一种基于栅极电感和漏源耦合电感的宽带低噪声放大器

本技术涉及集成电路，特别涉及一种基于栅极电感和漏源耦合电感的宽带低噪声放大器。

背景技术：

1、随着无线通信技术的迅速发展，蓝牙、wifi、gps等通信收发机已经取得长足的发展，同时也不可避免的造成频谱资源日益紧缺，6ghz以下的频段已相当拥挤。在紧张的频谱资源以及高速、低时延、大宽带的需求下促使无线通信技术朝着k波段、ka波段甚至是更高的频段发展。要使接收机获得良好的分辨率，低噪声放大器需要在宽带上提供稳定的高功率增益。且在连续自动调频雷达接收机的应用上，要想保证高距离分辨率，也需要较大的带宽。此外，具有更大带宽的移动无线网络可以为移动通信提供更大的数据传输容量和数据速率。且根据噪声级联公式，低噪声放大器作为接收机的第一个有源器件，必须有足够高的增益来抑制后级电路对噪声系数的贡献。

2、目前，由于差分放大器具有抑制共模噪声、对基板噪声、电源噪声和焊线电感变化不敏感的优点，被广泛的应用于射频集成电路的接收机前端中。和单端的同类电路相比，差分放大器的优势还包括增大了最大电压摆幅、偏置电路更简单和更高的线性度。此外，差分低噪声放大器的差分输出信号可以直接连接到双平衡混频器的差分输入端。但是，差分放大器的设计中也存在面积、功耗、增益和噪声之间的折衷，为了得到良好的噪声性能和增益性能，往往牺牲了功耗和面积。

3、同时，在设计宽带放大器时一般采用共栅结构放大器，但是传统的共栅结构放大器具有以下缺点：

4、第一是功耗大，因为传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(gm+gmb)，其中gm为共栅晶体管的跨导，gmb为共栅极晶体管衬底b到源级s的电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导。

5、第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益一般情况下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。

6、第三是隔离度差，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泄露到输入端，输入匹配与输出匹配互相影响，难以满足系统对隔离度指标的要求。

7、第四是噪声性能差，传统的共栅结构放大器的噪声系数较大，一般超过4db。

8、因此，在实现低噪声、低功耗、高增益、输入输出匹配的同时，还要保证高频的宽带特性成为射频集成电路领域当中一个重要的研究课题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于栅极电感和漏源耦合电感的宽带低噪声放大器，适用于k波段以及ka波段，用于克服传统的差分放大器噪声、功耗过大以及高频性能较差的不足，能保证在高频宽带特性的基础上，提升电路的增益、噪声性能、功耗以及输入输出匹配等指标。

2、本技术提供一种基于栅极电感和漏源耦合电感的宽带低噪声放大器，低噪声放大器包括第一级放大器单元和第二级放大器单元；

3、其中，第一级放大器单元包括第一nmos管nm1、第二nmos管nm2、第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1、第二电感l2、第一电阻r1、第二电阻r2、第一偏置电压vb1及电压源vdd；

4、第二级放大器单元包括第三nmos管nm3、第四nmos管nm4、第五nmos管nm5、第六nmos管nm6、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第三电感l3、第四电感l4、第五电感l5、第六电感l6、第七电感l7、第八电感l8、第三电阻r3、第四电阻r4、第一变压器tr1、第二变压器tr2、第二偏置电压vb2及电压源vdd；

5、差分射频输入正信号rfi+n分别与第一电容c1的上级板、第一nmos管nm1的源级相连接；所述第一电容c1的下级板分别与第二电阻r2的一端、第二nmos管nm2的栅极相连接；所述第二电阻r2的另一端分别与第一电阻r1的一端、第一偏置电压vb1相连接；所述第二nmos管nm2的漏极分别与第二电感l2的一端、第四电容c4的上级板相连接；所述第二电感l2的另一端与电源电压vdd相连接；其中，射频输入正信号经过第一级放大器单元放大后的信号由第四电容c4的下级板进入第二级放大器单元；

6、差分射频输入负信号分别与第二电容c2的上级板、第二nmos管nm2的源级相连接；所述第二电容c2的下级板分别与第一电阻r1的一端、第一nmos管nm1的栅极相连接；所述第一电阻r1的另一端分别与第二电阻r2的一端、第一偏置电压vb1相连接；所述第一nmos管nm1的漏极分别与第一电感l1的一端、第三电容c3的上级板相连接；所述第一电感l1的另一端与电源电压vdd相连接；其中，射频输入负信号经过第一级放大器单元放大后的信号由第三电容c3的下级板进入第二级放大器单元；

7、所述第四电容c4的下级板分别与第四电阻r4的负端、第四nmos管nm4的栅极相连接；所述第四电阻r4的负端分别与第二偏置电压vb2以及同相侧相连接；所述第四nmos管nm4的源级接地；所述第四nmos管nm4的漏极与第四电感l4的一端相连接；所述第四电感l4的另一端与第六nmos管nm6的源级相连接；所述第六nmos管nm6的栅极与第六电感l6的一端相连接；所述第六电感l6的另一端分别与电源电压vdd以及同相侧相连接；所述第六nmos管nm6的漏极分别与第八电感l8的一端、第六电容c6的正极板相连接；所述第八电感l8的另一端分别与电源电压vdd以及同相侧相连接；

8、所述第四电感l4与第八电感l8形成第二变压器tr2；其中，第一级放大器单元反相侧的输出信号经过第二级放大器单元放大后，从第六电容c6的下级板输出；

9、所述第三电容c3的下级板分别与第三电阻r3的负端、第三nmos管nm3的栅极相连接；所述第三电阻r3的负端分别与第二偏置电压vb2以及反相侧相连接；所述第三nmos管nm3的源级接地；所述第三nmos管nm3的漏极与第三电感l3的一端相连接；所述第三电感l3的另一端与第五nmos管nm5的源级相连接；所述第五nmos管nm5的栅极与第五电感l5的一端相连接；所述第五电感l5的另一端分别与电源电压vdd以及反相侧相连接；所述第五nmos管nm5的漏极分别与第七电感l7的一端、第五电容c5的正极板相连接；所述第七电感l7的另一端分别与电源电压vdd以及反相侧相连接；

10、所述第三电感l3与第七电感l7形成第一变压器tr1；其中，第一级放大器单元同相侧的输出信号经过第二级放大器单元放大后，从第五电容c5的下级板输出。

11、进一步地，第三电感l3与第七电感l7形成的第一变压器tr1之间的耦合系数为k1；第四电感l4与第八电感l8形成的第二变压器tr2之间的耦合系数为k2。

12、进一步地，同相侧和反相侧对应的元器件尺寸相同、参数值相同；

13、同相侧中的第一nmos管nm1、第三nmos管nm3、第五nmos管nm5分别与反相侧中各种对应的第二nmos管nm2、第四nmos管nm4、第六nmos管nm6的尺寸相同；

14、同相侧中的第一电容c1、第三电容c3、第一电感l1、第三电感l3、第五电感l5、第七电感l7、第一变压器tr1的耦合系数k1分别与反相侧中各自对应的第二电容c2、第四电容c4、第二电感l2、第四电感l4、第六电感l6、第八电感l8、第二变压器tr2的耦合系数k2的电容值相同或者电感值相同或者耦合系数相同；

15、宽带低噪声放大器中的第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4的阻值均相同。

16、进一步地，宽带低噪声放大器中的第一nmos管nm1、第三nmos管nm3、第五nmos管nm5的尺寸比例为1.2：1：1；第二nmos管nm2、第四nmos管nm4、第六nmos管nm6的尺寸比例为1.2：1：1。

17、进一步地，宽带低噪声放大器工作过程如下：

18、射频输入信号首先通过差分方式输入基于电容交叉耦合的第一级放大单元，第一级放大单元将输入电压进行放大；

19、放大后的信号经过级间匹配网络后进入第二级放大单元，第二级放大单元使用基于栅极电感和漏源耦合电感的cascode结构，第二级放大单元将经过第一级放大后的射频输入信号进一步放大；

20、最后经过两级放大器单元放大后的信号通过由电感电容组成的输出匹配网络进行滤波并输出。

21、进一步地，宽带低噪声放大器的第一级放大器单元采用电容交叉耦合的结构，第二级放大器采用栅极电感和漏源耦合电感的cascode结构。

22、进一步地，低噪声放大器的第一级放大器单元采用电容交叉耦合的结构，第一级电容交叉耦合放大器输入阻抗表示为：

23、

24、其中，zin1是第一级放大器单元的输入阻抗；rd是共栅放大器的负载电阻；ro为共栅级晶体管的本征电阻；gm为共栅极晶体管的跨导；gmb为共栅极晶体管衬底b到源级s的电位差带来的等效跨导。

25、进一步地，第一级电容交叉耦合放大器的增益表达式为：

26、av＝2gmrl

27、其中，av为第一级放大器单元的电压增益；gm为共栅级晶体管的跨导；rl为第一级放大器单元的负载电阻。

28、进一步地，第一级电容交叉耦合放大器的噪声系数的表达式为：

29、

30、其中，f为第一级放大器单元的噪声系数；γ为沟道热噪声电流系数；α为短沟道效应因数。

31、更进一步地，第二级放大器单元中的共栅放大器的栅极增加的栅极电感后引入了新的极点，两个极点的坐标分别为：

32、

33、

34、其中，p1为第一个极点的坐标；rl为第二级放大器单元的负载电阻；ro1为共源级晶体管的本征电阻；ro2为共栅级晶体管的本征电阻；cgs2为共栅级晶体管的栅源电容；ω0为栅极电感与共栅级晶体管的栅源电容的谐振频率；gm2为共栅级晶体管的跨导。

35、本发明低噪声放大器第一级放大器单元采用了电容交叉耦合结构，通过提供反向增益以提高mos管的等效跨导gm和gmb，减小了第一级放大器单元的噪声系数的同时，也提高了第一级放大器单元的电压增益。且由噪声级联公式可知，第一级放大器单元增益的提高也会抑制后级放大器的噪声。

36、同时，在实现单端50欧姆输入阻抗匹配的要求下，本发明低噪声放大器相比于传统差分放大器大幅度降低功耗。通过采用晶体管交叉耦合技术可以将工作电流降低至6.3ma(电源电压1.1v)，而采用传统的差分共栅结构放大器，需要约13.5ma的工作电流(电源电压3.3v)。

37、本发明低噪声放大器第二级放大器中的共栅晶体管的栅极电感第五电感l5、第六电感l6使高频极点逐渐成为主导极点，使得低噪声放大器的高频响应更优秀，同时提高了增益，拓宽了带宽。

38、本发明低噪声放大器第二级放大器中的第四电感l4与第八电感l8、第三电感l4与第七电感l7耦合形成变压器结构，随着耦合系数的增加，高频极点与低频极点逐渐靠近，使得低噪声放大器更加稳定，同时低频增益减小、高频增益增大，带宽内纹波减小，增益平坦度增大。且在后续的版图设计过程中，可以将变压器结构中的两个电感放在基板的不同金属层，从而减少芯片的占用面积，促使芯片的小型化，降低成本。且此处互感提高了电路的品质因素，减小了损耗，降低了噪声系数。

39、本发明低噪声放大器通过引入共栅级晶体管的栅极电感，并将源级电感和漏极电感进行耦合，实现了带宽的拓宽，在满足输入匹配(小于-10db)、输出匹配(小于-10db)，且增益、噪声系数等指标皆较优秀的情况下，带宽约为6ghz。

40、本发明低噪声放大器采用两级放大电路，可以提高放大器的隔离度，相比于单级放大电路，电路隔离度可以从原先20db提高至40db。