专利名称：一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明是关于射频通讯技术领域中的射频接收机设计，具体涉及一种低功耗单端输入 差分输出低噪声放大器。
背景技术：
随着无线通信技术和CMOS集成电路工艺的的迅猛发展，无线终端小型化、低功耗、 低成本、高性能已成为射频集成电路(RFIC)发展的必然趋势。在射频接收机设计中，要得到良好的总体系统性能，关键在于性能优越的前端。射频 接收机的第一级模块低噪声放大器(LNA)是其中最关键的电路之一，如图1所示，单端输 入差分输出低噪声放大器的功能是在尽可能低地产生噪声的前提下，对射频信号进行放 大，以降低后面各级模块产生的噪声对信号的影响。LNA需要具有良好的噪声系数，并提供 足够的增益，以确保整个接收系统具有最小NF;同时当接收信号较大时,应有足够的线性度 以减小信号失真。此外低噪声放大器的前级通常为分立的射频带通滤波器，由于滤波器的 传输特性与终端所接负载有很大关系，低噪声放大器的输入阻抗必需符合滤波器的规定， 在射频领域，该阻抗通常设定为一个统一的纯电阻值50欧姆。当前射频接受机前端模块LNA和mixer使用方案主要有单端LNA和单平衡混频器； 片外Balun、差分LNA和双平衡混频器；以及单端输入差分输出LNA和双平衡混频器。随着电路集成度的提高，特别是随着把RF电路和Baseband电路集成在一起的SOC的 发展，衬底耦合噪声变得越来越严重，单端放大器、mixer等对衬底耦合没有抑制能力， 衬底耦合会极大影响低噪声放大器和mixer的性能，最终大大恶化系统接收机的性能。差分LNA和双平衡混频器方案可以较好抑制共模噪声的影响，但是需要使用一个额外 的平衡转换器Balun把天线接收的单端信号转化为差分信号。平衡转换器很难片上集成， 需要使用片外元件，而且会引入1-3dB的损耗，这将大大恶化射频接收机的灵敏度(约 l-3dB)，降低系统的集成度，提高系统成本。因此，传统的单端输入差分输出低噪声放大器不能很好地解决差分输出信号中增益、 幅度、相位之间的失配问题，特别是差分信号的噪声失配严重，而且功耗很大。发明内容本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种低功耗的单端输入差分输出低噪声放大 器，以在低功耗低噪声放大信号的基础上，实现幅度、相位、噪声输出匹配的差分信号， 满足后续电路对高质量差分信号的要求。本发明的技术方案是一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，包括输入匹配电路和输出负载匹配电路， 其特征在于，还包括相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大 电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，在第一级放大电路和第二级共源放大电路之 间增加设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入 第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号流向第二级共源放大电路的源 端，所述第二级共栅放大电路和所述第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。所述第一级放大电路可为共源放大电路，所述共源放大电路和共栅放大电路分别包括一 NM0S晶体管，即所述第一级共源放大电路的NM0S晶体管Ml的栅端与输入匹配电路连 接，第一级共源放大电路的NM0S晶体管Ml的漏端与所述第二级共栅放大电路的陋0S晶 体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源放大电路的NM0S晶体管M1的漏端还与一电 容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NM0S晶体管M3的栅极连接，第二 级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的漏端和第二级共源放大电路的NMOS晶体管M3的漏端 分别与各自的输出负载匹配电路连接。所述控制电路可包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源放大 电路的画OS晶体管Ml的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NMOS 晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。所述第一级放大电路可为共源共栅放大电路，即所述第一级共源共栅放大电路包括相 互连接的函OS晶体管Ml和NMOS晶体管M4，所述第二级共栅放大电路包括一 NMOS晶体管 M2 ，所述第二级共源放大电路包括一NMOS晶体管M3 ，所述第一级共源共栅放大电路的 NM0S晶体管Ml的栅端与输入噪声匹配电路连接，上述NMOS晶体管Ml的漏端和所述第一 级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M4的源端相连，所述第一级共源共栅放大电路的醒0S 晶体管M4的栅端接偏置电压，所述第一级共源共栅放大电路的NM0S晶体管M4的漏端与 所述第二级共栅放大电路的NM0S晶体管M2的源端连接，同时，所述第一级共源共栅放大 电路的NM0S晶体管M4的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电 路的NM0S晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NM0S晶体管M2和第二级共源放 大电路的NM0S晶体管M3的漏端分别与输出负载匹配电路连接。所述控制电路可包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源共栅 放大电路的NM0S晶体管M4的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的 NM0S晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。所述输入匹配电路可包括一电容C1、 一电感Lg和另一电感Ls，所述第一级共源放大 电路或第一级共源共栅放大电路的NM0S晶体管Ml的栅极连接上述电感Lg和上述电容Cl， 电容Cl的另一端与电感Ls和上述NM0S晶体管Ml的源端相连，电感Ls的另一端与地连 接。所述输出负载匹配电路可包括一电容Cd、 一电感Ld和一电阻Rd，所述电感Ld与所 述电阻Rd串联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接。所述电感Lg可与一并联的电容C2和电感L2连接。 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果是(1) 控制流过第二级共源放大电路M3的直流电流流向第一级共源放大电路M1，实现重 复利用该电流实现电流复用的目的，利用此技术可以使系统的功耗降低一半且大大提高系 统的噪声性能；(2) 控制第一级共源放大电路M1输出的射频信号，使它们只能流过第二级共源放大电 路M3的栅极和第二级共栅放大电路M2的漏极。避免射频信号流向M3的源端，干扰系统 的增益和噪声性能；(3) 直流电流和射频信号的控制电路中，Lds两个节点的寄生电容在工作频率谐振， 减小Lds两个节点的寄生电容对系统增益和噪声性能的影响；(4) 直流电流和射频信号的控制电路给系统提供了三个自由度，便于调整输出信号增 益、相位和噪声的匹配，有利于实现匹配的差分输出信号。(5) 放大器的结构对称，容易实现增益、相位、噪声高度对称的差分输出信号，特别适 用于射频信号，且用较少的元器件实现了单端输入差分输出低噪声放大功能，降低了射频 接收机的复杂性；(6) 低成本为了获得更优的系统性能，射频接收机前端一般可使用差分低噪声放大器 和双平衡混频器，这需要射频接收机的输入是一个差分信号，但是天线实际接收的只是单 端信号，需要使用片外Balun把天线接收的单端信号转化为差分信号。本发明可以在不影 响系统性能的基础上，不用片外Balun，利于CMOS工艺集成，节约了射频接收机的成本； 进一步提高了射频接收机前端的集成度和便携性，提高了射频接收机系统的稳定性和可靠性，有利于大规模生产。
图1是传统单端输入差分输出窄带低噪声法大器；图2是本发明设计的单端输入差分输出窄带低噪声放大器的一实施例；图3是本发明设计的单端输入差分输出窄带低噪声放大器的另一实施例； 图4是本发明设计的单端输入差分输出宽带低噪声放大器的一实施例； 图5是本发明设计的单端输入差分输出宽带低噪声放大器的另一实施例；图6利用本专利设计的应用与GPS系统的工作频率为1. 575 GHz的单端输入差分输出 LNA的噪声失配对比，可以看出本电路的两路输出噪声失配约为0. 15dB，远远小于ldB，性 能非常好。图一所示电路的噪声其中一路out-处噪声与本电路相差不大，但0UT+处噪声 要在3dB以上，噪声失配大于2dB，性能很难满足实际应用。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 实施例一-参考图2,单端输入差分输出窄带低噪声放大器包括输入匹配电路、第一级共源放 大电路、第二级共栅放大电路、第二级共源放大电路和直流电流和射频信号的控制电路， 该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻 止第一级放大电路输出的射频信号流向第二级共源放大电路的源端。第一级共源放大电路 包括一 NMOS晶体管Ml,第二级共栅放大电路包括一 NMOS晶体管M2和第二级共源放大电 路包括一 NMOS晶体管M3,直流电流和射频信号的控制电路，包括一电容Cs和一电感Lds。所述输入匹配电路为输入噪声匹配电路和功率匹配电路，其包括一电容C1、 一电感Lg 和另一电感Ls，电感Lg与电容Cl和NMOS晶体管Ml的栅极连接，电容Cl的另一端与 麵OS晶体管Ml的源极和电感Ls连接，电感Ls的另一端与地连接；NMOS晶体管Ml的漏 端分别和NM0S晶体管M2的源端、电感Lds、电容Cb连接；电容Cb的另一端与NMOS晶体 管M3的栅极连接，电感Lds的另一端与隨0S晶体管M3的源极和电容Cs相连，电容Cs 的另一端接地；NMOS晶体管M2和NMOS晶体管M3的漏端分别为节点②和③，它们分别与 输出负载匹配电路连接。信号控制电路主要实现的功能为，控制流过M3的直流电流，使 它只能通过Lds流入Ml，从而完全控制流过M2和M3的直流电流流过Ml，为系统放大电 路设置一个更为合理的直流工作点。与图1相比，本发明可以使系统功耗降低一半，且第 二级放大电路更加对称，从而保证差分信号的输出噪声、相位和增益更加对称。本发明射频小信号RFin通过输入匹配电路后，经过第一级共源放大电路进行放大， 到达节点①，这个放大的小信号为XI; XI分为两路， 一路流过第二级共栅放大电路，到 达节点②，实现共栅放大；另外一路流过隔直电容，从Bias处流入第二级共源放大电路， 到达节点③，实现共源放大。本发明巧妙利用共源放大电路和共栅放大电路输出信号相位 相差180°的特性，实现在输入信号X1相同的情况下，输出信号相位相差180。。本发明为了改善系统的隔离度以及输入匹配对系统输出信号匹配性能的影响，可以把 第一级共源放大电路改为共源共栅放大电路，如图3所示。第一级共源共栅放大电路包括 相互连接的NMOS晶体管Ml和NMOS晶体管M4。为了对本发明进行详细说明，提供第二个具体实例，即射频信号RFin频率可以在 1.1-2GHz之间，这个频带的宽带LNA可以应用于GPS系统、欧洲伽利略导航系中国北斗导 航系统和俄罗斯GLONASS导航系统等。本发明单端输入差分输出宽带低噪声放大器具体连接关系如图4所示为第一级共源 共栅放大电路包括相互连接的NMOS晶体管Ml和NMOS晶体管M4,输入匹配电路包括电 容C2与电感L2并联连接然后与电感Lg相连，电感Lg的另一端与电容Cl和NM0S晶体管 Ml的栅端相连，电容C1的另一端与电感Ls和醒OS晶体管Ml源端相连，电感Ls的另一 端与地连接；丽0S晶体管Ml的漏端和NMOS晶体管M4的源端相连，NM0S晶体管M4的栅 端接偏置电压，丽0S晶体管M4漏端分别连接电感Lds、电容Cb和NM0S晶体管M2的源端， 电容Cb的另一端接NM0S晶体管M3的栅端；电感Lds的另一端与电容Cs和NM0S晶体管 M3的源端相连，电容Cs的另一端接地；NM0S晶体管M2的栅端接偏置电压、NM0S晶体管 M3的栅端Bias处通过大电阻接偏置电压；醒0S晶体管M2、 NM0S晶体管M3的漏端分别与 输出宽带匹配电路(Rd、 Ld、 Cd)相连；宽带输出匹配电路连接关系为电感Ld与电阻 Rd串联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接，该宽带输出匹配电路的 另一端和工作电压连接。如图4或图5所示射频信号RFin通过输入匹配电路，进入到第一级共源共栅放大 电路的NM0S晶体管Ml的栅端，通过第一级共源共栅放大电路画0S晶体管Ml进行放大 后到达①点，由于射频信号和直流电流控制电路的限制，该射频信号只能分别进入到第二级共源放大电路NM0S晶体管M3的栅端和第二级共栅放大电路NM0S晶体管M2的源端中， 所以分别有两路输出信号分别到达②③处，通过调整射频信号和直流电流控制电路(Lds、 Cs、 Cb)各元器件的参数，可以实现需要的增益和相位高度对称的低噪声的差分信号。本发明射频信号RFin通过输入匹配电路，进入到第一级共源放大电路丽0S晶体管 Ml的栅端，输入匹配电路在此主要有两个作用，实现输入端功率匹配和噪声匹配，以实现 对输入信号能量的有效利用和噪声的最佳优化，根据工作频段的不同，输入匹配电路的取 值会有较大的变化， 一般2nH〈Lg〈50nH ， 0.1 nH〈Ls〈1. 5nH ， 10fF〈Cl〈2PF 。射频信号通过第一级共源放大电路Ml进行放大后到达①点，由于射频信号和直流电 流控制电路的限制，该射频信号只能分别进入到第二级共源放大电路的^10S晶体管M3的 栅端和第二级共栅放大电路的NM0S晶体管M2的源端，分别到达②③处，通过调整射频信 号和直流电流控制电路各元器件的参数，可以实现需要的增益和相位高度对称的低噪声的 差分信号，根据工作频段的不同，其参数会在2nH〈Lds〈60nH 、 500fF〈Cs〈60pF 、 200fF〈Cb〈50PF。NMOS晶体管Ml、 NMOS晶体管M2和NMOS晶体管M3的栅长L 一般取工艺允许的最小栅 长，15nm〈L〈0. 5um，栅宽W的取值范围根据工作频段和功耗的要求一般在lum〈W〈500um。另外醒OS晶体管可以用BJT、 HBT、 HEMT、 FET、电子管、真空管等具有放大特性的晶 体管代替，同时该晶体管也不局限于用硅工艺实现，可以使用GaAs、 InP等工艺实现。输出负载匹配电路决定了信号的输出阻抗，流经②③的射频信号通过输出负载匹配电 路，获得需要的增益、相位、和噪声高度对称得差分信号。根据工作频率和工作频带的不 同，其数值会在0. lnH〈Ld〈30nH、 5mOhm〈Rd〈lK Ohm、 20fF<Cd<2 pF之间变化。以上通过详细实施例描述了本发明所提供的单端输入差分输出低噪声放大器，本领域 的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改; 其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1. 一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，包括输入匹配电路和输出负载匹配电路，其特征在于，还包括相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，在第一级放大电路和第二级共源放大电路之间增加设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号射频信号流向第二级共源放大电路的源端，所述第二级共栅放大电路和所述第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。
2、 如权利要求1所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一级放大电路为共源放大电路。
3、 如权利要求1所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一 级放大电路为共源共栅放大电路。
4、 如权利要求2所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述共源 放大电路和共栅放大电路分别包括一 服0S晶体管，所述第一级共源放大电路的薩OS晶体 管Ml的栅端与输入匹配电路连接，第一级共源放大电路的NMOS晶体管Ml的漏端与所述 第二级共栅放大电路的NMOS晶体管M2的源端连接，同时,所述第一级共源放大电路的NM0S 晶体管M1的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的醒0S晶 体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的NM0S晶体管M2的漏端和第二级共源放大电 路的NM0S晶体管M3的漏端分别与各自的输出负载匹配电路连接。
5、 如权利要求4所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述控制 电路，包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源放大电路的NM0S 晶体管Ml的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的NM0S晶体管M3 的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
6、 如权利要求3所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述第一 级共源共栅放大电路包括相互连接的NM0S晶体管Ml和NM0S晶体管M4，所述第二级共栅 放大电路包括一 NM0S晶体管M2 ，所述第二级共源放大电路包括一 NM0S晶体管M3 ,所 述第一级共源共栅放大电路的NMOS晶体管M1的栅端与输入噪声匹配电路连接，上述NM0S 晶体管Ml的漏端和所述第一级共源共栅放大电路的NM0S晶体管M4的源端相连，所述第 一级共源共栅放大电路的NM0S晶体管M4的栅端接偏置电压，所述第一级共源共栅放大电 路的NM0S晶体管M4的漏端与所述第二级共栅放大电路的M10S晶体管M2的源端连接，同 时，所述第一级共源共栅放大电路的NM0S晶体管M4的漏端还与一电容Cb连接；电容Cb的另一端与第二级共源放大电路的NM0S晶体管M3的栅极连接，第二级共栅放大电路的 NM0S晶体管M2和第二级共源放大电路的NM0S晶体管M3的漏端分别与输出负载匹配电路 连接。
7、 如权利要求6所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述控 制电路包括一电容Cs和一电感Lds，所述电感Lds的一端与第一级共源共栅放大电路的 NM0S晶体管M4的漏端连接，所述电感Lds的另一端与第二级共源放大电路的薩0S晶体管 M3的源极和电容Cs相连，电容Cs的另一端接地。
8、 如权利要求4—7所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述 输入匹配电路包括一电容C1、 一电感Lg和另一电感Ls，所述第一级共源放大电路或第一 级共源共栅放大电路的NM0S晶体管Ml的栅极连接上述电感Lg和上述电容Cl，电容Cl 的另一端与电感Ls和上述丽OS晶体管M1的源端相连，电感Ls的另一端与地连接。
9、 如权利要求4一7所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述 输出负载匹配电路包括一电容Cd、 一电感Ld和一电阻Rd，所述电感Ld与所述电阻Rd串 联连接，电感Ld和电阻Rd串联电路再和电容Cd并联连接。
10、 如权利要求8所述低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，所述电 感Lg与一并联的电容C2和电感L2连接。
全文摘要
本发明公开了一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器，属于射频通讯技术领域。该放大器包括输入匹配电路，相互连接的第一级放大电路、第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路，以及输出负载匹配电路，输入匹配电路与第一级放大电路连接，第一级放大电路和第二级共源放大电路之间设置一控制电路，该控制电路，用于控制流向第二级共源放大电路的直流电流流入第一级放大电路，同时阻止第一级放大电路输出的射频信号射频信号流向第二级共源放大电路的源端，第二级共栅放大电路和第二级共源放大电路分别连接一输出负载匹配电路。本发明可使系统功耗降低一半，且第二级放大电路对称，保证了差分信号的输出噪声、相位和增益更加对称。
文档编号H03F3/45GK101282110SQ200810104950
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者冀永辉, 刘军华, 飞 宋, 廖怀林, 川 王, 江 陈, 如 黄 申请人:北京大学