专利名称：一种采用多路噪声抵消的低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低噪声放大器，尤其涉及一种低功耗、高线性度的低噪声放大器电 路，属于射频集成电路技术领域。
背景技术：
随着无线通讯技术和集成电路工艺的发展，低噪声放大器的研究得到了广泛的关 注。低噪声放大器是射频集成电路接收机前端的重要组成部分，主要用于放大天线接收 到的微弱信号供后级模块处理。低噪声放大器不仅需要具有很低的噪声系数，还需要具 有较高的线性度，并且消耗尽量少的电流。传统的低噪声放大器通常采用带源极电感反 馈的共源放大结构，这种结构能够得到较低的噪声系数，但需要采用片上电感，增加了 芯片面积和成本，同时电路的线性度也较差，应用领域受到了局限。采用噪声抵消技术 的低噪声放大器能够在较宽的频带内实现很低的噪声系数，但是电路的功耗过大，线性 度也较差。而采用共栅结构的低噪声放大器具有较高的线性度和较低的功耗，但噪声系 数较大，难以满足实际应用的要求。
图1为差分电容交叉耦合共栅结构低噪声放大器。差分信号从晶体管Mil和M12 的源极输入，漏极输出。源极直流偏置部分101由两个相同的差分阻抗Zll和Z12组成， 其中Zll和Z12可以是电阻、电感或者有源电流镜；负载部分103由两个相同的阻抗Z13 和Z14组成，其中Z13和Z14可以是电阻、电感、或者由电阻-电感-电容组成的任意形 式的无源网络。图中的102部分为交叉耦合的电容-电阻高通滤波网络，目的是将加载在 晶体管Mil和M12源极的输入信号交流耦合到相对的晶体管的栅极，使得加载在晶体管 Mil和M12的栅极和源极之间的电压倍增，从而达到增加电路的增益，降低噪声系数的 目的。假设电路的输入阻抗和源阻抗相匹配，并只考虑输入晶体管的噪声，该电路的理 论最低噪声系数(NF)为
F = l + y/2 (1)
其中参数y为MOS管的沟道噪声系数。 然而这种电路结构的缺点主要在于
1、源极直流偏置部分101和负载部分103的噪声贡献通常很大，不能忽略，这就导致电路的实际噪声系数通常远大于理论最小值；
2、该电路用于窄带射频接收机系统中时，源极直流偏置部分101和负载部分103 通常需要采用片上螺旋电感来得到较好的性能，这会使得设计难度和芯片面积提高，成 本较高；而当该电路应用于宽带射频接收机系统中时，101部分和103部分只能采用电 阻或者晶体管有源器件，对整个电路的噪声贡献较大，性能往往难以满足实际的应用要 求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种改进后的低噪声放大器电路结构，该结构通 过引入额外的电路通路，能够使得输入晶体管的噪声通过多条不同的电路通路后在输出 端得到抵消，从而最大可能的降低了电路的噪声系数和功耗，同时电路的线性度、阻抗 匹配特性等也得到了一定程度的提高，该电路结构同时适用于窄带和宽带射频系统。
一种采用多路噪声抵消的低噪声放大器，包含输入晶体管部分202，负载部分203; 输入晶体管部分202由两个相同的晶体管M21和M22组成，用于放大信号；负载部分 203由两个相同的晶体管M23和M24组成，为输入晶体管202部分提供负载，其源极分 别连接至输入晶体管M21和M22的漏极，差分输出端Vo，其漏极连接至电源，栅极直 流电位连接至电源；还包含，平衡非平衡变压器201，交叉耦合部分204，信号正馈部分
205;
平衡非平衡变压器201，其第1端单端连接至信号源，两个平衡端第2端和第3端 分别连接至输入晶体管M21和M22的源极，第4端和第5端接地；
交叉耦合部分204由两个电阻-电容高通滤波电路C21-R21和C22-R22组成，其中 电容C21的两端分别连接至输入晶体管M21的源极和M22的栅极，电容C22的两端分 别连接至输入晶体管M22的源极和M21的栅极，与输入晶体管相连形成交叉耦合组态， 使得输入晶体管M21和M22的栅极和源极之间的交流输入信号电压差增加或倍增；
信号正馈部分205，由两个电阻电容高通滤波电路C23-R23和C24-R24组成，提供 额外的信号通路和噪声抵消通路，在不消耗额外功耗的前提下提高电路的增益，降低噪 声系数。
所述输入晶体管部分202，其栅极直流电位由偏置电压Vb确定，源极分别连接至平 衡非平衡变压器的两个平衡端，漏极连接至负载和输出端Vo。
平衡非平衡变压器的两个平衡端与输入晶体管直流连接，从而在不消耗直流压降情况下为输入晶体管提供了直流通路，不再需要额外的偏置器件(电阻、电感或者MOS 管电流镜)为输入晶体管提供直流偏置，同时不再需要将输入信号交流耦合至芯片所需 的片外电容。
差分输入晶体管的源极和栅极采用交叉耦合连接的方法，即每个输入晶体管的源极 分别与平衡-非平衡变压器的两个平衡端相连的情况下，通过两个电阻-电容高通滤波电路 将差分输入信号分别耦合到相对的晶体管的栅极，从而使得直流功耗相同的前提下，每 个输入晶体管的栅源之间的交流输入电压倍增，这样在电路功耗不变的前提下得到了双 倍的跨导，使得电路噪声系数降低、线性度增加。
电路负载采用两个二极管连接形式的N型晶体管，能够提高电路线性度，稳定输出 直流电压。此外，两个负载晶体管的栅极通过电阻-电容高通滤波电路分别与平衡-非平衡 变压器的两个平衡端相连，在消耗同样电流的前提下提供了一条额外的提高电路增益、 降低噪声系数的通路。
采用两对电阻-电容高通滤波网络将差分输入信号交流耦合至与之相对的输入晶体 管的栅极，以形成电容交叉耦合组态。
采用两对电阻-电容高通滤波网络将差分输入信号交流耦合至负载晶体管的栅极，为 电路从输入到输出之间提供一条额外的正馈通路。能够在电路功耗不变的前提下提高电 压增益，同时能够抵消输入管的噪声贡献，降低电路噪声系数。
所述晶体管既是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，或双极结晶体管(BJT)。
所述低噪声放大器电路结构适用于窄带和宽带射频系统。
采用两对电阻-电容高通滤波网络将差分输入信号交流耦合至负载晶体管的栅极，为 电路从输入到输出之间提供一条额外的正馈通路。能够在电路功耗不变的前提下提高电 压增益，同时能够抵消输入管的噪声贡献，降低电路噪声系数。
图1为差分电容交叉耦合共栅结构低噪声放大器； 图2为本发明介绍的包含片外Balun的低噪声放大器电路； 图3为平衡-非平衡变压器对电路噪声降低作用的原理图； 图4为电容交叉耦合结构对电路噪声降低作用的原理图； 图5为电容正馈通路对电路噪声降低作用的原理具体实施例方式
下面结合附图进一步具体描述本发明。 图2所示为本发明的具体电路图。图中包括
平衡非平衡变压器201,可以采用片外分立元件或者片上集成的方式。其第1端(单 端)连接至信号源，第2端和第3端(两个平衡端)分别连接至输入晶体管M21和M22 的源极，第4端和第5端接地。
平衡非平衡变压器201的两个平衡端与输入晶体管直流连接，从而在不消耗直流压 降的情况下为输入晶体管提供了直流通路，不再需要额外的偏置器件(电阻、电感或者 MOS管电流镜)为输入晶体管提供直流偏置，同吋不再需要将输入信号交流耦合至芯片 所需的片外电容。
输入晶体管部分202，由两个相同的晶体管M21和M22组成，用于放大信号。其栅 极直流电位由偏置电压Vb确定，源极分别连接至平衡非平衡变压器的两个平衡端，漏极 连接至负载和输出端Vo。
差分输入晶体管202的源极和栅极采用交叉耦合连接的方法，即每个输入晶体管的 源极分别与平衡-非平衡变压器的两个平衡端相连的情况下，通过两个电阻-电容高通滤波 电路将差分输入信号分别耦合到相对的晶体管的栅极，从而使得直流功耗相同的前提下， 每个输入晶体管的栅源之间的交流输入电压倍增，这样在电路功耗不变的前提下得到了 双倍的跨导，使得电路噪声系数降低、线性度增加。
负载部分203，由两个相同的晶体管M23和M24组成，为输入晶体管202部分提供 负载。其源极分别连接至输入晶体管M21和M22的漏极(差分输出端Vo)，其漏极连 接至电源，栅极直流电位连接至电源。
电路负载采用两个二极管连接形式的N型晶体管，能够提高电路线性度，稳定输出 直流电压。此外，两个负载晶体管的栅极通过电阻-电容高通滤波电路分别与平衡-非平衡 变压器的两个平衡端相连，在消耗同样电流的前提下提供了一条额外的提高电路增益、 降低噪声系数的通路。
交叉耦合部分204，由两个电阻-电容高通滤波电路C21-R21和C22-R22组成。其中 电容C21的两端分别连接至输入晶体管M21的源极和M22的栅极，电容C22的两端分 别连接至输入晶体管M22的源极和M21的栅极。其目的在于使得输入晶体管M21和M22 的栅极和源极之间的交流输入信号电压差增加或倍增。
采用两对电阻-电容高通滤波网络将差分输入信号交流耦合至与之相对的输入晶体管的栅极，以形成电容交叉耦合组态。
信号正馈部分205，由两个电阻电容高通滤波电路C23-R23和C24-R24组成，其目 的是提供额外的信号通路和噪声抵消通路，在不消耗额外功耗的前提下提高电路的增益, 降低噪声系数。
输入晶体管M21和M22的沟道热噪声(Channel Thermal Noise)是传统的共源或共栅
型低噪声放大器的主要噪声源。沟道热噪声可以等效为一个从晶体管漏极到源极的噪声 电流，该电流在晶体管的漏极和源极分别产生两个噪声电压。漏极的噪声电压作用到电 路的输出端Vo，使得电路噪声系数很大。为了降低电路的噪声系数，可以将晶体管源极 的噪声电压通过额外的电路通路传递到输出端，得到与晶体管漏极相位相反的噪声电压。 由于二者存在相关性，因此能够相互抵消，从而降低输出端的噪声幅度，使得电路的噪 声系数得到降低。对于差分输出的电路，只需要降低输出端的差模噪声幅度，即可达到 降低电路噪声系数的目的。
为了尽可能减小输入管M21和M22的噪声贡献，本发明采用了三条降低噪声的通路 和方法。下面将分别进行说明
1、 平衡-非平衡变压器201:
平衡-非平衡变压器对电路噪声的降低作用原理如图3所示。由图可以看到，由于平 衡-非平衡变压器各端子的相互耦合作用，晶体管M21源端的噪声电压会耦合到晶体管 M22的源端。对理想的平衡-非平衡变压器而言，晶体管M22源端的噪声电压和晶体管 M21源端的噪声电压的幅度相同而相位相反。而晶体管M22源端的噪声电压通过晶体管 M22的共栅放大结构进一步放大到输出端，如图3中的红色虚线所示。这样在两个差分 输出端的差模噪声得到降低，从而降低了电路的噪声系数。
2、 电容交叉耦合
电容交叉耦合结构对电路噪声的降低作用原理如图4所示。由图可以看到，晶体管 M21源端的噪声电压通过电容-电阻网络C21-R21耦合到晶体管M22的栅极，再通过晶 体管M22的共源放大结构放大到输出端，如图4中的红色虚线所示。由于电容耦合保持 相位不变，而共源放大使得相位相反，因此在输出端同样可以得到同相的共模噪声，降 低了输出差模噪声，从而降低了电路的噪声系数。
3、 电容正馈通路
电容正馈通路对电路噪声的降低作用原理如图5所示。由图可以看到，晶体管M21源端的噪声电压通过电容-电阻网络C23-R23耦合到晶体管M23的栅极，再通过晶体管 M23的源极跟随结构放大到输出端，如图5中的红色虚线所示。由于电容耦合和源极跟 随都保持相位不变，因此在输出端同样可以得到同相的共模噪声，降低了输出差模噪声， 从而降低了电路的噪声系数。
本发明中的晶体管既可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，也适用于双 极结晶体管(BJT)电路
采用上述三种降低电路噪声系数的方法后，电路的噪声系数为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中ly为输入晶体管的噪声贡献，lr为负载晶体管的噪声贡献。与公式(l)相比，输 20 25
入晶体管的噪声贡献降低了 10倍。
本发明通过引入额外的电路通路，多条噪声抵消通路，能够使得输入晶体管的噪声 通过多条不同的电路通路后在输出端得到抵消，从而最大可能的降低了电路的噪声系数 和功耗，同时电路的线性度、阻抗匹配特性等也得到了一定程度的提高。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种采用多路噪声抵消的低噪声放大器，包含输入晶体管部分202，负载部分203；输入晶体管部分202由两个相同的晶体管M21和M22组成，用于放大信号；负载部分203由两个相同的晶体管M23和M24组成，为输入晶体管202部分提供负载，其源极分别连接至输入晶体管M21和M22的漏极，差分输出端Vo，其漏极连接至电源，栅极直流电位连接至电源；其特征在于，还包含，平衡非平衡变压器201，交叉耦合部分204，信号正馈部分205；平衡非平衡变压器201，其第1端单端连接至信号源，两个平衡端第2端和第3端分别连接至输入晶体管M21和M22的源极，第4端和第5端接地；交叉耦合部分204由两个电阻-电容高通滤波电路C21-R21和C22-R22组成，其中电容C21的两端分别连接至输入晶体管M21的源极和M22的栅极，电容C22的两端分别连接至输入晶体管M22的源极和M21的栅极，与输入晶体管相连形成交叉耦合组态，使得输入晶体管M21和M22的栅极和源极之间的交流输入信号电压差增加或倍增；信号正馈部分205，由两个电阻电容高通滤波电路C23-R23和C24-R24组成，提供额外的信号通路和噪声抵消通路，在不消耗额外功耗的前提下提高电路的增益，降低噪声系数。
2、 根据权利要求l所述的低噪声放大器，其特征在于所述输入晶体管部分202，其栅极直流电位由偏置电压Vb确定，源极分别连接至平衡非平衡变压器的两个平衡端，漏极连接至负载和输出端Vo。
3、 根据权利要求1所述的低噪声放大器电路，其特征在于所述差分输入晶体管的源极和栅极采用交叉耦合连接的方法，即每个输入晶体管的源极分别与平衡-非平衡变压器的两个平衡端相连的情况下，通过两个电阻-电容高通滤波电路将差分输入信号分别耦合到相对的晶体管的栅极，从而使得直流功耗相同的前提下，每个输入晶体管的栅源之间的交流输入电压倍增，这样在电路功耗不变的前提下得到了双倍的跨导，使得电路噪声系数降低、线性度增加。
4、 根据权利要求l所述的低噪声放大器，其特征在于所述信号正馈部分205采用两对电阻-电容高通滤波网络将差分输入信号交流耦合至负载晶体管203的栅极，为电路从输入到输出之间提供一条额外的正馈通路。
5、 根据权利要求1或2或3或4所述的低噪声放大器，其特征在于，所述晶体管既是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，或双极结晶体管(BJT)。
全文摘要
本发明公开了一种采用多路噪声抵消的低噪声放大器电路，该低噪声放大器包含一个直流连接的平衡非平衡变压器(Balun)，一对交叉耦合连接的输入晶体管，其源极分别直接连接至平衡非平衡变压器的两个平衡端，其栅极分别交流耦合连接至与其源极连接相异的平衡非平衡变压器的两个平衡端，一对晶体管负载，其栅极分别交流耦合连接至平衡-非平衡变压器的两个平衡端，两对电阻-电容(R-C)高通滤波网络，与输入晶体管相连形成交叉耦合组态，两对电阻-电容高通滤波网络，将输入信号交流耦合至晶体管负载管的栅极。本发明的主要目的是通过多路噪声抵消技术，实现低噪声系数和高线性度，同时只消耗很低的功耗。
文档编号H03F3/45GK101483409SQ20081003255
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者唐长文, 廖友春, 路 袁, 金黎明 申请人:上海锐协微电子科技有限公司