CN108880483B - 一种噪声前馈相消的宽带放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低成本、小型化、高增益、低噪声的宽带射频放大器，在双通路前馈噪声相消结构的基础上，通过将第一级输出连接到第二级共栅晶体管的栅极来增加一个通路，使得在保证噪声相消的前提下，可以大大提高放大器的整体增益。通过一个附加的前馈通路，放大器增益可以达到20dB以上，同时放大器的噪声系数由于噪声相消的原因保持的很低。并且，所述放大器可以完全由晶体管和电阻组成，制作成本极低，且没有采用电感等比较占用封装面积的元件，实现了小型化。

Description

一种噪声前馈相消的宽带放大器

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种噪声前馈相消的宽带放大器。

背景技术

放大器是几乎所有的射频收发***所必不可少的一个功能模块。在模拟线缆(50-850MHz)、数字***(950-2150MHz)、数字地面电视(450-850MHz)、模拟及数字收音***(76-210MHz)中，普遍在接收端需要一个宽带放大器用于信号的接收放大处理，该宽带放大器一般采用CMOS晶体管以及电阻来组成，其带宽和中心频率的比值可以大于1。但晶体管和电阻都会带来很大的噪声，从而严重影响接收***的信噪比，降低接收***的灵敏度。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

图1示出了现有技术中一典型的射频放大器电路，如图所示，其采用栅极串联电感、源极衰减电感以及负载电容电感谐振网络来实现具备高增益、低噪声系数的放大器。其中，电感L1不仅能和输入晶体管寄生电容相调谐，同时也提供了一定的无源电压增益，降低了输入等效噪声；电感L2为源极衰减电感，在提供输入匹配的同时也可以大大降低晶体管M1的电流噪声；电感L3同电容C2相谐振，不仅提供高增益的输出阻抗，同时提供阻抗变换，将内部的高阻抗变换到模块外部的参考阻抗(通常是50欧姆)。

但上述放大器有如下缺点：首先，电感电容谐振网络可以提供一个高增益的带通或带阻功能，但带宽较窄；其次，电感占用了大量的芯片内部面积，提高了成本；最后，由于所有工艺都存在一定的偏差，窄带宽会带来一定的性能下降。

对于目前需求越来越大的多模接收机来说，若采用窄带低噪声放大器，则需要多个窄带低噪声放大器，消耗的芯片面积大。而CMOS工艺的进步使得宽带低噪声放大器的设计能够满足超宽带范围内所有信号的接收，适合于多模收发机和软件无线电的应用，但是相比于窄带低噪声放大器，传统宽带低噪声放大器的噪声性能远不如窄带低噪声放大器。

因此，亟需一种具足够高的功率增益和尽可能低的噪声系数、并且体积尽可能小的宽带放大器来满足目前射频处理的需求。

发明内容

本发明结合噪声抵消和负反馈通道技术，提出了一种噪声前馈相消的宽带低噪声放大器的电路结构，实现了放大器电路的宽工作频段、低噪声、小型化、低成本等优点。

为了达到本发明目的，本发明实施例提供了一种噪声前馈相消的宽带放大器，其特征在于：所述放大器包括第一电流源、第二电流源、晶体管M1a、M1b、M2a、M2b、M3，第一电容、第一电阻、第二电阻；

其中，第一电流源的输出端连接到晶体管M1b的源极，晶体管M1b的栅极与晶体管M1a的栅极以及第一电阻的第一端相连接，并且连接节点作为射频输入端口；晶体管M1b的漏极与晶体管M1a的漏极以及第一电阻的第二端相连接；第一电阻的第二端还经由依次串接的第一电容和第二电阻与电源电压输入端相连接；晶体管M3的漏极与电源电压输入端相连连，其栅极连接到第一电容和第二电阻的连接节点，其源极连接到射频输出端口以及晶体管M2b的漏极；第二电流源的输出端连接到晶体管M2b的漏极，晶体管M2b的栅极接偏置电压，晶体管M2b的源极连接到晶体管M2a的漏极，晶体管M2a的栅极连接到晶体管M1a的栅极，晶体管M2a的源极接地；并且，将晶体管M2b的栅极经由耦合路径连接到第一电容和第二电阻的连接点；

所述放大器通过多路径噪声前馈通路进行噪声抵消，从而降低放大器的噪声系数。

进一步的，所述耦合路径包括以下方式之一：直接连接、经由电阻连接、经由一并联的电阻电容连接、经由一串联的电感电容连接、经由一电感连接。

进一步的，晶体管M2a配置为共源或者共射放大管，晶体管M2b配置为共栅放大管或者共基放大管。

进一步的，所述第一电流源和第二电流源采用镜像电流源或电流泵，所述电流源具备过流保护模块。

进一步的，所述射频输入端口和射频输出端口均连接有一接地滤波电容，晶体管M1b的源极连接有一接地电容。

通过本发明提供的方案，提供了一种低成本、小型化、高增益、低噪声的宽带射频放大器，其有益效果包括：(1)可以完全由晶体管和电阻组成，制作成本极低，且没有采用电感等比较占用封装面积的元件，实现了小型化；(2)在双通路前馈噪声相消结构的基础上，通过将第一级输出连接到第二级共棚晶体管的栅极来增加一个通路，在保证噪声相消的前提下，可以大大提高放大器的整体增益。通过一个附加的前馈通路，放大器增益可以达到20dB以上，同时放大器的噪声系数由于噪声相消的原因保持的很低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有技术中一典型的射频放大器电路图；

图2为本发明一实施例提供的双通路噪声前馈相消的放大器电路；

图3为本发明的放大器电路的原理图；

图4为本发明一实施例提供的改进的三通路噪声前馈相消的放大器电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图2所示，其示出了一种双通道噪声前馈相消的宽带放大器电路。该放大器完全由晶体管和电阻组成，没有采用电感等比较占用面积的元件。其中，晶体管M1a和M1b、电阻R组成了放大器A1，提供第一级放大器增益，电阻R2和C2为级间耦合电路，晶体管M3为源极跟随电路，提供第一级放大器到输出端OUT的隔离以及输出匹配，晶体管M2a和M2b组成放大器A2。其中A1和M3组成负增益前馈通路，A1和A2组成正增益前馈通路，当两个独立通路满足一定条件时，晶体管的M1a和M1b的电流噪声会完全相抵消，因此整体放大器的噪声系数会大大减小。

具体原理如图3所示，gm，i表示晶体管M1a和M1b的跨导，该晶体管的电流噪声电流会在节点X和Y分别产生噪声电压Vx，n和Vy，n，所以输出总噪声电压等于：

Vout，n＝t1*In*(R+Rs+A*Rs)

其中，Vout，n为输出总噪声电压，t1为介于0和1之间的一个数值，In为晶体管的噪声电流，Rs为源阻抗，一般等于50欧姆，A为上图中放大器的增益，由上式可知，当放大器增益满足下式时，输出噪声电压等于零：

A＝-(R+Rs)/Rs

此时放大器的增益约为(gm，m1a+gm，m1b)*R，gm，m1a和gm，m1b分别是晶体管M1a和M1b的跨导。

具体结合图2的实际放大器电路，A＝gm，m2a/gm，m3，其中gm，m2a和gm，m3分别是晶体管M2a和M3的跨导，由于输出需匹配到参考50欧姆，因此gm，m3＝0.02S，由于M2a和M3电流相同，考虑到晶体管存在二次效应，跨导在深饱和区与电流成正比，通过提高宽长比已无法有效提高跨导，因此增益A一般最大为4～5，假设A＝-5，则R＝4*Rs＝200，由于第一条通路的增益远大于第二条通路增益，放大器整体增益约为(gm，m1a+gm，m1b)*R，一般小于20dB。

上述放大器电路的噪声前馈相消技术充分利用了不同的两个通道(负增益前馈通路和正增益前馈通路)，有效地消除输入晶体管的电流噪声，同时达到了较高的带宽/中心频率比值。但是上述结构在使用时可能面临如下问题：由于两个通道的增益需满足噪声相消的条件，当满足该条件时，放大器本身的增益也被限制的比较低，在某些需要高增益的接收环境下，该结构无法同时满足高增益和低噪声。

为了进一步弥补上述不足，本发明引入了另外一个消噪路径，在保证高增益的同时，可以有效降低放大器等效输入噪声，从而兼顾高增益和低噪声。图4示出了本发明另一实施例中进一步改进的噪声前馈相消的放大器电路：晶体管M4和M5、偏置电流IBIAS1构成镜像电流源，其输出端(M5的漏极)连接到晶体管M1b的源极，该输出端可进一步连接有一接地电容C1，用于电源滤波；晶体管M1b的漏极与晶体管M1a的漏极与电阻R的一端(端点Y)相连接；晶体管M1b的栅极与晶体管M1a的栅极以及电阻R的另一端(端点X)相连接，并且连接节点作为射频输入端口IN；端口IN可进一步连接一接地电容，优选地为一平行板电容器；激励信号源Vs和信号源电阻Rs通过耦合电容器将射频信号输入到IN；电阻R的一端(端点Y)还经由依次串接的电容C2和电阻R2与电源电压输入端VCC相连接；晶体管M3的漏极与电源电压输入端VCC相连连，其栅极连接到电容C2和电阻R2的连接节点(端点A)，其源极连接到射频输出端口OUT以及晶体管M2b的漏极；射频输出端口OUT可进一步连接一接地电容，优选地为一平行板电容器；晶体管M6和M7、偏置电流IBIAS2构成镜像电流源，其输出端连接到晶体管M2b的漏极；晶体管M2b的栅极还经由一输入电阻连接到所需的偏置电压源；晶体管M2b的源极连接到晶体管M2a的漏极，晶体管M2a的栅极连接到晶体管M1a的栅极，晶体管M2a的源极接地。其中，晶体管M2a配置为共源或者共射放大管；晶体管M2b配置为共栅共源放大管或者共基共集放大管。

晶体管M1a和M1b、电阻R组成了放大器A1，提供第一级放大器增益，电阻R2和C2为级间耦合电路，晶体管M3为源极跟随电路，提供第一级放大器到输出端OUT的隔离以及输出匹配，晶体管M2a和M2b组成放大器A2；其中A1和M3组成负增益前馈通路，A1和A2组成正增益前馈通路。更进一步的，将晶体管M2b的栅极(端点B)耦合到端点A以形成附加的噪声相消通路，该通路的形式包括但不局限于：直接连接，经由电阻连接，经由一串联的电阻电容连接，经由一串联的电感电容连接，经由一电感连接等。

通过上述改进，在原有放大器基础上增加了一条路径从第一级输出到第二级的共栅晶体管M2b的栅极，这样前馈噪声抵消通路具体包括：第一条从第一级输出到M3的栅极再到射频输出，为负增益；第二条为第一级输出到晶体管M2b的栅极再到射频输出，为正增益；第三条为射频输入端口直接到晶体管M2a的栅极再到射频输出，为负增益。虽然表面上看增加附加的通路后，放大器整体的增益会因此而降低，但是考虑到噪声相消的条件需满足下式：

(R+Rs)(1+b)+A*Rs＝0

其中b是共栅晶体管M2b的增益，由于M2a的输出阻抗存在，b为介于-1到0之间的一个数值，这样A＝-(R+Rs)*(1+b)/Rs，假定b＝-0.5，A＝-5，则R＝9*Rs＝450欧姆，是图2所示的放大器架构的两倍多。虽然存在三个通路，但是增益还是第一个通路主导，因此放大器的整体增益为(gm，m1a+gm，m1b)*R，假定输入跨导不变，则图4的放大器增益比图2的放大器方案大7～8dB。因而，通过选择合适的M2b的尺寸(栅极的长宽比)，可以在满足噪声相消条件的基础上得到更高的放大器增益。

通过实验室仿真可知：对于图2所示的放大器结构而言，当选择R远大于Rs时，虽然增益较高，但是噪声相消条件被破坏，因此噪声系数为1.5dB，非常差；但当引入图4所示的增加附加前馈通路的噪声相消结构后，虽然增益从25dB降低到了20dB，但此时噪声相消条件得以满足，噪声系数大幅下降到了0.8dB，而此时对输出匹配的影响很小。通过数据对比可以看出，在实现同样的噪声系数的情景下，图4的噪声相消结构相比于图2的放大器结构取得了更高的放大器增益，可以同时达到20dB以上的增益和1dB以下的噪声系数。

图2的前馈双通路噪声相消结构，由于两个通道的增益需满足噪声相消的条件，当满足该条件时，放大器本身的增益也被限制得比较低，在某些需要高增益的接收环境下(在很多应用中需要超过20dB以上的电压增益)，该结构无法同时满足高增益和低噪声。本发明作出了创造性的改进，在图2的电路结构基础上，增加了一个新的前馈通路，通过将第一级输出连接到第二级共栅晶体管的栅极，几乎不改变电路的成本和功耗等指标，但却在实质上改变了噪声相消的条件，从而打破了增益的限制；当该条件重新建立时，可以实现一个更高增益的放大器结构，并且同时保持了低噪声特性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种噪声前馈相消的宽带放大器，其特征在于：所述放大器包括第一电流源、第二电流源、晶体管M1a、M1b、M2a、M2b、M3，第一电容、第一电阻、第二电阻；

其中，第一电流源的输出端连接到晶体管M1b的源极，晶体管M1b的栅极与晶体管M1a的栅极以及第一电阻的第一端相连接，并且连接节点作为射频输入端口；晶体管M1b的漏极与晶体管M1a的漏极以及第一电阻的第二端相连接；第一电阻的第二端还经由依次串接的第一电容和第二电阻与电源电压输入端相连接；晶体管M3的漏极与电源电压输入端相连，其栅极连接到第一电容和第二电阻的连接节点，其源极连接到射频输出端口以及晶体管M2b的漏极；第二电流源的输出端连接到晶体管M2b的漏极，晶体管M2b的栅极接偏置电压，晶体管M2b的源极连接到晶体管M2a的漏极，晶体管M2a的栅极连接到晶体管M1a的栅极，晶体管M2a的源极接地；并且，将晶体管M2b的栅极经由耦合路径连接到第一电容和第二电阻的连接点；

所述放大器通过多路径噪声前馈通路进行噪声抵消来降低放大器的噪声系数。

2.如权利要求1所述的宽带放大器，其特征在于，所述耦合路径包括以下方式之一：直接连接、经由电阻连接、经由一并联的电阻电容连接、经由一串联的电感电容连接、或经由一电感连接。

3.如权利要求1所述的宽带放大器，其特征在于，晶体管M2a配置为共源或者共射放大管，晶体管M2b配置为共栅或者共基放大管。

4.如权利要求1所述的宽带放大器，其特征在于，所述第一电流源和第二电流源采用镜像电流源或电流泵。

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