CN105720929A - 一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，旨在解决现有技术低噪声放大器源简并结构的电流失配问题、以及避免直流偏置的不理想带来的影响。该带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，包括低噪声放大电路和带隙基准电路，其中带隙基准电路的电流量受控于数控单元，带隙基准电路输出的电流经过镜像成倍放大作为低噪声放大电路的偏置电流；低噪声放大电路采用共源共栅结构，信号从In端口输入经片内电感L1接至晶体管Q8的基极，在In端口与电感L1之间的结点引出支路串联电容C4接地；信号在晶体管Q8经过电压?电流反馈，在晶体管Q9的集电极输出端得到放大，并通过缓冲单元Buf输出，完成信号的低噪声放大功能。

Description

一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大电路。
背景技术
作为射频接收机的第一个电路模块，低噪声放大器(LNA，low noise amplifier)具有将有效信号(signal)放大，同时抑制噪声(noise)的功能，而带隙基准(Bandgap)电路则为低噪声放大器电路提供电压或电流偏置。整个电路的工作机制是，带隙基准电路产生一个与温度、工艺以及电源电压相关性小的基准电压/电流，并将该信号加入到低噪声放大器中；在带隙电压的偏置下，低噪声放大器的静态工作点得以确定，即确保了需要的输入匹配(S11，input match)，信号增益(S21，power gain)和较小的噪声系数(NF，noise figure)等指标，这时信号就可以以较小的损耗输入低噪声放大器，并通过该电路进行放大，同时在保证较小噪声的前提下，噪声信号的幅度得以有效的抑制。
低噪声放大器是对天线接收到的射频信号进行合理幅值的放大，这就需要在宽带输入范围内实现输入阻抗的匹配，避免能量损耗以及对天线的反射干扰，实现较低的低噪声系数，提高接收机灵敏度；获得足够的增益和增益平坦度以减少后级电路的噪声影响以及非线性失真；并且应具有较低的功耗，避免过多的能量损耗，造成不必要的损失。
带隙电路则是通过二极管电路产生与温度和工艺等相关性小的电压，将该电压进行输入，输入到低噪声放大器中。在设计该电路时的原则为：具有良好的抗外界性能(抗温度变化，抗工艺变化以及抗电源电压变化)并且应减小外电路对带隙电路的影响(如减小低噪声放大器对带隙电路的影响)。
目前的大多数电路设计拟将带隙基准偏置做在片外，进行片外测试和片外偏置，或将带隙电路单独制作，将其产生的带隙电压信号输入到低噪声放大器中。
现有技术一：
浙江省嘉兴联星电子有限公司拥有的专利技术“一种宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路”(公布号CN 103178788 A，申请号201310036309.1，申请日2013.01.29)中公开了一种是用于宽电源电压工作的低噪声放大器偏置电路。如图1所示，该电路包括主偏置电路，偏置稳定反馈支路和一个偏置电流源电路。偏置稳定反馈电路的两个三极管为互补的两类管型，使偏置稳定反馈支路的直流压降接近于零。该电路的原理如下：通过偏置电流源产生电路产生偏置电流，输入到主偏置电路和偏置稳定反馈支路，然后通过偏置稳定反馈支路的反馈性能，稳定主偏置电路，将最终的偏置电压加入到主放大电路中。
该电路主要存在以下缺点：
1.反馈支路的电压压降为零虽可以实现地电压裕度，但由于该方案牺牲了三极管Q2、Q4的电压偏置，两管会进入线性区，难以实现良好的反馈作用。
2.低噪声放大器的Q0晶体管采用的源简并结构，将电感Ls串联在源极，实现晶体管Q1和Q0的匹配。虽然在DC频率下，电感并不会引入偏差，但由于片内实现的电感都具有较高的电阻成分，因此Q0的直流环境与Q1并不相同。电感的寄生电阻会引入电流上的误差。
3.偏置电路给出了参考电流Iref，但是并没有提出该电流的电路结构，也未给出其噪声，抗工艺参数等条件，因此电路并不完善。
现有技术二：
美国佐治亚学校的Prabir K.Saha等人提出一种Pi型匹配网络的高频低噪声放大器(会议名称：RWS页号：203-206年份：2012)。该电路的结构如图2所示，采用单级Cascode结构，提高输入和输出的隔绝，采用并联-并联反馈实现小信号的50欧姆阻抗，并采用输入Pi型网络实现了宽带匹配。
该电路存在以下缺点：电路只有LNA组件，并无偏置部分，所以需要外部电路的调整来实现静态工作点。
发明内容
本发明公开了一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，旨在解决现有技术低噪声放大器源简并结构的电流失配问题、以及避免直流偏置的不理想带来的影响。
本发明的技术方案如下：
一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，包括低噪声放大电路和带隙基准电路，其中带隙基准电路的电流量受控于数控单元，带隙基准电路输出的电流经过镜像成倍放大作为低噪声放大电路的偏置电流；低噪声放大电路采用共源共栅结构，信号从In端口输入经片内电感L1接至晶体管Q8的基极，在In端口与电感L1之间的结点引出支路串联电容C4接地；信号在晶体管Q8经过电压-电流反馈，在晶体管Q9的集电极输出端得到放大，并通过缓冲单元Buf输出，完成信号的低噪声放大功能。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下具体优化：
所述电容C4由pad(接线垫板)的寄生电容提供。
所述带隙基准电路包括启动电路部分、主体电路部分和电流输出电路部分；
在主体电路部分中：晶体管Q6、Q7和R3组成PTAT电路结构，晶体管Q6的集电极经电阻R2、晶体管Q7的集电极经电阻R4共同接至晶体管Q4的发射极，使得流入晶体管Q6、Q7这两个支路的电流相等；晶体管Q5与晶体管Q4构成镜像结构，并在晶体管Q5发射极设置适配的电阻R5，使晶体管Q5发射极的电压与晶体管Q4的发射极的电压相同，使晶体管Q5所在支路提供精确稳定的电流IR5；
电流输出电路部分采用MOS晶体管构建两级电流镜，所述晶体管Q5的集电极接第二级电流镜一侧的漏极，同时还接第一级电流镜的共栅结点，使得电流IR5在第二级电流镜另一侧的漏极输出一个镜像且与需要相比较小的电流Iref。(由于电流是成倍放大，但为了使参考电流的Iref值降低以优化功耗，故而在此处提出需要相比较小的电流。)
所述启动电路部分中存在一正一负的两路反馈，其中正反馈实现电路向简并点的收敛，负反馈实现电路稳定，负反馈的环路增益大于正反馈的环路增益。
在晶体管Q5发射极设置适配的电阻R5采用两种温度系数的电阻串联。
数控单元的控制信号接至一组MOS晶体管M12、M14的栅极，M12、M14的漏极共接至所述第二级电流镜另一侧的漏极。
数控单元的控制信号输出端D1、D2分别经两个smith触发器S1和S2连接MOS晶体管M12、M14的栅极。
本发明通过联合设计的带隙基准电路将高性能电流输出，并采用数控单元对电流量进行进一步的控制，并将电流进行镜像，产生低噪声放大器的偏置电流，稳定电路性能。另外，低噪声放大器采用非源简并结构，在确保宽高频性能的同时，实现电流镜的性能进一步优化。具体有以下优点：
1.采用未加源极电感的Q8，避免了额外引入的寄生电阻，避免造成噪声性能的恶化和偏置不匹配。
2.电流偏置未引入额外线性区电路，避免直流偏置的不理想。
3.该电流适用于超宽频带的低噪声放大器。
附图说明
图1为现有技术一的示意图。
图2为现有技术二的示意图。
图3为带隙电路和低噪声放大器的关系示意图。
图4为本发明的整体方案示意图。
图5为带隙基准电路的主体结构图。
图6为图5中的电流输出电路部分的示意图。
图7为带隙基准电流和低噪声放大电路的组合结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的新电路结构，是将带隙基准电路和低噪声放大电路联合设计，共用其中的高耗能部分，实现一种降低能耗的射频接收电路。
图3表示了两部分电路的关系(注：图中将带隙电路和低噪声放大器分开，是为了说明相互的关系，在本发明的具体电路结构中两者是整体联合实现的)。两个电路部分均由电源VDD提供电压，而带隙基准可自身产生一个与影响因素相关性小的带隙电压VB，该电压进入LNA中，进行偏置。输入信号Vin由片外天线接收，进入低噪声放大器进行放大，产生A·Vin的信号，其中A为该放大器的增益。通过上述的电路，就可以产生一个放大信号了。
本发明的带隙电路部分和低噪声放大器部分的整体方案如图4所示，带隙基准产生基准电流Iref，该电流受数控单元的两信号D1和D2控制，即该两信号实现对Iref的调整。Q1与Q2为低噪声放大器的电流镜结构，该结构位于低噪声放大器内，而非带隙基准中。通过对Iref的放大，实现需要的工作电流I1。总体看来，该电路最显著的特点在于：电流镜位于低噪声放大器部分，且Iref可通过数控位进行调整。
图5为带隙基准电路的结构示意图，电路通过将Q6与Q7的电压差作用在电阻R3，以产生一与温度相关的电流IR3，并通过晶体管Q4和Q5复制该电流至IR5，并结合电阻R5的温度特性产生一与温度相关性小的电流IR5。其中电路的主体部分为Q4，Q5，Q6，Q7，R2，R3，R4，R5，以及M7-M14，其余部分为偏置及电路稳定结构。其中Q6，Q7和R3为PTAT电路结构，由于流入两路的电流完全相等，因此Q6的基极-集电极电压(BE)要大于Q7，以产生R3上一定的电压降。由二极管的电压-电流指数关系可得，在R3上流过的电流为：
I R 3 = k T qR 3 l n r
其中的r为Q7与Q6的管子数目之比，kT/q为26mV。在选取R3的合适值时，可确定IR3的电流，由试中的表达式可见，该电流为一PTAT电流，即电流与温度呈正相关。电阻R2和R4为大小相同，且完全对称的电阻，一般的做法是将R2与R4的上端分别接在一运放的正负两极，来稳定该两点的电压，使之相等，进而确保流入Q6和Q7的支路电流相等。这样的设计应可以实现较好的性能，然而，由于运放自身存在失调电压(offset voltage，一般为10mV左右)，会本征地使得R2与R4的上端存在电压不相等的情况。本发明采用的方法是，将R2与R4同时连接在一端点，强制两端点的电压相等，继而令两支路的电流相同。这样设计的优点有以下两点：一，短接后两端点不存在电压上的差异，即实现offset voltage最小，性能最优的情况；二，由于省略了运放，使得芯片面积大大降低，降低了成本。由于Q6的电流与IR3相同，因此R2与R4的上端电压A点可以表示为：
V A = V B E + k T R 2 q R 3 l n r
由上式可见，A点电压由一个与温度呈负相关的基极-集电极电压(VBE)和一个正相关的电压(第二部分)共同产生，需要注意的是，在式中的第二部分，系数为R2与R3的比，这样带来的好处是，在工艺中电阻的绝对值不稳定的情况下，采用非常精确的相对值可以大大稳定该项。为实现在工作温度下(室温下)电路的小温度系数，可令
通过选取合适的R2和R3，即可保证该性能。
Q5和R5的作用是来拷贝A点的温度相关性小的电压，另Q4与Q5的大小相同，可确保Q5发射极(B点)的电压与A相同，另外，合理地对R5进行取值可以进一步确保B点电压与A的相同。那么在B点就为一个与温度相关性小的电压，通过R5的电压-电流转换，可以进一步得到一个温度相关性小的电流。需要注意的是，即使B点可以实现与温度相关性小的电压，但由于R5电阻具有一定的温度系数(不同的电阻的温度系数差别还很大)，就会产生一个与温度相关的电流，见下式
针对此问题，本发明在设计R5时，采用两种温度系数的电阻串联，即通过电阻的自身温度系数补偿，可实现一个温度相关性小的电流，即
式中R51和R52为R5的组成部分，通过合适选取两值，即形成温度相关性小的电流。
MOS晶体管M1-6作为一个启动电路，当电源电压上电时，M4导通，M5导通，迫使Q4的基极电压上升，使得带隙电路工作。M3，M2和M1可以形成一个有效的电荷泄露电路，避免电源电压过高造成器件损坏。电路中存在两路反馈，一正一负，稳定电路工作状态，分别是Q3，R1，M4，M5和Q8，C2，Q9。两路的工作可作如下分析：对第一路负反馈，当A点电压升高，会导致Q3的集电极电压降低，同时连接的M4和M5的栅极电压降低，进而导致Q4的基极电压升高，形成正反馈。第二路的反馈的工作情况如下：Q7的集电极电压升高，Q8的集电极电压降低，进而Q9(即Q4的基极)的集电极电压降低，因此降低Q4的发射极电压，降低Q7的集电极电压，实现负反馈性能。因此，采用正反馈可实现电路向简并点的收敛，而采用负反馈可实现电路稳定。需要注意的是，负反馈的环路增益需要大于正反馈的环路增益，这样才可以确保电路的正常工作和稳定。
图6为图5中的电流输出电路部分，在IR5确定的情况下，通过电流镜M7，M9，M11和M13进行输出。本发明的设计思路是：通过M9和M10，实现一个与需要相比较小的电流，这样就可以通过M11与M13进行适当的补充，实现较好的结果，由于取用了较小的电流，因此可以降低工艺对结果的影响。M12与M14由数控单元控制，本发明采用两个smith触发器S1和S2来连接两晶体管的栅极和数控单元。这样做的好处是可以进一步减小由于数控单元的抖动噪声栅极电压变化，额外产生一个不需要的信号。Smith触发器可以产生一个固定的电压(VDD或GND)，该信号取决于数控单元的信号高低，即通过D1和D2的取值，来确定电流的开关与否。
图7为带隙基准电流和低噪声放大器的组合电路，电流Iref流入Q10，Q11和R6。该镜像电流源由Q11和Q12组成，基本功能为采用不同数目的晶体管，使得流过Q11的电流成倍放大到Q12的直流偏置中，Q10的引入可以进一步减小Q11的旁路电流泄漏，R6可以提高Q10基极电压，确保实现正确的电流。R7为偏置部分的隔直电阻。低噪声放大器由In端口输出，经过C4，L1，Q12，Q13，在R8和L2的负载处放大，并通过增益近似为1的Buf单元输出。本电路的优点在于，镜像结构简单，R7的引入可确保实现较大的电流增益；Q10可以进一步减小电流增益的匹配误差；由于Q12的发射极没有串联电感，因此可以确保电流完全复制，减小***误差。电容C3用以滤除电流的噪声信号，最大化减小带隙基准电路中的噪声影响。
低噪声放大器采用共源共栅结构，可以大大减小米勒效应，信号从In端口输入，通过由C4，L1还有Q12组成的宽带匹配网络，C4可由pad的寄生电容提供，简化电路形式，而电感L1则采用片内电感，射频输入信号在Q12经过电压-电流反馈，在Q13的集电极输出端进行放大，并通过缓冲单元Buf进行输出，完成信号的低噪声放大功能。

Claims (7)

1.一种带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：包括低噪声放大电路和带隙基准电路，其中带隙基准电路的电流量受控于数控单元，带隙基准电路输出的电流经过镜像成倍放大作为低噪声放大电路的偏置电流；低噪声放大电路采用共源共栅结构，信号从In端口输入经片内电感L1接至晶体管Q8的基极，在In端口与电感L1之间的结点引出支路串联电容C4接地；信号在晶体管Q8经过电压-电流反馈，在晶体管Q9的集电极输出端得到放大，并通过缓冲单元Buf输出，完成信号的低噪声放大功能。
2.根据权利要求1所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：所述电容C4由pad(接线垫板)的寄生电容提供。
3.根据权利要求1所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：所述带隙基准电路包括启动电路部分、主体电路部分和电流输出电路部分；
在主体电路部分中：晶体管Q6、Q7和R3组成PTAT电路结构，晶体管Q6的集电极经电阻R2、晶体管Q7的集电极经电阻R4共同接至晶体管Q4的发射极，使得流入晶体管Q6、Q7这两个支路的电流相等；晶体管Q5与晶体管Q4构成镜像结构，并在晶体管Q5发射极设置适配的电阻R5，使晶体管Q5发射极的电压与晶体管Q4的发射极的电压相同，使晶体管Q5所在支路提供精确稳定的电流IR5；
电流输出电路部分采用MOS晶体管构建两级电流镜，所述晶体管Q5的集电极接第二级电流镜一侧的漏极，同时还接第一级电流镜的共栅结点，使得电流IR5在第二级电流镜另一侧的漏极输出一个镜像且与需要相比较小的电流Iref。
4.根据权利要求3所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：所述启动电路部分中存在一正一负的两路反馈，其中正反馈实现电路向简并点的收敛，负反馈实现电路稳定，负反馈的环路增益大于正反馈的环路增益。
5.根据权利要求3所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：在晶体管Q5发射极设置适配的电阻R5采用两种温度系数的电阻串联。
6.根据权利要求3所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：数控单元的控制信号接至一组MOS晶体管M12、M14的栅极，M12、M14的漏极共接至所述第二级电流镜另一侧的漏极。
7.根据权利要求6所述的带隙自偏置的宽高频低噪声放大器，其特征在于：数控单元的控制信号输出端D1、D2分别经两个smith触发器S1和S2连接MOS晶体管M12、M14的栅极。
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