CN105207630A - 一种电流复用高线性度的跨导放大器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电流复用高线性度的跨导放大器结构，适用于作为无线接收链路中下混频器的射频跨导级，包括一个非对称差分对组，以及由偏置晶体管及谐振电路构成的一对共源放大级。相比传统的五管差分对放大结构，在相同的偏置电流下，非对称差分对组可以得到更好的线性度。共源放大级利用差分对组的尾电流偏置晶体管作为额外的放大器件，在不增加偏置电流的前提下提高了总跨导值，使偏置电流的利用率得到了提高。相比传统结构，本跨导放大器结构在线性度和偏置电流的利用率方面均有提高。

Description

一种电流复用高线性度的跨导放大器结构

技术领域

本发明涉及跨导放大器结构，尤其涉及一种适用于无线收发机接收链路中下混频器射频电压-电流转换的电流复用高线性度的跨导放大器结构。

背景技术

射频信号接收链路在处理接收到的信号时，需要维持足够高的线性度来抑制由于互调产生的干扰信号，因为信号的互调可能导致信噪比的恶化。同时，较高的线性度也有助于防止信号强度较大时发生的阻塞效应和增益压缩效应，从而提高接收机接收信号的功率上限，增大动态范围。无线收发机的接收链路中，下混频器的作用是将射频信号下变频为中频或基带信号，是射频信号强度最大的一级，因此其线性度要足够高，才能提高整个接收链路的接收功率上限。

目前主流的有源下混频器基本采用跨导级、开关级和负载级的三级结构，跨导级将射频电压信号转换为射频电流信号，开关级在本振信号的驱动下实现电流域的变频作用，变频后的中频或基带电流信号在负载级上产生电压输出信号。开关级的晶体管在深线性区和截止区之间切换，具有很高的线性度。负载级的电流-电压转换，可能利用到跨阻放大器等结构，但本质上往往是通过让电流信号经过电阻等无源元件产生电压信号实现的，因此也具有很高的线性度。跨导级的原理是利用工作于饱和区的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的小信号电压-电流转换功能，将射频电压信号转换为射频电流信号，其线性度与MOSFET小信号跨导线性度有直接关系，因此往往成为下混频器线性度的瓶颈所在。综上所述，有源下混频器的线性度改善主要通过优化跨导级来实现。

传统五管差分对放大结构在输入电压幅度较小时，能保持较好的线性度，而在输入电压幅度稍大时，差分输出电流与输入电压之间的关系曲线会明显偏离线性关系。为了增大输入信号线性动态范围，可以采用不对称差分对组，使用两个不对称差分对的电流-电压关系曲线叠加得到总体的关系曲线。由于两个差分对的电流-电压关系曲线分别关于输入电压向正、负两个方向偏移一定电压，因此其叠加得到的转换特性能够在更宽的范围内保持较好的线性度。

由级联系统的噪声系数计算公式可知，前级模块的资用功率增益越大，后级模块的噪声系数对系统的总噪声系数的贡献越小。因此，为了抑制后级模块噪声的影响，应该适度增加前级模块的资用功率增益。对于下混频器而言，在前级模块固定和输出阻抗固定的前提下，增大资用功率增益的途径就是提高跨导级的跨导值。同时，为了优化下混频器本身的噪声系数，也要求跨导级具有足够大的跨导值。然而，对于固定的电路结构，提高跨导级的资用功率增益，就需要提高偏置电流或增大晶体管宽长比。前者将导致功耗提高，后者将导致非线性的增加。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种电流复用高线性度的跨导放大器结构，具有线性度高和直流偏置电流利用率高的特点，适合作为无线收发机接收链路中下混频器的射频跨导级。

技术方案：本发明提出的技术方案为：一种电流复用高线性度的跨导放大器结构，作为无线接收链路中的下混频器的射频跨导级，设有正、负输入端VIN+、VIN-，正、负输出端VOUT+、VOUT-和尾电流管偏置电压输入端VB，所述电流复用高线性度的跨导放大器结构通过正、负输入端VIN+、VIN-接收射频电压信号，将射频电压信号转换为射频电流信号并通过正、负输出端VOUT+、VOUT-输出，所述跨导放大器结构包括一个非对称差分对组和一对结构相同的共源放大级，非对称差分对组和共源放大级采用堆叠结构连接；

所述非对称差分对组包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管MP1、MP2，N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4，电容C1、C2、C7、C8和电阻R1、R2，其中NM1和NM2的尺寸相同，NM3和NM4的尺寸相同；MP1、MP2的源极相连，其连接点连接到电源；MP1的栅极、C1的上极板、R1的负端、MN1的栅极、MN4的栅极相连接；MP2的栅极、C2的上极板、R2的负端、MN2的栅极、MN3的栅极相连接；MP1的漏极、MN1的漏极、R1的正端、MN4的漏极、C7的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输出端VOUT-；MP2的漏极、MN2的漏极、MN3的漏极、R2的正端、C8的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输出端VOUT+；NM1的源极与MN3的源极相连；MN4的源极与MN2的源极相连；MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4为所述非对称差分对组提供小信号增益；

所述共源放大级包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6，电容C3、C4，电阻R3、R4以及由电容C5与电感L1并联、电容C6与电感L2并联构成的两个谐振电路；MN5的栅极、C3的上级板、R3的负端相连；C3的下极板与C1的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输入端VIN+；MN5的漏极与C7的下极板、C5的下极板以及L1的负端相连，L1的正端与C5的上极板相连，其连接点与MN1、MN3的源极连接点相连；MN5的源极与MN6的源极相连并接地；MN6的栅极、C4的上级板、R4的负端相连；C4的下极板与C2的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输入端VIN-；MN6的漏极与C8的下极板、C6的下极板以及L2的负端相连，L2的正端与C6的上极板相连，其连接点与MN2、MN4的源极连接点相连；MN5和MN6为所述共源放大级提供小信号增益，同时作为所述非对称差分对组的尾电流偏置管，为非对称差分对组提供直流偏置电流，实现偏置电流的复用；R3和R4的正端作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的尾电流管偏置电压输入端VB，VB接收外接电路输入的偏置电压并控制整个跨导放大器结构的直流偏置电流大小；

射频电压信号通过电容C1、C2耦合到非对称差分对组晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4的栅极，经过晶体管的转换作用，在输出端VOUT+、VOUT-形成第一输出电流；射频电压信号通过电容C3、C4耦合到共源级晶体管MN5、MN6的栅极，经过晶体管的转换作用，通过电容C7和C8耦合到输出端VOUT+、VOUT-形成第二输出电流；所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的输出射频电流为第一输出电流与第二输出电流叠加后的电流信号。

优选的，MP1、MP2、MN5、MN6相对于MN1、MN2、MN3、MN4均具有较小宽长比。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明使用了非对称差分对组，使整个跨导放大器结构的线性度得到了提高；

2、本发明使用了共源放大级作为增益的补充，由于共源放大级与非对称差分对组构成了电流复用的结构，因此在提高增益的同时并不提高静态功耗，提高了偏置电流利用率。

附图说明

图1为本发明提出的电流复用高线性度的跨导放大器结构示意图；

图2为现有对称差分对结构示意图；

图3为本发明与传统结构输入三阶交调点(IIP3)的仿真结果对比图；

图4为本发明与传统结构在200Ω负载电阻下的电压增益仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明提出的电流复用高线性度的跨导放大器结构示意图，其结构主要分为两部分，即非对称差分对组和共源放大级部分。

所述非对称差分对组包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管MP1、MP2，N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4，电容C1、C2、C7、C8和电阻R1、R2，其中NM1和NM2的尺寸相同，NM3和NM4的尺寸相同，MP1、MP2的尺寸小于MN1、MN2、MN3、MN4的尺寸，从而使MP1、MP2的过驱动电压足够高，能够工作在线性度较高的偏置点；MP1、MP2的源极相连，其连接点连接到电源；MP1的栅极、C1的上极板、R1的负端、MN1的栅极、MN4的栅极相连接；MP2的栅极、C2的上极板、R2的负端、MN2的栅极、MN3的栅极相连接；MP1的漏极、MN1的漏极、R1的正端、MN4的漏极、C7的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输出端VOUT-；MP2的漏极、MN2的漏极、MN3的漏极、R2的正端、C8的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输出端VOUT+；NM1的源极与MN3的源极相连；MN4的源极与MN2的源极相连；MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4为所述非对称差分对组提供小信号增益；

所述共源放大级包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6，电容C3、C4，电阻R3、R4以及由电容C5与电感L1并联、电容C6与电感L2并联构成的两个谐振电路；MN5的栅极、C3的上级板、R3的负端相连；C3的下极板与C1的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输入端VIN+；MN5的漏极与C7的下极板、C5的下极板以及L1的负端相连，L1的正端与C5的上极板相连，其连接点与MN1、MN3的源极连接点相连；MN5的源极与MN6的源极相连并接地；MN6的栅极、C4的上级板、R4的负端相连；C4的下极板与C2的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输入端VIN-；MN6的漏极与C8的下极板、C6的下极板以及L2的负端相连，L2的正端与C6的上极板相连，其连接点与MN2、MN4的源极连接点相连；MN5和MN6为所述共源放大级提供小信号增益，同时作为所述非对称差分对组的尾电流偏置管，为非对称差分对组提供直流偏置电流，实现偏置电流的复用；R3和R4的正端作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的尾电流管偏置电压输入端VB，VB接收外接电路输入的偏置电压并控制整个跨导放大器结构的直流偏置电流大小；

射频电压信号通过电容C1、C2耦合到非对称差分对组晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4的栅极，经过晶体管的转换作用，在输出端VOUT+、VOUT-形成第一输出电流；射频电压信号通过电容C3、C4耦合到共源级晶体管MN5、MN6的栅极，经过晶体管的转换作用，通过电容C7和C8耦合到输出端VOUT+、VOUT-形成第二输出电流；所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的输出射频电流为第一输出电流与第二输出电流叠加后的电流信号。

下面通过比较对称差分对结构的小信号差分跨导值与本发明的小信号差分跨导值说明本发明能产生有益的技术效果。

图2所示对称差分对结构的小信号差分跨导值的表达式为：

$G_m=\frac{\∂{\mathrm{\ΔI}}_D}{\∂{\mathrm{\ΔV}}_{in}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_{OX}\frac{W}{L}\frac{\frac{4I_{SS}}{{\mathrm{\μC}}_{OX}W/L}-2{\mathrm{\ΔV}}_{in}^2}{\sqrt{\frac{4I_{SS}}{{\mathrm{\μC}}_{OX}W/L}-{\mathrm{\ΔV}}_{in}^2}}$

其中，Δ_ID为差分输出电流信号大小，ΔV_in为差分输入电压信号的大小，I_SS为差分对尾电流的大小，C_OX为M1、M2的栅极氧化层单位面积电容，(W/L)为M1、M2的宽长比，μ为M1、M2的载流子迁移率。上式表明，对称差分对结构的小信号差分跨导值的大小与输入电压信号大小有关，当输入电压大小超过一定范围时，差分对放大电路将发生明显的失真。

与对称差分对结构相比，非对称差分对的差分输入输出关系曲线关于差分输出电压发生了偏移，即其差分输出信号为零时对应的输入信号并不为零。利用上述特性，使用一对关系曲线偏移方向相反的非对称差分对，利用并联的方式，对输出电流信号进行叠加，就可以得到线性范围展宽的小信号跨导特性。即总偏置电流相同的前提下，发生相同程度的失真时，该非对称差分对组所需要的输入电压信号幅度比对称差分对所需要的输入电压信号幅度来得大。上述情况说明了在设计合理的情况下，非对称差分对组能有效地增大输入线性范围。

在本发明中，非对称差分对组使用电阻R1、R2进行直流自偏置，交流信号则通过C1、C2耦合到晶体管MP1、MP2和MN1、MN2、MN3、MN4的栅极；MP1、MP2和MN1、MN2、MN3、MN4均提供小信号跨导；MP1、MP2的尺寸相对较小，因此其过驱动电压较高，能够工作在线性度较高的偏置点。

MP1、MP2、MN5、MN6均具有较小宽长比，使其在正常工作的偏置电流下均具有较高的过驱动电压，小信号跨导的线性度较高，而MN1、MN2、MN3、MN4的宽长比较大，具有较低的过驱动电压，通过非对称差分对组提升整体的线性度。MP1、MP2由于空穴迁移率的原因而能够在同等尺寸和同等电流下达到比MN1～MN4更高的过驱动电压，为了提高电流利用率，可以在不影响线性度的前提下尽量增大MP1、MP2的尺寸来提高电流利用率。

共源放大级由金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6和电容C5与电感L1并联、电容C6与电感L2并联构成的LC并联谐振电路构成，金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6使用大电阻R3、R4进行直流偏置，使用电容C7、C8进行交流耦合。两个共源放大级的金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6，分别充当不对称差分对组的尾电流偏置管，为非对称差分对组提供直流偏置电流，实现偏置电流的复用，同时又具有信号放大的能力，为共源放大级提供小信号增益。由于采用LC并联谐振电路进行交流隔离，因此不消耗直流电压裕度，整个跨导放大器对电源电压的需求与普通五管差分对相同，即总偏置电流相同的前提下，发生相同程度的失真时，该非对称差分对组所需要的输入电压信号幅度比对称差分对所需要的输入电压信号幅度要大。

根据级联系统的噪声系数计算公式，前级模块的资用功率增益越大，对后级模块的噪声抑制能力越强。而第n级模块的资用功率增益的计算式为：

$G_{A,n}={\left(\right|\frac{Z_{in,n}}{Z_{out,n-1}+Z_{in,n}}|\·A_{v,n})}^2\·\frac{R_{out,n-1}}{R_{out,n}}$

其中，Z_in，n为第n级的输入阻抗，Z_out，n-1为第(n-1)级的输出阻抗，A_v，n为第n级的空载电压增益，R_out，n和R_out，n-1分别为第n级和第(n-1)级的输出电阻。由此式可见，增大资用功率增益的途径主要是增大空载电压增益、减小输出电阻。对于整个混频器而言，所谓电压增益可以使用转换电压增益替代，转换电压增益表达式为

A_v，mixer＝g_TC·α·R_out，mixer

其中，g_TC为跨导级的总跨导，α为开关级变频作用的转换系数，R_out，mixer为负载级的电阻大小。将A_v，mixer表达式代入G_A，n表达式，可以得到

$G_{A,mixer}={\left(\right|\frac{Z_{in,mixer}}{Z_{out,LNA}+Z_{in,mixer}}\left|\right)}^2\·{(g_{TC}\·\mathrm{\α})}^2\·R_{out,mixer}\·R_{out,LNA}$

其中，Z_out，LNA为前级的低噪放输出阻抗，Z_in，mixer为跨导级的输入阻抗，R_out，LNA为前级低噪放的输出电阻大小。由上式可知，提高混频器的资用功率增益的方法有增大输入阻抗、增大输出电阻、增大跨导级跨导值等。由于输入阻抗难以随意提高，所以主要的途径就只剩增大输出电阻、增大跨导级跨导值。由于混频器往往具有转换电压增益的指标要求，即A_v，mixer为定值，因为α也为固定值，所以g_TC·R_out，mixer为固定值。在G_A，mixer的表达式中，g_TC为二次项，而R_out，mixer为一次项，因此最佳的提高资用功率增益G_A，mixer的方法就是提高跨导级的跨导值g_TC。

通常，提高跨导级跨导值的方法主要是增大晶体管尺寸和增大直流偏置电流。增大晶体管尺寸的问题是过大的晶体管尺寸会导致晶体管小信号跨导非线性的增强，且差分对的线性输入范围也会压缩。增大直流偏置电流的问题是功耗会大大提高，因为理想情况下，饱和区的金属氧化物半导体场效应晶体管的小信号跨导与直流偏置电流的开方近似呈线性关系，因此通过增大电流来提高跨导的方法效率低下。本发明提出的跨导放大器采用堆叠结构，所有晶体管均起到放大作用，提高了电流的利用率。同时，每个晶体管的宽长比并不很大，因此其输入线性范围较宽。

图3为晶体管尺寸对应的情况下，仿真得到的本发明提出的电流复用高线性度的跨导放大器结构与传统五管差分对结构的输入三阶交调点(IIP3)随直流偏置电流的变化曲线。从结果可以看出，当电流不太大时，本发明提出的结构的IIP3远大于传统结构的IIP3。

图4为晶体管尺寸对应的情况下，仿真得到的本发明提出的电流复用高线性度的跨导放大器结构与传统五管差分对结构的电压增益随直流偏置电流的变化曲线，仿真电路中负载使用200Ω电阻代替。从结果可以看出，在相同的偏置电流下，本发明提出结构的电压增益约比传统五管差分对高3dB。由此可知实现相同的电压增益时，使用本结构可以节省功耗。例如实现-6dB的电压增益，传统结构需要消耗的直流偏置电流约为800uA，而本结构所需的直流偏置电流仅约350uA，不但节省了一半以上的功耗，而且IIP3更高。

综上所述，本发明提出的电流复用高线性度的跨导放大器结构具有高线性度和高偏置电流利用率的特性，相比传统结构具有明显的改进作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电流复用高线性度的跨导放大器结构，作为无线接收链路中的下混频器的射频跨导级，设有正、负输入端VIN+、VIN-，正、负输出端VOUT+、VOUT-和尾电流管偏置电压输入端VB，所述电流复用高线性度的跨导放大器结构通过正、负输入端VIN+、VIN-接收射频电压信号，将射频电压信号转换为射频电流信号并通过正、负输出端VOUT+、VOUT-输出，其特征在于：包括一个非对称差分对组和一对结构相同的共源放大级，非对称差分对组和共源放大级采用堆叠结构连接；

所述非对称差分对组包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管MP1、MP2，N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN1、MN2、MN3、MN4，电容C1、C2、C7、C8和电阻R1、R2，其中NM1和NM2的尺寸相同，NM3和NM4的尺寸相同；MP1、MP2的源极相连，其连接点连接到电源；MP1的栅极、C1的上极板、R1的负端、MN1的栅极、MN4的栅极相连接；MP2的栅极、C2的上极板、R2的负端、MN2的栅极、MN3的栅极相连接；MP1的漏极、MN1的漏极、R1的正端、MN4的漏极、C7的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输出端VOUT-；MP2的漏极、MN2的漏极、MN3的漏极、R2的正端、C8的上极板相连，其连接点作为电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输出端VOUT+；NM1的源极与MN3的源极相连；MN4的源极与MN2的源极相连；MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4为所述非对称差分对组提供小信号增益；

所述共源放大级包括N型金属氧化物半导体场效应晶体管MN5、MN6，电容C3、C4，电阻R3、R4以及由电容C5与电感L1并联、电容C6与电感L2并联构成的两个谐振电路；MN5的栅极、C3的上级板、R3的负端相连；C3的下极板与C1的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的正输入端VIN+；MN5的漏极与C7的下极板、C5的下极板以及L1的负端相连，L1的正端与C5的上极板相连，其连接点与MN1、MN3的源极连接点相连；MN5的源极与MN6的源极相连并接地；MN6的栅极、C4的上级板、R4的负端相连；C4的下极板与C2的下极板相连，其连接点作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的负输入端VIN-；MN6的漏极与C8的下极板、C6的下极板以及L2的负端相连，L2的正端与C6的上极板相连，其连接点与MN2、MN4的源极连接点相连；MN5和MN6为所述共源放大级提供小信号增益，同时作为所述非对称差分对组的尾电流偏置管，为非对称差分对组提供直流偏置电流，实现偏置电流的复用；R3和R4的正端作为所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的尾电流管偏置电压输入端VB，VB接收外接电路输入的偏置电压并控制整个跨导放大器结构的直流偏置电流大小；

射频电压信号通过电容C1、C2耦合到非对称差分对组晶体管MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4的栅极，经过晶体管的转换作用，在输出端VOUT+、VOUT-形成第一输出电流；射频电压信号通过电容C3、C4耦合到共源级晶体管MN5、MN6的栅极，经过晶体管的转换作用，通过电容C7和C8耦合到输出端VOUT+、VOUT-形成第二输出电流；所述电流复用高线性度的跨导放大器结构的输出射频电流为第一输出电流与第二输出电流叠加后的电流信号。

2.根据权利要求1或2所述的一种电流复用高线性度的跨导放大器结构，其特征在于，MP1、MP2、MN5、MN6相对于MN1、MN2、MN3、MN4均具有较小宽长比。