CN104579184A - 一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器 - Google Patents

一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器,其包括相互连接的共栅级与共源级;共栅级对输入的射频信号正向放大,共源级对输入的射频信号反向放大实现单端信号到差分信号的转换,并且该共源级还采用后失真技术及噪声抑制技术来实现输出信号的高线性度与低噪声。通过采用发明公开的高线性度宽带巴伦低噪声放大器,可以同时获得在较宽的偏压范围内的高IIP2和IIP3;此外,发明对共源级中放大管的衬底噪声进行了优化,提高了整个放大器的噪声性能。

Description

一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域,尤其涉及一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器。
背景技术
高性能接收机通常采用差分电路实现,其优点在于可以抑制电源扰动和衬底干扰,并可以抑制二次非线性项。但由于天线接收到的信号往往是单端的,因此需要一个单转差巴伦来实现接收信号的差分输出。
在现有的巴伦实现方案中,片上无源巴伦所占面积巨大,准确的模型很难获取,而且其引入的插损会恶化接收机的噪声性能和灵敏度,因此很少被采用;片外巴伦虽然具有良好的性能,但价格昂贵,增加了成本;而片上有源巴伦低噪声放大器不仅可以提供信号的转换,还可以提供增益且能节约引脚数目,因而受到越来越多的青睐。
另外,随着微电子技术的飞速发展和多功能无线通信设备的巨大市场驱动,工业界越来越倾向于通过单一接收机链路实现多种不同的无线功能(比如蓝牙、Wi-Fi、GPS等)以减小总的芯片面积、功耗和成本。而宽带低噪声放大器是实现该多带接收机的重要模块;宽带意味着许多路无线信号都可以不经滤波地同时进入接收机,它们相互成为干扰源,会恶化接收到的信号质量,因此宽带低噪声放大器需要有较高的线性度以抑制交调项。
基于以上两点阐述,高线性宽带巴伦低噪声放大器是对于宽带差分接收机的实现具有重要价值。传统的共栅共源巴伦低噪声放大器(如图1所示)虽然能实现宽带匹配、差分输出、低噪声系数,但其有三个不足之处:
1.其线性性能通过调节共源放大管的偏压实现,高线性性能只能在极窄的偏压范围内才能实现,容易受到工艺、温度、电源电压变化的影响,实现难度大;
2.其通过偏压调节往往很难同时获得良好的IIP2(二阶交调性能)和IIP3(三阶交调性能),而IIP2和IIP3对于宽带接收机都很重要;
3.共源放大管的衬底寄生电阻在亚微米工艺中会对整个放大器贡献较大的热噪声,还有待进一步的优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器,可以同时获得在较宽的偏压范围内的高IIP2和IIP3;此外,本发明对共源级中放大管的衬底噪声进行了优化,提高了整个放大器的噪声性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器,包括:相互连接的共栅级与共源级;
共栅级对输入的射频信号正向放大,共源级对输入的射频信号反向放大实现单端信号到差分信号的转换,并且该共源级还采用后失真技术及噪声抑制技术来实现输出信号的高线性度与低噪声。
进一步的,所述共栅级包括:共栅管MCG、NMOS管Mcas1与电阻RCG
其中,所述共栅管MCG的栅端接偏置电压Vb1,其源端通过绑线连到片外,并通过片外电感L1接地,电感L1给共栅级提供直流通路,并阻塞射频信号;
NMOS管Mcas1的源端连接到共栅管MCG的漏端,其栅端接偏置电压Vb2,其漏端和电阻RCG相连,并在此输出正向射频放大信号Vy,电阻RCG的另一端接到电源VDD上。
进一步的,所述共源级包括:共源级包括共源管MCS、NMOS管Mcas2,PMOS管Mp,电阻R1、R2、Radd、RCS,以及电容C2
其中,共源管MCS的源端接地,其衬底和源端串接电阻Radd,其栅端通过隔直电容C1与共栅级相连,并接收输入的射频信号Vin,其栅端还接电阻R1,R1的另一端接偏置电压Vb1;该共源管MCS的漏端还与NMOS管Mcas2的源端相连;
NMOS管Mcas2的栅端接偏置电压Vb2,其漏端与PMOS管Mp的漏端相连,其漏端还接共源级负载电阻RCS,并在此输出反向射频放大信号VX,电阻RCS的另一端接电源VDD;
PMOS管Mp的源端接电源VDD,其栅端通过隔直电容C2和其漏端相连,其栅端还接电阻R2,电阻R2的另一端接偏置电压Vbp
由上述本发明提供的技术方案可以看出,通过在共源级采用后失真技术以提高其线性度,通过在共源级负载端并联一个PMOS辅助管Mp并由共源级输出端提供其控制信号,该辅助管的小信号电流叠加到负载电阻上后能有效地同时减小共源放大管小信号电流的二次和三次非线性项,从而提高输出电压信号的IIP2和IIP3;此外,还通过在共源管MCS的衬底和源端串接一个大电阻从而有效地抑制了共源管衬底寄生电阻的热噪声贡献,提高了整个放大器的噪声性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为背景技术提供的传统共栅共源巴伦低噪声放大器的示意图;
图2为本发明实施例提供的一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器的示意图;
图3为本发明实施例提供的共源管MCS单电阻衬底模型示意图;
图4为本发明实施例提供的噪声功率谱Svbs随(rb+Radd)变化的曲线示意图;
图5为本发明实施例提供的有无电阻Radd的放大器噪声系数对比图;
图6为本发明实施例提供的未加PMOS管Mp时流过电阻RCS的电流的非线性系数示意图;
图7为本发明实施例提供的未采用本发明提出的后失真技术时共源级的IIP2和IIP3的示意图;
图8为本发明实施例提供的流过PMOS管Mp的电流的非线性系数示意图;
图9为本发明实施例提供的采用本发明提出的后失真技术后流过电阻RCS的电流的非线性系数示意图;
图10为本发明实施例提供的采用本发明提出的后失真技术后共源级的IIP2和IIP3示意图;
图11为本发明实施例提供的另一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器的示意图;
图12为本发明实施例提供的又一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
实施例
图2为本发明实施例提供的一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器的示意图。如图2所示,其主要包括:相互连接的共栅级11与共源级12;
共栅级11对输入的射频信号正向放大,共源级12对输入的射频信号反向放大(两级放大增益相同)实现单端信号到差分信号的转换,并且该共源级12还采用后失真技术及噪声抑制技术来实现输出信号的高线性度与低噪声。
进一步的,所述共栅级11采用共栅管MCG对输入射频信号进行正向放大并提供输入匹配,电感L1连接共栅管的源端和地,为共栅级提供直流通路并阻塞射频信号,共栅级采用电阻RCG作为负载,输出电压信号Vy
具体来说,所述共栅级12包括:共栅管MCG、NMOS管Mcas1与电阻RCG
其中,所述共栅管MCG的栅端接偏置电压Vb1,其源端通过绑线连到片外,并通过片外电感L1接地,电感L1给共栅级提供直流通路,并阻塞射频信号;
NMOS管Mcas1的源端连接到共栅管MCG的漏端,其栅端接偏置电压Vb2,其漏端和电阻RCG相连,并在此输出正向射频放大信号Vy,电阻RCG的另一端接到电源VDD上。
上述结构中,共栅管MCG与NMOS管Mcas1组成cascode结构,能增大输出阻抗和反向隔离。
示例性的,为实现50欧姆输入匹配,共栅管MCG的跨导被偏置在20mS;共栅级11的增益为共栅管MCG的跨导乘以负载电阻RCG;共栅管MCG的噪声和非线性失真以共模形式出现在共栅级11和共源级12的输出端,因此不决定整个放大器的噪声和线性性能。
进一步的,共源级通过共源管MCS对信号进行反向放大,并采用电阻RCS作为负载,输出电压信号VX,PMOS辅助管Mp并联在电阻RCS的两端,其源端接电源,漏端接信号输出端,栅端通过隔直电容C2连接到信号输出端,共源管MCS的衬底和源端之间串联电阻Radd
具体来说,所述共源级12包括:共源级包括共源管MCS、NMOS管Mcas2,PMOS管Mp,电阻R1、R2、Radd、RCS,以及电容C2
其中,共源管MCS的源端接地,其衬底和源端串接电阻Radd,其栅端通过隔直电容C1与共栅级相连,并接收输入的射频信号Vin,其栅端还接电阻R1,R1的另一端接偏置电压Vb1;该共源管MCS的漏端还与NMOS管Mcas2的源端相连;
NMOS管Mcas2的栅端接偏置电压Vb2,其漏端与PMOS管Mp的漏端相连,其漏端还接共源级负载电阻RCS,并在此输出反向射频放大信号VX,电阻RCS的另一端接电源VDD;
PMOS管Mp的源端接电源VDD,其栅端通过隔直电容C2和其漏端相连,即由共源级12的输出端给PMOS管Mp提供信号;其栅端还接电阻R2,电阻R2的另一端接偏置电压Vbp
上述结构中,共源管MCS与NMOS管Mcas2组成cascode结构,,增大了输出阻抗和反向隔离,且减小了由于密勒效应而对输入匹配的恶化。同时,共源级12采用PMOS管Mp在较宽偏压范围内同时抵消了共源管MCS的二次和三次非线性失真,使得放大器同时获得了良好的IIP2和IIP3;并且,PMOS辅助管Mp的栅端射频信号由共源级输出信号VX提供,VX相对射频输入信号较大的增益使得共源管MCS的跨导损耗最小。此外,共源管MCS的衬底热噪声通过衬底和源级之间的电阻Radd得到了有效的抑制。
为了便于理解,下面针对上述结构的原理做详细的说明。
1.衬底大电阻Radd对共源管MCS衬底噪声的抑制可以参考图3所示的单电阻衬底模型进行分析,其中rb为共源管MCS的衬底寄生电阻,电阻Radd为外加的片上无源电阻,Cbs为共源管MCS的源衬寄生电容。rb所产生的热噪声加在衬源电容Cbs上,进而通过衬源跨导gmb在电路中引入噪声电流,从而恶化电路噪声性能。rb和Radd加在源衬电容Cbs两端的噪声功率谱为:
S Vbs = 4 kT 4 π 2 ( r b + R add ) C bs 2 f 2 + 1 ( r b + R add ) ;
其中,k为玻尔兹曼常量,T为绝对温度,f为频率。该噪声功率谱随(rb+Radd)变化的曲线如图4所示,可见其存在一个波峰,对于我们所关心的频带,rb一般使得Svbs落在图中靠近波峰的左边阴影区,导致Svbs较大,而通过大的Radd的辅助可以将Svbs推到右边的阴影区,从而减小来自衬底的总的噪声。
参看图5可见,本发明通过串接衬源大电阻Radd(比如50KΩ),明显的提高了放大器的噪声性能。
2.后失真技术提高线性度原理分析:对于未采用后失真技术时,即未连接PMOS管Mp时,流过负载电阻RCS的电流it等于流过共源管MCS的电流in(见图2)。设:其中,vin表示电流in,则得到in的非线性系数如图6所示,其对应的VX随偏置电压变化的IIP2和IIP3的曲线如图7所示。从图7可明显看到,IIP2有个狭窄的尖峰区,在考虑到工艺、温度和电压偏差的情况下,很难通过电压偏置去实现该高IIP2,且该区域IIP3很低,不能同时获得高的IIP2和IIP3。加入PMOS管Mp后,流经RCS的电流it等于(ip+in)。设: i p = g 1 p v x + g 2 p v x 2 + g 3 p v x 3 , v x = b 1 v in + b 2 v in 2 + b 3 v in 3 , (VX为Vin的非线性函数,b1,b2,b3为相应的非线性系数)则:
i t = ( g 1 + g 1 p b 1 ) v in + ( g 2 + g 1 p b 2 + g 2 p b 1 2 ) v in 2 + ( g 3 + g 1 p b 3 + 2 g 2 p b 1 b 2 + g 3 p b 1 3 ) v in 3 ≈ ( g 1 + g 1 p b 1 ) v in + ( g 2 + g 2 p b 1 2 ) v in 2 + ( g 3 + g 3 p b 1 3 ) v in 3 - - - ( 1 )
通常共源管Mcs偏置在图6中椭圆区域,如果偏置过高,则共源管Mcs进入线性区,g1开始下降。在该椭圆区,g1、g2为正,g3为负,而b1为负。对于偏置在强反型区的PMOS管Mp,流过它的电流的二次和三次非线性系数都为负(如图8椭圆区域所示),因此可以同时抵消共源管MCS电流in的二次和三次非线性失真,提高放大器的IIP2和IIP3。而对于传统后失真技术中采用NMOS管作为辅助管,由于NMOS管在强反型区的二次和三次非线性系数分别为正和负,因而只能抵消共源管的三次非线性失真。
参看图9可知,采用本发明提出的后失真技术后,流过负载电阻RCS的电流it的二次和三次非线性系数g2t和g3t在较宽的偏压范围内都保持了较低的值(如图9椭圆区域所示)。对应地,参看图10可知,采用本发明提出的后失真技术后,放大器在较宽的偏压范围内同时获得了良好的IIP2和IIP3性能,表现出很好的健壮性。
由公式(1)可知,共源级放大倍数b1越大,抵消同样的二次和三次失真系数g2和g3所损失掉的跨导g1p*b1就越小,这也是本发明相比于传统后失真技术将辅助管的信号由NMOS管Mcas2的源端提供的改进,因为NMOS管Mcas2的源端的信号增益要远小于共源级输出端的增益。
另外,基于本发明实施例所提供的放大器及原理,还可以对放大器的内部结构进行变换,如图11-图12所示。图11中将提供直流的片外电感L1用电流源替换,同样可以提供直流通路且阻塞射频信号;对于如图12所示的未采用cascode结构的放大器也可以直接使用本发明公布的技术方案。
本发明相对于现有技术的优点和显著效果在于:
(1)同时获得良好的IIP2和IIP3。常见的后失真方案中采用NMOS管作为辅助管,由于NMOS管在强反型区的二次和三次非线性系数分别为正和负,因而只能抵消共源管的三次非线性失真,而本发明采用PMOS管作为辅助失真抵消管,其在强反型区的二次和三次非线性系数均为负,能够同时抵消共源管的二次和三次非线性失真,因而可同时获得良好的IIP2和IIP3性能。
(2)宽的偏置电压范围和好的健壮性。本发明提出的采用PMOS辅助管的后失真方案能够在较宽的偏置电压范围内对共源管的二次和三次非线性失真进行有效的抵消,因而可在一个较宽的偏置电压范围内获得良好的IIP2和IIP3,表现出很好的健壮性。
(3)对增益损耗小。后失真技术会对增益造成损害,其程度和辅助管的跨导成正比,由于本设计中辅助管的栅端控制信号由输出端而非cascode管的源端提供,更大的电压增益使得更小的辅助管就能抵消掉共源管的非线性失真,因而对增益的损耗更小。
(4)可抑制共源管衬底噪声。共源管的衬底端通过一个大电阻和其源端相连,而非直接相连,抑制了来自共源管衬底的总的热噪声贡献。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高线性度宽带巴伦低噪声放大器,其特征在于,包括:相互连接的共栅级与共源级;
共栅级对输入的射频信号正向放大,共源级对输入的射频信号反向放大实现单端信号到差分信号的转换,并且该共源级还采用后失真技术及噪声抑制技术来实现输出信号的高线性度与低噪声。
2.根据权利要求1所述的高线性度宽带巴伦低噪声放大器,其特征在于,所述共栅级包括:共栅管MCG、NMOS管Mcas1与电阻RCG
其中,所述共栅管MCG的栅端接偏置电压Vb1,其源端通过绑线连到片外,并通过片外电感L1接地,电感L1给共栅级提供直流通路,并阻塞射频信号;
NMOS管Mcas1的源端连接到共栅管MCG的漏端,其栅端接偏置电压Vb2,其漏端和电阻RCG相连,并在此输出正向射频放大信号Vy,电阻RCG的另一端接到电源VDD上。
3.根据权利要求1或2所述的高线性度宽带巴伦低噪声放大器,其特征在于,所述共源级包括:共源级包括共源管MCS、NMOS管Mcas2,PMOS管Mp,电阻R1、R2、Radd、RCS,以及电容C2
其中,共源管MCS的源端接地,其衬底和源端串接电阻Radd,其栅端通过隔直电容C1与共栅级相连,并接收输入的射频信号Vin,其栅端还接电阻R1,R1的另一端接偏置电压Vb1;该共源管MCS的漏端还与NMOS管Mcas2的源端相连;
NMOS管Mcas2的栅端接偏置电压Vb2,其漏端与PMOS管Mp的漏端相连,其漏端还接共源级负载电阻RCS,并在此输出反向射频放大信号VX,电阻RCS的另一端接电源VDD;
PMOS管Mp的源端接电源VDD,其栅端通过隔直电容C2和其漏端相连,其栅端还接电阻R2,电阻R2的另一端接偏置电压Vbp
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