專利名稱：全差分低功耗低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器，具體來說，涉及一種全差分低功耗低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
低噪聲放大器是位于射頻接收芯片的第一級有源電路，從整個接收鏈路考慮，噪聲系數(shù)主要由射頻前端的模塊的噪聲系數(shù)決定。因此，為了抑制噪聲對后續(xù)電路的影響，低噪聲放大器應(yīng)具有相對較低的噪聲系數(shù)。低噪聲放大器也提供一定的增益，放大天線接收的微弱射頻信號，滿足后續(xù)電路對增益的要求。隨著多載波技術(shù)和復(fù)雜調(diào)制技術(shù)越來越多地應(yīng)用到無線通訊中，對接收機(jī)各項性能參數(shù)的要求也逐漸提高。由于金屬氧化物晶體管受到截止頻率的限制，在射頻電路中很難采取一些低頻電路中的設(shè)計技巧。例如反饋、跨導(dǎo)自舉等技術(shù)。在進(jìn)行射頻電路設(shè)計時應(yīng)該充分考慮寄生效應(yīng)的影響。根據(jù)低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)，可以分為共源級低噪聲放大器和共柵級低噪聲放大器。對于共源級低噪聲放大器，為了在射頻信號的輸入端實現(xiàn)阻抗匹配，一般采用源極退化電感的結(jié)構(gòu)，將共源級放大器的源極通過一個電感接地。這樣的結(jié)構(gòu)可以提供一定的增益以及較低的噪聲系數(shù)，但是由于這種結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器采用片上無源電感，集成度受到影響。電感的Q值對電路的性能也會產(chǎn)生較大的影響，不利于片上集成。另一種共源級低噪聲放大器采用電阻反饋的形式實現(xiàn)阻抗匹配，通過一個負(fù)反饋的電阻將輸出端的信號反饋至輸入端。根據(jù)密勒效應(yīng)，反饋電阻等效到輸入端與信號源的內(nèi)阻做阻抗匹配。這種低噪聲放大器具有噪聲抑制的作用，具有較低的噪聲系數(shù)以及一定的增益。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于反饋電阻對環(huán)路的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。對于共柵級的低噪聲放大器，射頻信號從金屬氧化物晶體管的源極輸入。調(diào)節(jié)共柵級放大器的跨導(dǎo)值，可以實現(xiàn)阻抗匹配。由于共柵級放大器的跨導(dǎo)相對固定，不易實現(xiàn)高的增益，因此采用另一支路的共源級放大器對射頻信號進(jìn)行放大。這種共源級共柵級的低噪聲放大器具有噪聲抵消的功能，可以在輸出端抵消共柵級放大器中共柵管產(chǎn)生的溝道噪聲，因此具有較低的噪聲系數(shù)以及一定的增益。但是這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的低噪聲系數(shù)是以電路的功耗作為交換的，這種共源級共柵級低噪聲放大器的功耗較大。因此，設(shè)計低噪聲放大器時應(yīng)在噪聲系數(shù)，增益和功耗等方面進(jìn)行折中。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種全差分低功耗低噪聲放大器，對N型金屬氧化物晶體管和P型金屬氧化物晶體管的靜態(tài)偏置電流進(jìn)行復(fù)用，具有低功耗和噪聲抵消的功能。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種全差分低功耗低噪聲放大器，該放大器包含共源級放大器和共柵級放大器；其中，共源級放大器包括第一和第二 N型金屬氧化物晶體管、第一和第二 P型金屬氧化物晶體管、第一電阻、第二電阻、第五至第八電阻和第一至第五電容；共柵級放大器包括第三和第四P型金屬氧化物晶體管以及第三和第四電阻；
差分輸入信號正端接第一和第三電容的下極板以及第四P型金屬氧化物晶體管的源極；差分輸入信號負(fù)端接第二和第四電容的下極板以及第三P型金屬氧化物晶體管的源極；第一和第二電容的上極板分別接第一和第二N型金屬氧化物晶體管的柵極；第一和第二電容的上極板又分別接第七和第八電阻的正端，第七和第八電阻的負(fù)端由第一偏置電壓提供偏置；第一和第二 N型金屬氧化物晶體管的源極都接地；第一 N型金屬氧化物晶體管的漏極連接第一 P型金屬氧化物晶體管的漏極以及第一和第三電阻的正端；第二 N型金屬氧化物晶體管的漏極連接第二P型金屬氧化物晶體管的漏極以及第二和第四電阻的正端；第一電阻負(fù)端和第二電阻的負(fù)端連接，并且連接第五電容的上極板；第五電容的下極板接地；第三電阻的負(fù)端連接第三P型金屬氧化物晶體管的漏極，并且作為差分輸出負(fù)端；第四電阻的負(fù)端連接第四P型金屬氧化物晶體管的漏極，并且作為差分輸出正端；第三和第四P型金屬氧化物晶體管的柵極連接，分別連接第五和第六電阻的負(fù)端，由第二偏置電壓提供偏置；第五電阻的正端與第三電容的上極板連接，并且連接第一 P型金屬氧化物晶體管的柵極；第六電阻的正端與第四電容的上極板連接，并且連接第二 P型金屬氧化物晶體管的柵極；第一和第二 P型金屬氧化物晶體管的源極連接電源電壓。有益效果本發(fā)明的低噪聲放大器在實現(xiàn)低功耗的同時實現(xiàn)了低噪聲系數(shù)的功能。本發(fā)明的低噪聲放大器將N型金屬氧化物晶體管和P型金屬氧化物晶體管置于同一路直流偏置當(dāng)中，實現(xiàn)電流復(fù)用，提高電流利用率，節(jié)省功耗。在這種電流復(fù)用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，第三和第四P型金屬氧化物晶體管作為共柵級的放大管，它們的溝道噪聲分別在差分輸出端產(chǎn)生共模的噪聲電壓，因此第三和第四P型金屬氧化物晶體管對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)沒有貢獻(xiàn)，實現(xiàn)了噪聲抵消和低噪聲系數(shù)的功能。


圖1為本發(fā)明的電路圖；圖2為本發(fā)明的低噪聲放大器噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果圖；圖3為本發(fā)明的低噪聲放大器增益的仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所示，本發(fā)明的一種全差分低功耗低噪聲放大器，包含共源級放大器和共柵級放大器；其中，共源級放大器包括第一和第二 N型金屬氧化物晶體管NI和N2、第一和第二 P型金屬氧化物晶體管Pl和P2、第一電阻R1、第二電阻R2、第五至第八電阻R5-R8和第一至第五電容C1-C5 ;共柵級放大器包括第三和第四P型金屬氧化物晶體管P3和P4以及第三和第四電阻R3和R4;差分輸入信號正端Vin+接第一和第三電容Cl和C3的下極板以及第四P型金屬氧化物晶體管P4的源極；差分輸入信號負(fù)端Vin-接第二和第四電容C2和C4的下極板以及第三P型金屬氧化物晶體管P3的源極；第一和第二電容Cl和C2的上極板分別接第一和第二 N型金屬氧化物晶體管NI和N2的柵極；第一和第二電容Cl和C2的上極板又分別接第七和第八電阻R7和R8的正端，第七和第八電阻R7和R8的負(fù)端由第一偏置電壓Vbl提供偏置；第一和第二 N型金屬氧化物晶體管NI和N2的源極都接地；第一 N型金屬氧化物晶體管NI的漏極連接第一 P型金屬氧化物晶體管Pl的漏極以及第一和第三電阻Rl和R3的正端；第二 N型金屬氧化物晶體管N2的漏極連接第二 P型金屬氧化物晶體管P2的漏極以及第二和第四電阻R2和R4的正端；第一電阻Rl負(fù)端和第二電阻R2的負(fù)端連接，并且連接第五電容C5的上極板；第五電容C5的下極板接地；第三電阻R3的負(fù)端連接第三P型金屬氧化物晶體管P3的漏極，并且作為差分輸出負(fù)端Vout-;第四電阻R4的負(fù)端連接第四P型金屬氧化物晶體管P4的漏極，并且作為差分輸出正端Vout+ ;第三和第四P型金屬氧化物晶體管P3和P4的柵極連接，分別連接第五和第六電阻R5和R6的負(fù)端，由第二偏置電壓Vb2提供偏置；第五電阻R5的正端與第三電容C3的上極板連接，并且連接第一 P型金屬氧化物晶體管Pl的柵極；第六電阻R6的正端與第四電容C4的上極板連接，并且連接第二 P型金屬氧化物晶體管P2的柵極；第一和第二 P型金屬氧化物晶體管Pl和P2的源極連接電源電壓。上述全差分低功耗低噪聲放大器，抵消了共柵級放大器中的第三和第四P型金屬氧化物晶體管P3和P4在輸出端產(chǎn)生的噪聲。下面分析本發(fā)明的低噪聲放大器噪聲抵消的原理。第三P型金屬氧化物晶體管P3工作時產(chǎn)生的溝道噪聲電流可以認(rèn)為是一噪聲電流源，從其漏極流入，源極流出。產(chǎn)生的噪聲電流流過第一和第三電阻Rl和R3，因此在Vout-端產(chǎn)生一個負(fù)的噪聲電壓。噪聲電流從其源極(即Vin-端)流出，流過經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)等效到輸入端的天線阻抗，因此在Vin-端產(chǎn)生一正的噪聲電壓。Vin-端即連接第三P型金屬氧化物晶體管P3的源極，又連接第二 N型金屬氧化物晶體管N2的柵極。因此，第三P型金屬氧化物晶體管P3在Vin-端產(chǎn)生一正的噪聲電壓又經(jīng)第二 N型金屬氧化物晶體管N2反向放大，又在第二 N型金屬氧化物晶體管N2的漏極產(chǎn)生一負(fù)的噪聲電壓，這一負(fù)的噪聲電壓最終在Vout+端輸出，這是由于第四P型金屬氧化物晶體管P4的溝道電阻很大，第四電阻R4正負(fù)端的交流電壓 信號基本相同。綜上所述，第三P型金屬氧化物晶體管P3在差分輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓是同向的，同樣地，第四P型金屬氧化物晶體管P4在差分輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓也是同向的。設(shè)計時，保持共柵級和共源級放大器的增益平衡，這樣第三和第四P型金屬氧化物晶體管P3和P4分別在輸出端產(chǎn)生的噪聲電壓呈共模特性，對系統(tǒng)的噪聲系數(shù)沒有貢獻(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了噪聲抵消的功能。根據(jù)圖1可以看出，第一電阻和第二電阻Rl和R2作為共源級放大器的負(fù)載電阻。第一電阻Rl與第三電阻R3之和以及第二電阻R2與第四電阻R4之和作為共柵級的負(fù)載電阻。因此，共柵級的負(fù)載阻抗大于共源級的負(fù)載阻抗，設(shè)計時，保持共源級的跨導(dǎo)大于共柵級的跨導(dǎo)，使得共源級和共柵級的增益平衡。本發(fā)明的低噪聲放大器對N型金屬氧化物晶體管和P型金屬氧化物晶體管的靜態(tài)偏置電流進(jìn)行復(fù)用，實現(xiàn)了低功耗的功能。設(shè)計時將流過第一和第三P型金屬氧化物晶體管Pl和P3的偏置電流流過第一 N型金屬氧化物晶體管NI，將流過第二和第四P型金屬氧化物晶體管P2和P4的偏置電流流過第二 N型金屬氧化物晶體管N2，實現(xiàn)了電流復(fù)用的功能，節(jié)省了功耗。下面通過仿真來說明本發(fā)明具有低噪聲系數(shù)和低功耗的特點(diǎn)。采用Cadenc^ Virtuoso仿真軟件對本發(fā)明的低噪聲放大器噪聲系數(shù)以及增益進(jìn)行仿真。噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示，橫坐標(biāo)表示輸入射頻信號的頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)表示噪聲系數(shù)，單位dB。本發(fā)明的低噪聲放大器工作在2G附近時，噪聲系數(shù)不到1. SdB0增益仿真結(jié)果如圖3所示，橫坐標(biāo)表示輸入射頻信號的頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)表示增益，單位dB。本發(fā)明的低噪聲放大器的增益可達(dá)25dB。本發(fā)明的低噪聲放大器的功耗只有1. 6mW。
權(quán)利要求
1.一種全差分低功耗低噪聲放大器，其特征在于:該放大器包含共源級放大器和共柵級放大器；其中，共源級放大器包括第一和第二 N型金屬氧化物晶體管(NI和N2)、第一和第二 P型金屬氧化物晶體管(Pl和P2)、第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第五至第八電阻(R5-R8)和第一至第五電容(C1-C5);共柵級放大器包括第三和第四P型金屬氧化物晶體管(P3和P4)以及第三和第四電阻(R3和R4)； 差分輸入信號正端(Vin+)接第一和第三電容(Cl和C3)的下極板以及第四P型金屬氧化物晶體管(P4)的源極；差分輸入信號負(fù)端(Vin-)接第二和第四電容(C2和C4)的下極板以及第三P型金屬氧化物晶體管(P3)的源極；第一和第二電容(Cl和C2)的上極板分別接第一和第二 N型金屬氧化物晶體管(NI和N2)的柵極；第一和第二電容(Cl和C2)的上極板又分別接第七和第八電阻(R7和R8)的正端，第七和第八電阻(R7和R8)的負(fù)端由第一偏置電壓(Vbl)提供偏置；第一和第二 N型金屬氧化物晶體管(NI和N2)的源極都接地；第一 N型金屬氧化物晶體管(NI)的漏極連接第一 P型金屬氧化物晶體管(Pl)的漏極以及第一和第三電阻(Rl和R3)的正端；第二 N型金屬氧化物晶體管(N2)的漏極連接第二P型金屬氧化物晶體管(P2)的漏極以及第二和第四電阻(R2和R4)的正端；第一電阻(Rl)負(fù)端和第二電阻(R2)的負(fù)端連接，并且連接第五電容(C5)的上極板；第五電容(C5)的下極板接地；第三電阻(R3)的負(fù)端連接第三P型金屬氧化物晶體管(P3)的漏極，并且作為差分輸出負(fù)端(Vout-);第四電阻(R4)的負(fù)端連接第四P型金屬氧化物晶體管(P4)的漏極，并且作為差分輸出正端(Vout+);第三和第四P型金屬氧化物晶體管(P3和P4)的柵極連接，分別連接第五和第六電阻(R5和R6)的負(fù)端，由第二偏置電壓(Vb2)提供偏置；第五電阻(R5)的正端與第三電容(C3)的上極板連接，并且連接第一 P型金屬氧化物晶體管(Pl)的柵極；第六電阻(R6 )的正端與第四電容(C4)的上極板連接，并且連接第二P型金屬氧化物晶體管(P2)的柵極；第一和第二 P型金屬氧化物晶體管(Pl和P2)的源極連接電源電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全差分低功耗低噪聲放大器，該放大器包含共源級放大器和共柵級放大器。其中，共源級放大器包括第一和第二N型金屬氧化物晶體管、第一和第二P型金屬氧化物晶體管、第一電阻、第二電阻、第五至第八電阻、第一至第五電容；共柵級放大器包括第三和第四P型金屬氧化物晶體管、第三和第四電阻。該結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器對N型金屬氧化物晶體管和P型金屬氧化物晶體管的靜態(tài)偏置電流進(jìn)行復(fù)用，同時這種結(jié)構(gòu)也具有噪聲抵消的功能。因此，該結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器具有低功耗和低噪聲系數(shù)的功能。
文檔編號H03F1/26GK103078596SQ20121058961
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者吳建輝, 楊仲盼, 李紅, 陳超, 白春風(fēng), 劉智林, 尹海峰, 徐哲 申請人:東南大學(xué)