电流复用型高频放大器电路的制作方法

本发明涉及一种电流复用型高频放大器电路，属于集成电路设计技术领域。

背景技术：

低功耗设计技术是集成电路重要的一个技术方向和发展趋势，以更低的功耗实现所需性能指标。高频放大器在高频通信电路中占有重要的地位，高频前端系统的噪声性能主要取决于位于信号链最前端的高频放大器，后级电路的噪声通过高频放大器的增益进行抑制，因此高频放大器需要有较低的噪声系数和较高的增益。同时，放大器的噪声通常与直流工作电流成反比，因此为了获得较小的噪声，放大器需要较大的直流工作电流。传统高频放大器为了获得较大增益，通常采用多级级联的结构（如图1所示），由于为了获得较小噪声，因此每级直流功耗也较大，所以整体功耗就在前端电路中占据了较大比重。

以更小的功耗获得较大的增益及较小的噪声是高频放大器的设计重点。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电流复用型高频放大器电路，能够充分利用较小的直流功耗获得较大的增益和较小的噪声。

按照本发明提供的技术方案，所述电流复用型高频放大器电路，其特征是：包括采用堆叠形式的第一级放大器电路和第二级放大器电路、以及分别为第一级放大器电路和第二级放大器电路提供直流偏置电压的偏置电路；所述第一级放大电路和第二级放大电路采用相同的共源伪差分电路结构，输出负载为电阻；所述第一级放大电路的输出端信号通过交流耦合电容连接到第二级放大电路的输入端，第二级放大电路的输出端信号作为高频放大器电路的输出信号。

进一步的，所述偏置电路由两部分构成，第一部分包括运算放大器，运算放大器的输出通过两个偏置电阻分别连接到第一级放大器电路的差分对的栅极，提供直流偏置电压；第二部分包括NMOS晶体管，NMOS晶体管的栅极和漏极连接，并通过两个偏置电阻分别连接到第二级放大器电路的差分对的栅极，提供直流偏置电压。

进一步的，所述第一级放大器电路的输出负载电阻连接到第二级放大器电路的差分对的两个NMOS晶体管的源极，同时连接到偏置电路第一部分中运算放大器的正极输入端。

进一步的，所述第一级放大器电路包括第一NMOS晶体管NM1、第二NMOS晶体管NM2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2；放大器正输入端VIP连接到第一电容C1一端，第一电容C1的另一端连接第一NMOS晶体管NM1的栅极，放大器负输入端VIN连接到第二电容C2一端，第二电容C2的另一端与第一NMOS晶体管NM2的栅极连接，第一NMOS晶体管NM1和第二NMOS晶体管NM2的源极接地，第一电阻R1的一端连接第一NMOS晶体管NM1的漏极，第一电阻R1与第一NMOS晶体管NM1漏极的连接点作为第一级放大器的负输出端，第二电阻R2的一端连接第二NMOS晶体管NM2的漏极，第二电阻R2和第二NMOS晶体管NM2漏极的连接点作为第一级放大器的正输出端，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的另一端连接。

进一步的，所述第二级放大器电路包括第三NMOS晶体管NM3、第四NMOS晶体管NM4、第三电容C3、第四电容C4、第三电阻R3和第四电阻R4；第一级放大器的负输出端连接到第三电容C3一端，第三电容C3的另一端连接第三NMOS晶体管NM3的栅极，第一级放大器的正输出端连接到第四电容C4一端，第四电容C4的另一端与第四NMOS晶体管NM4的栅极连接，第三NMOS晶体管NM3和第四NMOS晶体管NM4的源极相连接，并连接到第一级放大器的第一电阻R1和第二电阻R2的连接点，第三电阻R3的一端连接第三NMOS晶体管NM3的漏极，第三电阻R3和第三NMOS晶体管NM3漏极的连接点作为电流复用型高频放大器的正输出端VON，第四电阻R4的一端连接第四NMOS晶体管NM4的漏极，第四电阻R4和第四NMOS晶体管NM4漏极的连接点作为电流复用型高频放大器的负输出端VOP，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端均连接到电源。

进一步的，所述偏置电路包括偏置电流IB、第五NMOS晶体管NM0、运算放大器OPA、第一偏置电阻RB1、第二偏置电阻RB2、第三偏置电阻RB3和第四偏置电阻RB4；偏置电流IB一端连接电源，另一端连接第五NMOS晶体管NM0的栅极和漏极，并连接到第三偏置电阻RB3和第四偏置电阻RB4的一端，第三偏置电阻RB3的另一端连接到第三NMOS晶体管NM3的栅极，第四偏置电阻RB4的另一端连接到第四NMOS晶体管NM4的栅极；

运算放大器OPA的正输入端连接至第一级放大器的第一电阻R1和第二电阻R4的连接点，同时与第二级放大器的第三NMOS晶体管NM3和第四NMOS晶体管NM4的源极连接，运算放大器OPA的负输入端连接基准电压VREF；所述运算放大器OPA的输出端连接补第一偏置电阻RB1和第二偏置电阻RB2的一端，第一偏置电阻RB1的另一端连接到第一NMOS晶体管NM1的栅极，第二偏置电阻RB2的另一端连接到第二NMOS晶体管NM2的栅极。

进一步的，所述运算放大器OPA的输出端还连接补偿电容CL的一端，补偿电容CL的另一端连接至第一NMOS晶体管NM1和第二NMOS晶体管NM2的源极。

进一步的，所述基准电压VREF的值为电源电压的一半。

本发明所述电流复用结构的高频放大器电路，能够实现两级信号放大的功能。本发明采用两级放大器堆叠的形式，共用直流偏置电流，通过偏置电路合理设置放大器的直流工作点，充分利用较小的直流功耗获得较大的增益和较小的噪声。

附图说明

图1为多级放大器的结构框图。

图2为本发明所述电流复用型高频放大器电路的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图2所示：所述电流复用型高频放大器电路包括第一级放大器电路21、第二级放大器电路22和偏置电路23。

所述第一级放大器电路21与第二级放大器电路22电路结构相同，采用伪差分形式，第一级放大器电路的“电源”端与第二级放大器电路的“地”端相连接，即采用堆叠结构形式。

所述偏置电路23为第二级放大器电路22输入差分对提供栅极偏置电压，从而提供偏置电流，第一级放大器与第二级放大器电流复用，所以该偏置电压为本发明所述电流复用型高频放大器提供偏置电流；所述偏置电路23通过运算放大器组成负反馈回路为第一级放大器的“电源”即第二级放大器的“地”提供固定的偏置电压。

如图2所示，所述第一级放大器电路21和第二级放大器电路22采用相同的共源伪差分电路结构实现，输出负载为电阻；所述第一级放大器电路的输出端信号通过交流耦合电容连接到到第二级放大器电路的输入端，进行第二级放大，第二级放大器电路的输出信号作为整体放大器的输出信号。具体地：

所述第一级放大器电路21包括第一NMOS晶体管NM1、第二NMOS晶体管NM2、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2；放大器正输入端VIP连接到第一电容C1一端，第一电容C1的另一端连接第一NMOS晶体管NM1的栅极，放大器负输入端VIN连接到第二电容C2一端，第二电容C2的另一端与第一NMOS晶体管NM2的栅极连接，第一NMOS晶体管NM1和第二NMOS晶体管NM2的源极接地，第一电阻R1的一端连接第一NMOS晶体管NM1的漏极，这一点作为第一级放大器的负输出端，第二电阻R2的一端连接第二NMOS晶体管NM2的漏极，这一点作为第一级放大器的正输出端，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的另一端连接；

所述第二级放大器电路22包括第三NMOS晶体管NM3、第四NMOS晶体管NM4、第三电容C3、第四电容C4、第三电阻R3和第四电阻R4；第一级放大器的负输出端连接到第三电容C3一端，第三电容C3的另一端连接第三NMOS晶体管NM3的栅极，第一级放大器的正输出端连接到第四电容C4一端，第四电容C4的另一端与第四NMOS晶体管NM4的栅极连接，第三NMOS晶体管NM3和第四NMOS晶体管NM4的源极相连接，并连接到第一级放大器的第一电阻R1和第二电阻R2的连接点，第三电阻R3的一端连接第三NMOS晶体管NM3的漏极，这一点作为电流复用型高频放大器的正输出端VON，第四电阻R4的一端连接第四NMOS晶体管NM4的漏极，这一点作为电流复用型高频放大器的负输出端VOP，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端均连接到电源。

所述偏置电路23由两部分组成，分别为两级放大器提供直流偏置电压。第一部分由运算放大器OPA组成负反馈环路，运算放大器OPA的输出通过两个偏置电阻分别接到第一级放大器输入差分对的栅极，提供直流偏置电压；第二部分采用二极管连接形式的MOS管形式，其栅极和漏极连接，并通过两个偏置电阻分别连接到第二级放大器差分对的栅极，提供直流偏置电压。具体地：

所述偏置电路23包括偏置电流IB、第五NMOS晶体管NM0、运算放大器OPA、第一偏置电阻RB1、第二偏置电阻RB2、第三偏置电阻RB3和第四偏置电阻RB4；偏置电流IB一端连接电源，另一端连接第五NMOS晶体管NM0的栅极和漏极，并连接到第三偏置电阻RB3和第四偏置电阻RB4的一端，第三偏置电阻RB3的另一端连接到第三NMOS晶体管NM3的栅极，第四偏置电阻RB4的另一端连接到第四NMOS晶体管NM4的栅极；

运算放大器OPA的正输入端连接至第一级放大器的第一电阻R1和第二电阻R4的连接点，同时与第二级放大器的第三NMOS晶体管NM3和第四NMOS晶体管NM4的源极连接，运算放大器OPA的负输入端连接基准电压VREF，基准电压VREF的值通常选取为电源电压的一半，即VDD/2。运算放大器OPA的输出端连接补偿电容CL的一端、第一偏置电阻RB1和第二偏置电阻RB2的一端，第一偏置电阻RB1的另一端连接到第一NMOS晶体管NM1的栅极，第二偏置电阻RB2的另一端连接到第二NMOS晶体管NM2的栅极。

本发明的工作原理：本发明所述电流复用型高频放大器，包括堆叠形式的两级放大器电路和偏置电路；两级放大器电路为核心单元，用于高频信号的放大；偏置电路为两级放大器电路提供直流偏置。该发明的重点在于两级放大器的连接形式是堆叠而非普通的级联方式。采用堆叠形式进行直流工作电流复用，从而减小放大器整体功耗。

差分对（NM1、NM2）与负载电阻（R1、R2）组成伪差分形式的放大器结构，对经过耦合电容C1、C2交流耦合的输入信号进行放大；放大后的信号再通过耦合电容C3、C4进行交流耦合输入到第二级放大器，其结构与第一级相同，同样采用伪差分结构实现，输出即为所述电流复用型高频放大器的输出。

偏置电路中IB提供偏置电流，通过晶体管NM0、偏置电阻RB3和RB4为第二级放大器差分对（NM3、NM4）提供偏压，从而提供等比例的偏置电流；所述高频放大器的第一级放大器21的“电源”端即第二级放大器22的“地”端作为偏置电路中运算放大器OPA的正输入端，基准电压VREF作为负输入端，运算放大器OPA的输出端经过偏置电阻RB1和RB2为第一级放大器21的差分对提供栅极偏压，运算放大器OPA的输出端电容CL用于反馈环路的频率补偿，以调节负反馈环路的频率稳定性。

本发明的技术方案，通过将两级放大器采用堆叠结构设计，使得可以复用直流偏置电流，从而在保证增益的基础上合理限制了功耗。