一种低噪声放大器、噪声消除及跨导增强的方法与流程

本发明涉及放大器，特别是涉及一种低噪声放大器、噪声消除及跨导增强的方法。

背景技术：

1、噪声消除是一种有效的噪声系数优化技术，可进一步压缩有源器件的噪声。传统的设计(如[1]w.zhu et al.,"an ultra-compact 84.9-107ghz lna with 4.9db nf byutilizing coupled-line-based gm-boosting and noise-canceling techniques in65-nm cmos technology,"cicc,apr,2021.[2]s.li et al.,"4.2an e-band high-linearity antenna-lna front-end with 4.8db nf and 2.2dbm iip3 exploitingmulti-feed on-antenna noise-canceling and gm-boosting,"isscc,feb,2020.)引入了有源辅助路径，然而，辅助路径会产生额外的噪声，从而造成噪声消除的不完整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种低噪声放大器、噪声消除及跨导增强的方法，无需添加额外有源辅助路径的单晶体管即可降低低噪声放大器的噪声系数并提高低噪声放大器的整体增益带宽。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种低噪声放大器，包括五阶谐振电路和阻抗匹配电路；

3、所述五阶谐振电路包括多个五阶谐振器，所述五阶谐振器包括三向耦合变压器与差分放大电路；所述三向耦合变压器与所述差分放大电路相连，射频信号经过所述三向耦合变压器传递至所述差分放大电路；所述差分放大电路将所述射频输入信号进行放大；

4、所述五阶谐振器消除所述差分放大电路中mos管的热噪声并提高所述mos管的跨导；

5、所述多个五阶谐振器依次相连后与所述阻抗匹配电路相连，所述阻抗匹配电路进行阻抗匹配后输出射频输出信号。

6、进一步的，所述五阶谐振电路分别包括第一五阶谐振器、第二五阶谐振器和第三五阶谐振器；

7、所述第一五阶谐振器包括第一三向耦合变压器与第一差分放大电路；

8、所述第二五阶谐振器包括第二三向耦合变压器与第二差分放大电路；

9、所述第三五阶谐振器包括第三三向耦合变压器与第三差分放大电路；

10、所述第一五阶谐振器、第二五阶谐振器和第三五阶谐振器依次相连后消除低噪声放大器的热噪声并提高低噪声放大器的增益带宽。

11、进一步的，所述第一三向耦合变压器的初级线圈的第一输入端接入所述射频信号，第二输入端空置，第三输入端接地；次级线圈的第一输出端以及第三输出端与所述第一差分放大电路相连，第二输出端接参考电压；源极线圈的第一输出端以及第三输出端与所述第一差分放大电路相连，第二输出端接地。

12、进一步的，所述第二和第三耦合变压器的初级线圈的第一输入端与第三输入端分别接所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路，第二输入端接地；所述第二和第三耦合变压器的次级线圈的第一输出端以及第三输出端分别与所述第二差分放大电路与所述第三差分放大电路相连，第二输出端接参考电压；所述第二和第三耦合变压器的源极线圈的第一输出端以及第三输出端分别与所述第二差分放大电路与所述第三差分放大电路相连，第二输出端接地。

13、进一步的，所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路包括第一nmos管、第二nmos管、第一中和电容和第二中和电容；

14、所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的所述第一nmos管的栅极与所述第一中和电容的一端相连，并分别与所述第一三向耦合变压器和所述第二三向耦合变压器次级线圈的第一输出端相连；所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的第一nmos管的源极分别与所述第一三向耦合变压器和所述第二三向耦合变压器的源极线圈的第三输出端相连；所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的所述第一nmos管的漏极与所述第二中和电容的一端相连后分别与所述第二五阶谐振器及第三五阶谐振器相连；

15、所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的所述第二nmos管的栅极与所述第二中和电容的另一端相连，并分别与所述第一三向耦合变压器和第二三向耦合变压器的次级线圈的第三输出端相连，所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的所述第二nmos管的源极分别与所述第一三向耦合变压器和所述第二三向耦合变压器的源极线圈的第一输出端相连，所述第一差分放大电路和所述第二差分放大电路的所述第二nmos管的漏极与所述第一中和电容的另一端相连后分别与所述第二五阶谐振器及第三五阶谐振器相连。

16、进一步的，所述第三差分放大电路包括第一nmos管、第二nmos管、第一中和电容和第二中和电容；

17、所述第一nmos管的栅极与所述第一中和电容的一端相连并与所述第三三向耦合变压器次级线圈的第一输出端相连；源极分别与所述第三三向耦合变压器的源极线圈的第三输出端相连；漏极与所述第二中和电容的一端相连后与所述阻抗匹配电路相连。

18、所述第二nmos管的栅极与所述第二中和电容的另一端相连，并与所述第三三向耦合变压器的次级线圈的第三输出端相连，源极与所述第三三向耦合变压器的源极线圈的第一输出端相连；漏极与所述第一中和电容的另一端相连后与所述阻抗匹配电路相连。

19、进一步的，所述阻抗匹配电路包括变压器和共源输出缓冲器，所述五阶谐振电路与变压器相连后通过所述共源输出缓冲器输出所述射频信号。

20、进一步的，所述变压器的初级线圈的第一输入端与所述第三差分放大电路中的所述第一nmos管的漏极相连，所述变压器的初级线圈的第三输入端与所述第三差分放大电路中的所述第二nmos管的漏极相连，第二输入端接电源电压；所述变压器的次级线圈的第一输出端以及第三输出端与所述共源输出缓冲器相连，第二输出端接参考电压。

21、进一步的，所述共源输出缓冲器包括第三nmos管、第四nmos管、第一电阻、第二电阻和巴伦变压器；

22、所述第三nmos管的栅极以及所述第四nmos管的栅极分别与所述变压器的次级线圈的第一输出端以及第三输出端相连，所述第三nmos管的源极以及所述第四nmos管的源极相连后接地；所述第三nmos管的漏极通过所述第一电阻与所述第四nmos管的漏极相连，所述第三nmos管的漏极还与所述巴伦变压器的初级线圈的第一输入端相连，所述第四nmos管的漏极还与所述巴伦变压器的初级线圈的第三输入端相连，所述巴伦变压器的初级线圈的第二输入端接电源电压，所述巴伦变压器的次级线圈的第一输出端与所述第二电阻的一端相连后输出射频信号，所述巴伦变压器的次级线圈的第二输出端与所述第二电阻的另一端相连后接地。

23、本发明还提供一种噪声消除及跨导增强的方法，采用上述低噪声放大器，所述方法包括如下步骤：

24、所述射频信号经过所述三向耦合变压器传递至所述差分放大电路；所述差分放大电路将所述射频信号进行放大，所述变压器与所述共源输出缓冲器实现阻抗匹配后输出放大后的所述射频信号；

25、由所述三向耦合变压器与所述差分放大电路组成的五阶谐振器消除所述差分放大电路中的所述mos管的热噪声并提高所述五阶谐振器的增益带宽。

26、进一步的，所述三向耦合变压器耦合并反向耦合所述mos管产生的第一热噪声电压，所述mos管反向放大所述第一噪声电压，所述mos管漏极产生的第二热噪声电压与所述第一噪声电压相互抵消，从而对所述mos管进行噪声消除。

27、进一步的，所述三向耦合变压器将所述射频信号反向耦合到所述mos管的栅极并同向耦合到所述mos管的源极，增强所述mos管的跨导。

28、相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

29、本发明无需使用额外的有源器件，而是通过三向耦合变压器与差分放大电路耦合相连后组成五阶谐振器，利用三向耦合变压器产生相反相位的热噪声电压消除差分放大电路中的mos管的热噪声，实现了宽带毫米波频段的超低噪声系数。

30、进一步的，本发明还利用三向耦合变压器提高了mos管的增益系数，从而扩展了低噪声放大器的带宽并提高了低噪声放大器的整体增益带宽。