一种基于交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器电路的制作方法
【专利摘要】一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级，CG输入级包括NMOS管M2，级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻RL1和RL，M2的源极通过节点X连接至地，漏极接至电阻RL1负端，RL1正端接至电源VDD，M3的漏极连接至电阻RL2负端，RL2正端接至电源VDD，射频输入信号Vi从节点X输入，从M2的漏极输出信号Vout+，从M3的漏极输出信号Vout-，M3的栅极通过耦合电容连接节点X，M2的栅极通过耦合电容连接M3的源极，串联的信号源和信号源内阻通过耦合电容串接于节点X，Vb2、Vb3分别通过偏置电阻为M2和M3提供偏置电压。本发明的优点在于：通过在CG输入级和级联级之间使用电容交叉耦合反馈技术，使放大器获得低的噪声指数的同时又具有低功耗。
【专利说明】一种基于交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器电路
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种低噪声放大器。
【背景技术】
[0002] 随着当今各种制式通讯协议的广泛应用（比如数字电视，WIFI，以及蓝牙等），兼 容多个通信协议的软件无线电技术变得越发重要。正因如此，近年来业界对宽带收发技术 的研发与日俱增。因为LNA(低噪声放大器）通常是接收机的第一级，其噪声至关重要，所 以在宽带内的LNA噪声优化问题成为了宽带接收技术的关键。此外，低噪声的获得也不能 用大功耗来交换，因为低功耗同样是芯片设计的重要主题。
[0003] 迄今为止，有两种普遍使用的宽带LNA拓扑：一种是单端共栅（CG)LNA，另一种是 共栅-共源（CG-CS)LNA。两种结构都采用了共栅极输入结构，具备大的带宽和良好的隔离 特性。注意到单端CGLNA的噪声较大，可以利用如图1所示的电容交叉耦合（CCC)反馈 加以改善（W. Zhuo, X. Li, S. Shekhar, S. Η· K. Embabi, J. Pineda de Gyvez, D. J. Allstot, and E. Sanchez-Sinencio, "A capacitor cross-coupled common-gate low noise amplifier, IEEE Trans. Circuits Syst. II, Express Briefs, vol. 52, no. 12, pp. 875 -879, Dec. 2005.)。不幸的是，CCC CG LNA需要一个片外的巴伦来将单端输入转换为差分输 入。但是宽带的片外无源巴伦通常都有高的损耗，这对接收机的噪声极其不利。通常地，为 了驱动后级的差分混频器和从天线接收单端信号，巴伦LNA显得特别有吸引力。综合起来， 这使得如图 2 所示的巴伦 CG-CS LNA 更具竞争力（5.(：.81331〇11661'3.4.]\11(1111^61'^，0· M. ff. Leenaerts, and B. Nauta, "Wideband balun-LNA with simultaneous output balancing, noise-canceling and distortion-canceling, ''IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 6, pp. 1341 - 1350, Jun. 2008)。此外，它的噪声消除特性使得兼有良 好的线性度。即便如此，为了获得低的噪声指数，其CS级将消耗大的功率。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获得低的噪声指数、又具有低功耗 的交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器。
[0005] 本发明采用以下技术手段解决上述技术问题的：一种交叉耦合反馈的宽频带低噪 声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级；
[0006] 所述CG输入级包括NM0S管M2,级联级包括NM0S管M3。电阻负载级包括电阻Ru 和电阻&，NM0S管M2的源极通过节点X连接至地，NM0S管M2的漏极连接至电阻Ru负端， 电阻R u正端接至电源VDD，NM0S管M3的栅极通过耦合电容连接到节点X，NM0S管M2的栅 极通过耦合电容连接到节点M，节点Μ连接到NM0S管M3的源极，依次串联的信号源Vs和信 号源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X，NM0S管M3的漏极连接至电阻心负端，电阻 正端接至电源V DD，射频输入信号Vi从节点X处输入，Vb2、Vb3分别通过偏置电阻为NM0S管 M2和M3提供偏置电压，从NM0S管M2的漏极输出信号Vout+，从NM0S管M3的漏极输出信 号 Vout-。
[0007] 作为进一步优化的，所述CG输入级还包括电感Ls，NM0S管M2的源极通过节点X 连接至电感Ls正端，电感Ls负端连接到地。
[0008] 作为优化的结构，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结 构的CS输入级，所述堆叠结构的CS输入级包括NM0S管Ml、PM0S管M4。所述NM0S管Ml、 PM0S管M4的栅极均通过隔直电容连接到节点X，NM0S管Ml的源极连接到地，M4源极连接 至电源VDD，NM0S管Ml和PM0S管M4的漏极连接到节点M，NM0S管Ml的衬底直接连接于节 点X，PM0S管M4的衬底通过隔直电容连接于节点X，且PM0S管M4的衬底通过偏置电阻连 接于电源V DD，Vbl、Vb4分别通过大的偏置电阻为NM0S管Ml和PM0S管M4提供偏置电压，射 频输入信号从CG输入极的NM0S管M2的源极输入，一路经过CG输入级同相放大后于NM0S 管M2的漏极输出信号Vout+，另一路经过堆叠结构的CS输入级反相放大后于NM0S管M3的 漏极输出信号Vout-。
[0009] 本发明的优点在于：
[0010] 通过在CG输入级的晶体管和级联级的晶体管之间使用电容交叉耦合反馈技术， 低噪放的跨导得以提升。此外，堆叠结构的CS输入级的晶体管的体效应被利用进一步增大 跨导，使得本发明有显著降低电路功耗和低电源电压工作的优点，并可以在宽带内获得较 高的增益，以及较低的噪声指数。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是现有的电容交叉耦合反馈共栅输入低噪声放大器原理图；
[0012] 图2是现有的共栅-共源巴伦低噪声放大器原理图；
[0013] 图3是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的原理图；
[0014] 图4是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的增益结果曲线；
[0015] 图5是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的噪声结果曲线
[0016] 图6是本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器的IIP3结果图
【具体实施方式】
[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0018] 请参阅图3,整体上，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器为宽带CMOS CG-CS结构，包括CG输入级、级联级、电阻负载级。
[0019] CG输入级包括NM0S管M2和电感Ls，级联级包括NM0S管M3。电阻负载级包括电 阻Ru和电阻& 2。
[0020] NM0S管M2的源极通过节点X连接至电感Ls正端，电感Ls负端连接到地。NM0S管 M2的漏极连接至电阻Ru负端，电阻Ru正端接至电源VDD。特别地，NM0S管M3的栅极通过 耦合电容连接到节点X，NM0S管M2的栅极通过耦合电容连接到节点M，节点Μ连接到NM0S 管M3的源极。依次串联的信号源Vs和信号源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X。
[0021] NM0S管M3的漏极连接至电阻L负端，电阻L正端接至电源VDD。
[0022] 射频输入信号Vi从节点X处输入，Vb2、Vb3分别通过大的偏置电阻为NM0S管M2 和M3提供偏置电压，从NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，从NMOS管M3的漏极输出信号 Vout-〇
[0023] 作为优化的结构，本发明一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结 构的CS输入级。
[0024] 所述堆叠结构的CS输入级包括NM0S管M1、PM0S管M4。所述NM0S管M1、PM0S管 M4的栅极均通过隔直电容连接到节点X。NM0S管Ml的源极连接到地，M4源极连接至电源 VDD。NM0S管Ml和PM0S管M4的漏极连接到节点M。NM0S管Ml的衬底直接连接于节点X， PM0S管M4的衬底通过隔直电容连接于节点X，且PM0S管M4的衬底通过偏置电阻连接于电 源 VDD。
[0025] Vbl、Vb4分别通过大的偏置电阻为NMOS管Ml和PM0S管M4提供偏置电压。
[0026] 射频输入信号从CG输入极的NM0S管M2的源极输入，一路经过CG输入级同相放 大后于NM0S管M2的漏极输出信号Vout+，另一路经过堆叠结构的CS输入级反相放大后于 NM0S管M3的漏极输出信号Vout-。
[0027] CG输入级的主要作用是输入阻抗匹配，级联级的主要功能是减小堆叠结构的CS 输入极的晶体管的寄生栅-漏电容的米勒效应。同时，它能够增加输出阻抗和提高输入输 出之间的隔离度。在NM0S管M2和M3之间使用了电容交叉耦合反馈，用于提高它们的跨导。 此外，在堆叠结构的CS输入级的采用了体耦合技术（Ml的衬底直接连接于节点X，M4的衬 底通过隔直电容，连接于节点X，且M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V DD)来进一步增加 有效跨导，这有利于CS输入极的低噪声和低功耗特性。而且，在节点X处的扼流电感Ls和 节点等效寄生电容产生并联谐振，构成整个带宽内的输入匹配。
[0028] 通过对具有交叉耦合反馈的CG-CS LNA的小信号分析，其电压增益可以表示为：
【权利要求】
1. 一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，包括CG输入级、级联级、电阻负载级，所 述CG输入级包括NMOS管M2,级联级包括NMOS管M3。电阻负载级包括电阻R u和电阻&， 所述NMOS管M2的源极连接节点X，NMOS管M2的漏极连接至电阻Ru负端，电阻R u正端接 至电源VDD，NMOS管M3的漏极连接至电阻心负端，电阻L正端接至电源V DD，射频输入信 号Vi从节点X处输入，从NMOS管M2的漏极输出信号Vout+，从NMOS管M3的漏极输出信号 Vout-，其特征在于：所述NMOS管M3的栅极通过耦合电容连接到节点X，NMOS管M2的栅极 通过耦合电容连接到节点M，节点Μ连接到NMOS管M3的源极，依次串联的信号源Vs和信号 源内阻Rs，通过耦合电容串接于节点X，V b2、Vb3分别通过偏置电阻为NMOS管M2和M3提供 偏置电压。
2. 如权利要求1所述的一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，其特征在于：所述 CG输入级还包括电感Ls，NMOS管M2的源极通过节点X连接至电感Ls正端，电感Ls负端 连接到地。
3. 如权利要求1或2所述的一种交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器，其特征在于： 所述交叉耦合反馈的宽频带低噪声放大器还包括堆叠结构的CS输入级，所述堆叠结构的 CS输入级包括NMOS管Ml、PM0S管M4,所述NMOS管Ml、PM0S管M4的栅极均通过隔直电容 连接到节点X，NMOS管Ml的源极连接到地，M4源极连接至电源V DD，NMOS管Ml和PM0S管 M4的漏极连接到节点M，NMOS管Ml的衬底直接连接于节点X，PM0S管M4的衬底通过隔直 电容连接于节点X，且PM0S管M4的衬底通过偏置电阻连接于电源V DD，Vbl、Vb4分别通过大的 偏置电阻为NMOS管Ml和PM0S管M4提供偏置电压。
【文档编号】H03F1/26GK104065346SQ201410300735
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】郭本青 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所