阅读说明：本技术 一种消除非线性的低噪声放大器 (Low-noise amplifier for eliminating nonlinearity ) 是由 李振荣 张新雨 王泽渊 杨艳梅 庄奕琪 刘帅 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种消除非线性的低噪声放大器,包括输入匹配电路、放大电路、非线性消除电路、噪声消除电路和输出匹配电路,非线性消除电路通过流复用电感Lc、第一耦合电容C2连接放大电路,实现了三阶非线性项的抵消；噪声消除电路的第二耦合电容C3连接到放大电路的一端,消除第一NMOS管M1的噪声,并增强了电路的跨导；输入匹配电路采用LC谐振结构调谐工作频率,提高射频信号输入匹配度。本发明在获得较好的增益和输入匹配度的同时,有效地改善了低噪声放大器的线性度和噪声系数,可用于射频收发芯片中。(The invention discloses a low-noise amplifier for eliminating nonlinearity, which comprises an input matching circuit, an amplifying circuit, a nonlinear eliminating circuit, a noise eliminating circuit and an output matching circuit, wherein the nonlinear eliminating circuit is connected with the amplifying circuit through a flow multiplexing inductor Lc and a first coupling capacitor C2, so that the cancellation of three-order nonlinear terms is realized; the second coupling capacitor C3 of the noise elimination circuit is connected to one end of the amplifying circuit, so that the noise of the first NMOS tube M1 is eliminated, and the transconductance of the circuit is enhanced; the input matching circuit adopts an LC resonance structure to tune the working frequency, and the input matching degree of the radio frequency signal is improved. The invention can obtain better gain and input matching degree, effectively improve the linearity and noise coefficient of the low noise amplifier, and can be used in a radio frequency transceiver chip.)

一种消除非线性的低噪声放大器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及射频集成电路技术领域中的一种消除非线性的低噪声放大器。本发明可用于无线通信系统的射频接收机，对接收到的6GHz射频信号的幅度进行放大。

背景技术

作为射频接收机前端的第一个有源放大电路，低噪声放大器的增益越高，输出的射频信号的幅度越大，对后级电路噪声的抑制能力也就越强；同时需要不断降低低噪声放大器的噪声，提高信噪比，从而增强整个接收机的灵敏度；此外，为了防止不同频率信号交调对电路性能的影响，必须提高低噪声放大器的线性度，避免信号的失真，而线性度的提高会在一定程度上造成增益的恶化；同时，低噪声放大器的输入匹配特性也会对其噪声性能造成影响。所以，在设计接收机电路的时候，要求权衡低噪声放大器各方面性能参数，在满足增益和输入匹配度的要求同时，提高线性度和噪声性能。

上海韦玏微电子有限公司在其申请的专利文献“低噪声放大器”(申请号201710026217.3，公开号CN108306623A，公开日2018.07.20)中公开了一种低功耗的低噪声放大器电路。该低噪声放大器电路包括放大器基本电路和旁路电路，旁路电路与放大器基本电路并联连接，放大器基本电路包括输入端电路和输出端电路。该低噪声放大器增设旁路电路，在低噪声放大器具体应用过程中，如果输入信号足够大，不需要放大处理接收端，就能够识别并切换到旁路模式以节省耗电，达到降低功耗的效果。但是，该低噪声放大器仍然存在的不足之处在于，该低噪声放大器的基本电路采用简单共源共栅结构，这种共源共栅结构的线性度较差，并且该低噪声放大器的旁路电路在小信号高频段工作时，由于电路寄生效应的影响，会造成输入匹配性能的恶化和信号的衰减，难以满足射频接收芯片所需的功能。

杭州中科微电子有限公司在其申请的专利文献“一种高线性度的低噪声放大器”(申请号201910526423X，公开号CN110149096A，公开日2019.08.20)中公开了一种高线性度的低噪声放大器。该高线性度的低噪声放大器包括主放大器电路、辅助放大器电路以及cascode电路，cascode电路通过导线连接主放大器电路和辅助放大器电路，主放大器电路通过导线连接辅助放大器电路。主放大器电路通过处于低偏置状态的NMOS晶体管为电路提供一个具有正导数的跨导，辅助放大器电路通过PMOS晶体管提供一个具有负导数的跨导，并将主放大器电路的具有正导数的跨导在阈值内补偿为一个恒定的值，在低功率的情况下提高了线性度。但是，该高线性度的低噪声放大器的不足之处在于，该低噪声放大器的主放大器电路和辅助放大器连接时使用了额外的电感，同时其cascode电路需要偏置电阻来辅助实现电路功能，较多的器件限制了整体电路的尺寸，也会造成电路噪声性能恶化，带来更多的寄生效应。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于CMOS工艺的有别于现有共源共栅结构的一种消除非线性的低噪声放大器，可以在满足匹配度和增益要求的同时，解决现有低噪声放大器线性度和噪声性能差的问题。

实现本发明目的思路是：使用放大电路、非线性消除电路和噪声消除电路。利用非线性消除电路中的共源极结构，提供负的三阶非线性项，与放大电路中具有正三阶非线性项的共栅极结构连接，消除三阶非线性项，提高线性度；利用非线性消除电路中的电流复用结构实现共源极结构的自偏置，降低电路的面积和功耗；利用噪声消除电路消除放大电路中第一NMOS管M1的噪声，同时增强电路跨导。

为了实现上述目的，本发明的一种消除非线性的低噪声放大器，包括连接在输入端Vin与放大电路的输入匹配网络、输出匹配网络、放大电路、非线性消除电路和噪声消除电路；所述输入匹配网络采用LC谐振结构；所述非线性消除电路包括电流复用电感Lc、第一耦合电容C2和第二NMOS管M2，所述电流复用电感Lc的一端连接第一NMOS管M1的漏端，另一端连接第二NMOS管M2的源端，所述第一耦合电容C2的两端分别连接到第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的栅极；所述放大电路包括第一NMOS管M1和第一偏置电阻R1，第一偏置电阻R1的两端分别连接第一偏置电压Vbias1和第一NMOS管M1的栅端；所述噪声消除电路包括第三NMOS管M3、第二偏置电阻R2与第二耦合电容C3，第三NMOS管M3的源极连接公共地、漏极直接连接到输出端Vout，第二偏置电阻R2的两端分别连接在第三NMOS管M3的栅极和第二偏置电压Vbias2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明的输入匹配网络采用LC谐振结构，LC谐振结构中的第一电感L1、输入耦合电容C1和第二耦合电容C3均连接第一NMOS管M1的源端，产生谐振，通过调节第一电感L1的取值，可以将低噪声放大器的工作频率调谐到6GHz，抑制带外干扰，克服了现有技术输入匹配度较差的问题，使得本发明具有较高的输入匹配特性，实现电路的最大功率传输，从而降低了放大器的噪声系数。

第二，本发明在放大电路基础上增加了非线性消除电路，所述非线性消除电路中的电流复用电感Lc的一端连接放大电路第一NMOS管M1的漏端，另一端连接第二NMOS管的源端，第一耦合电容C2的两端分别连接第一NMOS管M1的源端和第二NMOS管M2的栅端；第二NMOS管M2产生负的三阶非线性项，放大电路的第一NMOS管M1产生正的三阶非线性项，两者分别连在电流复用电感Lc的两端形成了抵消作用，从而克服了现有技术的共源共栅结构导致线性度较差的问题，使得本发明提高了工作频率处的线性度。

第三，本发明的放大电路基础上增加了噪声消除电路，噪声消除电路包括第二偏置电阻R2和第三NMOS管M3，第二偏置电阻R2的两端分别连接在第三NMOS管M3的栅极和第二偏置电压Vbias2，第三NMOS管M3的源端接到公共地，第三NMOS管M3的栅端通过第二耦合电容C3连接第一NMOS管M1的源端，消除了第一NMOS管M1的噪声，克服了现有技术的多个器件导致电路噪声性能恶化的问题，降低了本发明的噪声系数，同时通过跨导增强提高了放大器的增益，使得本发明提高了工作频率处的信噪比。

附图说明

图1是本发明的电原理图；

图2是本发明的输入回波损耗的仿真结果图；

图3是本发明的噪声系数的仿真结果图；

图4是本发明的三阶交调特性的仿真结果图；

具体实施方式

：

下面结合附图，对本发明做进一步的描述。

参照图1对本发明总体电路结构拓扑进一步的描述。

本发明包括连接在输入端Vin与放大电路的输入匹配电路、输出匹配网络、放大电路、非线性消除电路和噪声消除电路。

所述输入阻抗匹配网络采用LC谐振结构，LC谐振结构包括输入电容C1、第一电感L1和第二耦合电容C3，所述输入电容C1、第一电感L1均连接第一NMOS管M1的源端，第一电感L1的另一端接公共地，输入电容C1的另一端连接输入端Vin；第二耦合电容C3的两端分别连接第一NMOS管M1的源端和第三NMOS管M3的栅端。通过调节第一电感L1的电感值，抵消电路的输入电容，从而提高输入匹配度。第一电感L1在1nH附近调节确定，输入电容C1和第二耦合电容C3均在1pH附近调节确定。

所述非线性消除电路包括电流复用电感Lc、第一耦合电容C2和第二NMOS管M2，所述电流复用电感Lc的一端连接第一NMOS管M1的漏端，另一端连接第二NMOS管M2的源端，所述第一耦合电容C2的两端分别连接到第一NMOS管M1的漏极和第二NMOS管M2的栅极；非线性消除电路中的第二NMOS管M2的栅端连接电源电压VDD，其漏极通过第二电感L2接电源VDD。第二电感L2在6nH附近调节确定，电源电压VDD为1.2V，第二NMOS管M2工作在饱和区。

所述放大电路包括第一NMOS管M1和第一偏置电阻R1，第一偏置电阻R1的两端分别连接第一偏置电压Vbias2和第一NMOS管M1的栅端；放大电路中的第一NMOS管M1的跨导的取值范围为[20m，100m]西门子，其取值根据g_M1＝1/R_in确定，第一偏置电阻R1取值根据芯片面积确定在千欧量级，Vbias1取[600m，800m]伏。

所述噪声消除电路包括第三NMOS管M3、第二偏置电阻R2与第二耦合电容C3，第三NMOS管M3的源极连接公共地、漏极直接连接到输出端Vout，第二偏置电阻R2的两端分别连接在第三NMOS管M3的栅极和第二偏置电压Vbias2。噪声消除电路中的第三NMOS管M3工作在饱和区，第二偏置电阻R2与第一偏置电阻R1相同，V_BIAS2取[600m，800m]伏。第一NMOS管M1源极的信号经过第二耦合电容C3进入第三NMOS管M3的栅极进行放大，通过设置第三NMOS管M3合适的尺寸，可以部分或全部抵消第一NMOS管M1的噪声，降低高线性度低噪声放大器的噪声系数，同时第三NMOS管M3可以实现跨导增强来提高增益。

本发明的工作原理如下：

输入端Vin输入频率为6GHz的射频信号，通过电流镜偏置或直接电压偏置为本发明的低噪声放大器提供偏置电压Vbias1、Vbias2，同时改变第一NMOS管M1、第二NMOS管M2与第三NMOS管M3的宽长比，调节放大电路和噪声消除电路的工作电流，实现信号放大。

放大电路中的第一NMOS管将输入电压转化为电流，如果忽略该NMOS管的沟长调制效应和体效应，则该NMOS管的输入阻抗的实部为：

其中，Rin表示低噪声放大器的输入电阻，g_M1表示第一NMOS管的跨导；g_M1的表达式为

其中，μ、C_ox、

和I_D分别表示第一NMOS的载流子迁移率、栅氧化层电容、宽长比和漏电流；因此可以通过调整该NMOS管的宽长比与漏电流I_D来改变g_M1的大小，从而满足低噪声放大器的输入电阻抗匹配的要求。

本发明的低噪声放大器在第一NMOS管M1源端和第二NMOS管M2漏端处，射频信号极性相反而第一NMOS管M1产生的噪声极性相同。第三NMOS管M3将第一NMOS管M1源端的噪声反向传输，与第二NMOS管M2漏端处的噪声相加，实现输出端噪声电压的抵消。与噪声分析过程相反，原极性相反的射频信号电压经过噪声消除电路的作用，产生同向的信号电压，在输出的实现了信号电压的增强。

本发明的放大电路中第一NMOS管M1的输入输出特性可以表示为多项式：

其中，i_d1表示第一NMOS管M1的漏电流，v_gs1表示第一NMOS管M1的栅源电压，

表示第一NMOS管M1小信号增益，表示第一NMOS管M1的二阶交调项增益，

表示第一NMOS管M1的三阶交调项增益；

非线性消除电路中的第二NMOS管M2的输入输出特性可以表示为多项式：

其中，i_d2表示第二NMOS管M2的漏电流，v_gs2表示第二NMOS管M2的栅源电压，

表示二NMOS管M2小信号增益，

表示二阶交调项增益，

表示第二NMOS管M2的三阶交调项增益；低噪声放大器的非线性主要来自于三阶交调项增益α₃与β₃。

忽略第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的沟长调制效应和体效应的影响，可以计算得到其中g_M1、g_M2分别表示M1的跨导和第二NMOS管M2的跨导，R_S表示信号源阻抗，Z_S表示第二NMOS管M2管的源极阻抗；分子中的参数其中，μ_n表示第一NMOS管和第二NMOS管载流子迁移率，C_ox表示第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的栅氧化层电容，分别第一NMOS管M1的宽长比和第二NMOS管M2的宽长比。可以看出α₃＞0，β₃＜0在输入三阶截止点的计算公式里形成抵消作用，改善了该低噪声放大器的线性度。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。

1.仿真实验条件：

本发明仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Pentium(R)CPU，主频为3GHz，内存为4GB。

本发明仿真实验的软件平台为：Linux操作系统和IC617。

本发明的仿真是运用Spectre RF仿真工具对本发明电路进行仿真，采用SMIC55nm CMOS工艺，给定电源电压VDD为1.2V，工作温度为26℃，偏置电压Vbias1和Vbias2的取值为600mV，工作频率为6GHz，输入射频信号频率的扫描范围为[4G，9G]Hz，输入射频信号功率的扫描范围为[-40，10]dBm。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明仿真实验采用本发明和现有技术的Spectre RF仿真技术，进行了三个仿真实验：仿真实验1，对低噪声放大器的输入回波损耗仿真，仿真实验2对低噪声放大器的噪声系数仿真，仿真实验3对低噪声放大器的线性度仿真。

Spectre RF仿真技术是指Cadence公司在“Cadence宣布Spectre RF仿真新技术[J].电子设计技术,1996(10):59.”中提出的用于射频集成电路的仿真技术。

下面结合图2对本发明仿真实验1做进一步的描述。

在低噪声放大器电路输入端Vin、输出端Vout分别添加输入port和输出port，设置输入射频信号频率的扫描范围为[4G，9G]Hz，步进为100MHz，对低噪声放大器的输入port进行回波损耗仿真，得到图2本发明的输入回波损耗的仿真结果图。图2中的横坐标表示输入射频信号频率，单位为GHz，纵坐标表示低噪声放大器的输入回波损耗，单位为dB。图2中的曲线是对低噪声放大器的输入port进行回波损耗仿真，得到的低噪声放大器的输入回波损耗S11。由图2可以看出，仿真实验1中的低噪声放大器的输入回波损耗最低可到-30dB以下，并且在5.8GHz到6.8GHz之间都小于-10dB，满足输入匹配要求。

下面结合图3对本发明仿真实验2做进一步的描述。

在电路输入端Vin、输出端Vout分别添加输入port和输出port，设置输入射频信号频率的扫描范围为[4G，9G]Hz，步进为100MHz，对低噪声放大器输入port进行噪声系数仿真，得到图3本发明的噪声系数仿真结果图。图3中的横坐标表示输入低噪声放大器信号的频率，单位为GHz，纵坐标表示低噪声放大器的噪声系数值，单位为dB；对低噪声放大器输入port进行噪声系数仿真，得到的低噪声放大器的噪声系数，在图3中用曲线表示。由图3可以看出，仿真实验2的低噪声放大器的噪声系数在工作频率6GHz处只有1.4dB，并且在5.2GHz到7.6GHz频段内的噪声系数都小于2dB，噪声性能得到了极大改善。

下面结合图4对本发明仿真实验3做进一步的描述。

设置测试频率为6GHz，射频输入信号功率的扫描范围为[-40，0]dBm，步进为0.05dBm，仿真阶数选择一阶和三阶，在输出port处测量输出信号的功率，分别得到一阶项的输出功率和三阶交调项的输出功率，得到图4本发明的线性度仿真结果图。图4中的横坐标代表射频输入信号功率，纵坐标代表输出信号功率，横、纵坐标的单位均为dBm；在输出port处测量输出信号的功率，得到的一阶项的输出功率，在图4中用虚线表示，得到的三阶交调项的输出功率，在图4中用实线表示，两条线交点处对应的横坐标值代表输入三阶截取点。由图4可以看出，仿真实验3中的低噪声放大器的输入三阶截取点为7.8dBm，表明本发明具有较高的线性度。

上述的理论分析和仿真结果表明，本发明的非线性消除的低噪声放大器在满足输入匹配度的同时，可以获得更高的线性度和更低的噪声系数。

上述实例仅为本发明的一种实现方式，应当理解，本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的基本原理、结构，进行形式和细节上的改变。因此，凡本领域的技术人员由本发明思想引申出的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。