專利名稱：一種采用多路噪聲抵消的低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低噪聲放大器，尤其涉及一種低功耗、高線性度的低噪聲放大器電 路，屬于射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線通訊技術(shù)和集成電路工藝的發(fā)展，低噪聲放大器的研究得到了廣泛的關(guān) 注。低噪聲放大器是射頻集成電路接收機前端的重要組成部分，主要用于放大天線接收 到的微弱信號供后級模塊處理。低噪聲放大器不僅需要具有很低的噪聲系數(shù)，還需要具 有較高的線性度，并且消耗盡量少的電流。傳統(tǒng)的低噪聲放大器通常采用帶源極電感反 饋的共源放大結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠得到較低的噪聲系數(shù)，但需要采用片上電感，增加了 芯片面積和成本，同時電路的線性度也較差，應(yīng)用領(lǐng)域受到了局限。采用噪聲抵消技術(shù) 的低噪聲放大器能夠在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)很低的噪聲系數(shù)，但是電路的功耗過大，線性 度也較差。而采用共柵結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器具有較高的線性度和較低的功耗，但噪聲系 數(shù)較大，難以滿足實際應(yīng)用的要求。
圖1為差分電容交叉耦合共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器。差分信號從晶體管Mil和M12 的源極輸入，漏極輸出。源極直流偏置部分101由兩個相同的差分阻抗Zll和Z12組成， 其中Zll和Z12可以是電阻、電感或者有源電流鏡；負載部分103由兩個相同的阻抗Z13 和Z14組成，其中Z13和Z14可以是電阻、電感、或者由電阻-電感-電容組成的任意形 式的無源網(wǎng)絡(luò)。圖中的102部分為交叉耦合的電容-電阻高通濾波網(wǎng)絡(luò)，目的是將加載在 晶體管Mil和M12源極的輸入信號交流耦合到相對的晶體管的柵極，使得加載在晶體管 Mil和M12的柵極和源極之間的電壓倍增，從而達到增加電路的增益，降低噪聲系數(shù)的 目的。假設(shè)電路的輸入阻抗和源阻抗相匹配，并只考慮輸入晶體管的噪聲，該電路的理 論最低噪聲系數(shù)(NF)為
F = l + y/2 (1)
其中參數(shù)y為MOS管的溝道噪聲系數(shù)。 然而這種電路結(jié)構(gòu)的缺點主要在于
1、源極直流偏置部分101和負載部分103的噪聲貢獻通常很大，不能忽略，這就導(dǎo)致電路的實際噪聲系數(shù)通常遠大于理論最小值；
2、該電路用于窄帶射頻接收機系統(tǒng)中時，源極直流偏置部分101和負載部分103 通常需要采用片上螺旋電感來得到較好的性能，這會使得設(shè)計難度和芯片面積提高，成 本較高；而當該電路應(yīng)用于寬帶射頻接收機系統(tǒng)中時，101部分和103部分只能采用電 阻或者晶體管有源器件，對整個電路的噪聲貢獻較大，性能往往難以滿足實際的應(yīng)用要 求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種改進后的低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通 過引入額外的電路通路，能夠使得輸入晶體管的噪聲通過多條不同的電路通路后在輸出 端得到抵消，從而最大可能的降低了電路的噪聲系數(shù)和功耗，同時電路的線性度、阻抗 匹配特性等也得到了一定程度的提高，該電路結(jié)構(gòu)同時適用于窄帶和寬帶射頻系統(tǒng)。
一種采用多路噪聲抵消的低噪聲放大器，包含輸入晶體管部分202，負載部分203; 輸入晶體管部分202由兩個相同的晶體管M21和M22組成，用于放大信號；負載部分 203由兩個相同的晶體管M23和M24組成，為輸入晶體管202部分提供負載，其源極分 別連接至輸入晶體管M21和M22的漏極，差分輸出端Vo，其漏極連接至電源，柵極直 流電位連接至電源；還包含，平衡非平衡變壓器201，交叉耦合部分204，信號正饋部分
205;
平衡非平衡變壓器201，其第1端單端連接至信號源，兩個平衡端第2端和第3端 分別連接至輸入晶體管M21和M22的源極，第4端和第5端接地；
交叉耦合部分204由兩個電阻-電容高通濾波電路C21-R21和C22-R22組成，其中 電容C21的兩端分別連接至輸入晶體管M21的源極和M22的柵極，電容C22的兩端分 別連接至輸入晶體管M22的源極和M21的柵極，與輸入晶體管相連形成交叉耦合組態(tài)， 使得輸入晶體管M21和M22的柵極和源極之間的交流輸入信號電壓差增加或倍增；
信號正饋部分205，由兩個電阻電容高通濾波電路C23-R23和C24-R24組成，提供 額外的信號通路和噪聲抵消通路，在不消耗額外功耗的前提下提高電路的增益，降低噪 聲系數(shù)。
所述輸入晶體管部分202，其柵極直流電位由偏置電壓Vb確定，源極分別連接至平 衡非平衡變壓器的兩個平衡端，漏極連接至負載和輸出端Vo。
平衡非平衡變壓器的兩個平衡端與輸入晶體管直流連接，從而在不消耗直流壓降情況下為輸入晶體管提供了直流通路，不再需要額外的偏置器件(電阻、電感或者MOS 管電流鏡)為輸入晶體管提供直流偏置，同時不再需要將輸入信號交流耦合至芯片所需 的片外電容。
差分輸入晶體管的源極和柵極采用交叉耦合連接的方法，即每個輸入晶體管的源極 分別與平衡-非平衡變壓器的兩個平衡端相連的情況下，通過兩個電阻-電容高通濾波電路 將差分輸入信號分別耦合到相對的晶體管的柵極，從而使得直流功耗相同的前提下，每 個輸入晶體管的柵源之間的交流輸入電壓倍增，這樣在電路功耗不變的前提下得到了雙 倍的跨導(dǎo)，使得電路噪聲系數(shù)降低、線性度增加。
電路負載采用兩個二極管連接形式的N型晶體管，能夠提高電路線性度，穩(wěn)定輸出 直流電壓。此外，兩個負載晶體管的柵極通過電阻-電容高通濾波電路分別與平衡-非平衡 變壓器的兩個平衡端相連，在消耗同樣電流的前提下提供了一條額外的提高電路增益、 降低噪聲系數(shù)的通路。
采用兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)將差分輸入信號交流耦合至與之相對的輸入晶體 管的柵極，以形成電容交叉耦合組態(tài)。
采用兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)將差分輸入信號交流耦合至負載晶體管的柵極，為 電路從輸入到輸出之間提供一條額外的正饋通路。能夠在電路功耗不變的前提下提高電 壓增益，同時能夠抵消輸入管的噪聲貢獻，降低電路噪聲系數(shù)。
所述晶體管既是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，或雙極結(jié)晶體管(BJT)。
所述低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)適用于窄帶和寬帶射頻系統(tǒng)。
采用兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)將差分輸入信號交流耦合至負載晶體管的柵極，為 電路從輸入到輸出之間提供一條額外的正饋通路。能夠在電路功耗不變的前提下提高電 壓增益，同時能夠抵消輸入管的噪聲貢獻，降低電路噪聲系數(shù)。


圖1為差分電容交叉耦合共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器； 圖2為本發(fā)明介紹的包含片外Balun的低噪聲放大器電路； 圖3為平衡-非平衡變壓器對電路噪聲降低作用的原理圖； 圖4為電容交叉耦合結(jié)構(gòu)對電路噪聲降低作用的原理圖； 圖5為電容正饋通路對電路噪聲降低作用的原理具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步具體描述本發(fā)明。 圖2所示為本發(fā)明的具體電路圖。圖中包括
平衡非平衡變壓器201,可以采用片外分立元件或者片上集成的方式。其第1端(單 端)連接至信號源，第2端和第3端(兩個平衡端)分別連接至輸入晶體管M21和M22 的源極，第4端和第5端接地。
平衡非平衡變壓器201的兩個平衡端與輸入晶體管直流連接，從而在不消耗直流壓 降的情況下為輸入晶體管提供了直流通路，不再需要額外的偏置器件(電阻、電感或者 MOS管電流鏡)為輸入晶體管提供直流偏置，同吋不再需要將輸入信號交流耦合至芯片 所需的片外電容。
輸入晶體管部分202，由兩個相同的晶體管M21和M22組成，用于放大信號。其柵 極直流電位由偏置電壓Vb確定，源極分別連接至平衡非平衡變壓器的兩個平衡端，漏極 連接至負載和輸出端Vo。
差分輸入晶體管202的源極和柵極采用交叉耦合連接的方法，即每個輸入晶體管的 源極分別與平衡-非平衡變壓器的兩個平衡端相連的情況下，通過兩個電阻-電容高通濾波 電路將差分輸入信號分別耦合到相對的晶體管的柵極，從而使得直流功耗相同的前提下， 每個輸入晶體管的柵源之間的交流輸入電壓倍增，這樣在電路功耗不變的前提下得到了 雙倍的跨導(dǎo)，使得電路噪聲系數(shù)降低、線性度增加。
負載部分203，由兩個相同的晶體管M23和M24組成，為輸入晶體管202部分提供 負載。其源極分別連接至輸入晶體管M21和M22的漏極(差分輸出端Vo)，其漏極連 接至電源，柵極直流電位連接至電源。
電路負載采用兩個二極管連接形式的N型晶體管，能夠提高電路線性度，穩(wěn)定輸出 直流電壓。此外，兩個負載晶體管的柵極通過電阻-電容高通濾波電路分別與平衡-非平衡 變壓器的兩個平衡端相連，在消耗同樣電流的前提下提供了一條額外的提高電路增益、 降低噪聲系數(shù)的通路。
交叉耦合部分204，由兩個電阻-電容高通濾波電路C21-R21和C22-R22組成。其中 電容C21的兩端分別連接至輸入晶體管M21的源極和M22的柵極，電容C22的兩端分 別連接至輸入晶體管M22的源極和M21的柵極。其目的在于使得輸入晶體管M21和M22 的柵極和源極之間的交流輸入信號電壓差增加或倍增。
采用兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)將差分輸入信號交流耦合至與之相對的輸入晶體管的柵極，以形成電容交叉耦合組態(tài)。
信號正饋部分205，由兩個電阻電容高通濾波電路C23-R23和C24-R24組成，其目 的是提供額外的信號通路和噪聲抵消通路，在不消耗額外功耗的前提下提高電路的增益, 降低噪聲系數(shù)。
輸入晶體管M21和M22的溝道熱噪聲(Channel Thermal Noise)是傳統(tǒng)的共源或共柵
型低噪聲放大器的主要噪聲源。溝道熱噪聲可以等效為一個從晶體管漏極到源極的噪聲 電流，該電流在晶體管的漏極和源極分別產(chǎn)生兩個噪聲電壓。漏極的噪聲電壓作用到電 路的輸出端Vo，使得電路噪聲系數(shù)很大。為了降低電路的噪聲系數(shù)，可以將晶體管源極 的噪聲電壓通過額外的電路通路傳遞到輸出端，得到與晶體管漏極相位相反的噪聲電壓。 由于二者存在相關(guān)性，因此能夠相互抵消，從而降低輸出端的噪聲幅度，使得電路的噪 聲系數(shù)得到降低。對于差分輸出的電路，只需要降低輸出端的差模噪聲幅度，即可達到 降低電路噪聲系數(shù)的目的。
為了盡可能減小輸入管M21和M22的噪聲貢獻，本發(fā)明采用了三條降低噪聲的通路 和方法。下面將分別進行說明
1、 平衡-非平衡變壓器201:
平衡-非平衡變壓器對電路噪聲的降低作用原理如圖3所示。由圖可以看到，由于平 衡-非平衡變壓器各端子的相互耦合作用，晶體管M21源端的噪聲電壓會耦合到晶體管 M22的源端。對理想的平衡-非平衡變壓器而言，晶體管M22源端的噪聲電壓和晶體管 M21源端的噪聲電壓的幅度相同而相位相反。而晶體管M22源端的噪聲電壓通過晶體管 M22的共柵放大結(jié)構(gòu)進一步放大到輸出端，如圖3中的紅色虛線所示。這樣在兩個差分 輸出端的差模噪聲得到降低，從而降低了電路的噪聲系數(shù)。
2、 電容交叉耦合
電容交叉耦合結(jié)構(gòu)對電路噪聲的降低作用原理如圖4所示。由圖可以看到，晶體管 M21源端的噪聲電壓通過電容-電阻網(wǎng)絡(luò)C21-R21耦合到晶體管M22的柵極，再通過晶 體管M22的共源放大結(jié)構(gòu)放大到輸出端，如圖4中的紅色虛線所示。由于電容耦合保持 相位不變，而共源放大使得相位相反，因此在輸出端同樣可以得到同相的共模噪聲，降 低了輸出差模噪聲，從而降低了電路的噪聲系數(shù)。
3、 電容正饋通路
電容正饋通路對電路噪聲的降低作用原理如圖5所示。由圖可以看到，晶體管M21源端的噪聲電壓通過電容-電阻網(wǎng)絡(luò)C23-R23耦合到晶體管M23的柵極，再通過晶體管 M23的源極跟隨結(jié)構(gòu)放大到輸出端，如圖5中的紅色虛線所示。由于電容耦合和源極跟 隨都保持相位不變，因此在輸出端同樣可以得到同相的共模噪聲，降低了輸出差模噪聲， 從而降低了電路的噪聲系數(shù)。
本發(fā)明中的晶體管既可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，也適用于雙 極結(jié)晶體管(BJT)電路
采用上述三種降低電路噪聲系數(shù)的方法后，電路的噪聲系數(shù)為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中l(wèi)y為輸入晶體管的噪聲貢獻，lr為負載晶體管的噪聲貢獻。與公式(l)相比，輸 20 25
入晶體管的噪聲貢獻降低了 10倍。
本發(fā)明通過引入額外的電路通路，多條噪聲抵消通路，能夠使得輸入晶體管的噪聲 通過多條不同的電路通路后在輸出端得到抵消，從而最大可能的降低了電路的噪聲系數(shù) 和功耗，同時電路的線性度、阻抗匹配特性等也得到了一定程度的提高。
最后應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的 技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1、一種采用多路噪聲抵消的低噪聲放大器，包含輸入晶體管部分202，負載部分203；輸入晶體管部分202由兩個相同的晶體管M21和M22組成，用于放大信號；負載部分203由兩個相同的晶體管M23和M24組成，為輸入晶體管202部分提供負載，其源極分別連接至輸入晶體管M21和M22的漏極，差分輸出端Vo，其漏極連接至電源，柵極直流電位連接至電源；其特征在于，還包含，平衡非平衡變壓器201，交叉耦合部分204，信號正饋部分205；平衡非平衡變壓器201，其第1端單端連接至信號源，兩個平衡端第2端和第3端分別連接至輸入晶體管M21和M22的源極，第4端和第5端接地；交叉耦合部分204由兩個電阻-電容高通濾波電路C21-R21和C22-R22組成，其中電容C21的兩端分別連接至輸入晶體管M21的源極和M22的柵極，電容C22的兩端分別連接至輸入晶體管M22的源極和M21的柵極，與輸入晶體管相連形成交叉耦合組態(tài)，使得輸入晶體管M21和M22的柵極和源極之間的交流輸入信號電壓差增加或倍增；信號正饋部分205，由兩個電阻電容高通濾波電路C23-R23和C24-R24組成，提供額外的信號通路和噪聲抵消通路，在不消耗額外功耗的前提下提高電路的增益，降低噪聲系數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低噪聲放大器，其特征在于所述輸入晶體管部分202，其柵極直流電位由偏置電壓Vb確定，源極分別連接至平衡非平衡變壓器的兩個平衡端，漏極連接至負載和輸出端Vo。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器電路，其特征在于所述差分輸入晶體管的源極和柵極采用交叉耦合連接的方法，即每個輸入晶體管的源極分別與平衡-非平衡變壓器的兩個平衡端相連的情況下，通過兩個電阻-電容高通濾波電路將差分輸入信號分別耦合到相對的晶體管的柵極，從而使得直流功耗相同的前提下，每個輸入晶體管的柵源之間的交流輸入電壓倍增，這樣在電路功耗不變的前提下得到了雙倍的跨導(dǎo)，使得電路噪聲系數(shù)降低、線性度增加。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低噪聲放大器，其特征在于所述信號正饋部分205采用兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)將差分輸入信號交流耦合至負載晶體管203的柵極，為電路從輸入到輸出之間提供一條額外的正饋通路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述晶體管既是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，或雙極結(jié)晶體管(BJT)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用多路噪聲抵消的低噪聲放大器電路，該低噪聲放大器包含一個直流連接的平衡非平衡變壓器(Balun)，一對交叉耦合連接的輸入晶體管，其源極分別直接連接至平衡非平衡變壓器的兩個平衡端，其柵極分別交流耦合連接至與其源極連接相異的平衡非平衡變壓器的兩個平衡端，一對晶體管負載，其柵極分別交流耦合連接至平衡-非平衡變壓器的兩個平衡端，兩對電阻-電容(R-C)高通濾波網(wǎng)絡(luò)，與輸入晶體管相連形成交叉耦合組態(tài)，兩對電阻-電容高通濾波網(wǎng)絡(luò)，將輸入信號交流耦合至晶體管負載管的柵極。本發(fā)明的主要目的是通過多路噪聲抵消技術(shù)，實現(xiàn)低噪聲系數(shù)和高線性度，同時只消耗很低的功耗。
文檔編號H03F3/45GK101483409SQ20081003255
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者唐長文, 廖友春, 路 袁, 金黎明 申請人:上海銳協(xié)微電子科技有限公司