是，所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极连接的所述输入匹配网络电路的结构相同且都分别包括：第一电感、第一电阻、第一电容、第三NMOS管和第一电流源；所述第一电感的第一端用于连接所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极中的一个；所述第一电感的第二端和所述第一电阻的第一端连接，且所述第一电感的第二端用于输入一对所述差分输入信号中的一个；所述第一电容连接于所述第一电阻的第二端和地之间；所述第三NMOS管的漏极和栅极都连接所述第一电阻的第二端，所述第三NMOS管的漏极接入所述第一电流源，所述第三NMOS管的源极接地。
进一步的改进是，所述源极负载网络电路包括第二电感和第二电阻；所述第二电感的两端分别连接所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的源极中的一个，在所述第二电感的中间值位置处和地之间连接所述第二电阻。
进一步的改进是，所述输出负载网络电路包括第三电感和第三电阻；所述第三电感的两端分别连接所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极中的一个，在所述第三电感的中间值位置处和电源之间连接所述第三电阻。
本发明具有增益切换电路，当需要进行相应的增益切换时，通过增益控制信号对增益切换电路的控制，能够使得增益切换电路的两条支路导通或关断，从而能改变输出端的阻抗，最终能改变LNA的增益。本发明电路在增益切换能同时改变P1dB和NF，对于高量级的输入信号，能使得LNA变得更加线性，使得增益切换电路没有限制到接收器的线性度，并使本发明电路能适应广泛的无线通讯接收器的电路应用。本发明电路在输入匹配方面几乎没有影响；增益切换并不会降低切换前后的LNA的速度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有全差分低噪声放大器的电路图；
图2是本发明实施例全差分低噪声放大器的电路图；
图3是本发明实施例增益（Gain）变化对P1dB和NF的影响曲线。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例全差分低噪声放大器的电路图。本发明实施例全差分低噪声放大器包括：由第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2组成的共源共栅全差分放大电路，以及由第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4组成的增益切换电路。
所述第一NMOS管MN1和所述第二NMOS管MN2的栅极分别通过一个输入匹配网络电路和一对差分输入信号Vin+和Vin-中的一个连接。所述第一NMOS管MN1和所述第二NMOS管MN2的栅极连接的所述输入匹配网络电路的结构相同且都分别包括：第一电感L1、第一电阻R1、第一电容C1、第三NMOS管MN3和第一电流源IREF；所述第一电感L1的第一端用于连接所述第一NMOS管MN1和所述第二NMOS管MN2的栅极中的一个；所述第一电感L1的第二端和所述第一电阻R1的第一端连接，且所述第一电感L1的第二端用于输入一对所述差分输入信号Vin+和Vin-中的一个；所述第一电容C1连接于所述第一电阻R1的第二端和地之间；所述第三NMOS管MN3的漏极和栅极都连接所述第一电阻R1的第二端，所述第三NMOS管MN3的漏极接入所述第一电流源IREF，所述第三NMOS管MN3的源极接地。
所述第一NMOS管MN1和所述第二NMOS管MN2的源极分别和源极负载网络电路相连。所述源极负载网络电路包括第二电感L2和第二电阻R2；所述第二电感L2的两端分别连接所述第一NMOS管MN1和所述第二NMOS管MN2的源极中的一个，在所述第二电感L2的中间值位置处和地之间连接所述第二电阻R2。
所述第一NMOS管MN1的漏极和所述第一PMOS管MP1的漏极相连，所述第二NMOS管MN2的漏极和所述第二PMOS管MP2的漏极相连。
所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的栅极都连接电源。
所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的源极输出一对差分输出信号Vout+和Vout-。
所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的源极分别和输出负载网络电路相连。所述输出负载网络电路包括第三电感L3和第三电阻R3；所述第三电感L3的两端分别连接所述第一PMOS管MP1和所述第二PMOS管MP2的源极中的一个，在所述第三电感L3的中间值位置处和电源之间连接所述第三电阻R3。
所述第三PMOS管MP3的漏极和所述第一PMOS管MP1的漏极连接，所述第四PMOS管MP4的漏极和所述第二PMOS管MP2的漏极连接；所述第三PMOS管MP3和所述第四PMOS管MP4的源极都接电源；所述第三PMOS管MP3和所述第四PMOS管MP4的栅极都接增益控制信号Vatten。
所述第三PMOS管MP3和所述第一PMOS管MP1形成并联结构，所述第四PMOS管MP4和所述第二PMOS管MP2形成并联结构。当所述增益控制信号Vatten为高电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管关断，全差分低噪声放大器处于高增益工作模式；当所述增益控制信号Vatten为低电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管源漏导通而使所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的信号链路加入，使得所述共源共栅全差分放大电路的输出阻抗减少，所述全差分低噪声放大器处于低增益工作模式，所述低增益工作模式的增益比所述高增益工作模式的增益低。
一个接收器的第一级一般是一个低噪声放大器。对于接收器，它所接收到的信号的动态范围可能达到100dB。例如对于一个手机，当它靠近基站的时候，它所接收到的信号的强度可能高达-10dBm，而在地下时，所接收到的信号的强度可能低至-110dBm。低噪声放大器（LNA）的主要功能是提供足够的增益来克服后续各级的噪声，除了提供这个增益并且附加尽可能少的噪声之外，一个LNA应当能接收大的信号并且不失真，而且常常还必须对输入信号表现为一个特定的阻抗。
当设计用于高灵敏度时，接收器链路必须在输入信号的量级连续增加的时候也能正确地检测到信号。所以，当输入信号的量级增加时，就要求减小每一级的增益以使得后面的每级电路对于大的输入信号也能保持足够的线性度。当然，当接收器的增益减小的时候，它的噪声系数就增大了。因此在增益必须降低的条件下，如果LNA的灵敏度的衰减小于接收到的信号的量级的增加，那么信噪比（SNR）就不会下降。本发明实施例通过增益切换电路对增益进行切换，在改变增益的同时，能够使得P1dB和NF改变，使得它可以应用于不同的应用之中，如本发明实施例应用于输入信号具有100dB的动态范围时，能够实现对微弱信号需要大的增益，而对于较强信号具有较小的增益和较大的P1dB。如图3所示，是本发明实施例增益（Gain）变化对P1dB和NF的影响曲线，图3说明了增益变化对于NF和P1dB的影响，可知，当增益降低时，P1dB和NF都会增加。
本发明实施例还具有如下有益效果：首先，它在输入匹配方面几乎没有影响；再者，增益切换没有降低原来的LNA的速度；而后，对于高量级的输入信号，增益切换使得LNA变得更加线性，使得该级电路没有限制到接收器的线性度。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种全差分低噪声放大器，其特征在于，包括：由第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管组成的共源共栅全差分放大电路，以及由第三PMOS管和第四PMOS管组成的增益切换电路；
所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极分别通过一个输入匹配网络电路和一对差分输入信号中的一个连接；
所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的源极分别和源极负载网络电路相连；
所述第一NMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极相连，所述第二NMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极相连；
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的栅极都连接电源；
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极输出一对差分输出信号；
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极分别和输出负载网络电路相连；
所述第三PMOS管的漏极和所述第一PMOS管的漏极连接，所述第四PMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极连接；所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的源极都接电源；所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的栅极都接增益控制信号；
所述第三PMOS管和所述第一PMOS管形成并联结构，所述第四PMOS管和所述第二PMOS管形成并联结构；当所述增益控制信号为高电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管关断，全差分低噪声放大器处于高增益工作模式；当所述增益控制信号为低电平时，所述第三PMOS管和所述第四PMOS管源漏导通而使所述第三PMOS管和所述第四PMOS管的信号链路加入，使得所述共源共栅全差分放大电路的输出阻抗减少，所述全差分低噪声放大器处于低增益工作模式，所述低增益工作模式的增益比所述高增益工作模式的增益低。
2.如权利要求1所述的全差分低噪声放大器，其特征在于：所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极连接的所述输入匹配网络电路的结构相同且都分别包括：第一电感、第一电阻、第一电容、第三NMOS管和第一电流源；
所述第一电感的第一端用于连接所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的栅极中的一个；所述第一电感的第二端和所述第一电阻的第一端连接，且所述第一电感的第二端用于输入一对所述差分输入信号中的一个；
所述第一电容连接于所述第一电阻的第二端和地之间；
所述第三NMOS管的漏极和栅极都连接所述第一电阻的第二端，所述第三NMOS管的漏极接入所述第一电流源，所述第三NMOS管的源极接地。
3.如权利要求1所述的全差分低噪声放大器，其特征在于：所述源极负载网络电路包括第二电感和第二电阻；
所述第二电感的两端分别连接所述第一NMOS管和所述第二NMOS管的源极中的一个，在所述第二电感的中间值位置处和地之间连接所述第二电阻。
4.如权利要求1所述的全差分低噪声放大器，其特征在于：所述输出负载网络电路包括第三电感和第三电阻；
所述第三电感的两端分别连接所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极中的一个，在所述第三电感的中间值位置处和电源之间连接所述第三电阻。
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