一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器的制造方法
【專利摘要】本發明提出了一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，實現了低功耗、低噪聲的性能。主要電路結構有：平衡非平衡變壓器(1)、采用有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器(2)、主共柵放大級(3)、正反饋支路(4)、電阻負載(5)。本發明對共柵放大器進行了有源跨導增強，并對有源跨導增強部分使用電容交叉耦合技術，實現了較高的等效跨導。引入正反饋支路，增加了共柵放大器等效跨導的調節自由度，緩解了噪聲和輸入匹配之間的約束，改善了噪聲性能，同時在較低功耗下實現了高增益。本發明結構簡單，占用面積小，易實現。
【專利說明】一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，具有低噪聲系數低功耗的特點，屬于射頻集成電路【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著個人無線通訊市場的繁榮發展，人們對各種無線通訊工具的性能要求也越來越高。無線通信技術變得高速化、超帶寬化。一個完整的射頻收發系統包括射頻前端和基帶處理部分。射頻前端(又稱作收發器)決定著這個系統的基本性能指標。低噪聲放大器作為無線傳輸系統中接收機的關鍵模塊，一般直接與天線相連，低噪聲放大器用來放大天線所接收到的微弱信號，所以對其的要求不僅是要提高增益，同時又要盡量減少對信號的惡化，因此低噪聲放大器的設計需要整體考慮多方面性能參數:端口輸入匹配，增益，噪聲系數，功耗，線性度及面積等。隨著市場競爭的加劇，成本問題越來越得到重視。因此低功耗，面積小，覆蓋多種頻段的電路結構成了研究熱點。
[0003]傳統的低噪聲放大器采用源級電感反饋技術，可以幫助窄帶實現輸入匹配并且達到較低的噪聲系數，但這種結構需要片上電感，芯片面積大，成本高，且不適用于寬帶系統，因此無電感的拓撲結構被提出用來克服上述缺點。無電感結構通常應用于共柵結構中，可以通過電阻負反饋技術實現輸入匹配，提高帶寬，降低電路對于器件參數變化的靈敏性，提升電路的線性度，但是引入的電阻本身產生熱噪聲，會惡化噪聲，因此在輸入匹配和噪聲系數方面存在折中關系。噪聲抵消技術可以緩解輸入匹配和噪聲系數方面的折中，用來克制寬帶噪聲差的情況，不過以消耗較大的功耗為代價。為降低共柵結構的噪聲和功耗，跨導增強技術得到廣泛應用。
[0004]電容交叉耦合技術是一種無源的跨導增強技術，可以有效地利用共柵結構的柵端實現跨導增強。圖1參考文獻【I】(Y.Liao, Z.Tang, and H.Min, CMOS wide-bandlow-noise amplifier with balun-based noise-canceling technique, 〃in Solid-StateCircuits Conference, 2007.ASSCC' 07.1EEE Asian, 2007，pp.91-94)其結構由平衡非平衡變壓器、電容交叉耦合的共柵放大級和負載電阻組成。電容交叉耦合的共柵放大級由共柵NMOS放大管Ml和M2組成，交叉耦合的電容Cl和C2將差分輸入信號耦合到相對的晶體管的柵極，使得共柵放大管Ml和M2的柵源間信號電壓增加一倍，從而增加共柵放大管的等效跨導，降低了噪聲系數和功耗。
[0005]電容交叉耦合技術有效地提升了主放大管的等效跨導，但其跨導增強僅限于I倍，并且不能有效地抑制輸入阻抗的噪聲，因此有源跨導增強的共柵結構被提出，可以實現更低的噪聲系數，并且不依賴于器件之間的匹配。圖2參考文獻【2】(Chen Liang,Li Zhiqun, uK new wideband LNA using a gm-boosting technique,，，Journal ofSemiconductor, vol.35,N0.1)由有源跨導增強的共柵放大級、主放大級和負載級組成。但是采用單端結構，對于環境噪聲的抗干擾能力不強，這點可以進行改進。
[0006]圖 3 參考文獻【3】(F.Belmas, F.Hameau, and J.Fournier, "a 1.3 麗 20db gainlow power inductorless Ina with 4db noise figure for 2.45 ghz ism band, "Rad1Frequency Integrated Circuits Symposium(RFIC),2011 IEEE, 2011, pp.1-4.)利用多次跨導增強實現低功耗低噪聲的性能。參考文獻【4】(F.Belmas, F.Hameau, andJ.Fournier, 〃A Low Power Inductorless LNA With Double Gm Enhancement in 130 nmCMOS, "Solid-State Circuits, IEEE Journal of, v ol.47, pp.1094-1103，2012.)更加詳細的闡述了多次跨導增強實現低功耗低噪聲性能的結構。
【發明內容】
[0007]本發明目的在于提供一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，解決現有低功耗共柵結構的低噪聲放大器的功耗大，噪聲系數高的問題。本發明對共柵放大器進行了有源跨導增強，并對有源跨導增強部分使用電容交叉耦合技術，實現了較高的等效跨導。引入正反饋支路，增加了共柵放大器等效跨導的調節自由度，緩解了噪聲和輸入匹配之間的約束，改善了噪聲性能，同時在較低功耗下實現了高增益。本發明結構簡單，占用面積小，易實現。該設計可以用于數字視頻廣播中。
[0008]為此，本發明采用的技術方案為:一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于:其電路結構包括平衡非平衡變壓器1、采用有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器2、主共柵放大級3、正反饋支路4、電阻負載5這五個部分，實現了低功耗、寬帶、低噪聲的放大器。
[0009]1.平衡非平衡變壓器I的單端輸入端①連接至信號源，平衡輸出端②直接耦合到匪2的源端、匪3的源端和PM2的漏端，通過電容耦合到NM4的柵端，平衡輸出端③直接耦合到匪1的源端、NM4的源端和PMl的漏端，通過電容耦合到匪3的柵端；第4端④和第5端接地，用來提供直流偏置，省去了尾電流源，降低了電路消耗的電壓裕度和噪聲。
[0010]2.采用有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器2用兩個N型晶體管匪3和NM4作為輸入放大管，匪3和NM4的柵端分別通過大電阻r3和r4連接到偏置電壓VBN2 ；電容C3的兩端分別接匪3的柵端和平衡輸出端③，電容C4的兩端分別接在NM4的柵端和平衡輸出端②。其作用是使得跨導增強倍數大于I。通過分析發現有源跨導管的噪聲貢獻與其自身跨導成反比，所以通過電容交叉耦合技術提高有源跨導管的等效跨導，從而降低它的噪聲貢獻和電路功耗。
[0011]3.主共柵放大級3用兩個N型晶體管匪I和匪2作為輸入放大管，匪I和匪2的柵端分別通過大電阻rl和r2接到偏置電壓VBNl，電容Cl的兩端分別接匪1的柵端和匪3的漏端、電容C5和負載級5的R3，電容C2的兩端分別接匪2的柵端和NM4的漏端、電容C6和電阻負載5的R4。
[0012]4.正反饋支路4由兩個相同的P型晶體管PMl和PM2組成，PMl和PM2的源級接到電源，PMl的漏端與平衡輸出端③直接相連，柵端通過電容C5耦合到R3、Cl和匪3的漏端；PM2的漏端與平衡輸出端②直接相連，柵端通過電容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PMl和PM2的柵端分別通過大電阻r5和r6接到偏置電壓VBPl。正反饋技術是本發明的亮點，可以通過簡單的反饋支路增加主放大管的跨導調節裕度，這樣可以通過數學方法計算反饋強度的最優值，使得電路的噪聲性能達到最優。
[0013]5.電阻負載5由電阻組成。Rl，R2 一端與電源連接，另一端分別于匪I和匪2的漏端相連，R3和R4 —端與電源相連，另一端分別直接和匪3和NM4的漏端相連，同時R3分別通過隔直電容Cl、C5耦合到匪1、PMl的柵端，R4分別通過隔直電容C2、C6耦合到匪2、PM2的柵端。
[0014]本發明與現有技術相比的優點體現在如下方面:
[0015]1.本發明以降低功耗為主要目標，主要從以下幾個方面共同作用，分別是:主放大級應用有源跨導增強技術；用作有源跨導增強部分的晶體管采用電容交叉耦合技術；弓丨入正反饋技術，增加主放大管跨導的調節裕度；每級電路中是單管放大，可以降低供電電壓。
[0016]2.本發明的正反饋支路參與輸入匹配，為使匹配達到一個較寬的頻帶做出貢獻，增加了主放大管跨導在滿足匹配條件下的調節裕量，是主放大管的跨導值有了更加靈活的調節范圍，使主放大管的跨導可以取得一個最優值，擁有良好的噪聲性能。
[0017]3.本發明針對高增益和噪聲貢獻進行了改進。正反饋的引入，提高了共柵放大級的增益，有助于抑制主共柵放大器的噪聲貢獻，也為整個電路提供了較高的增益。
[0018]本發明較現有技術的缺點分析如下:
[0019]1.本發明與圖3結構比較，電路由單端變成差分電路會導致電路結構復雜，可以達到更好的性能，所需要付出的代價是芯片面積會有所增加，由于都是有源器件，增加的面積微乎其微，所以這個問題可以忽略不計。
[0020]2.本發明中存在正反饋，所以存在穩定性方面出現問題，但是通過分析正反饋強度可以使得噪聲和功耗取得一個均衡的結果，雖然設計難度增加，但可以得到的一個性能更優的結構。
[0021]3.本發明的3dB帶寬不是很高，相對限制了一部分的應用，這是這種電路結構所不能避免的一個缺陷，可以通過加入中和電容拓寬帶寬，同時如果使用更加先進的工藝，功耗的性能會有所提升。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是現有技術中采用差分電容交叉耦合的共柵低噪聲放大器；
[0024]圖2是現有技術中采用有源跨導增強技術的共柵低噪聲放大器；
[0025]圖3是現有技術中采用二次跨導增強技術的共柵低噪聲放大器；
[0026]圖4是本發明提供的采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器示意圖；
[0027]圖5是本發明和已有技術的低噪聲放大器噪聲系數(NF)對比仿真圖；
[0028]圖6是本發明和已有技術的低噪聲放大器輸入匹配(Sll)對比仿真圖；
[0029]圖7是本發明和已有技術的低噪聲放大器增益(S21)對比仿真圖。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031]本發明提供了一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，以降低功耗為目的，采用有源跨導增強技術。經過分析噪聲，得出用于有源跨導增強部分的晶體管的噪聲貢獻與其自身跨導呈反比關系，因此使用交叉耦合技術增加其有效跨導，在降低噪聲的同時降低功耗。正反饋的引入，在滿足輸入匹配的條件下，增加了主共柵放大級晶體管等效跨導的調節自由度，這樣可以通過數學方法計算反饋強度的最優值，使得電路的噪聲性能達到最優。
[0032]進一步地闡述本發明具體實施方法，如圖4所示:平衡非平衡變壓器I的單端輸入端①連接至信號源，平衡輸出端②直接耦合到匪2的源端、匪3的源端和PM2的漏端，通過電容耦合到NM4的柵端，平衡輸出端③直接耦合到匪1的源端、NM4的源端和PMl的漏端，通過電容耦合到匪3的柵端；第4端④和第5端⑤接地。有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器2用兩個相同的N型晶體管匪3和NM4組成，兩者的柵端分別通過大電阻r3和r4連接到偏置電壓VBN2 ；電容C3的兩端分別接匪3的柵端和平衡輸出端③，電容C4的兩端分別接在NM4的柵端和平衡輸出端②。主共柵放大級3，晶體管匪I和匪2作為輸入主放大管，兩者的柵端分別通過大電阻rl和r2接到偏置電壓VBN1，電容Cl的兩端分別接匪I的柵端和匪3的漏端、電容C5及負載級5的R3，電容C2的兩端分別接匪2的柵端和NM4的漏端、電容C6及電阻負載5的R4。正反饋支路4由晶體管PMl和PM2組成，兩者的源端都接至電源，PMl的漏端與平衡輸出端③直接相連，柵端通過電容C5耦合到R3、Cl和匪3的漏端，PM2的漏端與平衡輸出端②直接相連，柵端通過電容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PMl和PM2的柵端分別通過大電阻r5和r6接到偏置電壓VBPl。電阻負載5由電阻組成，Rl，R2 一端與電源連接，另一端分別于匪I和匪2的漏端相連，R3和R4 —端與電源相連，另一端分別直接和匪3和NM4的漏端相連，同時R3分別通過隔直電容C1、C5耦合到匪1、PM1的柵端，R4分別通過隔直電容C2、C6耦合到匪2、PM2的柵端。
[0033]圖5至圖7給出了本發明具體的仿真結果圖和現有技術仿真結果同的對比。如圖可以看出本發明在沒有使用電感的情況下，匹配頻段可以達到5.3G左右，低頻段沒有現有技術匹配的好，但是匹配頻段相對高。增益的3dB帶寬下能夠滿足輸入匹配，增益經過緩沖器的衰減后，在低頻段可達到21dB，雖然沒有現有技術平坦，但是引入正反饋之后增益確實有所提升。噪聲系數低至2.9dB，與現有技術相比，引入正反饋技術后大大降低了噪聲系數。電路供電電壓為IV，消耗電流2.3mA，因此功耗僅有2.3mff,已有技術中供電電壓為IV，消耗的功耗是2.6mW。可見，本發明提出的電路結構在保證其它性能指標的情況下，達到了設計需要的低功耗低噪聲的性能。
[0034]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明實施例揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，其電路結構包括平衡非平衡變壓器(I)、采用有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器(2)、主共柵放大級(3)、正反饋支路(4)、電阻負載(5)這五個部分，實現了低功耗、寬帶、低噪聲的放大器。
2.如權利要求1所述一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，平衡非平衡變壓器(I)的單端輸入端(①)連接至信號源，平衡輸出端(②)直接耦合到W2的源端、匪3的源端和PM2的漏端，通過電容耦合到NM4的柵端，平衡輸出端(③)直接耦合到匪1的源端、NM4的源端和PMl的漏端，通過電容耦合到匪3的柵端；平衡非平衡變壓器(I)的第4端(④)和第5端(⑤)接地，用來提供直流偏置，省去了尾電流源，降低了電路消耗的電壓裕度和噪聲。
3.如權利要求1所述一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，采用有源跨導增強和電容交叉耦合技術的放大器(2)用兩個N型晶體管匪3和NM4作為輸入放大管，匪3和NM4的柵端分別通過大電阻r3和r4連接到偏置電壓VBN2 ；電容C3的兩端分別接匪3的柵端和平衡輸出端(③)，電容C4的兩端分別接在NM4的柵端和平衡輸出端(②)，其作用是使得跨導增強倍數大于1，通過分析發現有源跨導管的噪聲貢獻和它的跨導成反比，所以通過電容交叉耦合技術提高有源跨導管的有效跨導，從而降低它的噪聲貢獻和電路功耗。
4.如權利要求1所述一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，主共柵放大級(3)用兩個N型晶體管匪I和匪2作為輸入放大管，匪1和匪2的柵端分別通過大電阻rl和r2接到偏置電壓VBNl，電容Cl的兩端分別接匪1的柵端和匪3的漏端、電容C5和電阻負載(5)的R3，電容C2的兩端分別接匪2的柵端和NM4的漏端、電容C6和負載級(5)的R4。
5.如權利要求1所述一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，正反饋支路⑷由兩個相同的P型晶體管PMl和PM2組成，PMl和PM2的源端接到電源，PMl的漏端與平衡輸出端(③)直接相連，柵端通過電容C5耦合到R3、Cl和匪3的漏端；PM2的漏端與平衡輸出端(②)直接相連，柵端通過電容C6耦合到R4、C2和NM4的漏端，PMl和PM2的柵端分別通過大電阻r5和r6接到偏置電壓VBPl，正反饋技術可以通過簡單的反饋支路增加共柵放大器等效跨導的調節自由度，并且通過數學方法可以計算出反饋強度的最優值，從而使電路的噪聲性能達到最優。
6.如權利要求1所述一種采用正反饋技術和有源跨導增強技術的低功耗低噪聲放大器，其特征在于，電阻負載(5)由電阻組成，Rl, R2—端與電源連接，另一端分別于匪I和匪2的漏端相連，R3和R4 —端與電源相連，另一端分別直接和匪3和NM4的漏端相連，同時R3分別通過隔直電容Cl、C5耦合到匪1、PMl的柵端，R4分別通過隔直電容C2、C6耦合到NM2、PM2的柵端。
【文檔編號】H03F1/26GK104270100SQ201410431380
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】陳岑, 孫景業, 刁盛錫, 林福江 申請人:中國科學技術大學