CN111277229B - 低噪放大器及降低噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供一种低噪放大器及降低噪声的方法，低噪放大器包括：第一MOS管、第二MOS管、耦合变压器；耦合变压器至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍，且耦合方向相反；第一MOS管的源极连接第二MOS管的栅极，用于接收输入信号；第一MOS管的漏极连接第一输入线圈，第二MOS管的漏极连接第二输入线圈；其中，第二MOS管的有效跨导为第一MOS管的有效跨导的n倍，且N/n的比值满足预设范围。通过两个MOS管器件及耦合变压器的设计，对输入信号进行放大，对噪声信号按预设比例相互抵消，从而获取较高的信噪比；且结构简单，并不需要较高的成本。

Description

低噪放大器及降低噪声的方法

技术领域

本发明涉及信号传输领域，特别涉及一种低噪放大器及降低噪声的方法。

背景技术

通信信号的传输与人们的生活息息相关，而噪声是对通信信号传输影响较大的一个因素，因此如何降低噪声，如何减少降低噪声所消耗的成本，一直是当下研究的热门。

然而，发明人发现目前用于超宽带信号降噪的器件结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明实施方式提供一种低噪放大器及降低噪声的方法，通过两个MOS管器件及耦合变压器的设计，对输入信号进行放大，对噪声信号按预设比例相互抵消，从而获取较高的信噪比；且结构简单，并不需要较高的成本。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种低噪放大器，包括：第一MOS管、第二MOS管、耦合变压器；耦合变压器至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍，且耦合方向相反；第一MOS管的源极连接第二MOS管的栅极，用于接收输入信号；第一MOS管的漏极连接第一输入线圈，第二MOS管的漏极连接第二输入线圈；其中，第二MOS管的有效跨导为第一MOS管的有效跨导的n倍，且N/n的比值满足预设范围。

相对于现有技术而言，本发明实施方式设计了一种低噪放大器，通过第一MOS管的源极和第二MOS管的栅极接收射频信号，对射频信号进行放大；再通过耦合变压器的线圈匝数设计，使得第一MOS管在两个MOS管在漏极生成的噪声信号经过耦合变压器产生的感应电流方向相反，大小比值满足预先设定的误差范围，两个噪声信号相互抵消，降低整个***的噪声，从而获取较高的信噪比；并且整个***结构简单，节约成本。

另外，N/n的比值满足预设范围，具体包括：N/n的比值等于1。通过获取第一MOS管和第二MOS管之间的跨导关系，合理设计两个输入线圈的匝数比，使得两个输入线圈耦合到同一个输出线圈的产生的两个感应电流大小相等，方向相同；两个噪声信号之间的大小相同，方向相反从而相互抵消，其降噪效果更好，***获取的信噪比更大。

另外，输出线圈包括：第一输出端和第二输出端；第一输出端连接差分放大器的其中一个输入端，第二输出端连接差分放大器的另一输入端；第一输出端用于输出第一输入线圈在输出线圈产生的感应电流；第二输出端用于输出第二输入线圈在输出线圈产生的感应电流。

另外，耦合变压器包括：第一耦合变压器和第二耦合变压器；第一输入线圈为第一耦合变压器的输入线圈，第二输入线圈为第二耦合变压器的输入线圈，第一耦合变压器的输出线圈与第二耦合变压器的输出线圈为两个相同的线圈。

另外，第一输入线圈和第二输入线圈集成在一个线圈上。通过将两个线圈集成在一个线圈上，进一步降低整个***所需的成本。

另外，耦合方向相反，具体包括：第一输入线圈和第二输入线圈的电流方向一致，第一输入线圈和第二输入线圈的绕行方向相反；或，第一输入线圈和第二输入线圈的绕行方向一致，第一输入线圈和第二输入线圈的电流方向相反。

另外，第一MOS管的源极和第二MOS管的栅极还用于接收同一偏置电流。

另外，第一MOS管等效阻抗与输入信号的阻抗相同。通过合理设计第一MOS管的等效阻抗与输出信号的阻抗相同，使整个***与宽频带信号源的阻抗相匹配。

另外，第二输入线圈与输出线圈的匝数比为M：1，M为正实数。

本发明实施方式还提供了一种降低噪声的方法，应用于上述低噪放大器，包括：第一MOS管的源极用于接收输入信号，在第一MOS管的漏极形成的放大信号通过耦合变压器形成第一输出信号；第二MOS管的栅极用于接收输入信号，在第二MOS管的漏极形成的放大信号通过耦合变压器形成第二输出信号；第一输出信号中的噪声信号与第二输出信号中的噪声信号相互抵消。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施方式提供的低噪放大器的电路图；

图2为本发明实施方式提供的低噪放大器对第一MOS管的噪声信号进行抵消的原理图；

图3为本发明实施方式涉及的巴伦效应的原理图；

图4为本发明实施方式提供的耦合放大器采用同一线圈的实现方式示意图；

图5为本发明实施方式提供的多个耦合放大器的实现方式示意图。

具体实施方式

目前用于超宽带信号降噪的器件结构复杂，成本较高。

为解决上述问题，本发明第一实施方式提供了一种低噪放大器，包括：第一MOS管、第二MOS管、耦合变压器；耦合变压器至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍，且耦合方向相反；第一MOS管的源极连接第二MOS管的栅极，用于接收输入信号；第一MOS管的漏极连接第一输入线圈，第二MOS管的漏极连接第二输入线圈；其中，第二MOS管的有效跨导为第一MOS管的有效跨导的n倍，且N/n的比值满足预设范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合，相互引用。

下面对本实施方式的低噪放大器的实现细节进行具体说明，参考图1，低噪放大器，包括：

第一MOS管101、第二MOS管102、耦合变压器201；

具体地，第一MOS管101为共栅级组态，第二MOS管102为共源极组态；第一MOS管101的栅极连接偏置电压，且第一MOS管101的源极和第二MOS管102的栅极还接收同一偏置电流103，用于保证第一MOS管101和第二MOS管102处于正常工作状态。

在本实施方式中，第一MOS管101的尺寸和电流设置使得从源极看入的等效阻抗，约为其等效跨导gm1的倒数，且第一MOS管101的等效阻抗与输入低噪放大器的输入信号的阻抗105相同。实现了低噪放大器与输入信号的阻抗105匹配。

第二MOS管102的有效跨导gm2为第一MOS管101的有效跨导gm1的n倍(n为实数)。需要说明的是，在本实施方式中，第一MOS管101的等效阻抗和输入信号的阻抗105为常用的50欧姆，但不排除在其他应用场景下采用其他数值的电阻值，本领域技术人员清楚，在不改变电路结构仅仅改变阻抗数值的方案应属于本发明的保护范围。

第一MOS管101的源极连接第二MOS管102的栅极，且都用于接收输入输入信号104。在本实施方式中，输入信号104通过电容106连接第一MOS管101的源极和第二MOS管102的栅极，电容106用于通过交流信号，阻隔直流信号，保证低噪放大器电路的准确性。

耦合变压器201至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍(N为实数)，且耦合方向相反。需要说明的是，N/n的比值满足预设范围(0.8＜N/n＜1.25)；其中，N/n的比值越接近于1，其降噪效果越好；在本实施例中，N/n的比值等于1。

第一输入线圈与输出线圈间的耦合方向和第二输入线圈与输出线圈间的耦合方向相反，由于本发明实施方式提供的耦合放大器包括两个输入线圈和一个输出线圈，两个输入线圈耦合到同一个输出线圈上。具体可以通过以下两种方式进行设置：

方式一：输入到第一输入线圈和第二输入线圈的电流方向一致，此时第一输入线圈的第二输入线圈绕行方向相反。

方式二：第一输入线圈的第二输入线圈绕行方向相同，此时输入到第一输入线圈和第二输入线圈的电流方向相反。

第一MOS管101的漏极连接耦合变压器201的第一输入线圈，第二MOS管102的漏极连接耦合变压器201的第二输入线圈，输入信号104经过第一MOS管101放大后，在第一MOS管101的漏极形成的放大信号in1，通过耦合变压器201后形成第一输出信号out1；输入信号104经过第二MOS管102放大后，在第二MOS管102的漏极形成的放大信号in2，经过耦合变压器201后形成第二输出信号out2；输出线圈包括两个输出端，分别为第一输出端和第二输出端；其中，第一输出端用于输出第一输入线圈在输出线圈产生的感应电流out1；第二输出端用于输出第二输入线圈在输出线圈产生的感应电流out2。

假设输入信号104的电压为V，经过放大后各个信号的数值如下表格：

在本实施例中，第二输入线圈与输出线圈的匝数比为M：1(M为实数)；本领域技术人员清楚，第二输入线圈两端电压与输出线圈两端产生的感应电压的比值为M：1；输入第二输入线圈的电流与输出线圈中产生的感应电流的比值为1：M。由前文可知，第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍(N为实数)，即第一输入线圈与输出线圈的匝数比为N*M：1(M为实数)；本领域技术人员清楚，第一输入线圈两端电压与输出线圈两端产生的感应电压的比值为N*M：1；输入第二输入线圈的电流与输出线圈中产生的感应电流的比值为1：N*M。

由上述表格可知，第一输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out1＝V*gm1*N*M；第二输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out2＝V*gm1*n*M。由前文可知，本实施方式中，N/n的比值等于1，即N＝n；即out1＝out2，即两个感应电流的大小相同；因为共源极放大器是反向放大，共栅级放大器是正向放大，且第一输入线圈与输出线圈的耦合方向和第二输入线圈与输出线圈的耦合方向相反，即第一输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out1和第二输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out2，大小相等，方向也相同，使得低噪放大器能获取较大的输出信号。

忽略输入信号对M0管的噪声进行分析，参考图2，第一MOS管101存在噪声，将噪声等效作为一个信号输入，即M0等效栅极噪声202，由电路分析可知M0等效栅极噪声202在第一MOS管101的漏极处产生的噪声电流in3和在第二MOS管102漏极处产生的噪声电流in4同向，且in4＝n＊in3，噪声电流通过耦合放大器时，两个电流之间由于巴伦效应，抵消掉其中的噪声信号。

参考图3，假设第一输入线圈501和第二输入线圈502之间的绕行方形相同，且n＝N＝2。第一输入线圈501的噪声电流in3和第二输出线圈502的噪声电流in4输入方向不同，在输出线圈503产生大小相同，方向相反的感应电流，由于巴伦效应而抵消掉。使得***获得较大的新噪比。需要说明的是，在其他实施例中，N/n的比值满足预设范围(0.8＜N/n＜1.25)，即通过巴伦效应按比例抵消噪声电流。

在其他实施例中，还可以将第一输入线圈和第二输入线圈集成在一个线圈上。参考图4，耦合变压器301包括一个输入线圈和一个输出线圈，输入线圈有三个输入端，分别为in1输入端、in2输入端和vdd端，此时由于是同一个线圈，其绕行方向相同，通过保证输入电流的输入方向不同，使得与输出线圈的耦合方向不同。

在其他实施例中，还可以通过两个耦合变压器进行线圈耦合。参考图5，耦合变压器201包括第一耦合变压器401和第二耦合变压器402；第一输入线圈为第一耦合变压器401的输入线圈；第二输入线圈为第二耦合变压器402的输入线圈，第一耦合变压器401的输出线圈与第二耦合变压器402的输出线圈为两个相同的线圈。

需要说明的是，在本实施例中，输出线圈的第一输出端还用于连接差分放大器的其中一个输入端，输出线圈的第二输出端用于连接差分放大器的另一个输入端，本领域技术人员清楚，差分放大器具有抑制共模放大差模的作用，能进一步放大输出信号，获得较大的射频降噪输出信号，进一步扩大降噪放大器输出信号的信噪比。

相对于现有技术而言，本发明实施方式设计了一种低噪放大器，通过第一MOS管的源极和第二MOS管的栅极接收射频信号，对射频信号进行放大；再通过耦合变压器的线圈匝数设计，使得第一MOS管在两个MOS管在漏极生成的噪声信号经过耦合变压器产生的感应电流方向相反，大小比值满足预先设定的误差范围，两个噪声信号相互抵消，降低整个***的噪声，从而获取较高的信噪比；并且整个***结构简单，节约成本。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各单元均为逻辑单元，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第二实施方式涉及一种降低噪声的方法，具体包括以下步骤：

S101，提供低噪放大电路。

参考图1，低噪放大器，包括：第一MOS管101、第二MOS管102、耦合变压器201；其中，第一MOS管101的源极连接第二MOS管102的栅极，且都用于接收输入输入信号104。

在本实施方式中，第一MOS管101的尺寸和电流设置使得从源极看入的等效阻抗，约为其等效跨导gm1的倒数，且第一MOS管101的等效阻抗与输入低噪放大器的输入信号的阻抗105相同。第二MOS管102的有效跨导gm2为第一MOS管101的有效跨导gm1的n倍(n为实数)。

在本实施方式中，输入信号104通过电容106连接第一MOS管101的源极和第二MOS管102的栅极，电容106用于通过交流信号，阻隔直流信号，保证低噪放大器电路的准确性。

耦合变压器201至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；第一输入线圈与输出线圈间的匝数比为第二输入线圈与输出线圈间的匝数比的N倍(N为实数)，且耦合方向相反。在本实施例中，N/n的比值等于1。

第一MOS管101的漏极连接耦合变压器201的第一输入线圈，第二MOS管102的漏极连接耦合变压器201的第二输入线圈，输入信号104经过第一MOS管101放大后，在第一MOS管101的漏极形成的放大信号in1，通过耦合变压器201后形成第一输出信号out1；输入信号104经过第二MOS管102放大后，在第二MOS管102的漏极形成的放大信号in2，经过耦合变压器201后形成第二输出信号out2；输出线圈包括两个输出端，分别为第一输出端和第二输出端；其中，第一输出端用于输出第一输入线圈在输出线圈产生的感应电流out1；第二输出端用于输出第二输入线圈在输出线圈产生的感应电流out2。

S102，接入输入信号。

第一MOS管的源极用于接收输入信号，在第一MOS管的漏极形成的放大信号通过耦合变压器形成第一输出信号；第二MOS管的栅极用于接收输入信号，在第二MOS管的漏极形成的放大信号通过耦合变压器形成第二输出信号。

第一输出信号中的噪声信号与所述第二输出信号中的噪声信号相互抵消。

具体地，第一输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out1＝V*gm1*N*M；第二输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out2＝V*gm1*n*M。由前文可知，本实施方式中，N/n的比值等于1，即N＝n；即out1＝out2；且第一输入线圈与输出线圈的耦合方向和第二输入线圈与输出线圈的耦合方向相反，即第一输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out1和第二输入线圈在输出线圈处产生的感应电流out2，大小相等，方向也相同，使得低噪放大器能获取较大的输出信号。

对M0管的噪声进行分析忽略输入信号，参考图2，第一MOS管101存在噪声，将噪声等效作为一个信号输入，即M0等效栅极噪声202，由电路分析可知M0等效栅极噪声在第一MOS管101的漏极处产生的噪声电流in3和在第二MOS管102漏极处产生的噪声电流in4同向，且in4＝n＊in3，噪声电流通过耦合放大器时，两个电流之间由于巴伦效应，抵消掉其中的噪声信号。

相比于现有技术，本发明实施方式通过两个MOS管器件及耦合变压器的设计，将两个噪声信号相互抵消，从而降低噪声，使得***获取较高的信噪比；且结构简单，并不需要较高的成本。

上面各种步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

由于第一实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第一实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种低噪放大器，其特征在于，应用于电流信号，包括：

第一MOS管、第二MOS管、耦合变压器；

所述耦合变压器至少包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈；

所述第一输入线圈与所述输出线圈间的匝数比为所述第二输入线圈与所述输出线圈间的匝数比的N倍，且耦合方向相反；

所述第一MOS管的源极连接所述第二MOS管的栅极，用于接收输入信号；

所述第一MOS管的漏极连接所述第一输入线圈，所述第二MOS管的漏极连接所述第二输入线圈；其中，所述第二MOS管的有效跨导为所述第一MOS管的有效跨导的n倍，且N/n的比值等于1。

2.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述输出线圈包括：第一输出端和第二输出端；

所述第一输出端连接差分放大器的其中一个输入端，所述第二输出端连接所述差分放大器的另一输入端；

所述第一输出端用于输出所述第一输入线圈在所述输出线圈产生的感应电流；所述第二输出端用于输出所述第二输入线圈在所述输出线圈产生的感应电流。

3.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述耦合变压器包括：第一耦合变压器和第二耦合变压器；

所述第一输入线圈为所述第一耦合变压器的输入线圈，所述第二输入线圈为所述第二耦合变压器的输入线圈，所述第一耦合变压器的输出线圈与所述第二耦合变压器的输出线圈为两个相同的线圈。

4.根据权利要求1或2任一项所述的低噪放大器，其特征在于，所述第一输入线圈和所述第二输入线圈集成在一个线圈上。

5.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述耦合方向相反，具体包括：

所述第一输入线圈和所述第二输入线圈的电流方向一致，所述第一输入线圈和所述第二输入线圈的绕行方向相反；

或，所述第一输入线圈和所述第二输入线圈的绕行方向一致，所述第一输入线圈和所述第二输入线圈的电流方向相反。

6.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述第一MOS管的源极和所述第二MOS管的栅极还用于接收同一偏置电流。

7.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述第一MOS管等效阻抗与所述输入信号的阻抗相同。

8.根据权利要求1所述的低噪放大器，其特征在于，所述第二输入线圈与所述输出线圈的匝数比为M：1，所述M为正实数。

9.一种降低噪声的方法，采用如权利要求1-8任一所述的低噪放大器，其特征在于，包括：

第一MOS管的源极用于接收输入信号，在所述第一MOS管的漏极形成的放大信号通过耦合变压器形成第一输出信号；

第二MOS管的栅极用于接收所述输入信号，在所述第二MOS管的漏极形成的放大信号通过所述耦合变压器形成第二输出信号；

所述第一输出信号中的噪声信号与所述第二输出信号中的噪声信号相互抵消。

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