專利名稱：一種低功耗寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低功耗寬帶低噪聲放大器，采用CMOS工藝，在射頻電路中具有較大優(yōu)勢，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，在改善噪聲性能與增益同時(shí)，將功耗大幅度降低，具有較大的增益帶寬與輸入匹配帶寬，且具有較小的噪聲系數(shù)。
背景技術(shù)：
低噪聲放大器是噪聲系數(shù)很低的放大器，一般用作各類無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路，對于幾乎所有的射頻接收機(jī)系統(tǒng)， 必不可少的一個(gè)模塊就是低噪聲放大器。由于系統(tǒng)接收到的射頻信號幅度通常很弱，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，并且提供一定的電壓增益，以提高輸出的信噪比。共柵結(jié)構(gòu)放大器廣泛應(yīng)用于寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，主要原因是其具有寬帶輸入匹配特性，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器電路如圖1所示。信號由晶體管M1、M2源極輸入，通過調(diào)整Ml和M2的寬長比及柵極偏置電壓，可以調(diào)整流經(jīng)Ml和M2的電流大小，進(jìn)而改變Ml 和M2的跨導(dǎo)&，使其輸入阻抗與50歐姆天線匹配。通過調(diào)整負(fù)載電阻Rl和R2的阻值大小，可以獲得不同的電壓增益。該結(jié)構(gòu)具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬。但是，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器具有以下缺點(diǎn)
第一是功耗大，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的輸入阻抗近似為1/(^+Ab)，其中&為輸入晶體管跨導(dǎo)，Ab為輸入晶體管襯底到源極電位差帶來的體效應(yīng)對應(yīng)的等效跨導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)輸入阻抗與50歐姆天線的匹配，必須通過增加工作電流以提高輸入管的跨導(dǎo)，使上式近似等于50歐姆。第二是增益低，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益很大程度上取決于負(fù)載阻抗大小， 但是大電阻負(fù)載會帶來過多的壓降，降低電壓余度及線性度；而大感值負(fù)載電感既增加了芯片面積又會導(dǎo)致電路呈現(xiàn)窄帶增益特性。第三是隔離度差，由于傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的隔離度較差，這將導(dǎo)致輸出端信號返回到輸入端，難以滿足系統(tǒng)對隔離度指標(biāo)的要求。最后是噪聲大，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的噪聲系數(shù)較大，往往超過4dB。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的不足，提供一種低功耗寬帶低噪聲放大器，能在保證寬帶特性基礎(chǔ)上，降低放大器的功耗和噪聲，提高放大器的增益和隔離度。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種低功耗寬帶低噪聲放大器，其特征在于設(shè)有第一、第二兩個(gè)輸入單元、第一、第二兩個(gè)隔離單元以及負(fù)載單元，差分射頻輸入信號的正、 負(fù)兩端分別連接第一、第二兩個(gè)輸入單元的正輸入端及負(fù)輸入端，第一、第二兩個(gè)輸入單元的輸出端分別連接第一、第二兩個(gè)隔離單元且第一、第二兩個(gè)輸入單元的輸出端之間對應(yīng)互連，第一隔離單元的輸出連接負(fù)載單元，負(fù)載單元輸出差分射頻輸出信號；其中
第一輸入單元包括NMOS管Ml、NMOS管M2、第一、第二兩個(gè)電阻、第一、第二兩個(gè)電容，NMOS管Ml及NMOS管M2的柵極分別串聯(lián)電阻第一電阻及第二電阻后均連接第一偏置電壓，NMOS管Ml的柵極串聯(lián)第一電容后連接NMOS管M2的源極并與差分射頻輸入信號的負(fù)端連接，NMOS管M2的柵極串聯(lián)第二電容后連接NMOS管Ml的源極并與差分射頻輸入信號的正端連接，NMOS管Ml的襯底連接NMOS管M2的源極，NMOS管M2的襯底連接NMOS管Ml 的源極；
第二輸入單元包括PMOS管M3、PMOS管M4、第三、第四兩個(gè)電阻、第三、第四兩個(gè)電容， PMOS管M3及PMOS管M4的柵極分別串聯(lián)電阻第三電阻及第四電阻后均連接第二偏置電壓， PMOS管M3的柵極串聯(lián)第三電容后連接PMOS管M4的源極并與差分射頻輸入信號的負(fù)端連接，PMOS管M4的柵極串聯(lián)第四電容后連接PMOS管M3的源極并與差分射頻輸入信號的正端連接，PMOS管M3的襯底連接PMOS管M4的源極，PMOS管M4的襯底連接PMOS管M3的源極；
第一輸入單元中NMOS管Ml的漏極通過第五電容連接第二輸入單元中PMOS管M3的漏極，第一輸入單元中NMOS管M2的漏極通過第六電容連接第二輸入單元中PMOS管M4的漏極；
第一隔離單元包括第五匪OS管M5及第六匪OS管M6，第五匪OS管M5及第六匪OS管 M6的源極分別連接第一輸入單元中匪OS管Ml及匪OS管M2的漏極，第五匪OS管M5及第六NMOS管M6的柵極均連接電源電壓VDD ；
第二隔離單元包括第五、第六兩個(gè)電阻，第五、第六電阻的一端分別連接第二輸入單元中PMOS管M3及PMOS管M4的漏極，第五、第六電阻的另一端均接地；
負(fù)載單元包括第七、第八兩個(gè)電阻，第七、第八電阻的一端分別連接第一隔離單元中 NMOS管M5及NMOS管M6的漏極，第七、第八電阻的另一端均連接電源電壓VDD，第八、第七電阻的一端分別通過第七電容及第八電容分別輸出正、負(fù)差分射頻輸出信號。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果
(1)低功耗。在實(shí)現(xiàn)50歐姆輸入阻抗匹配要求下，采用本發(fā)明可以大幅度降低功耗， 通過晶體管交叉耦合和電流復(fù)用技術(shù)可以將功耗降低至0.8mW (1.8V電源電壓下工作電流0. 45mA),而采用傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器，需要約4mW功耗(1. 8V電源電壓下工作電流 2. 2mA)。(2)高增益。本發(fā)明的工作電流較低，所以可以使用較大阻值電阻(R5、R6)增加增益而不會產(chǎn)生過大的壓降。同時(shí)交叉耦合技術(shù)可以提高M(jìn)OS管等效的跨導(dǎo)&和仏b，也能使電壓增益增加。在相同功耗條件下(1.8V電源電壓下，工作電流0.45mA)，本發(fā)明相對于傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、僅采用電流復(fù)用技術(shù)其電壓增益大幅提高，見圖 4。(3)高隔離度。本發(fā)明的隔離單元采用共柵放大器以提高放大器的隔離度，相比直接輸出，電路隔離度可從原先30dB提高至65dB。(4)低噪聲。本發(fā)明同時(shí)采用交叉耦合和電流復(fù)用技術(shù)，從而降低了電路噪聲系數(shù)。在相同功耗條件下(1.8V電源電壓下，工作電流0.45mA)，本發(fā)明相對傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、僅采用電流復(fù)用技術(shù)其噪聲系數(shù)對比，見圖5。
(5)本發(fā)明提出的電流復(fù)用雙交叉耦合共柵低噪聲放大器，可以大幅降低功耗，提高電壓增益，降低噪聲系數(shù)，可以應(yīng)用于寬帶射頻前端中。


圖1是傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的電路原理圖； 圖2是本發(fā)明低噪聲放大器的電路方框圖3是本發(fā)明低噪聲放大器的電路原理圖4是相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、僅采用電流復(fù)用技術(shù)的電壓增益曲線比較；
圖5是相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、僅采用電流復(fù)用技術(shù)的噪聲系數(shù)曲線比較。
具體實(shí)施例方式參看圖2，本發(fā)明設(shè)有輸入單元1、輸入單元2、隔離單元3、隔離單元4以及負(fù)載單元5。差分射頻輸入信號的正、負(fù)兩端分別連接輸入單元1、輸入單元2的正輸入端in+及負(fù)輸入端in-，輸入單元1、輸入單元2輸出端分別連接隔離單元3、隔離單元4，且輸入單元 1和輸入單元2的輸出端之間對應(yīng)互連，隔離單元3的輸出連接負(fù)載單元，負(fù)載單元輸出正、 負(fù)差分射頻輸出信號OUt+及out-。參看圖3，輸入單元1、輸入單元2采用電流復(fù)用共柵結(jié)構(gòu)，并在輸入級的MOS管柵極和襯底進(jìn)行了雙交叉耦合，差分輸入端通過輸入單元1、輸入單元2實(shí)現(xiàn)50歐姆輸入阻抗。PMOS管產(chǎn)生的信號電流通過隔離單元4后與NMOS管產(chǎn)生的信號電流相疊加，再通過隔離單元3送至負(fù)載單元5，最終輸出放大的電壓差分信號。其中輸入單元1設(shè)有NMOS管 M1、M2以及電容Cl、C2電阻R1、R2 ；輸入單元2設(shè)有PMOS管M3、M4以及電容C3、C4電阻 R3、R4 ；隔離單元3設(shè)有NMOS管M5、M6 ；隔離單元4設(shè)有電阻R5、R6 ；負(fù)載單元5設(shè)有R7、 R8 ；電路的連接關(guān)系如下
差分輸入射頻in+連接MOS管M1、M4的源極，in-連接MOS管M2、M3的源極。其中Ml、 M2為匪OS管，M3、M4為PMOS管。匪OS管M1、M2的柵極串聯(lián)電阻R1、R2后連接到偏置電壓 Vbias NM0S, PMOS管M3、M4的柵極串聯(lián)電阻R3、R4后連接到偏置電壓Vbias PMQS，MOS管M1、M3的柵極串聯(lián)電容C1、C3后分別連接M2、M4源極，MOS管M2、M4的柵極串聯(lián)電容C2、C4后分別連接M1、M3源極，該連接方式為一組交叉耦合。同時(shí)，MOS管M1、M3的襯底分別連接M2、M4 源極，MOS管M2、M4的襯底分別連接Ml、M3源極，該連接方式為第二組交叉耦合。NMOS管M1、M2的漏極分別連接隔離單元3的NMOS管M5、M6的源極。PMOS管M3、 M4的漏極分別連接隔離單元4的電阻R5、R6，同時(shí)串聯(lián)電容C5、C6后也連接至隔離單元3 的NMOS管M5、M6的源極。隔離單元3的NMOS管M5、M6的柵極直接接電源電壓VDD，漏極連接負(fù)載單元5的電阻R7、R8后經(jīng)電容C7、C8輸出差分射頻信號out+及out-。差分射頻輸入信號通過輸入單元1和輸入單元2輸入，對于共柵結(jié)構(gòu)的放大電路， 其輸入阻抗約為1/(^+gj，此處，&為共柵極晶體管的跨導(dǎo)，Smb為共柵極晶體管襯底B到源極S的電位差帶來的等效跨導(dǎo)。首先，本專利中采用電流復(fù)用技術(shù)，對輸入單元1和輸入單元2的輸入阻抗分別匹配到100歐姆，兩者并聯(lián)即為系統(tǒng)輸入阻抗50歐姆。相比傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器，所需要的功耗降低了一半。而且，這種連接方法降低了 MOS管的二級效應(yīng)， 使得電路的總體噪聲系數(shù)有所降低。其次，增加&和Ab可以降低電路的輸入阻抗。&和 ^fflb與電流Ii相關(guān)，通過增加&和Ab來降低輸入阻抗意味著必須增加工作電流，也就是增加了功耗。本專利在輸入端進(jìn)行了雙交叉耦合，MOS管Ml、M3的柵極串聯(lián)電容Cl、C3后分別連接M2、M4的源極，MOS管M2、M4的柵極串聯(lián)電容C2、C4后分別連接M1、M3的源極，該連接方式為第一組交叉耦合。同時(shí)，MOS管M1、M3的襯底分別連接M2、M4的源極，MOS管M2、 M4的襯底分別連接Ml、M3的源極，該連接方法為第二組交叉耦合。此時(shí)，輸入單元1、輸入單元2中MOS管對應(yīng)的等效&和Ab增加為2‘和2gmb。這種連接方式使得功耗又可以降低一半。綜上所述，相比傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器完成50歐姆輸入匹配，本專利需要的功耗為原先的四分之一。即在相同電源電壓下，工作電流降低為傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)低噪聲放大器的四分之一。同時(shí)雙交叉耦合連接方式可以改善噪聲系數(shù)。NMOS管M1、M2的漏極分別連接隔離單元3的NMOS管M5、M6的源極。PMOS管M3、 M4的漏極分別連接隔離單元4的電阻R5、R6，同時(shí)串聯(lián)電容C5、C6后也連接至隔離單元3 的M5、M6的源極。隔離單元3的NMOS管M5、M6的柵極直接連接電源電壓VDD，漏極連接負(fù)載單元5的電阻R7、R8后經(jīng)過電容C7、C8輸出差分射頻信號0Ut+、0Ut-。這種連接方法保證了輸入單元2產(chǎn)生的放大信號電流和輸入單元1產(chǎn)生的放大信號電流進(jìn)行了疊加，而且保證了輸出端對輸入端較好的隔離性能。疊加的信號電流通過負(fù)載單元5產(chǎn)生的放大的電壓信號即為射頻差分輸出信號。參看圖4可見，相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、 僅采用電流復(fù)用技術(shù)的電壓增益曲線比較，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計(jì)的低噪聲放大器增益最高。參看圖5可見，相同功耗下本發(fā)明與傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器、僅采用交叉耦合技術(shù)、僅采用電流復(fù)用技術(shù)的噪聲系數(shù)曲線比較，其結(jié)果顯示本發(fā)明設(shè)計(jì)的低噪聲放大器噪聲系數(shù)最低。本發(fā)明設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在1.8V電源電壓下工作電流約為0.45mA，功耗為 0. 8mW。該低噪聲放大器3dB帶寬約為2. 5GHz，電壓增益約為MdB，帶內(nèi)噪聲系數(shù)約為2. 5dB 到3. 5dB。通過對比，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器及單獨(dú)使用電流復(fù)用技術(shù)或單獨(dú)使用交叉耦合技術(shù)設(shè)計(jì)的低噪聲放大器。
權(quán)利要求
1. 一種低功耗寬帶低噪聲放大器，其特征在于設(shè)有第一、第二兩個(gè)輸入單元、第一、 第二兩個(gè)隔離單元以及負(fù)載單元，差分射頻輸入信號的正、負(fù)兩端分別連接第一、第二兩個(gè)輸入單元的正輸入端及負(fù)輸入端，第一、第二兩個(gè)輸入單元的輸出端分別連接第一、第二兩個(gè)隔離單元且第一、第二兩個(gè)輸入單元的輸出端之間對應(yīng)互連，第一隔離單元的輸出連接負(fù)載單元，負(fù)載單元輸出差分射頻輸出信號；其中第一輸入單元包括NMOS管Ml、NMOS管M2、第一、第二兩個(gè)電阻、第一、第二兩個(gè)電容，NMOS管Ml及NMOS管M2的柵極分別串聯(lián)電阻第一電阻及第二電阻后均連接第一偏置電壓，NMOS管Ml的柵極串聯(lián)第一電容后連接NMOS管M2的源極并與差分射頻輸入信號的負(fù)端連接，NMOS管M2的柵極串聯(lián)第二電容后連接NMOS管Ml的源極并與差分射頻輸入信號的正端連接，NMOS管Ml的襯底連接NMOS管M2的源極，NMOS管M2的襯底連接NMOS管Ml 的源極；第二輸入單元包括PMOS管M3、PMOS管M4、第三、第四兩個(gè)電阻、第三、第四兩個(gè)電容， PMOS管M3及PMOS管M4的柵極分別串聯(lián)電阻第三電阻及第四電阻后均連接第二偏置電壓， PMOS管M3的柵極串聯(lián)第三電容后連接PMOS管M4的源極并與差分射頻輸入信號的負(fù)端連接，PMOS管M4的柵極串聯(lián)第四電容后連接PMOS管M3的源極并與差分射頻輸入信號的正端連接，PMOS管M3的襯底連接PMOS管M4的源極，PMOS管M4的襯底連接PMOS管M3的源極；第一輸入單元中NMOS管Ml的漏極通過第五電容連接第二輸入單元中PMOS管M3的漏極，第一輸入單元中NMOS管M2的漏極通過第六電容連接第二輸入單元中PMOS管M4的漏極；第一隔離單元包括第五匪OS管M5及第六匪OS管M6，第五匪OS管M5及第六匪OS管 M6的源極分別連接第一輸入單元中匪OS管Ml及匪OS管M2的漏極，第五匪OS管M5及第六NMOS管M6的柵極均連接電源電壓VDD ；第二隔離單元包括第五、第六兩個(gè)電阻，第五、第六電阻的一端分別連接第二輸入單元中PMOS管M3及PMOS管M4的漏極，第五、第六電阻的另一端均接地；負(fù)載單元包括第七、第八兩個(gè)電阻，第七、第八電阻的一端分別連接第一隔離單元中 NMOS管M5及NMOS管M6的漏極，第七、第八電阻的另一端均連接電源電壓VDD，第八、第七電阻的一端分別通過第七電容及第八電容分別輸出正、負(fù)差分射頻輸出信號。
全文摘要
一種低功耗寬帶低噪聲放大器，設(shè)有輸入單元1、輸入單元2、隔離單元3、隔離單元4以及負(fù)載單元5。輸入單元1、輸入單元2采用電流復(fù)用共柵結(jié)構(gòu)，并在輸入級的MOS管柵極到源極和襯底到源極進(jìn)行了雙交叉耦合，差分輸入端通過輸入單元1、輸入單元2實(shí)現(xiàn)50歐姆輸入阻抗。PMOS管產(chǎn)生的信號電流通過隔離單元4后與NMOS管產(chǎn)生的信號電流相疊加，再通過隔離單元3送至負(fù)載單元5，最終輸出放大的電壓差分信號。
文檔編號H03F1/26GK102332868SQ201110315639
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者張萌, 李智群, 王志功 申請人:東南大學(xué)