專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)味溯斎氩罘州敵龅牡驮肼暦糯笃鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種單端輸入差分輸出的低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
低噪聲放大器是通常接收系統(tǒng)的第一級(jí)，需要提供足夠的增益來(lái)減小后級(jí)模塊等效到接收機(jī)輸入端的噪聲貢獻(xiàn)，此外，其自身也必須具有很低的噪聲系數(shù)，因?yàn)槠渌哂械脑肼曄禂?shù)將11的體現(xiàn)到接收機(jī)整體噪聲系數(shù)。在模擬集成電路中，各增益模塊級(jí)都是電壓放大器，因此希望各放大器具有盡量高的輸入阻抗和盡量低的輸出阻抗。但是由于低噪聲放大器是芯片的第一級(jí)，需要連接片外的聲表面波濾波器(SAW濾波器)或其他器件，通常這些器件都具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出阻抗 (如50 Ω )，因此，低噪聲放大器的輸入阻抗也必需要匹配到這些標(biāo)準(zhǔn)值，否則將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)反射，影響各模塊的正常工作。在片上系統(tǒng)(SoC)中，模擬射頻電路模塊很容易受到數(shù)字模塊干擾的影響，由于全差分結(jié)構(gòu)具有很好的抑制共模干擾、噪聲的能力，因此全差分結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于模擬射頻電路。但是，現(xiàn)實(shí)的物理世界是一個(gè)“單端”的系統(tǒng)，因此，需要將接收的單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。為了盡可能抑制共模干擾的影響，需要在接收機(jī)的最前端進(jìn)行單端到差分轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)單端到差分轉(zhuǎn)換的一個(gè)最直接的方法就是在低噪聲放大器輸入端前加入片外雙向式的平衡至非平衡轉(zhuǎn)換器(BALUN)，再使用全差分結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器，這種方法在輸入信號(hào)進(jìn)入芯片前就轉(zhuǎn)換為差分，具有最好的抑制共模干擾的能力。然而，片外無(wú)源的 BALUN沒(méi)有增益，但卻有1 2dB的插入損耗，根據(jù)Friis級(jí)聯(lián)公式，這1 2dB的插入損耗將直接加在系統(tǒng)的整體噪聲系數(shù)上，從而惡化接收機(jī)的靈敏度；此外，片外BALUN不是寬帶器件，只能在很窄的頻帶能實(shí)現(xiàn)較好的差分輸出特性，一旦超出標(biāo)稱(chēng)頻率，輸出差分的信號(hào)的相位、幅度非平衡就會(huì)急劇變差；還有，片外BALUN成本相對(duì)較高，體積大，不利于小型化集成。為了解決上述問(wèn)題，中國(guó)專(zhuān)利CN. 101282110B公開(kāi)了一種低功耗單端輸入差分輸出低噪聲放大器。該低噪聲放大器通過(guò)在第一級(jí)放大電路后加入對(duì)稱(chēng)的第二級(jí)共源以及共柵放大電路，并通過(guò)第一、第二級(jí)之間平面電感構(gòu)成的控制電路實(shí)現(xiàn)直流偏置與射頻信號(hào)的隔離。然而受集成電路工藝所限，平面電感的感抗值很難做大，因此經(jīng)由第二級(jí)共源、共柵放大電路放大后射頻信號(hào)很難達(dá)到完全的差分對(duì)稱(chēng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單端輸入差分輸出的低噪聲放大器。為了達(dá)到上述目的及其他目的，本發(fā)明提供的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，包含電阻的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，還包括包含至少一第一場(chǎng)效應(yīng)管的第一電路，其輸入端連接在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端、輸出端連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，用于放大耦合入的信號(hào)；包含至少一第二場(chǎng)效應(yīng)管且與所述第一電路連接并形成差分對(duì)結(jié)構(gòu)的第二電路，其輸出連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；連接在第一電路與第二電路公共連接點(diǎn)的尾電流源管電路，用于將所述第一電路的信號(hào)電流導(dǎo)向所述第二電路；跨接在第一電路與第二電路之間的補(bǔ)償電路，用于對(duì)所述第二電路輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以使所述第二電路輸出的信號(hào)與所述第一電路輸出的信號(hào)匹配；以及與所述第一電路、及第二電路連接且用于提供直流偏置的偏置電路。綜上所述，本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器通過(guò)在電路中增加耦合補(bǔ)償電路提高了輸出信號(hào)的差分對(duì)稱(chēng)性。


圖1為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的電路示意圖。圖2為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的偏置電路示意圖。圖3為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的參考電流源電路示意圖。圖4為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的小信號(hào)分析簡(jiǎn)化模型示意圖。圖5為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的輸出差分信號(hào)幅度與相位失配示意圖。圖6a與6b為本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的增益隨PVT的變化直方圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、第一電路11、第二電路12、尾電流源管電路13、補(bǔ)償電路14、偏置電路及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)15。所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗基于低噪聲放大器所連接的器件來(lái)確定。例如，所述低噪聲放大器所連接的器件為聲表面波濾波器，則所述輸入匹配網(wǎng)路提供的輸入阻抗與該聲表面波濾波器的輸出阻抗相匹配，例如為50歐姆等。由于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知悉，故在此不再詳述。所述第一電路11包括至少一第一場(chǎng)效應(yīng)管，其輸入端連接在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端、輸出端連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)15，用于放大耦合入的信號(hào)。優(yōu)選地，如圖1所示，所述第一電路11包括第一場(chǎng)效應(yīng)管M1、與第一場(chǎng)效應(yīng)管M1 連接的場(chǎng)效應(yīng)管禮及負(fù)反饋電感Ls、以及用于耦合輸入匹配網(wǎng)路輸出的信號(hào)的電容Cexl。其中，第一場(chǎng)效應(yīng)管M1的柵級(jí)通過(guò)大電阻接入柵極偏置電壓Vb2，電容Crad用來(lái)降低輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值；場(chǎng)效應(yīng)管M3采用共柵(Cascode)管，其柵極接入電源電壓Vdd。共柵管M3的使用減小了第一場(chǎng)效應(yīng)管M1的米勒效應(yīng)，增加輸入輸出的隔離，提高穩(wěn)定性。需要說(shuō)明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述第一電路的結(jié)構(gòu)并非以所示為限， 事實(shí)上，其可以采用其他電路結(jié)構(gòu)，例如，包含3個(gè)或3個(gè)以上級(jí)連的場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)效應(yīng)管采用PMOS管等等。所述第二電路12包括至少一第二場(chǎng)效應(yīng)管，其與所述第一電路11連接并形成差分對(duì)結(jié)構(gòu)，其輸出連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)15。優(yōu)選地，如圖1所示，所述第二電路12包括第二場(chǎng)效應(yīng)管M2、與所述第二場(chǎng)效應(yīng)管 M2連接的場(chǎng)效應(yīng)管虬以及連接在所述第二場(chǎng)效應(yīng)管M2柵源之間的電容t;x2。其中，第二場(chǎng)效應(yīng)管M2的柵極通過(guò)電阻Rb2接入偏置電壓Vb2、源極連接第一電路11的負(fù)反饋電感Ls，場(chǎng)效應(yīng)管M4柵極接入電源電壓VDD，由此，第二電路12與第一電路11構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的差分對(duì)結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述第二電路的結(jié)構(gòu)也并非以所示為限，事實(shí)上，其可以采用其他電路結(jié)構(gòu)，例如，包含3個(gè)或3個(gè)以上級(jí)連的場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)效應(yīng)管采用PMOS型等等。所述尾電流源管電路13連接在第一電路11與第二電路12公共連接點(diǎn)，用于將所述第一電路的信號(hào)電流導(dǎo)向所述第二電路12。優(yōu)選地，所述尾電流源管電路13包括尾電流源管Mtl，該尾電流源管Mtl的漏極連接在負(fù)反饋電感Ls與第二場(chǎng)效應(yīng)管M2源極的公共連接點(diǎn)、其柵極連接偏置電壓Vbi、源極接地。需要說(shuō)明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，尾電流源管電路的結(jié)構(gòu)也并非以所示為限，事實(shí)上，其可以采用其他電路結(jié)構(gòu)，例如，采用共源共柵電流源電路等等。所述補(bǔ)償電路14跨接在第一電路11與第二電路12之間，用于對(duì)所述第二電路12 輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以使所述第二電路12輸出的信號(hào)與所述第一電路11輸出的信號(hào)匹配。優(yōu)選地，所述補(bǔ)償電路14包括電容C。，該電容C。一端連接第一場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極、另一端連接第二場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極，其對(duì)第二電路12的補(bǔ)償作用容后陳述。所述偏置電路與所述第一電路11、第二電路12及尾電流源管電路13連接，用于向各電路提供偏置電壓等。優(yōu)選的，所述偏置電路包括由參考電流源及電阻連接成的柵極電壓提供電路，用于向所述第一電路11與第二電路12包含的場(chǎng)效應(yīng)管提供柵極電壓。此外，所述柵極電壓提供電路還包括與所述尾電流源構(gòu)成鏡像的鏡像管。例如，如圖2所示，所述偏置電路包括由參考電流源Iref、與所述參考電流源1&連接的電阻I B1、電阻&2、電阻Rb3、及電容cbig、以及與電阻Rb3連接的鏡像管MQQ。其中，鏡像管 M00和尾電流源管M0將參考電流源Iref按比例放大，作為第一場(chǎng)效應(yīng)管M1和第二場(chǎng)效應(yīng)管M2 的尾電流源。偏置電壓Vb2通過(guò)大電阻加到第一場(chǎng)效應(yīng)管M1的柵極，并通過(guò)大電阻Rb2 加到第二場(chǎng)效應(yīng)管M2的柵極。優(yōu)選的，所述參考電流源Iref可采用共源共柵(cascode)的恒定跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)形成。 例如，如圖3所示的cascode恒定跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)的參考電流源IMf(后續(xù)將對(duì)該電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明)。所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)15根據(jù)連接在所述單端輸入差分輸出的低噪聲放大器輸出端的負(fù)載電路來(lái)確定，其可以采用電阻構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)，也可采用射極跟隨器等構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)等。在本實(shí)施例中，所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)15包括連接在第一電路11輸出端(即場(chǎng)效應(yīng)管M3漏極的電阻Ru以及連接在第二電路12輸出端的電阻I。以下將對(duì)補(bǔ)償電容C。的補(bǔ)償原理及偏置電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。1、電容補(bǔ)償原理
所述低噪聲放大器的小信號(hào)分析簡(jiǎn)化電路如圖4所示，如前所述，在尾電流源管Mtl 和補(bǔ)償電容C。的作用下，電路可以實(shí)現(xiàn)有源單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換。若輸入信號(hào)Vs被輸入匹配網(wǎng)絡(luò)放大An倍，并由第一場(chǎng)效應(yīng)管M1轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，包含電阻的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于還包括包含至少一第一場(chǎng)效應(yīng)管的第一電路，其輸入端連接在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端、輸出端連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，用于放大耦合入的信號(hào)；包含至少一第二場(chǎng)效應(yīng)管且與所述第一電路連接并形成差分對(duì)結(jié)構(gòu)的第二電路，其輸出連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；連接在第一電路與第二電路公共連接點(diǎn)的尾電流源管電路，用于將所述第一電路的信號(hào)電流導(dǎo)向所述第二電路；跨接在第一電路與第二電路之間的補(bǔ)償電路，用于對(duì)所述第二電路輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以使所述第二電路輸出的信號(hào)與所述第一電路輸出的信號(hào)匹配；與所述第一電路、及第二電路連接且用于提供直流偏置的偏置電路。
2.如權(quán)利要求1所述的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于所述補(bǔ)償電路包括補(bǔ)償電容。
3.如權(quán)利要求1所述的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于所述偏置電路包括由參考電流源及電阻連接成的柵極電壓提供電路，用于向所述第一電路與第二電路包含的場(chǎng)效應(yīng)管提供柵極電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于所述尾電流管電路包括尾電流源管，所述柵極電壓提供電路還包括與所述尾電流源構(gòu)成鏡像的鏡像管。
5.如權(quán)利要求3或4所述的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于所述參考電流源采用共源共柵的恒定跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)形成。
6.如權(quán)利要求3或4所述的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于所述偏置電路包含的電阻與所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包含的電阻采用相同的電阻類(lèi)型。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，包括包含至少一第一場(chǎng)效應(yīng)管的第一電路，其輸入端連接在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出端、輸出端連接輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；包含至少一第二場(chǎng)效應(yīng)管且與所述第一電路連接并形成差分對(duì)結(jié)構(gòu)的第二電路，其輸出連接所述輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；連接在第一電路與第二電路公共連接點(diǎn)的尾電流源管電路；跨接在第一電路與第二電路之間的補(bǔ)償電路，用于對(duì)所述第二電路輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以使所述第二電路輸出的信號(hào)與所述第一電路輸出的信號(hào)匹配；以及與所述第一電路、及第二電路連接且用于提供直流偏置的偏置電路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括1)輸出信號(hào)的差分對(duì)稱(chēng)；2)放大器整體增益在各種PVT下的相對(duì)恒定。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102163955SQ20111009706
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者吳俊 , 周健軍, 陳東坡 申請(qǐng)人:上海信樸臻微電子有限公司