專利名稱：帶有噪聲消去的寬帶lna的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)內(nèi)容涉及電子設(shè)備，并且尤其涉及用于射頻集成電路的寬帶低噪聲放大器領(lǐng)域。背景
移動(dòng)、無(wú)線、和/或手持便攜式設(shè)備日益成為多功能通信設(shè)備。這些手持便攜式設(shè)備為處理多種無(wú)線通信服務(wù)集成了越來(lái)越寬范圍的功能。例如，單個(gè)手持便攜式設(shè)備可包括 FM 接收機(jī)連同 GPS、CDMA、Wi-Fi、WiMAX、CDMA2000 和 3G 接收機(jī)。FM接收機(jī)需要寬帶低噪聲放大器(LNA)，因?yàn)樗鼈児ぷ髟?6MHZ至108MHZ。對(duì)于FM接收機(jī)靈敏度的規(guī)范要求包括具有足夠增益和低于3dB的噪聲系數(shù)(NF)的寬帶LNA?？衫迷礃O負(fù)反饋電感器來(lái)為L(zhǎng)NA容易地達(dá)到此NF。而且，通常需要源阻抗匹配來(lái)限制天線上的反射或者避免LNA之前的任何RF濾波器的特性變更。采用電感器的LNA達(dá)到了此類要求，但只在諧振周圍的窄頻帶中。電感器趨于占用顯著的管芯面積。隨著較新CMOS技術(shù)中該面積成本的增加，耗費(fèi)面積的電感器增加了總體設(shè)備成本。FM接收機(jī)被認(rèn)為是多功能通信設(shè)備中的輔助產(chǎn)品，并且它們必須占用非常小的管芯面積以便不影響總體設(shè)備成本。由此，對(duì)FM接收機(jī)使用電感器是受抑制的。不得不考慮用于阻抗匹配的替換解決方案以實(shí)現(xiàn)LNA的輸入處的功率匹配。不得不考慮用于阻抗匹配的替換解決方案以實(shí)現(xiàn)LNA的輸入處的功率匹配。一種此類解決方案可包括將輸入電阻性終止添加到LNA的共源增益級(jí)。一替換解決方案是使用共柵極作為L(zhǎng)NA的輸入級(jí)。又一解決方案是使用并聯(lián)反饋共源極作為L(zhǎng)NA的輸入級(jí)。這些方法將提供良好的功率匹配但可能使NF大幅降格。大多數(shù)基于電阻性終止的LNA提供良好的功率匹配但使NF大幅降格。為了使阻抗匹配與噪聲系數(shù)無(wú)關(guān)，包括噪聲消去的各種電路技術(shù)已經(jīng)被提出。這些電路技術(shù)中的大多數(shù)是基于以下操作原理RF信號(hào)出現(xiàn)在第一節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該RF信號(hào)的副本——與該RF信號(hào)成比例一一出現(xiàn)在第二節(jié)點(diǎn)。然而，因LNA的輸入級(jí)引起的熱噪聲成分以相反極性出現(xiàn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，噪聲消去可通過(guò)對(duì)RF信號(hào)及其副本求和來(lái)實(shí)現(xiàn)。各種此類拓?fù)湟呀?jīng)在文獻(xiàn)中示出。但是，總還需要改進(jìn)它們并且達(dá)到甚至更小的管芯尺寸和甚至更低的功耗，尤其是對(duì)于諸如FM接收機(jī)之類的輔助組件。圖I示出用于FM接收機(jī)的帶有噪聲消去的LNA的實(shí)現(xiàn)。該LNA包括輸入級(jí)電路12、第一放大器14和第二放大器16。輸入級(jí)電路12包括以共柵極配置的耦合到負(fù)載電阻器&的MOS晶體管Mp第一放大器14包括以共源極配置的一對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管M2p和M2n,并且經(jīng)過(guò)電容器C3a。和C4a。交流(ac)耦合到第二放大器。這些電容器中的每個(gè)電容器與電阻器Rllie和R21ie中的每個(gè)電阻器一起分別形成用于出現(xiàn)在第一放大器14的輸出處的信號(hào)的高通濾波器。典型地，R1De等于R2De。第二放大器的輸入處、更具體而言晶體管M3n和M3p的源節(jié)點(diǎn)處的阻抗是1/gm與Rids或R2ds并聯(lián)。晶體管M3n和M3p的跨導(dǎo)定義為gm。給定合理的晶體管尺寸和偏置電流，從第二級(jí)的輸入看進(jìn)去的阻抗可以適當(dāng)?shù)氐陀贗K歐姆。在FM頻帶內(nèi)(76MHz 108MHz)，第一放大器的輸出處的信號(hào)必須以最小損失通過(guò)高通濾波器，這規(guī)定該高通濾波器的高通角必須比FM頻帶的較低操作頻率(76MHZ)低得多。由此，ac耦合電容器C3a。和C4a。必須相當(dāng)大才能滿足此要求。使用大電容器是不期望的，不僅因?yàn)樗鼈冋加蔑@著的管芯面積，還因?yàn)樗鼈儾辉试S共享或重用LNA的不同放大級(jí)之間的電流；由此，導(dǎo)致具有高電流消耗LNA的噪聲消去解決方案。期望設(shè)計(jì)一種既不需要大電感器也不需要大電容器、并且適合于低電流消耗的噪聲消去式LNA。
附圖
簡(jiǎn)要描述圖I示出用于FM接收機(jī)的帶有噪聲消去的LNA的實(shí)現(xiàn)。圖2是帶有噪聲消去的LNA的示例性實(shí)施例的示意圖。圖3是解說(shuō)圖2的LNA不例性實(shí)施例的噪聲消去原理的簡(jiǎn)化不意圖。圖4是帶有噪聲消去的LNA的另一實(shí)施例的示意圖。詳細(xì)描述措辭“示例性”在本文中用于表示“用作示例、實(shí)例或解說(shuō)”。本文中描述為“示例性”的任何實(shí)施例不必被解釋為優(yōu)于或勝過(guò)其他實(shí)施例。以下結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述旨在作為本發(fā)明的示例性實(shí)施例的描述，而無(wú)意代表能在其中實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。本詳細(xì)描述包括具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的透徹理解。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的是，沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)踐本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在一些實(shí)例中，公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備以框圖形式示出以免湮沒(méi)本文中給出的示例性實(shí)施例的新穎性。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，信息和信號(hào)可使用各種不同技術(shù)和技藝中的任何一種來(lái)表示。例如，貫穿上面描述始終可能被述及的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號(hào)、位、碼元、和碼片可由電壓、電流、電磁波、磁場(chǎng)或磁粒子、光場(chǎng)或光粒子、或其任何組合來(lái)表示。本公開(kāi)內(nèi)容針對(duì)帶有噪聲消去的改進(jìn)型LNA的各種實(shí)施例。所公開(kāi)的解決方案消除了對(duì)大ac耦合電容器的需要，由此減小了由LNA占用的管芯尺寸。而且，消除LNA的放大級(jí)之間的ac耦合電容器允許電流重用，由此導(dǎo)至低電流消耗。根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，LNA結(jié)合有輸入級(jí)電路、第一放大器和第二放大器。輸入級(jí)電路接收RF信號(hào)，并且被偏置成提供與源阻抗的匹配。第一放大器放大出現(xiàn)在LNA的輸入處的第一電壓。該第一電壓具有因輸入級(jí)器件的噪聲引起的第一噪聲電壓分量。第一放大器將該第一噪聲電壓分量轉(zhuǎn)換成第一噪聲電流，并且將該第一噪聲電流饋送至第二放大器。第二放大器放大第二電壓。該第二電壓與第一電壓成比例，并且具有第二噪聲電壓分量。該第二噪聲電壓分量與第一噪聲電壓成比例并且與其反相。第二放大器將第二噪聲電壓分量轉(zhuǎn)換成第二噪聲電流，并且將該第二噪聲電流與第一噪聲電流相加，使得該第一噪聲電流和第二噪聲電流在LNA的輸出處彼此消去。第一放大器被直接耦合(直流(dc)耦合)到第二放大器。因此，所公開(kāi)的解決方案在與諸如圖I中示出的解決方案之類的先前解決方案比較時(shí)在LNA中使用了更小的ac電容器。圖2是帶有噪聲消去的LNA的示例性實(shí)施例的示意圖。LNA 20包括輸入級(jí)電路22、第一放大器24和第二放大器26。輸入級(jí)電路22包括以共柵極配置的耦合到負(fù)載電阻器222 (Rl)的MOS晶體管202 (M1)0第一放大器24包括一對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管250、252 (MPCS、Mncs)以及電容器242和244。第二放大器26包括MOS晶體管260 (Mnsf)和電容器262。MOS晶體管260是以源跟隨器配置的。MOS晶體管250和252的柵極分別經(jīng)過(guò)電容器242和244耦合到該LNA的輸入即 節(jié)點(diǎn)200。該對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管中的第一 MOS晶體管250的源極耦合到正電源。該對(duì)的第一 MOS晶體管250的漏極耦合到該對(duì)的第二 MOS晶體管252的漏極并且耦合到MOS晶體管260的源極。該對(duì)的第二 MOS晶體管252的源極耦合接地。LNA 20進(jìn)一步包括MOS晶體管266 (Mpsf)和電阻器212 (Rdg)0 MOS晶體管266的柵極經(jīng)過(guò)電容器264耦合到該LNA的輸入端子，MOS晶體管266的源極耦合到正電源，并且MOS晶體管266的漏極耦合到該LNA的輸出。MOS晶體管266被用作第三放大器以改進(jìn)該LNA的總體增益。電阻器212具有耦合到MOS晶體管260的源極的一個(gè)端子和耦合接地的另一端子。電阻器212被用作MOS晶體管260的負(fù)反饋(degeneration)電阻器。第一放大器24感測(cè)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)200處的第一噪聲電壓。節(jié)點(diǎn)200是該LNA的輸入。第一放大器在節(jié)點(diǎn)220處將第一噪聲電壓轉(zhuǎn)換成第一噪聲電流。節(jié)點(diǎn)220是第一放大器的輸出。第二放大器26感測(cè)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)210處的第二噪聲電壓。節(jié)點(diǎn)210是輸入級(jí)電路的輸出。第二噪聲電壓與第一噪聲電壓成比例。第二放大器26將該第二噪聲電壓轉(zhuǎn)換成出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)240處的第二噪聲電流。節(jié)點(diǎn)240是第二放大器的輸出并且也是該LNA的輸出。第二放大器26在該LNA的輸出處對(duì)第一和第二噪聲電流求和，以此方式使得該第一和第二噪聲電流基本上彼此消去。因此，因輸入級(jí)電路引起的噪聲在該LNA的輸出處基本上被消去。第一放大器的跨導(dǎo)被設(shè)計(jì)為第二放大器的跨導(dǎo)的函數(shù)，從而設(shè)定第一噪聲電流等于第二噪聲電流并且與其符號(hào)相反。第一放大器被直接耦合(dc耦合)到第二放大器。因此，該LNA在與諸如圖I中示出的解決方案之類的先前解決方案比較時(shí)使用了更小的ac電容器。該LNA的簡(jiǎn)化示意視圖在圖3中示出以進(jìn)一步解說(shuō)噪聲消去機(jī)制。圖3是解說(shuō)圖2的LNA示例性實(shí)施例的噪聲消去原理的簡(jiǎn)化示意圖。NMOS晶體管M2n表示用作圖2中的第一放大器的該對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管250和252的跨導(dǎo)gm2。NMOS晶體管M3n表示用作圖2中的第二放大器的晶體管260的跨導(dǎo)gm3。噪聲電流源270表示因包括在圖2的輸入級(jí)電路中的MOS晶體管220引起的噪聲電流In。電阻器280具有等于rds的值，并且表示該對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管250和252的總輸出阻抗。由電流源270建模的MOS晶體管220噪聲電流流入節(jié)點(diǎn)200中但流出節(jié)點(diǎn)210。這造成兩個(gè)反相的充分相關(guān)的噪聲電壓。在節(jié)點(diǎn)200處的第一噪聲電壓Vl等于a*In*Rs，并且在節(jié)點(diǎn)210處的第二噪聲電壓V2等于-a這兩個(gè)電壓分別由第一和第二放大
器轉(zhuǎn)換成電流。通過(guò)正當(dāng)?shù)剡x擇跨導(dǎo)gm2和gm3，由MOS晶體管220貢獻(xiàn)的噪聲可在LNA的輸出處被消去。在另一方面，在節(jié)點(diǎn)200和210處的信號(hào)電壓是同相的，導(dǎo)致輸出處的相長(zhǎng)相加。完全噪聲消去的條件是由下式導(dǎo)出的
權(quán)利要求
1.一種低噪聲放大器(LNA)，包括 輸入級(jí)電路，用于接收RF信號(hào)并且具有第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)； 第一放大器，包括經(jīng)過(guò)一對(duì)電容器分別耦合到所述第一節(jié)點(diǎn)的一對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管，以將所述第一節(jié)點(diǎn)處的第一噪聲電壓轉(zhuǎn)換成所述第一放大器的輸出處的第一噪聲電流；以及 第二放大器，包括MOS晶體管，其柵極經(jīng)過(guò)電容器耦合到所述第二節(jié)點(diǎn)、其漏極耦合到所述LNA的輸出端子并且其源極耦合到所述第一放大器的所述輸出，所述第二放大器通過(guò)對(duì)所述第一噪聲電流與第二噪聲電流求和來(lái)提供噪聲消去，所述第二噪聲電流是由所述第二放大器根據(jù)所述第二節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓生成的。
2.如權(quán)利要求I所述的LNA，其特征在于，所述輸入級(jí)電路將第二噪聲電壓設(shè)定成與所述第一噪聲電壓成比例。
3.如權(quán)利要求I所述的LNA，其特征在于，所述第一放大器的跨導(dǎo)是所述第二放大器的跨導(dǎo)的函數(shù)，以使得所述第一噪聲電流等于所述第二噪聲電流并且與所述第二噪聲電流的符號(hào)相反。
4.如權(quán)利要求I所述的LNA，其特征在于，該對(duì)互補(bǔ)晶體管中的第一MOS晶體管的源極耦合到正電源，并且其中該對(duì)中的所述第一 MOS晶體管的漏極耦合到該對(duì)中的第二 MOS晶體管的漏極。
5.如權(quán)利要求4所述的LNA，其特征在于，該對(duì)中的所述第二MOS晶體管的源極耦合接地。
6.如權(quán)利要求I所述的LNA，其特征在于，進(jìn)一步包括電阻器，該電阻器的一個(gè)端子耦合到所述第二放大器的所述MOS晶體管的源極并且另一端子耦合接地。
7.如權(quán)利要求4所述的LNA，其特征在于，進(jìn)一步包括MOS晶體管，其柵極經(jīng)過(guò)電容器耦合到所述LNA的輸入端子，其源極耦合到所述正電源并且其漏極耦合到所述LNA的所述輸出。
8.如權(quán)利要求5所述的LNA，其特征在于，所述輸入級(jí)是以共柵極配置的耦合到負(fù)載電阻器的MOS晶體管。
9.一種低噪聲放大器(LNA)，包括 輸入級(jí)電路，用于接收RF信號(hào)并且具有第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)； 第一放大器，包括經(jīng)過(guò)一對(duì)電容器分別耦合到所述第一節(jié)點(diǎn)的第一對(duì)互補(bǔ)MOS晶體管，以將所述第一節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓轉(zhuǎn)換成所述第一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)處的第一噪聲電流；以及 第二放大器，包括第二對(duì)MOS晶體管，所述第二對(duì)MOS晶體管的柵極經(jīng)過(guò)一對(duì)電容器分別耦合到所述第二節(jié)點(diǎn)，所述第二放大器通過(guò)對(duì)所述第一噪聲電流與第二噪聲電流求和來(lái)提供噪聲消去，所述第二噪聲電流是由所述第二放大器根據(jù)所述第二節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓生成的。
10.如權(quán)利要求9所述的LNA，其特征在于，所述輸入級(jí)電路將第二噪聲電壓設(shè)定成與所述第一噪聲電壓成比例。
11.如權(quán)利要求9所述的LNA，其特征在于，所述第一放大器的跨導(dǎo)是所述第二放大器的跨導(dǎo)的函數(shù)，以使得所述第一噪聲電流等于所述第二噪聲電流并且與所述第二噪聲電流的符號(hào)相反。
12.如權(quán)利要求9所述的LNA，其特征在于，所述第一對(duì)中的第一MOS晶體管的源極耦合到正電源，并且其中所述第一對(duì)中的所述第一 MOS晶體管的漏極耦合到所述第二對(duì)中的第一 MOS晶體管的源極。
13.如權(quán)利要求12所述的LNA，其特征在于，所述第二對(duì)中的所述第一MOS晶體管的漏極耦合到所述第二對(duì)中的第二 MOS晶體管的漏極并且耦合到所述LNA的輸出。
14.如權(quán)利要求13所述的LNA，其特征在于，所述第二對(duì)中的所述第二MOS晶體管的源極耦合到所述第一對(duì)中的第二 MOS晶體管的漏極。
15.如權(quán)利要求14所述的LNA，其特征在于，所述第一對(duì)中的所述第二MOS晶體管的源極率禹合接地。
16.—種低噪聲放大器(LNA),包括 第一裝置，用于放大作為RF信號(hào)的函數(shù)的第一電壓信號(hào)，所述第一電壓信號(hào)具有第一噪聲電壓分量；以及 第二裝置，其dc耦合到所述第一裝置，用于放大作為所述RF信號(hào)的函數(shù)的第二電壓信號(hào)，所述第二電壓信號(hào)具有與所述第一噪聲電壓分量成比例的第二噪聲電壓分量并且與所述第一噪聲電壓分量反相。
17.如權(quán)利要求16所述的LNA，其特征在于，所述第一裝置還將所述第一噪聲電壓分量轉(zhuǎn)換成第一噪聲電流。
18.如權(quán)利要求17所述的LNA，其特征在于，所述第二裝置還將所述第二噪聲電壓分量轉(zhuǎn)換成第二噪聲電流。
19.如權(quán)利要求18所述的LNA，其特征在于，所述第二裝置對(duì)所述第一噪聲電流和所述第二噪聲電流求和，其中所述第一裝置的增益與所述第二裝置的增益成比例，以使得所述第一噪聲電流和所述第二噪聲電流基本上彼此消去。
全文摘要
描述了對(duì)帶有噪聲消去的低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)。LNA包括第一放大器(24)和第二放大器(26)，這兩者一起工作以對(duì)在輸入級(jí)電路(22)處生成的噪聲進(jìn)行噪聲消去。該輸入級(jí)電路(22)接收RF信號(hào)并且由第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)表征。第一放大器(24)將該第一節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓轉(zhuǎn)換成第一放大器(24)的輸出(220)處的第一噪聲電流。第二放大器(26)直接耦合到第一放大器的輸出，并且通過(guò)對(duì)第一噪聲電流與第二噪聲電流求和來(lái)提供噪聲消去，該第二噪聲電流是由第二放大器根據(jù)第二節(jié)點(diǎn)處的噪聲電壓生成的。所提出的技術(shù)消除了對(duì)大ac耦合電容器的需要，并且減小了由LNA占用的管芯尺寸。消除LNA的放大級(jí)之間的ac耦合電容器允許電流重用，從而導(dǎo)致降低的電流消耗。
文檔編號(hào)H03F3/02GK102754333SQ201180009177
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者R·A·艾普特, 曾怡, 李曉永 申請(qǐng)人:高通股份有限公司