CN104065346A - 一种基于交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器电路 - Google Patents

Abstract

一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级，CG输入级包括NMOS管M2，级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻R_L1和R_L，M2的源极通过节点X连接至地，漏极接至电阻R_L1负端，R_L1正端接至电源V_DD，M3的漏极连接至电阻R_L2负端，R_L2正端接至电源V_DD，射频输入信号V_i从节点X输入，从M2的漏极输出信号Vout+，从M3的漏极输出信号Vout-，M3的栅极通过耦合电容连接节点X，M2的栅极通过耦合电容连接M3的源极，串联的信号源和信号源内阻通过耦合电容串接于节点X，V_b2、V_b3分别通过偏置电阻为M2和M3提供偏置电压。本发明的优点在于：通过在CG输入级和级联级之间使用电容交叉耦合反馈技术，使放大器获得低的噪声指数的同时又具有低功耗。

Description

一种基于交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种低噪声放大器。

背景技术

随着当今各种制式通讯协议的广泛应用(比如数字电视，WIFI，以及蓝牙等)，兼容多个通信协议的软件无线电技术变得越发重要。正因如此，近年来业界对宽带收发技术的研发与日俱增。因为LNA(低噪声放大器)通常是接收机的第一级，其噪声至关重要，所以在宽带内的LNA噪声优化问题成为了宽带接收技术的关键。此外，低噪声的获得也不能用大功耗来交换，因为低功耗同样是芯片设计的重要主题。

迄今为止，有两种普遍使用的宽带LNA拓扑：一种是单端共栅(CG)LNA，另一种是共栅-共源(CG-CS)LNA。两种结构都采用了共栅极输入结构，具备大的带宽和良好的隔离特性。注意到单端CG LNA的噪声较大，可以利用如图1所示的电容交叉耦合(CCC)反馈加以改善(W.Zhuo,X.Li,S.Shekhar,S.H.K.Embabi,J.Pinedade Gyvez,D.J.Allstot,and E.Sanchez-Sinencio,“A capacitorcross-coupled common-gate low noise amplifier,”IEEE Trans.CircuitsSyst.II,Express Briefs,vol.52,no.12,pp.875–879,Dec.2005.)。不幸的是，CCC CG LNA需要一个片外的巴伦来将单端输入转换为差分输入。但是宽带的片外无源巴伦通常都有高的损耗，这对接收机的噪声极其不利。通常地，为了驱动后级的差分混频器和从天线接收单端信号，巴伦LNA显得特别有吸引力。综合起来，这使得如图2所示的巴伦CG-CS LNA更具竞争力(S.C.Blaakmeer,E.A.M.Klumperink,D.M.W.Leenaerts,and B.Nauta,“Wideband balun-LNAwith simultaneous output balancing,noise-canceling anddistortion-canceling,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.43,no.6,pp.1341–1350,Jun.2008)。此外，它的噪声消除特性使得兼有良好的线性度。即便如此，为了获得低的噪声指数，其CS级将消耗大的功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获得低的噪声指数、又具有低功耗的交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器。

本发明采用以下技术手段解决上述技术问题的：一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级；

所述CG输入级包括NMOS管M2，级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻R_L1和电阻R_L，NMOS管M2的源极通过节点X连接至地，NMOS管M2的漏极连接至电阻R_L1负端，电阻R_L1正端接至电源V_DD，NMOS管M3的栅极通过耦合电容连接到节点X，NMOS管M2的栅极通过耦合电容连接到节点M，节点M连接到NMOS管M3的源极，依次串联的信号源Vs和信号源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X，NMOS管M3的漏极连接至电阻R_L2负端，电阻R_L2正端接至电源V_DD，射频输入信号V_i从节点X处输入，V_b2、V_b3分别通过偏置电阻为NMOS管M2和M3提供偏置电压，从NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，从NMOS管M3的漏极输出信号Vout-。

作为进一步优化的，所述CG输入级还包括电感Ls，NMOS管M2的源极通过节点X连接至电感Ls正端，电感Ls负端连接到地。

作为优化的结构，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结构的CS输入级，所述堆叠结构的CS输入级包括NMOS管M1、PMOS管M4。所述NMOS管M1、PMOS管M4的栅极均通过隔直电容连接到节点X，NMOS管M1的源极连接到地，M4源极连接至电源V_DD，NMOS管M1和PMOS管M4的漏极连接到节点M，NMOS管M1的衬底直接连接于节点X，PMOS管M4的衬底通过隔直电容连接于节点X，且PMOS管M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V_DD，V_b1、V_b4分别通过大的偏置电阻为NMOS管M1和PMOS管M4提供偏置电压，射频输入信号从CG输入极的NMOS管M2的源极输入，一路经过CG输入级同相放大后于NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，另一路经过堆叠结构的CS输入级反相放大后于NMOS管M3的漏极输出信号Vout-。

本发明的优点在于：

通过在CG输入级的晶体管和级联级的晶体管之间使用电容交叉耦合反馈技术，低噪放的跨导得以提升。此外，堆叠结构的CS输入级的晶体管的体效应被利用进一步增大跨导，使得本发明有显著降低电路功耗和低电源电压工作的优点，并可以在宽带内获得较高的增益，以及较低的噪声指数。

附图说明

图1是现有的电容交叉耦合反馈共栅输入低噪声放大器原理图；

图2是现有的共栅-共源巴伦低噪声放大器原理图；

图3是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的原理图；

图4是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的增益结果曲线；

图5是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的噪声结果曲线

图6是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的IIP3结果图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图3，整体上，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器为宽带CMOS CG-CS结构，包括CG输入级、级联级、电阻负载级。

CG输入级包括NMOS管M2和电感Ls，级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻R_L1和电阻R_L2。

NMOS管M2的源极通过节点X连接至电感Ls正端，电感Ls负端连接到地。NMOS管M2的漏极连接至电阻R_L1负端，电阻R_L1正端接至电源V_DD。特别地，NMOS管M3的栅极通过耦合电容连接到节点X，NMOS管M2的栅极通过耦合电容连接到节点M，节点M连接到NMOS管M3的源极。依次串联的信号源Vs和信号源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X。

NMOS管M3的漏极连接至电阻R_L2负端，电阻R_L2正端接至电源V_DD。

射频输入信号V_i从节点X处输入，V_b2、V_b3分别通过大的偏置电阻为NMOS管M2和M3提供偏置电压，从NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，从NMOS管M3的漏极输出信号Vout-。

作为优化的结构，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结构的CS输入级。

所述堆叠结构的CS输入级包括NMOS管M1、PMOS管M4。所述NMOS管M1、PMOS管M4的栅极均通过隔直电容连接到节点X。NMOS管M1的源极连接到地，M4源极连接至电源V_DD。NMOS管M1和PMOS管M4的漏极连接到节点M。NMOS管M1的衬底直接连接于节点X，PMOS管M4的衬底通过隔直电容连接于节点X，且PMOS管M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V_DD。

V_b1、V_b4分别通过大的偏置电阻为NMOS管M1和PMOS管M4提供偏置电压。

射频输入信号从CG输入极的NMOS管M2的源极输入，一路经过CG输入级同相放大后于NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，另一路经过堆叠结构的CS输入级反相放大后于NMOS管M3的漏极输出信号Vout-。

CG输入级的主要作用是输入阻抗匹配，级联级的主要功能是减小堆叠结构的CS输入极的晶体管的寄生栅-漏电容的米勒效应。同时，它能够增加输出阻抗和提高输入输出之间的隔离度。在NMOS管M2和M3之间使用了电容交叉耦合反馈，用于提高它们的跨导。此外，在堆叠结构的CS输入级的采用了体耦合技术(M1的衬底直接连接于节点X，M4的衬底通过隔直电容，连接于节点X，且M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V_DD)来进一步增加有效跨导，这有利于CS输入极的低噪声和低功耗特性。而且，在节点X处的扼流电感Ls和节点等效寄生电容产生并联谐振，构成整个带宽内的输入匹配。

通过对具有交叉耦合反馈的CG-CS LNA的小信号分析，其电压增益可以表示为：

$A_V=\frac{V_{\mathrm{out}+}-V_{\mathrm{out}-}}{V_i}=(1+A_{\mathrm{NEG}})(g_{m3}{R}_{L2}+g_{m2}{R}_{L1})$

$\left(1\right)A_{\mathrm{NEG}}=\frac{g_{m1}+g_{\mathrm{mb}1}+g_{m4}+g_{\mathrm{mb}4}}{g_{m3}}$

其中，g_mi和g_mbi分别是栅极跨导和体跨导，参数A_NEG和R_L2分别是负反馈相关的跨导提升系数和堆叠结构的CS输入极的负载电阻。参数g_m2和R_L1分别是NMOS管M2的栅极跨导和CG输入级的负载电阻。为了满足平衡的差分输出，下面条件需要满足：

g_m3R_L2＝g_m2R_L1 (3)然后，总增益又可以简化为：

A_V＝2(1+A_NEG)g_m3R_L2＝2(1+A_NEG)g_m2R_L1. (4)与传统方法比较，式(4)中堆叠结构的CS输入级的晶体管的体跨导被利用。此外，由于从V_i至M3的栅极的反馈路径，g_m3也被包含在等式内，使得LNA的增益进一步提高。换言之，由于级联级的晶体管的交叉耦合反馈和堆叠结构的CS输入级的晶体管的体跨导的利用，使得在获得等效CS级的跨导的情况下，其偏置电流可以降低。这是此拓扑的主要优点。

输入阻抗匹配条件为：

$R_s=R_{\mathrm{in}}=\frac{1}{g_{m2}(1+A_{\mathrm{NEG}})}---\left(5\right)$

其中，R_s和R_in分别是LNA的信号源阻抗和输入阻抗。与通常的CG-CS LNA相比，CG级的阻抗匹配跨导须缩小(1+A_NEG)倍。在这种情况下，NMOS管M2的尺寸和偏置电流都可以得以减小，从而得到低寄生效应和低功耗的CG级。

在输入阻抗匹配的条件下，LNA的噪声因子表达式为：

$\begin{array}{c}F=1+\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\α}}_1}\frac{g_{m1}}{{(g_{m1}+g_{\mathrm{mb}1}+g_{m4}+g_{\mathrm{mb}4}+g_{m3}/2)}^2{R}_s}+\frac{{\mathrm{\γ}}_4}{{\mathrm{\α}}_4}\frac{g_{m4}}{{(g_{m1}+g_{\mathrm{mb}1}+g_{m4}+g_{\mathrm{mb}4}+g_{m3}/2)}^2}\\ +\frac{R_s}{R_{L1}}+\frac{1}{R_s{g}_{m3}^2{(1+A_{\mathrm{NEG}})}^2{R}_{L2}}+\frac{{\mathrm{\γ}}_3}{{\mathrm{\α}}_3}\frac{g_{m3}}{R_s{(1+A_{\mathrm{NEG}})}^2{(2(g_{m1}+g_{\mathrm{mb}1}+g_{m4}+g_{\mathrm{mb}4})+g_{m3})}^2}\end{array}---\left(6\right)$

其中，α和γ是偏置相关参数。第二项和第三项分别来自于NMOS管M1和PMOS管M4。第四项和第五项来自于负载R_L1和R_L2。最后一项来自于NMOS管M3。由于存在从电阻Rs到NMOS管M3栅极的反馈通道，它不再是一个理想的无噪声贡献的级联。然而，从(6)可以看出，因为g_m3/4g_m1(1+A_NEG)²(我们的设计值为0.01)的存在，NMOS管M3对噪声的贡献远小于NMOS管M1。因此，NMOS管M3导致的NF恶化可以忽略不计。另外，由于堆叠结构的CS输入级的晶体管的体效应，以及g_m3被合并到堆叠结构的CS输入级的跨导中，NMOS管M1和PMOS管M4在偏置电流减小的同时也能维持等效的噪声量级。

该LNA电路采用0.13μm RF CMOS工艺实现。采用1V电源供电，当参数A_NEG为2.5时，晶体管M1、M2、和M3的偏置电流分别为3.68mA、0.45mA、1.8mA。R_L1和R_L2分别取250Ω和100Ω。图4给出了LNA增益曲线，表明在3dB带宽(0.1～4.4GHz)内得到了18dB电压增益，图5给出了噪声指数结果，在0.1～4.4GHz的带宽内，其最大噪声指数NF_max为3.2dB，出现在4.4GHz，带内最小噪声指数约为2.7dB。采用间隔5MHz的等幅双音信号分别在1GHz、2GHz、3GHz频点测试低噪声放大器的线性度，如图6所示，其输入三阶交调(IIP3)测试结果为-4.5～-7.4dBm。以上结果表明，该LNA在1V供电条件下，工作电流为4.1mA，和现有的共栅-共源巴伦低噪声放大器相比，该放大器容易实现低电压和低功耗应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级，所述CG输入级包括NMOS管M2，级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻R_L1和电阻R_L，所述NMOS管M2的源极连接节点X，NMOS管M2的漏极连接至电阻R_L1负端，电阻R_L1正端接至电源V_DD，NMOS管M3的漏极连接至电阻R_L2负端，电阻R_L2正端接至电源V_DD，射频输入信号V_i从节点X处输入，从NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，从NMOS管M3的漏极输出信号Vout-，其特征在于：所述NMOS管M3的栅极通过耦合电容连接到节点X，NMOS管M2的栅极通过耦合电容连接到节点M，节点M连接到NMOS管M3的源极，依次串联的信号源Vs和信号源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X，V_b2、V_b3分别通过偏置电阻为NMOS管M2和M3提供偏置电压。

2.如权利要求1所述的一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，其特征在于：所述CG输入级还包括电感Ls，NMOS管M2的源极通过节点X连接至电感Ls正端，电感Ls负端连接到地。

3.如权利要求1或2所述的一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，其特征在于：所述交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结构的CS输入级，所述堆叠结构的CS输入级包括NMOS管M1、PMOS管M4，所述NMOS管M1、PMOS管M4的栅极均通过隔直电容连接到节点X，NMOS管M1的源极连接到地，M4源极连接至电源V_DD，NMOS管M1和PMOS管M4的漏极连接到节点M，NMOS管M1的衬底直接连接于节点X，PMOS管M4的衬底通过隔直电容连接于节点X，且PMOS管M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V_DD，V_b1、V_b4分别通过大的偏置电阻为NMOS管M1和PMOS管M4提供偏置电压。