CN107493077A - 一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，主要包括宽带匹配网络、NMOS输入跨导管MN0及MN1、复用电流的PMOS输入跨导管MP0及MP1、跨导管自偏置电阻Rb0及Rb1、输出电阻负载，通过改进MOS源端输入的宽带低噪声放大器的电流复用方式，最大限度地提高电流转化为增益的效率，即低功耗，同时最大限度地降低供电电压。该低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路具有设计科学、实用性强、结构简单、功耗低、供电电压低的优点。

Description

一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路

技术领域

本发明涉及一种电路，具体的说，涉及了一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路。

背景技术

宽带无线通信技术非常适用于软件无线电开发，宽带低噪声放大器作为宽带射频接收机的关键模块，研究其低电压、低功耗的实现方法有着重要的意义。现有CMOS宽带低噪声放大器技术中，其中一种使用MOS管栅端输入放大器加入宽带负反馈来构造宽带低阻抗，但这种架构中的负反馈不可避免地引入噪声，如果使用有源负反馈还会消耗电流。另一种技术使用MOS管源端输入的低噪声放大器，输入阻抗和噪声都能达到比较好的效果，但较高的增益则需要与消耗的电流成正比。也有改进的技术，使用NMOS和PMOS管源端直接相连，复用电流、输出电流小信号通过折叠的方式相加，提高电流使用效率，但这样由于从电源到地叠加的MOS管数量较多，电流又可能流过输出电阻负载，所以在低供电电压下设计会比较困难，另一方面，用于信号折叠的电流源负载也会提供较大的噪声。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、实用性强、结构简单、功耗低低噪声、供电电压低的低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，包括PMOS管MP0、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、NMOS管MN0、NMOS管MN1、电容Cc0、电容Cc1、电容Cc2、电容Cc3、电容Ccm、偏置模块、电阻Rload0、电阻Rload1、扼流电感Lchoke1、扼流电感Lchoke2、单端转差分宽带匹配网络、接收天线和电源VDD，所述接收天线通过所述单端转差分宽带匹配网络分别连接放大器电路的射频输入端Vip和射频输入端Vin，所述射频输入端Vip通过所述扼流电感Lchoke1接地，所述射频输入端Vip分别连接所述NMOS管MN0的源端和所述NMOS管MN1的衬底端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc0连接所述NMOS管MN1的栅端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc2连接所述PMOS管MP0的源端，所述PMOS管MP0的源端连接所述PMOS管MP2的漏端，所述PMOS管MP2的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP2的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN0的漏端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的一端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP0的衬底端还连接所述PMOS管MP1的源端；所述射频输入端Vin通过所述扼流电感Lchoke2接地，所述射频输入端Vin分别连接所述NMOS管MN1的源端和所述NMOS管MN0的衬底端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc1连接所述NMOS管MN0的栅端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc3连接所述PMOS管MP1的源端，所述PMOS管MP1的源端还连接所述PMOS管MP3的漏端，所述PMOS管MP3的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP3的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN1的漏端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的一端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP1的衬底端还连接所述PMOS管MP0的源端；所述NMOS管MN0、所述NMOS管MN1、所述PMOS管MP0和所述PMOS管MP1分别通过所述偏置模块进行偏置。

基于上述，所述偏置模块为自偏置模块，包括电阻Rb0和电阻Rb1，所述电阻Rb0的一端分别连接所述NMOS管MN0的漏端和所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rb0的另一端分别连接所述NMOS管MN0的栅端和所述PMOS管MP0的栅端；所述电阻Rb1的一端分别连接所述NMOS管MN1的漏端和所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rb1的另一端分别连接所述NMOS管MN1的栅端和所述PMOS管MP1的栅端。

基于上述，所述偏置模块为独立偏置模块，包括电容Cc4、电容Cc5、电阻Rb2、电阻Rb3、电阻Rb4和电阻Rb5，所述NMOS管MN0的栅端通过所述电阻Rb2连接电源Vbias_n，所述NMOS管MN1的栅端通过所述电阻Rb3连接电源Vbias_n；所述PMOS管MP0的栅端通过所述电阻Rb5连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP0的源端还依次通过所述电容Cc4和所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的栅端通过所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的源端还依次通过所述电容Cc5和所述电阻Rb5连接电源Vbias_p。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明通过对该低噪声放大器电路的设计，在输入差分电压后，通过电流复用使该低噪声放大器最大限度地使用MOS管能提供的跨导，即输入电压到输出电流的放大倍数，进而获得更大的增益和更小的噪声系数，其具有设计科学、实用性强、结构简单、功耗低低噪声、供电电压低的优点。

附图说明

图1是本发明的自偏置型电路结构示意图。

图2是本发明的独立偏置型电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，包括PMOS管MP0、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、NMOS管MN0、NMOS管MN1、电容Cc0、电容Cc1、电容Cc2、电容Cc3、电容Ccm、偏置模块、电阻Rload0、电阻Rload1、扼流电感Lchoke1、扼流电感Lchoke2、单端转差分宽带匹配网络、接收天线和电源VDD，所述接收天线通过所述单端转差分宽带匹配网络分别连接放大器电路的射频输入端Vip和射频输入端Vin，所述射频输入端Vip通过所述扼流电感Lchoke1接地，所述射频输入端Vip分别连接所述NMOS管MN0的源端和所述NMOS管MN1的衬底端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc0连接所述NMOS管MN1的栅端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc2连接所述PMOS管MP0的源端，所述PMOS管MP0的源端连接所述PMOS管MP2的漏端，所述PMOS管MP2的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP2的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN0的漏端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的一端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP0的衬底端还连接所述PMOS管MP1的源端；所述射频输入端Vin通过所述扼流电感Lchoke2接地，所述射频输入端Vin分别连接所述NMOS管MN1的源端和所述NMOS管MN0的衬底端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc1连接所述NMOS管MN0的栅端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc3连接所述PMOS管MP1的源端，所述PMOS管MP1的源端还连接所述PMOS管MP3的漏端，所述PMOS管MP3的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP3的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN1的漏端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的一端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP1的衬底端还连接所述PMOS管MP0的源端；所述NMOS管MN0、所述NMOS管MN1、所述PMOS管MP0和所述PMOS管MP1分别通过所述偏置模块进行偏置。

输入差分电压，也即Vip-Vin，电流复用使该低噪声放大器最大限度地使用MOS管能提供的跨导，即输入电压到输出电流的放大倍数，进而获得更大的增益和更小的噪声系数。所述电容Cc2和所述PMOS管MP0以及电容Cc3和所述PMOS管MP1形成高通滤波输入，以最大限度降低衰减。所述NMOS管MN0、所述PMOS管MP0的输出电流流经所述电阻Rload0以及所述NMOS管MN1、所述PMOS管MP1的输出电流流经所述电阻Rload1，形成信号输出电压。

优选地，所述偏置模块为自偏置模块，包括电阻Rb0和电阻Rb1，所述电阻Rb0的一端分别连接所述NMOS管MN0的漏端和所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rb0的另一端分别连接所述NMOS管MN0的栅端和所述PMOS管MP0的栅端；所述电阻Rb1的一端分别连接所述NMOS管MN1的漏端和所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rb1的另一端分别连接所述NMOS管MN1的栅端和所述PMOS管MP1的栅端。

输入差分电压V_{input_diff}＝(V_ip-V_in)，电流复用使该低噪声放大器最大限度地使用了MOS管能提供的跨导，即输入电压到输出电流的放大倍数。其中所述NMOS管MN0和所述PMOS管MP0提供的跨导一共为gm_MN0+gmb_MN0+gm_MP0+gmb_MP0，所述NMOS管MN1和所述PMOS管MP1提供的跨导一共为gm_MN0+gmb_MN0+gm_MP0+gmb_MP0。更大的跨导有利于获得更大的增益和更小的噪声系数。

在差分输入的情况下，设计让两边对称，即

R_load0＝R_load1，那么

gm_MN0＝gm_MN1；gmb_MN0＝gmb_MN1；gm_MP0＝gm_MP1；gmb_MP0＝gmb_MP1。该低噪声放大器的输入阻抗为：其中gm_MN＝gm_MN0＝gm_MN1，gmb_MN＝gmb_MN0＝gmb_MN1，gm_MP＝gm_MP0＝gm_MP1，gmb_MP＝gmb_MP0＝gmb_MP1。电流复用使得可以用更小的电流来实现50Ω的宽带射频输入阻抗。所述电容Cc2和所述电容Cc3可能会使Vip到Vip_Cc2以及Vin到Vin_Cc3存在衰减，所述电容Cc2和所述PMOS管MP0及所述电容Cc3和所述PMOS管MP1分别形成高通滤波输入，所述PMOS管MP0其衰减3dB的频率点为所述PMOS管MP1同理，所述电容Cc2和所述电容Cc3的电容值要使得这个高通滤波衰减3dB频率点远小于天线射频输入频率的最小值，这样就可以把衰减尽量地降低。

天线到低噪声放大器输入端由于是阻抗匹配的，所以从天线端的电压到低噪声放大器输入电压的增益为：上述跨导产生的输出小信号电流流过Rload形成输出电压，该电路输入电压到输出电压增益为：

式中R_load＝R_load0＝R_load1。从天线端到输出电压的总增益为：

电流复用结构比不使用电流复用的，在相同的功耗下，总增益一般可以提高约3dB。

由于MOS管的衬底也是交差耦合连接，不存在衬偏效应，Vth也不会变大；直流电流也没有流过输出负载电阻，没有消耗电压裕度；综上所述，低噪声放大器的供电电压可以比较低，最低供电电压为：

VDD_MIN＝Vov_MP2+(Vth_MP0+Vov_MP0)+(Vth_MN0+Vov_MN0)

其中，Vov为MOS管的过驱动电压，Vth为MOS管的开启域值电压。

全差分的MOS管源端和栅端的小信号交叉耦合，在阻抗匹配的情况下，对称两边的噪声可以相互抵消一部分。除去天线噪声，输出电流总噪声为：

等效到天线输入端的噪声为：假设γ_N≈γ_P＝1，那么噪声系数约为：NF≈1.76dB。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：如图2所示，所述偏置模块为独立偏置模块，包括电容Cc4、电容Cc5、电阻Rb2、电阻Rb3、电阻Rb4和电阻Rb5，所述NMOS管MN0的栅端通过所述电阻Rb2连接电源Vbias_n，所述NMOS管MN1的栅端通过所述电阻Rb3连接电源Vbias_n；所述PMOS管MP0的栅端通过所述电阻Rb5连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP0的源端还依次通过所述电容Cc4和所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的栅端通过所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的源端还依次通过所述电容Cc5和所述电阻Rb5连接电源Vbias_p。NMOS跨导管和PMOS跨导管分别独立偏置，通过压缩输出电压摆幅来降低最低供电电压。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，其特征在于：包括PMOS管MP0、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、NMOS管MN0、NMOS管MN1、电容Cc0、电容Cc1、电容Cc2、电容Cc3、电容Ccm、偏置模块、电阻Rload0、电阻Rload1、扼流电感Lchoke1、扼流电感Lchoke2、单端转差分宽带匹配网络、接收天线和电源VDD，

所述接收天线通过所述单端转差分宽带匹配网络分别连接放大器电路的射频输入端Vip和射频输入端Vin，

所述射频输入端Vip通过所述扼流电感Lchoke1接地，所述射频输入端Vip分别连接所述NMOS管MN0的源端和所述NMOS管MN1的衬底端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc0连接所述NMOS管MN1的栅端，所述射频输入端Vip还通过所述电容Cc2连接所述PMOS管MP0的源端，所述PMOS管MP0的源端连接所述PMOS管MP2的漏端，所述PMOS管MP2的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP2的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN0的漏端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的一端连接所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rload0的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP0的衬底端还连接所述PMOS管MP1的源端；

所述射频输入端Vin通过所述扼流电感Lchoke2接地，所述射频输入端Vin分别连接所述NMOS管MN1的源端和所述NMOS管MN0的衬底端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc1连接所述NMOS管MN0的栅端，所述射频输入端Vin还通过所述电容Cc3连接所述PMOS管MP1的源端，所述PMOS管MP1的源端还连接所述PMOS管MP3的漏端，所述PMOS管MP3的源端连接所述电源VDD，所述PMOS管MP3的栅端连接电压Vbias，所述NMOS管MN1的漏端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的一端连接所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rload1的另一端通过所述电容Ccm接地，所述PMOS管MP1的衬底端还连接所述PMOS管MP0的源端；

所述NMOS管MN0、所述NMOS管MN1、所述PMOS管MP0和所述PMOS管MP1分别通过所述偏置模块进行偏置。

2.根据权利要求1所述的低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述偏置模块为自偏置模块，包括电阻Rb0和电阻Rb1，所述电阻Rb0的一端分别连接所述NMOS管MN0的漏端和所述PMOS管MP0的漏端，所述电阻Rb0的另一端分别连接所述NMOS管MN0的栅端和所述PMOS管MP0的栅端；所述电阻Rb1的一端分别连接所述NMOS管MN1的漏端和所述PMOS管MP1的漏端，所述电阻Rb1的另一端分别连接所述NMOS管MN1的栅端和所述PMOS管MP1的栅端。

3.根据权利要求1所述的低电压低功耗的宽带低噪声放大器电路，其特征在于：所述偏置模块为独立偏置模块，包括电容Cc4、电容Cc5、电阻Rb2、电阻Rb3、电阻Rb4和电阻Rb5，所述NMOS管MN0的栅端通过所述电阻Rb2连接电源Vbias_n，所述NMOS管MN1的栅端通过所述电阻Rb3连接电源Vbias_n；

所述PMOS管MP0的栅端通过所述电阻Rb5连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP0的源端还依次通过所述电容Cc4和所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的栅端通过所述电阻Rb4连接电源Vbias_p，所述PMOS管MP1的源端还依次通过所述电容Cc5和所述电阻Rb5连接电源Vbias_p。