CN206712752U

CN206712752U - 应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器

Info

Publication number: CN206712752U
Application number: CN201720608416.0U
Authority: CN
Inventors: 吴晨健; 安景慧
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2027-05-27

Abstract

本实用新型公开了一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路，第一级放大电路采用电阻反馈共源电路结构，第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构。

Description

应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器

技术领域

本实用新型属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器广泛应用于通讯、雷达、遥测遥控以及各种高精度测量系统。低噪声放大器是射频接收机最前端的关键组件，主要作用是将天线从空中接收到的微弱射频信号进行放大，同时只引入比较小的噪声。作为接收机的第一级有源模块，低噪声放大器的性能好坏对整个接收机系统性能起着决定性作用。想要设计出兼具高增益、低功耗、线性度适中的低噪声放大器是非常困难的，通常需要在这些性能之间权衡。因此，设计一款低功耗、高增益、线性度适中的低噪声放大器电路具有较为广泛的应用前景和应用价值。

当前大多数低噪声放大器都是以牺牲某一性能指标来优化另一性能指标。为了获得高增益，人们会采用多级放大器级联的方式，如图1所示，但往往会增大整体电路的功耗和噪声系数。为了实现低噪声，人们通常采用交叉耦合差分结构，如图2所示，差分输入、差分输出需要额外的巴伦以及耦合电容都会增大整体电路的版图面积。

为了尽量同时满足高增益、低功耗、合适的线性度、低噪声系数，一些有关低噪声放大器的技术被提出并广泛应用。采用电流复用技术来提高电流效率；采用跨导增强技术提高增益；采用亚阈区技术实现很低的功耗；采用正向体偏置技术为低电压设计提供条件等。研究这些技术的交叉使用以及进一步优化创新采用这些技术的电路结构将是未来低噪声放大器研究发展的一个趋势。

有鉴于目前低噪声放大器存在的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种兼具低功耗，高增益，线性度适中的低噪声放大器，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为了克服上述的技术问题，本实用新型的目的在于提出一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，采用电流复用、噪声抵消电路结构，实现低功耗、低噪声、高增益以及适中的线性度。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种技术方案：一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路，

第一级放大电路采用电阻反馈共源电路结构，它包括PMOS管MP、NMOS管MN和反馈电阻R_f，PMOS管MP的源极连接偏置电压vb，PMOS管MP的漏极和NMOS管MN的漏极分别与反馈电阻R_f的一端相连接，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极分别与反馈电阻R_f的另一端以及输入匹配电路相连接，NMOS管MN的源极接地；

第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构，它包括NMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M6、电阻R_L1、电阻R_L2以及电容C1，电阻R_L1的一端连接电源VDD且另一端分别与NMOS管M1的漏极和PMOS管M5的栅极相连接，NMOS管M1的栅极连接偏置电压vgn，PMOS管M2的栅极连接偏置电压vgp，NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极与PMOS管M5的漏极、NMOS管M6的漏极相连接，并且NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极与PMOS管MP的漏极、NMOS管MN的漏极直接连接或通过一部件相连接，PMOS管M2的漏极、电阻R_L2的一端与NMOS管M6的栅极相连接，R_L2的另一端接地，PMOS管M5的源极连接电源VDD，NMOS管M6的源极接地，电容C1的两端分别连接NMOS管M1的漏极、PMOS管M2的漏极；NMOS管M1的漏极为应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输出端。

进一步地，输入匹配电路包括电容C_in和电感L_in，电容C_in的一端接地且另一端与电感L_in的一端相连接，L_in的另一端与PMOS管MP的栅极、NMOS管MN的栅极以及反馈电阻R_f的另一端相连。

更进一步地，电感L_in的一端为应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输入端。

进一步地，第一级放大电路还包括电容C，电容C的一端与PMOS管MP的漏极、NMOS管MN的漏极相连接，另一端与NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极相连接。

本实用新型还提出了另一种技术方案：一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路，

第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构，它包括PMOS管M3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M4、PMOS管M5、NMOS管M6以及电容C1，PMOS管M3的栅极、NMOS管M4的栅极连接偏置电压vr，NMOS管M1的栅极连接偏置电压vgn，PMOS管M2的栅极连接偏置电压vgp，PMOS管M3的源极和PMOS管M5的源极连接电源VDD，NMOS管M4和NMOS管M6的源极接地，PMOS管M3的漏极、NMOS管M1的漏极与PMOS管M5的栅极相连接，PMOS管M2的漏极、NMOS管M4的漏极与NMOS管M6的栅极相连接，NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极与PMOS管M5的漏极与NMOS管M6的漏极相连接，电容C1的两端分别连接NMOS管M1的漏极和PMOS管M2的漏极；NMOS管M1的漏极为应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输出端。

本实用新型所提出的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，输入匹配电路，用于实现输入阻抗匹配；第一级放大电路，主要用于提高增益，实现宽带输入阻抗匹配；第二级放大电路，主要用于降低噪声，提高线性度，降低功耗。

通过采用上述技术方案，本实用新型的应用于无线传感器网络的宽带低噪声放大器至少具有以下优点及显著效果：

(1)结构简单：第一级放大电路采用电阻反馈共源结构，晶体管栅极电压由反馈电阻自偏置提供，不需要额外的偏置电路，NMOS和PMOS晶体管层叠增大了有效跨导，可以提供较高的增益，并且该结构可以实现宽带输入阻抗匹配；第二级放大电路采用有源并联反馈共栅结构，负载采用有源负载，避免大电感、大电容的使用，节约整体电路的面积。

(2)功耗低：在实现50Ω输入阻抗匹配要求下，本实用新型采用电流复用技术和亚阈值区技术可以大幅度降低功耗，在增益(15dB)相近的条件下，本实用新型功耗为2.86mW(1.8V电源电压)，而采用交叉耦合技术的传统低噪声放大器需要约12mW的功耗(1.8V电源电压)。

(3)噪声小：本实用新型采用噪声抵消技术，通过构造噪声抵消回路电路消除部分噪声，且噪声抵消回路不会影响增益、功耗等性能。

(4)芯片面积极小：除了输入匹配电路需要使用电感，本实用新型的低噪声放大器的核心放大电路实现了无电感，大幅度节约了芯片面积。

(5)高增益：本实用新型采用有源负载，相比电阻负载可以降低负载上的直流压降，同时采用跨导增强技术提高MOS管的等效跨导，从而提高电压增益。

(6)本实用新型仿真结果均在2.4GHz频段下进行，通过调整元件参数，本实用新型结构也可以应用于其他各频段。本实用新型采用CMOS工艺，在射频电路中具有较大优势，设计结构简单，在改善噪声性能与增益同时，将功耗大幅度降低，具有较大的输入匹配带宽，在0.09～2.7GHz频带范围内具有较高的增益且具有较小的噪声系数。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为背景技术中传统多级放大器级联低噪声放大器电路图；

图2为背景技术中传统交叉耦合差分结构低噪声放大器电路图；

图3为本实用新型应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的电路图(负载为电阻)；

图4为本实用新型应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的电路图(负载为MOS管)；

图5是本实用新型用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器中第二级放大电路的有源并联反馈共栅结构噪声机理图；

图6是本实用新型的增益、噪声系数仿真图，其中虚线表示增益，实线表示噪声系数；

图7是本实用新型的输入1dB压缩点仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参照附图3，本实施例中的一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路。

输入匹配电路包括电容C_in和电感L_in，电容C_in的一端接地且另一端与电感L_in的一端相连接，L_in的另一端与PMOS管MP的栅极、NMOS管MN的栅极以及反馈电阻R_f的另一端相连。电感L_in的一端为应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输入端。

第一级放大电路采用电阻反馈共源电路结构，它包括PMOS管MP、NMOS管MN和反馈电阻R_f，PMOS管MP的源极连接偏置电压vb，PMOS管MP的漏极和NMOS管MN的漏极分别与反馈电阻R_f的一端相连接，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极分别与反馈电阻R_f的另一端以及输入匹配电路相连接，NMOS管MN的源极接地。在一种优选的实施方案中，第一级放大电路还包括电容C，电容C的一端与PMOS管MP的漏极、NMOS管MN的漏极相连接，另一端与下面将要描述的NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极相连接。

第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构，它包括NMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M6、电阻R_L1、电阻R_L2以及电容C1，电阻R_L1的一端连接电源VDD且另一端分别与NMOS管M1的漏极和PMOS管M5的栅极相连接，NMOS管M1的栅极连接偏置电压vgn，PMOS管M2的栅极连接偏置电压vgp，NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极与PMOS管M5的漏极、NMOS管M6的漏极相连接，并且NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极与PMOS管MP的漏极、NMOS管MN的漏极直接连接或通过一部件相连接，PMOS管M2的漏极、电阻R_L2的一端与NMOS管M6的栅极相连接，R_L2的另一端接地，PMOS管M5的源极连接电源VDD，NMOS管M6的源极接地。电容C1的两端分别连接NMOS管M1的漏极、PMOS管M2的漏极；NMOS管M1的漏极为应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输出端。

参照附图4，本实施例还提出了另一种技术方案：一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路。

第一级放大电路采用电阻反馈共源电路结构，它包括PMOS管MP、NMOS管MN和反馈电阻R_f，PMOS管MP的源极连接偏置电压vb，PMOS管MP的漏极和NMOS管MN的漏极分别与反馈电阻R_f的一端相连接，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极分别与反馈电阻R_f的另一端以及输入匹配电路相连接，NMOS管MN的源极接地。第一级放大电路还包括电容C，电容C的一端与PMOS管MP的漏极、NMOS管MN的漏极相连接，另一端与下面将要描述的NMOS管M1的源极、PMOS管M2的源极相连接。

第一级放大电路的电阻反馈共源电路结构是在电阻反馈式结构上做的改进，它是把一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管层叠在同一股电流通路中，实现了电流复用，同时，该结构可以在低供电电压下工作，因此可以实现理想的低功耗。同时，该结构提高了放大级的有效输入跨导G_M，G_M＝G_MP+G_MN，可以进一步提高增益，但不会增加电路的直流功耗。反馈电阻R_f可以为NMOS和PMOS的栅极提供自偏置直流电压，不需要额外添加直流电源，但是R_f的存在，导致输入和输出直接耦合，恶化晶体管MN和MP的热噪声。通过分析小信号等效电路，输入阻抗Z_in和噪声系数NF可以表示为

式(1)中，Z₂为下一级共栅结构的输入阻抗；式(2)中，ω₀为工作频率，ω_T为截止频率。经过计算，通过调节器件参数，对电路进行优化调试，使其在输入阻抗匹配和噪声系数之间有良好的折中，同时这些性能的改善不会牺牲噪声、线性度等其他性能。

第二级放大电路的有源并联反馈共栅电路结构中NMOS和PMOS的反相器类型结构，目的是在输入级晶体管复用反馈晶体管的电流，因此将NMOS和PMOS晶体管翻转，反馈晶体管M5和M6的电流无论在M1还是M2中都被复用，带来更高的电流效率和更低的功耗。M3和M4是有源负载阻抗，选择有源负载可以在低V_ds时输出端保持恒定阻抗，增大放大管M1和M2的电压余量。电容C1集合晶体管的输出电流。晶体管M5和M6是共源极放大器，用来完成并联反馈网络。为了避免其他去耦电容的使用以及它的相关面积和寄生效应，M5和M6被直流耦合到M1和M2的输出并被偏置在弱反型区。

当最小化电流消耗时，有源并联反馈在低噪声放大器的输入阻抗与50Ω匹配能力中起着重要的作用。通过考虑电容C1的阻抗是可以忽略不计的，其输入阻抗可以写为

其中，g_oi是晶体管Mi的输出跨导，C_gsi是晶体管Mi的栅源电容，R_L1和R_L2为晶体管M3和M4的等效有源负载阻抗，A＝(g_m5+g_m6)(R_L1∣∣R_L2)，G₁＝g_m1+g_o1，G₂＝g_m2+g_o2和C_gs＝C_gs1+C_gs2。从式(3)可以看出，为了提供一个接近50Ω的输入阻抗需要一个高的的g_m5和g_m6。通过调试仿真发现，在g_m5和g_m6低于5mS时，输入阻抗匹配可以实现，这意味着一个低功耗的输入匹配网络是可行的。在低频时，为了简化忽略输出电导，输入匹配条件简化为

式(4)清楚地表明反馈网络使有效g_m增强了(1+A)倍，这使得电路能在低功耗下实现好的输入匹配。

假设节点V2和节点V3通过C1理想地交流耦合在一起，所有的晶体管M1～M6都对低噪声放大器的增益有贡献。在这种假设下提出的低噪声放大器的增益可以表达为

其中，G＝g_m1+g_m2+g_o1+g_o2，Z_L＝Z_L1+Z_L2，Z_L＝Z_L1+Z_L2分别是节点V2和节点V3的阻抗。式(3)和(5)强调了在好的输入匹配和高增益之间的基本折中。增加g_m3减小了输入阻抗，但是以更低的电压增益为代价。

该有源并联反馈共栅结构的主要噪声源是晶体管M1～M4的漏电流噪声M5和M6的感应栅噪声以及负载电阻的热噪声γ是热噪声系数，α是g_m/g_d0。在这个分析中，假设晶体管的输出阻抗无限大，因为晶体管的栅噪声(Rg)可以通过适当的版图技术最小化，所以忽略不计。然而，偏置在弱反型区的M5和M6的感应栅噪声被考虑。首先，需要讨论低噪声放大器的噪声机理。为了简化，仅考虑M1的噪声贡献和只有M6并联反馈时的噪声系数，且负载为R_L1和R_L2，有源并联反馈共栅结构的噪声机理如图5所示。

噪声电流在节点V2产生了一个噪声电压，在节点V1产生了一个小振幅、相位相反的相关噪声电压，节点V1的噪声电压被M2放大出现在节点V3。如果节点V2和节点V3间的阻抗足够小，V2和V3间的噪声电压(相位相反)被叠加在一起，部分M1的噪声被消除。噪声消除机理也被用于M2产生的噪声，通过噪声消除回路M5抵消。相反，如果节点V2和节点V3没有交流耦合在一起，除了在节点V2的所有M1噪声，M2的部分没有抵消的噪声也被相加。

本次实用新型的有源并联反馈共栅结构的噪声消除机理不同于传统的噪声消除技术。传统的噪声消除技术中匹配器件的噪声通过一个额外的对输入阻抗匹配没有帮助的增益级抵消。在这种情况下，放大器的噪声系数被额外的增益级的噪声系数决定，而本实用新型输入匹配器件(M1和M2)的噪声被C1部分抵消，使M1和M2的噪声贡献和一个g_m等于(g_m1+g_m2)的单一带并联反馈的共栅极晶体管一样。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路，

所述的第一级放大电路采用电阻反馈共源电路结构，它包括PMOS管MP、NMOS管MN和反馈电阻R_f，所述PMOS管MP的源极连接偏置电压vb，所述PMOS管MP的漏极和所述NMOS管MN的漏极分别与所述反馈电阻R_f的一端相连接，所述PMOS管MP的栅极和所述NMOS管MN的栅极分别与反馈电阻R_f的另一端以及所述输入匹配电路相连接，所述NMOS管MN的源极接地；

所述的第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构，它包括NMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5、NMOS管M6、电阻R_L1、电阻R_L2以及电容C1，所述电阻R_L1的一端连接电源VDD且另一端分别与所述NMOS管M1的漏极和所述PMOS管M5的栅极相连接，所述NMOS管M1的栅极连接偏置电压vgn，所述PMOS管M2的栅极连接偏置电压vgp，所述NMOS管M1的源极、所述PMOS管M2的源极与所述PMOS管M5的漏极、所述NMOS管M6的漏极相连接，并且所述NMOS管M1的源极、所述PMOS管M2的源极与所述PMOS管MP的漏极、所述NMOS管MN的漏极直接连接或通过一部件相连接，所述PMOS管M2的漏极、所述电阻R_L2的一端与所述NMOS管M6的栅极相连接，所述R_L2的另一端接地，所述PMOS管M5的源极连接所述电源VDD，所述NMOS管M6的源极接地，所述电容C1的两端分别连接所述NMOS管M1的漏极、所述PMOS管M2的漏极；所述NMOS管M1的漏极为所述应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的输入匹配电路包括电容C_in和电感L_in，所述电容C_in的一端接地且另一端与所述电感L_in的一端相连接，所述L_in的另一端与所述PMOS管MP的栅极、所述NMOS管MN的栅极以及反馈电阻R_f的另一端相连。

3.根据权利要求2所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的电感L_in的一端为所述应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输入端。

4.根据权利要求1所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级放大电路还包括电容C，所述电容C的一端与所述PMOS管MP的漏极、所述NMOS管MN的漏极相连接，另一端与所述NMOS管M1的源极、所述PMOS管M2的源极相连接。

5.一种应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：它包括依次相连接的输入匹配电路、第一级放大电路和第二级放大电路，

所述的第二级放大电路采用有源并联反馈共栅电路结构，它包括PMOS管M3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M4、PMOS管M5、NMOS管M6以及电容C1，所述PMOS管M3的栅极、所述NMOS管M4的栅极连接偏置电压vr，所述NMOS管M1的栅极连接偏置电压vgn，所述PMOS管M2的栅极连接偏置电压vgp，所述PMOS管M3的源极和所述PMOS管M5的源极连接电源VDD，所述NMOS管M4和所述NMOS管M6的源极接地，所述PMOS管M3的漏极、所述NMOS管M1的漏极与所述PMOS管M5的栅极相连接，所述PMOS管M2的漏极、所述NMOS管M4的漏极与所述NMOS管M6的栅极相连接，所述NMOS管M1的源极、所述PMOS管M2的源极与所述PMOS管M5的漏极与所述NMOS管M6的漏极相连接，所述电容C1的两端分别连接所述NMOS管M1的漏极和所述PMOS管M2的漏极；所述NMOS管M1的漏极为所述应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输出端。

6.根据权利要求5所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的输入匹配电路包括电容C_in和电感L_in，所述电容C_in的一端接地且另一端与所述电感L_in的一端相连接，所述L_in的另一端与所述PMOS管MP的栅极、所述NMOS管MN的栅极以及反馈电阻R_f的另一端相连。

7.根据权利要求6所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的电感L_in的一端为所述应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器的输入端。

8.根据权利要求5所述的应用于无线传感器网络的宽带低功耗低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级放大电路还包括电容C，所述电容C的一端与所述PMOS管MP的漏极、所述NMOS管MN的漏极相连接，另一端与所述NMOS管M1的源极、所述PMOS管M2的源极相连接。