一种低功耗高增益宽带低噪声差分放大器的制作方法

本发明涉及射频宽带放大器，尤其是一种低功耗高增益宽带低噪声差分放大器，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，具有较大的增益带宽与输入匹配带宽，且具有较小的噪声系数。

背景技术：

低噪声放大器是噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，对于几乎所有的射频接收机系统，必不可少的一个模块就是低噪声放大器。由于系统接收到的射频信号幅度通常很弱，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，并且提供一定的电压增益，以提高输出的信噪比。

共栅结构放大器广泛应用于宽带低噪声放大器的设计中，主要原因是其具有宽带输入匹配特性，传统的共栅结构放大器电路如图1所示。信号由晶体管m10、m20源极输入，通过调整m10和m20的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经m10和m20的电流大小，进而改变m10和m20的跨导gm，使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。通过调整负载电阻r10和r20的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(gm+gmb)，其中gm为输入晶体管跨导，gmb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50欧姆。

第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。

第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

最后是噪声大，传统的共栅结构放大器的噪声系数较大，往往超过4db。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服传统的共栅结构放大器的不足，提供一种低功耗高增益宽带低噪声差分放大器，能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗和噪声，提高放大器的增益和隔离度。

本发明采取的技术方案如下：一种低功耗高增益宽带低噪声差分放大器，其特征在于：设有输入单元、扼流单元、滤波单元、放大单元、负载单元以及电容c3和电容c4，差分射频输入信号vin+和vin-分别通过电容c3和电容c4分别连接输入单元的输入端和扼流单元的输出端，输入单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端连接放大单元的输入端，放大单元的输出端连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号vout+和vout-；其中：

输入单元包括nmos管m1、nmos管m2，电阻r1、电阻r2以及电容c1和电容c2，nmos管m1的栅极分别连接电阻r1的一端和电容c2的一端，电阻r1的另一端连接偏置电压vb1，电容c2的另一端分别连接nmos管m2的源极和电容c4的一端，电容c4的另一端连接差分射频输入信号vin-；nmos管m2的栅极分别连接电阻r2的一端和电容c1的一端，电阻r2的另一端连接偏置电压vb1，电容c1的另一端分别连接nmos管m1的源极和电容c3的一端，电容c3的另一端连接差分射频输入信号vin+；

扼流单元包括电感l1和电感l2，电感l1的一端连接输入单元中nmos管m1的源极，电感l2的一端连接输入单元中nmos管m2的源极，电感l1的另一端和电感l2的另一端均接地；

滤波单元包括电容c5、电容c6、电感l3、电感l4，电容c5的一端与电感l3的一端以及输入单元中的nmos管m1的漏极连接在一起，电容c6的一端与电感l4的一端以及输入单元中的nmos管m2的漏极连接在一起；

放大单元包括nmos管m3、nmos管m4，电阻r3、电阻r4，电容c7、电容c8，nmos管m3的栅极分别连接电阻r3的一端和滤波单元中电容c5的另一端，nmos管m3的源极分别连接电容c7的一端和滤波单元中电感l3的另一端；nmos管m4的栅极分别连接电阻r4的一端和滤波单元中电容c6的另一端，nmos管m3的源极分别连接电容c8的一端和滤波单元中电感l3的另一端；电容c7的另一端和电容c8的另一端均接地，电阻r3的另一端连接电阻r4的另一端并连接偏置电压vb2；

负载单元包括电阻r5、电阻r6、电容c9、电容c10及电感l5，电阻r5的一端与电感l5的一端、电容c9的一端以及放大单元中nmos管m3的漏极连接在一起，电阻r6的一端与电感l5的另一端、电容c10的一端以及放大单元中nmos管m4的漏极连接在一起，电感l5的中心抽头与电阻r5的另一端、电阻r6的另一端以及电源电压vdd连接在一起，电容c9的另一端输出差分射频输出信号vout+，电容c10的另一端输出差分射频输出信号vout-。

本发明的优点及显著效果：

(1)低功耗。在实现50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗，通过晶体管交叉耦合和电流复用技术可以将工作电流降低至6.8ma(电源电压3.3v)，而采用传统的共栅结构放大器，需要约13.5ma的工作电流(电源电压3.3v)。

(2)高增益。本发明的工作电流较低，且使用差分电感(l5)增加增益，从而不会产生过大的压降。同时交叉耦合技术可以提高mos管等效的跨导gm和gmb，也能使电压增益增加。在相同功耗条件下(3.3v电源电压下，工作电流13.5ma)，本发明相对于传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术其电压增益大幅提高，见图4。

(3)高隔离度。本发明采用电流复用技术，相当于两级放大电路，可以大大提高放大器的隔离度，相比于单级放大电路，电路隔离度可从原先30db提高至65db。

(4)低噪声。本发明同时采用交叉耦合和电流复用技术，从而降低了电路噪声系数。在相同功耗条件下(3.3v电源电压下，工作电流6.8ma)，本发明相对传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术其噪声系数对比，见图5。

(5)本发明提出的电流复用交叉耦合共栅低噪声放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益，降低噪声系数，可以应用于宽带射频前端中。

附图说明

图1是传统共栅结构低噪声放大器的电路原理图；

图2是本发明低噪声放大器的电路方框图；

图3是本发明低噪声放大器的电路原理图；

图4是相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的电压增益曲线比较；

图5是相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的噪声系数曲线比较。

具体实施方式

参看图2，本发明设有输入单元1、扼流单元2、滤波单元3、放大单元4、负载单元5以及隔直电容c3和隔直电容c4。差分射频输入正负信号vin+、vin-通过隔直电容c3和隔直电容c4分别连接输入单元1的输入端和扼流单元2的输出端，输入单元1的输出端连接滤波单元3的输入端，滤波单元3的输出端连接放大单元4的输入端，放大单元4的输出端连接负载单元，负载单元输出差分射频输出信号vout+、vout-。

参看图3，输入单元1采用共栅结构，并在输入级的mos管栅极和源级进行了交叉耦合，差分输入端通过隔直电容c3、隔直电容c4和输入单元1实现50欧姆输入阻抗。扼流单元2提供直流电流通路，同时对输入交流信号进行扼流。输入单元1产生的信号电流通过滤波单元3，经电流复用的放大单元4的放大，再送至负载单元5，最终输出放大的电压差分信号。其中：输入单元1设有nmos管m1、m2、电容c1、c2以及电阻r1、r2；扼流单元2设有电感l1、l2；滤波单元3设有电容c5、c6和电感l3、l4；放大单元设有nmos管m3、m4、电容c7、c8和电阻r3、r4；负载单元5设有电感l5、电阻r5、r6、电容c9、c10。

差分射频vin+、vin-信号分别通过隔直电容c3和隔直电容c4分别连接输入单元1的nmos管m1、m2的源级，同时扼流单元2的电感l1、l2的一端也连接到输入单元1的nmos管m1、m2的源级，电感l1、l2的另一端接地。nmos管m1、m2的栅极串联电阻r1、r2后连接到偏置电压vb1，nmos管m1、m2的栅极串联电容c2、c1后分别连接到m2、m1的源级，该连接方式为交叉耦合连接。

nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电感l3、l4到放大单元4的nmos管m3、m4的源级，同时nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电容c5、c6到放大单元4的nmos管m3、m4的栅极。放大单元4的nmos管m3、m4的源级分别连接电容c7、c8到地，nmos管m3、m4的栅极串联电阻r3、r4后连接到偏置电压vb2。放大单元4的nmos管m3、m4的漏极分别连接负载单元5的电阻r5、r6到电源电压vdd，同时漏极分别连接负载单元5的电感l5的两端，电感l5的中心抽头端口连接到电源电压vdd。放大单元4的nmos管m3、m4的漏极经电容c9、c10输出差分射频信号。

差分射频输入信号通过隔直电容c3、隔直电容c4和输入单元1输入，对于共栅结构的放大电路，其输入阻抗约为1/(gm+gmb)，此处，gm为共栅极晶体管的跨导，gmb为共栅极晶体管衬底b到源极s的电位差带来的等效跨导。

本发明在输入端进行了交叉耦合连接，即nmos管m1、m2的栅极串联电容c2、c1后分别连接m2、m1的源级，该连接方式为交叉耦合连接。此时，输入单元1中的nmos管对应的等效gm和gmb增加为2gm和2gmb。这种连接方式使得功耗降低一半。同时，由于采用了电流复用技术，在保持功耗不变的情况下，使得信号电流经放大单元4再一次放大。因此，相比传统共栅结构放大器完成50欧姆输入匹配，本发明需要的功耗为原先的二分之一。即在相同电源电压下，工作电流降低为传统共栅结构低噪声放大器的二分之一。同时，交叉耦合连接方式可以改善噪声系数，电流复用技术可以提高放大器的增益。

nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电感l3、l4到放大单元4的nmos管m3、m4的源级，同时nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电容c5、c6到放大单元4的nmos管m3、m4的栅极。放大单元4的nmos管m3、m4的源级分别连接电容c7、c8到地。这种连接方法保证了输入单元1产生的信号电流能经过放大单元4进行二次放大，因而两级放大电路保证了输出端对输入端较好的隔离性能。二次放大后的信号电流通过负载单元5产生的放大的电压信号即为射频差分输出信号。

参看图4可见，相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的电压增益曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器增益最高。参看图5可见，相同功耗下本发明与传统共栅结构放大器、仅采用交叉耦合技术、仅采用电流复用技术的噪声系数曲线比较，其结果显示本发明设计的低噪声放大器噪声系数最低。

本发明设计的低噪声放大器在3.3v电源电压下工作电流约为6.8ma。该低噪声放大器3db带宽约为1.5ghz，电压增益约为21db，带内噪声系数约为3db到3.3db。通过对比，其性能远远优于传统共栅结构放大器及单独使用电流复用技术或单独使用交叉耦合技术设计的低噪声放大器。