专利名称：单端输入差分输出的低噪声放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路领域，特别涉及一种单端输入差分输出的低噪声放大器。
背景技术：
低噪声放大器是通常接收系统的第一级，需要提供足够的增益来减小后级模块等效到接收机输入端的噪声贡献，此外，其自身也必须具有很低的噪声系数，因为其所具有的噪声系数将11的体现到接收机整体噪声系数。在模拟集成电路中，各增益模块级都是电压放大器，因此希望各放大器具有尽量高的输入阻抗和尽量低的输出阻抗。但是由于低噪声放大器是芯片的第一级，需要连接片外的声表面波滤波器(SAW滤波器)或其他器件，通常这些器件都具有标准的输入输出阻抗 (如50 Ω )，因此，低噪声放大器的输入阻抗也必需要匹配到这些标准值，否则将会带来严重的信号反射，影响各模块的正常工作。在片上系统(SoC)中，模拟射频电路模块很容易受到数字模块干扰的影响，由于全差分结构具有很好的抑制共模干扰、噪声的能力，因此全差分结构被广泛地应用于模拟射频电路。但是，现实的物理世界是一个“单端”的系统，因此，需要将接收的单端信号转化为差分信号。为了尽可能抑制共模干扰的影响，需要在接收机的最前端进行单端到差分转换。实现单端到差分转换的一个最直接的方法就是在低噪声放大器输入端前加入片外双向式的平衡至非平衡转换器(BALUN)，再使用全差分结构的低噪声放大器，这种方法在输入信号进入芯片前就转换为差分，具有最好的抑制共模干扰的能力。然而，片外无源的 BALUN没有增益，但却有1 2dB的插入损耗，根据Friis级联公式，这1 2dB的插入损耗将直接加在系统的整体噪声系数上，从而恶化接收机的灵敏度；此外，片外BALUN不是宽带器件，只能在很窄的频带能实现较好的差分输出特性，一旦超出标称频率，输出差分的信号的相位、幅度非平衡就会急剧变差；还有，片外BALUN成本相对较高，体积大，不利于小型化集成。为了解决上述问题，中国专利CN. 101282110B公开了一种低功耗单端输入差分输出低噪声放大器。该低噪声放大器通过在第一级放大电路后加入对称的第二级共源以及共栅放大电路，并通过第一、第二级之间平面电感构成的控制电路实现直流偏置与射频信号的隔离。然而受集成电路工艺所限，平面电感的感抗值很难做大，因此经由第二级共源、共栅放大电路放大后射频信号很难达到完全的差分对称。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单端输入差分输出的低噪声放大器。为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的单端输入差分输出的低噪声放大器，包括输入匹配网络，包含电阻的输出匹配网络，还包括包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络，用于放大耦合入的信号；包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路；跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；以及与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。综上所述，本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器通过在电路中增加耦合补偿电路提高了输出信号的差分对称性。
图1为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的电路示意图。图2为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的偏置电路示意图。图3为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的参考电流源电路示意图。图4为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的小信号分析简化模型示意图。图5为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的输出差分信号幅度与相位失配示意图。图6a与6b为本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器的增益随PVT的变化直方图。
具体实施例方式请参阅图1，本发明的单端输入差分输出的低噪声放大器包括输入匹配网络、第一电路11、第二电路12、尾电流源管电路13、补偿电路14、偏置电路及输出匹配网络15。所述输入匹配网络的输入阻抗基于低噪声放大器所连接的器件来确定。例如，所述低噪声放大器所连接的器件为声表面波滤波器，则所述输入匹配网路提供的输入阻抗与该声表面波滤波器的输出阻抗相匹配，例如为50欧姆等。由于输入匹配网络已为本领域技术人员所知悉，故在此不再详述。所述第一电路11包括至少一第一场效应管，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络15，用于放大耦合入的信号。优选地，如图1所示，所述第一电路11包括第一场效应管M1、与第一场效应管M1 连接的场效应管礼及负反馈电感Ls、以及用于耦合输入匹配网路输出的信号的电容Cexl。其中，第一场效应管M1的栅级通过大电阻接入栅极偏置电压Vb2，电容Crad用来降低输入匹配网络的Q值；场效应管M3采用共栅(Cascode)管，其栅极接入电源电压Vdd。共栅管M3的使用减小了第一场效应管M1的米勒效应，增加输入输出的隔离，提高稳定性。需要说明的是，本领域技术人员应该理解，所述第一电路的结构并非以所示为限， 事实上，其可以采用其他电路结构，例如，包含3个或3个以上级连的场效应管、场效应管采用PMOS管等等。所述第二电路12包括至少一第二场效应管，其与所述第一电路11连接并形成差分对结构，其输出连接所述输出匹配网络15。优选地，如图1所示，所述第二电路12包括第二场效应管M2、与所述第二场效应管 M2连接的场效应管虬以及连接在所述第二场效应管M2栅源之间的电容t;x2。其中，第二场效应管M2的栅极通过电阻Rb2接入偏置电压Vb2、源极连接第一电路11的负反馈电感Ls，场效应管M4栅极接入电源电压VDD，由此，第二电路12与第一电路11构成对称的差分对结构。需要说明的是，本领域技术人员应该理解，所述第二电路的结构也并非以所示为限，事实上，其可以采用其他电路结构，例如，包含3个或3个以上级连的场效应管、场效应管采用PMOS型等等。所述尾电流源管电路13连接在第一电路11与第二电路12公共连接点，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路12。优选地，所述尾电流源管电路13包括尾电流源管Mtl，该尾电流源管Mtl的漏极连接在负反馈电感Ls与第二场效应管M2源极的公共连接点、其栅极连接偏置电压Vbi、源极接地。需要说明的是，本领域技术人员应该理解，尾电流源管电路的结构也并非以所示为限，事实上，其可以采用其他电路结构，例如，采用共源共栅电流源电路等等。所述补偿电路14跨接在第一电路11与第二电路12之间，用于对所述第二电路12 输出信号进行补偿以使所述第二电路12输出的信号与所述第一电路11输出的信号匹配。优选地，所述补偿电路14包括电容C。，该电容C。一端连接第一场效应管M1的漏极、另一端连接第二场效应管M2的漏极，其对第二电路12的补偿作用容后陈述。所述偏置电路与所述第一电路11、第二电路12及尾电流源管电路13连接，用于向各电路提供偏置电压等。优选的，所述偏置电路包括由参考电流源及电阻连接成的栅极电压提供电路，用于向所述第一电路11与第二电路12包含的场效应管提供栅极电压。此外，所述栅极电压提供电路还包括与所述尾电流源构成镜像的镜像管。例如，如图2所示，所述偏置电路包括由参考电流源Iref、与所述参考电流源1&连接的电阻I B1、电阻&2、电阻Rb3、及电容cbig、以及与电阻Rb3连接的镜像管MQQ。其中，镜像管 M00和尾电流源管M0将参考电流源Iref按比例放大，作为第一场效应管M1和第二场效应管M2 的尾电流源。偏置电压Vb2通过大电阻加到第一场效应管M1的栅极，并通过大电阻Rb2 加到第二场效应管M2的栅极。优选的，所述参考电流源Iref可采用共源共栅(cascode)的恒定跨导结构来形成。 例如，如图3所示的cascode恒定跨导结构的参考电流源IMf(后续将对该电路进行详细说明)。所述输出匹配网络15根据连接在所述单端输入差分输出的低噪声放大器输出端的负载电路来确定，其可以采用电阻构成的匹配网络，也可采用射极跟随器等构成的匹配网络等。在本实施例中，所述输出匹配网络15包括连接在第一电路11输出端(即场效应管M3漏极的电阻Ru以及连接在第二电路12输出端的电阻I。以下将对补偿电容C。的补偿原理及偏置电路进行详细说明。1、电容补偿原理
所述低噪声放大器的小信号分析简化电路如图4所示，如前所述，在尾电流源管Mtl 和补偿电容C。的作用下，电路可以实现有源单端输入到差分输出的转换。若输入信号Vs被输入匹配网络放大An倍，并由第一场效应管M1转换为电流信号
权利要求
1.一种单端输入差分输出的低噪声放大器，包括输入匹配网络，包含电阻的输出匹配网络，其特征在于还包括包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接所述输出匹配网络，用于放大耦合入的信号；包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路，用于将所述第一电路的信号电流导向所述第二电路；跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。
2.如权利要求1所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于所述补偿电路包括补偿电容。
3.如权利要求1所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于所述偏置电路包括由参考电流源及电阻连接成的栅极电压提供电路，用于向所述第一电路与第二电路包含的场效应管提供栅极电压。
4.如权利要求3所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于所述尾电流管电路包括尾电流源管，所述栅极电压提供电路还包括与所述尾电流源构成镜像的镜像管。
5.如权利要求3或4所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于所述参考电流源采用共源共栅的恒定跨导结构来形成。
6.如权利要求3或4所述的单端输入差分输出的低噪声放大器，其特征在于所述偏置电路包含的电阻与所述输出匹配网络包含的电阻采用相同的电阻类型。
全文摘要
本发明提供一种单端输入差分输出的低噪声放大器，包括包含至少一第一场效应管的第一电路，其输入端连接在输入匹配网络输出端、输出端连接输出匹配网络；包含至少一第二场效应管且与所述第一电路连接并形成差分对结构的第二电路，其输出连接所述输出匹配网络；连接在第一电路与第二电路公共连接点的尾电流源管电路；跨接在第一电路与第二电路之间的补偿电路，用于对所述第二电路输出信号进行补偿以使所述第二电路输出的信号与所述第一电路输出的信号匹配；以及与所述第一电路、及第二电路连接且用于提供直流偏置的偏置电路。本发明的优点包括1)输出信号的差分对称；2)放大器整体增益在各种PVT下的相对恒定。
文档编号H03F3/45GK102163955SQ20111009706
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者吴俊 , 周健军, 陈东坡 申请人:上海信朴臻微电子有限公司