CN110635769A - 差分低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种差分低噪声放大器，属于电子电路技术领域。该差分低噪声放大器包括输入级放大电路、输出级放大电路和平方律电路，输入级放大电路中差分输入主放大管对的源极和体端之间均连接有电阻；平方律电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，第一PMOS管的栅极和第二PMOS管的栅极分别连接差分输入主放大管对的栅极，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极连接后通过负载接地；第一PMOS管、第二PMOS管的公共端通过隔直耦合电容与差分输入主放大管对的体端分别连接；解决了差分低噪放因源极反馈电感导致三阶交调非线性失真增加的问题，达到了增强线性度，提高输入三阶交调截点，改善射频前端***动态范围的效果。

Description

差分低噪声放大器
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种差分低噪声放大器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对收发机的性能也提出了更高的要求。低噪声放大器作为射频接收机的关键模块，其线性度决定着射频接收机可以接收的最大信号强度。低噪声放大器的线性度增加，可以改善射频接收机的接收范围。
图1是一种传统源极电感反馈差分低噪声放大器的结构原理图，该源极电感反馈差分低噪声放大器包括输入级放大电路和输出级放大电路。输入级放大电路包括第一NMOS管M1和第三NMOS管M1，射频输入信号RFin+通过隔直电容Cg1连接第一NMOS管M1的栅极，射频输入信号RFin-通过隔直电容Cg2连接第三NMOS管M3的栅极，第一NMOS管M1的源极和第三NMOS管M3的源极均通过反馈电感Ls接地，第一NMOS管M1的栅极和第三NMOS管M3的栅极均通过电感Lg接偏置电压Vg，第一NMOS管M1的漏极和第三NMOS管M3的漏极输出放大信号至输出级放大电路。输出级放大电路包括第二NMOS管M2和第四NMOS管M4，第二NMOS管M2的源极与第一NMOS管M1的漏极连接，第四NMOS管M4的源极与第三NMOS管M3的漏极连接，第二NMOS管M2的栅极通过电阻Rg2和电感Ld接电源电压Vdd，第四NMOS管M4的栅极通过电阻Rg4和电感Ld接电源电压Vdd，第二NMOS管M2的漏极连接电容Co1的一端，电容Co2的另一端输出射频信号RFout-，第四NMOS管M4的漏极连接电容Co2输出射频信号RFout+。
从图1可以看出，虽然差分结构抑制了低噪声放大器的共模及偶次非线性失真，但是源极电感反馈匹配设计中的源极反馈电感Ls对偶次非线性的反馈与栅极基波进一步起到交调作用，在第一NMOS管M1和第三NMOS管M3的漏极输出信号会产生额外增加的三阶交调非线性失真，恶化了低噪声放大器的三阶非线性。
发明内容
本申请提供了一种差分低噪声放大器，可以解决相关技术中差分低噪声放大器因源极反馈电感导致三阶交调非线性失真增加的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种差分低噪声放大器，包括输入级放大电路、输出级放大电路和平方律电路；
输入级放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管，第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极为输入级放大电路的信号输入端；第一NMOS管的漏极和第二NMOS管的漏极为输入级放大电路的输出端；第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极通过对称抽头反馈电感接地；第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极通过对称抽头匹配偏置电感连接第一偏置电压；第一NMOS管的源极和体端之间连接有第一电阻，第二NMOS管的源极和体端之间连接有第二电阻；
输出级放大电路包括第三NMOS管和第四NMOS管，第三NMOS管的源极与第一NMOS管的漏极连接，第四NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接；第三NMOS管的漏极和第四NMOS管的漏极通过对称抽头负载电感与电源电压连接；第三NMOS管的栅极通过第一偏置电阻连接对称抽头负载电感，第四NMOS管的栅极通过第二偏置电阻连接对称抽头负载电感，对称抽头负载电感的抽头端连接电源电压；第三NMOS管的栅极通过第一电容接地，第四NMOS管的栅极通过第二电容接地；第三NMOS管的漏极和第四NMOS管的漏极为差分低噪声放大器的信号输出端；
平方律电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，第一PMOS管的栅极连接第一NMOS管的栅极，第二PMOS管的栅极第二NMOS管的栅极；第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极连接后通过负载接地；第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极连接后还通过隔直耦合电容与第一NMOS管的体端、第二NMOS管的体端分别连接；第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极连接后与电源电压连接；第一PMOS管的栅极通过第一负载电阻接第二偏置电压，第二PMOS管的栅极通过第二负载电阻接第二偏置电压。
可选的，在输入级放大电路中，第一NMOS管的栅极通过第一输入耦合电容接射频信号，第二NMOS管的栅极通过第二输入耦合电容接射频信号；
在输出级放大电路中，第三NMOS管的漏极连接第一输出耦合电容的一端，第一输出耦合电容的另一端为信号输出端，第四NMOS管的漏极连接第二输出耦合电容的一端，第二输出耦合电容的另一端为信号输出端；
射频信号为差分信号。
可选的，第一PMOS管的栅极通过第三电容连接第一NMOS管的栅极，第二PMOS管的栅极通过第四电容连接第二NMOS管的栅极。
可选的，第一NMOS管的源极连接对称抽头反馈电感的第一端，第二NMOS管的源极连接对称抽头反馈电感的第二端，对称抽头反馈电感的第三端抽头接地；
第一NMOS管的栅极连接对称抽头匹配偏置电感的第一端，第二NMOS管的栅极连接对称抽头匹配偏置电感的第二端，对称抽头匹配偏置电感的第三端抽头接第一偏置电压；
第三NMOS管的漏极连接对称抽头负载电感的第一端，第四NMOS管的漏极连接对称抽头负载电感的第二端，第三NMOS管的栅极通过第一偏置电阻连接对称抽头负载电感的第一端，第四NMOS管的栅极通过第二偏置电阻连接对称抽头负载电感的第二端，对称抽头负载电感的第三端抽头连接电源电压。
可选的，第一PMOS管的栅极通过第三电容连接第一NMOS管的栅极，第二PMOS管的栅极通过第四电容连接第二NMOS管的栅极。
可选的，负载为可调节负载，负载用于补偿相位以及调节第一NMOS管和第二NMOS管衬底注入二阶交调的幅度。
可选的，负载由第五NMOS管并联第五电容构成；
第五NMOS管的漏极与源极分别于第五电容连接，第五NMOS管的栅极与漏极连接；
第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极连接后，与第五NMOS管的漏极和第五电容的公共端连接；
第五NMOS管的源极与第五电容的公共端接地。
可选的，负载为可调节负载，通过调节第五NMOS管的宽长比调节第一NMOS管和第二NMOS管衬底注入二阶互调项IM2的电压幅度。
可选的，第一电阻和第二电阻用于保持直流同电位以及产生交流阻塞及衬底偏置效应。
本申请技术方案，至少包括如下优点：
本申请实施例提供了一种差分低噪声放大器，该差分低噪声放大器为源极电感反馈全差分结构，在该差分低噪声放大器中增加平方律电路，平方律电路由并联求和差分管对第一PMOS管和第二PMOS管构成，输入级放大电路中包括差分输入主放大管对第一NMOS管和第二NMOS管，第一PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极连接，第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极连接，平方律电路的输出通过隔直耦合电容与第一NMOS管的体端、第二NMOS管的体端分别连接，平方律电路的输出通过负载接地将平方律电路输出的二阶交调注入差分输入主放大管对的体端，在输入级放大电路中第一NMOS管和第二NMOS管的源极和体端之间都连接有电阻，通过此电阻实现直流同电位、交流阻塞及衬底偏置效应，有效地消除了二阶交调源极反馈对三阶交调的影响，增强了差分低噪声放大器的线性度，提高了输入三阶交调截止点IIP3，改善了射频前端***动态范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是现有技术中一种传统源极电感反馈差分低噪声放大器的结构原理图；
图2是本申请实施例提供的一种差分低噪声放大器的结构原理图；
图3是本申请实施例提供的一种差分低噪声放大器的部分结构原理图；
图4是本申请实施例提供的一种差分低噪声放大器的电路原理图；
图5是根据一示例性实施例示出的现有的差分低噪声放大器的IIP3与本申请实施例提供的差分低噪声放大器的IIP3的比较图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本申请实施例提供了一种差分低噪声放大器，包括输入级放大电路、输出级放大建立和平方律电路。输入级放大电路与输出级放大电路连接，平方律电路与输入级放大电路连接。如图2所示，输入级放大电路包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M3，第一NMOS管M1和第二NMOS管M3是差分输入主放大管对。输出级放大电路包括第三NMOS管M2和第四NMOS管M4。平方律电路包括第一PMOS管M5和第二PMOS管M6，第一PMOS管M5和第二PMOS管M6组成并联求和差分管对。
第一NMOS管M1的栅极和第二NMOS管M3的栅极为输入级放大电路的信号输入端，第一NMOS管M1的栅极通过第一输入耦合电容Cg1接射频信号RFin+，第二NMOS管M3的栅极通过第二输入耦合电容Cg3接射频信号RFin-，射频信号RFin+和射频信号RFin-为差分信号。
第一NMOS管M1的源极和第二NMOS管M3的源极通过对称抽头反馈电感Ls接地。具体地，第一NMOS管M1的源极连接对称抽头反馈电感Ls的第一端，第二NMOS管M3的源极连接对称抽头反馈电感Ls的第二端，对抽头反馈电感Ls的第三端抽头接地。
第一NMOS管M1的源极和体端之间连接有第一电阻Rb1，第二NMOS管M3的源极和体端之间连接有第二电阻Rb2。第一电阻Rb1和第二电阻Rb2用于保持直流同电位，以及产生交流阻塞及衬底偏置效应。
第一电阻Rb1和第二电阻Rb2为大电阻。可选的，第一电阻Rb1的阻值和第二电阻Rb2的阻值均大于等于5KΩ。需要说明的是，第一电阻Rb1的阻值和第二电阻Rb2的阻值的具体数值还需要根据电路面积和该差分低噪声放大器的性能确定，本申请对此不作限定。
第一NMOS管M1的栅极和第二NMOS管M3的栅极通过对称抽头匹配偏置电感Lg连接第一偏置电压Vgbias1。具体地，第一NMOS管M1的栅极连接对称抽头匹配偏置电感Lg的第一端，第二NMOS管M3的栅极连接对称抽头匹配偏置电感Lg的第二端，对称抽头匹配偏置电感Lg的第三端抽头接第一偏置电压Vgbis1。
第一NMOS管M1的漏极和所述第二NMOS管M3的漏极为输入级放大电路的输出端。
第三NMOS管M2的源极与第一NMOS管M1的漏极连接，第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M3的漏极连接。
第三NMOS管M2的漏极和第四NMOS管M4的漏极通过对称抽头负载电感Ld与电源电压Vdd连接，第三NMOS管M2的栅极通过第一偏置电阻Rg2连接对称抽头负载电感Ld，第四NMOS管M4的栅极通过第二偏置电阻Rg4连接对称抽头负载电感Ld，对称抽头负载电感Ld的抽头端连接电源电压Vdd。具体地，第三NMOS管M2的漏极连接对称抽头负载电感Ld的第一端，第四NMOS管M4的漏极连接对称抽头负载电感Ld的第二端，第三NMOS管M2的栅极通过第一偏置电阻Rg2连接对称抽头负载电感Ld的第一端，第四NMOS管M4的栅极通过第二偏置电阻Rg4连接对称抽头负载电感Ld的第二端，对称抽头负载电感Ld的第三端抽头连接电源电压Vdd。
第三NMOS管M2的栅极通过第一电容Cg2接地，第四NMOS管M4的栅极通过第二电容Cg4接地。第三NMOS管M2的漏极和第四NMOS管M4的漏极为差分低噪声放大器的信号输出端。第三NMOS管M2的漏极连接第一输出耦合电容Co1的一端，第一输出耦合电容Co1的另一端为信号输出端RFout-，第四NMOS管M4的漏极连接第二输出耦合电容Co2的一端，第二输出耦合电容Co2的另一端为信号输出端RFout+。
在平方律电路中，第一PMOS管M5和第二PMOS管M6分别交流耦合差分输入主放大管对(第一NMOS管M1和第二NMOS管M3)的栅极，同时将平方律电路输出的二阶交调注入到差分输入主放大管对的体端，进行线性度增强。
第一PMOS管M5的栅极通过第三电容Cg5连接第一NMOS管M1的栅极，第二PMOS管M6的栅极通过第四电容Cg6连接第二NMOS管M3的栅极。第一PMOS管M5的漏极与第二PMOS管M6的漏极连接后通过负载ZL接地。第一PMOS管M5的漏极和第二PMOS管M6的漏极连接后还通过隔直耦合电容Cac与第一NMOS管M1的体端、第二NMOS管M3的体端分别连接。第一PMOS管M5的源极与第二PMOS管M6的源极连接后与电源电压Vdd连接。第一PMOS管M5的栅极通过第一负载电阻Rg5接第二偏置电压Vgbias2，第二PMOS管M6的栅极通过第二负载电阻Rg6接第二偏置电压Vgbias2。
负载ZL为可调节负载，负载ZL用于补偿相位，以及调节主放大管(第一NMOS管M1和第二NMOS管M3)衬底注入二阶交调的幅度，等大反向消除二阶交调源极反馈对三阶交调的影响。
由于差分低噪声放大电路的电路结构对称，以一侧电路进行说明，负载ZL起阻抗作用，如图3所示，对图3所示的电路进行小信号分析。
对于平方律电路中的第一PMOS管M5和第二PMOS管M6：
idM5＝gm5Vgs+g'm5Vgs2+g”m5Vgs3；
idM6＝-gm6Vgs+g'm6Vgs2-g”m6Vgs3；
idM5表示第一PMOS管M5的漏极电流，Vgs表示小信号的偏置电压，gm5表示第一PMOS管M5的跨导，g'm5表示第一PMOS管M5的跨导的偏导，g”m5表示第一PMOS管M5的跨导的偏导的偏导；idM6表示第二PMOS管M6的漏极电流，Vgs表示小信号的偏置电压，gm6表示第二PMOS管M6的跨导，g'm6表示第二PMOS管M6的跨导的偏导，g”m6表示第二PMOS管M6的跨导的偏导的偏导。
因此，ib＝idM5+idM6＝2g'mVgs2；可以看出奇数阶非线性相消，偶数阶非线性求和。通过负载ZL产生电压Vb，Vb＝ibRZL；可以得到idM1＝gm1Vgs+g'm1Vgs2-g'mb1Vbs2+...；idM1表示第一NMOS管M1的漏极电流，gm1表示第一NMOS管M1的跨导，g'm1表示第一NMOS管M1的跨导的偏导，g'mb1针对第一电阻Rb1的跨导的偏导，RZL表示负载ZL的阻值。
从图3可以得知，平方律电路将二阶交调注入主放大管即第一NMOS管M1的体端，由于第一电阻Rb1的存在，交流通路隔离阻断，产生衬底偏置效应，利用衬底偏置效应可以有效地消除二阶交调源极反馈对三阶交调的影响，增强低噪声放大器的线性度，提高输入三阶交调截点(Input two tone 3rd order intercept point，IIP3)，改善了射频前端***的动态范围。
在基于图2所示实施例的可选实施例中，负载ZL由第五NMOS管ML并联第五电容CL构成，如图4所示，第五NMOS管ML的漏极与源极分别与第五电容CL连接；第五NMOS管ML的栅极与漏极连接，第五NMOS管相当于二极管。
第一PMOS管M5的漏极与所述第二PMOS管M6的漏极连接后，与第五NMOS管ML的漏极与第五电容CL的公共端连接；第五NMOS管ML的源极与第五电容CL的公共端接地。
在图4所示的实施例中，第五NMOS管ML并联第五电容CL构成的负载ZL是可调节负载，通过调节第五NMOS管ML的宽长比实现。具体地，通过调节第五NMOS管ML的宽长比调节第一NMOS管M1和第二NMOS管M3衬底注入二阶互调项(2nd order two tone intermodulationproduct，IM2)的电压幅度。
此外，第五电容CL和第五NMOS管ML阻抗构成RC相位补偿结构，保障了等大反向的IM2注入补偿。
在一个例子中，针对图1所示的差分低噪声放大器，获取三阶交调输出曲线，在图5中表示为旧的三阶交调输出曲线51，针对图4所示的差分低噪声放大器获取三阶交调输出曲线，在图5中表示为新的三阶交调输出曲线52，图5也示出了一阶线性输出曲线，旧的三阶交调输出曲线51与一阶线性输出曲线53的交点为旧的IIP3，值为2.1dBm，新的三阶交调输出曲线52与一阶线性输出曲线53的交点为新的IIP3，值为6.3dBm，用于衡量线性度的IIP3增加了4.2dBm，即△IIP3＝4.2dBm，说明相较于图1所示的差分低噪声放大器，图4所示的差分低噪声放大器可以有效地提高线性度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种差分低噪声放大器，其特征在于，包括输入级放大电路、输出级放大电路和平方律电路；
所述输入级放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管，所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极为所述输入级放大电路的信号输入端；所述第一NMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极为输入级放大电路的输出端；所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极通过对称抽头反馈电感接地；所述第一NMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极通过对称抽头匹配偏置电感连接第一偏置电压；所述第一NMOS管的源极和体端之间连接有第一电阻，所述第二NMOS管的源极和体端之间连接有第二电阻；
所述输出级放大电路包括第三NMOS管和第四NMOS管，所述第三NMOS管的源极与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第四NMOS管的源极与所述第二NMOS管的漏极连接；所述第三NMOS管的漏极和所述第四NMOS管的漏极通过对称抽头负载电感与电源电压连接；所述第三NMOS管的栅极通过第一偏置电阻连接所述对称抽头负载电感，所述第四NMOS管的栅极通过第二偏置电阻连接所述对称抽头负载电感，所述对称抽头负载电感的抽头端连接电源电压；所述第三NMOS管的栅极通过第一电容接地，所述第四NMOS管的栅极通过第二电容接地；所述第三NMOS管的漏极和所述第四NMOS管的漏极为所述差分低噪声放大器的信号输出端；
所述平方律电路包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管的栅极连接所述第一NMOS管的栅极，所述第二PMOS管的栅极所述第二NMOS管的栅极；所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的漏极连接后通过负载接地；所述第一PMOS管的漏极和所述第二PMOS管的漏极连接后还通过隔直耦合电容与所述第一NMOS管的体端、所述第二NMOS管的体端分别连接；所述第一PMOS管的源极与所述第二PMOS管的源极连接后与所述电源电压连接；所述第一PMOS管的栅极通过第一负载电阻接第二偏置电压，所述第二PMOS管的栅极通过第二负载电阻接所述第二偏置电压。
2.根据权利要求1所述的差分低噪声放大器，其特征在于，在所述输入级放大电路中，所述第一NMOS管的栅极通过第一输入耦合电容接射频信号，所述第二NMOS管的栅极通过第二输入耦合电容接射频信号；
在所述输出级放大电路中，所述第三NMOS管的漏极连接第一输出耦合电容的一端，所述第一输出耦合电容的另一端为信号输出端，所述第四NMOS管的漏极连接第二输出耦合电容的一端，所述第二输出耦合电容的另一端为信号输出端；
所述射频信号为差分信号。
3.根据权利要求1所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一NMOS管的源极连接所述对称抽头反馈电感的第一端，所述第二NMOS管的源极连接所述对称抽头反馈电感的第二端，所述对称抽头反馈电感的第三端抽头接地；
所述第一NMOS管的栅极连接所述对称抽头匹配偏置电感的第一端，所述第二NMOS管的栅极连接所述对称抽头匹配偏置电感的第二端，所述对称抽头匹配偏置电感的第三端抽头接第一偏置电压；
所述第三NMOS管的漏极连接所述对称抽头负载电感的第一端，所述第四NMOS管的漏极连接所述对称抽头负载电感的第二端，所述第三NMOS管的栅极通过第一偏置电阻连接所述对称抽头负载电感的第一端，所述第四NMOS管的栅极通过第二偏置电阻连接所述对称抽头负载电感的第二端，所述对称抽头负载电感的第三端抽头连接所述电源电压。
4.根据权利要求1所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一PMOS管的栅极通过第三电容连接所述第一NMOS管的栅极，所述第二PMOS管的栅极通过第四电容连接所述第二NMOS管的栅极。
5.根据权利要求1所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述负载为可调节负载，所述负载用于补偿相位以及调节所述第一NMOS管和第二NMOS管衬底注入二阶交调的幅度。
6.根据权利要求1所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述负载由第五NMOS管并联第五电容构成；
所述第五NMOS管的漏极与源极分别于所述第五电容连接，所述第五NMOS管的栅极与所述漏极连接；
第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的漏极连接后，与所述第五NMOS管的漏极和所述第五电容的公共端连接；
所述第五NMOS管的源极与所述第五电容的公共端接地。
7.根据权利要求6所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述负载为可调节负载，通过调节所述第五NMOS管的宽长比调节所述第一NMOS管和第二NMOS管衬底注入二阶互调项IM2的电压幅度。
8.根据权利要求1至6任一所述的差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻用于保持直流同电位以及产生交流阻塞及衬底偏置效应。
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