本发明专利技术提供一种低压低功耗高隔离度差分放大器，该放大器差分信号的输入端为两个以共源方式连接 的金属氧化物半导体场效应晶体管ＭＯＳＦＥＴ，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，本发明专利技术增加了两个与共源输入ＭＯＳＦＥＴ完全相同的ＭＯＳＦＥＴ，其中一个ＭＯＳＦＥＴ的栅端与输入正信号的共源ＭＯＳＦＥＴ的栅端相连，漏端与输入负信号的共源ＭＯＳＦＥＴ漏端相连（负输出端），另一个ＭＯＳＦＥＴ的栅端与输入负信号的共源ＭＯＳＦＥＴ的栅端相连，漏端与输入正信号的共源ＭＯＳＦＥＴ漏端相连（正输出端）。由于充分利用了深亚微米ＭＯＳＦＥＴ器件工作在饱和区和工作在截止区时器件的栅漏电容相同的特点，本发明专利技术具有低压低功耗、高反向隔离度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于深亚微米时代的低压低功耗CMOS RFIC应用
，尤其适用于射频CMOS集成电路(RFIC)中的低噪声放大器(LNA)。
技术介绍
随着CMOS超大规模集成电路技术进入65纳米技术时代，电路中的场效应晶体管出现严重的短沟道效应(short channel effect)，表现为阈值电压(threshold voltage)随沟道长度减小而下降，阈值电压随漏端电压增加而下降，源漏直接穿通(punch-through)沟长调制效应造成的器件本征输出电阻降低等。短沟道效应所引起的器件的二阶效应容易造成电路失效。因此短沟道效应的抑制是提高CMOS超大规模集成电路电路性能和减小电路失效的急需解决的问题。在器件尺寸缩小的同时器件的工作电压也随之不断降低，因此要求电路中的电源电压不得超过器件的最大工作电压。在射频电路设计过程中应尽可能的降低电源电压以满足器件的工作要求。低噪声放大器是射频接收机中所必不可少的组成模块之一。根据Friis公式可知，作为整个接收机组成模块中的第一级，放大器的噪声系数决定了整个接收机的噪声系数。因此在设计放大器的过程中应尽可能降低其噪声系数以提高整个系统的噪声性能。同时作为与天线和混频器相连的模块，放大器还必须具有较高的反向隔离性能来降低本振信号通过天线向外界的泄漏。尤其是对于直接转换接收机来说，由于本振信号与接收信号的频率相同，因此这一问题尤其重要。通常在放大器的设计过程中，为了提高其稳定性和反向隔离性能，最常采用的放大器的结构为共源共栅结构，如图1所示。该结构通过引入第二个器件，使得两个MOS管之间的阻抗为 从而减少了由于Cgd产生的Miller效应，提高了电路的反向隔离能力，尤其是对随后混频器的LO泄漏。同时由于该结构提高了LNA的输出阻抗(约为原来的gm2ro2倍)，从而也有利于整个放大器增益的提高。虽然解决了隔离问题但是，由于多引入的MOS管也产生了其它问题。首先，需要更多的电压余度，使得电路的工作电压很难降到1伏特以下，不是很适合于低压低功耗应用；其次，引入了额外的噪声源(共栅MOS管)，虽然在低频下由共栅MOS管引入的这些噪声可以忽略，但是随着频率的升高，两个MOS管之间的阻抗由于寄生电容的作用迅速降低，使得来自MG的噪声不能忽略。虽然可以通过在MG的源端并联电感与该处的寄生电容产生谐振，以增加其阻抗值，提高噪声性能，但是这一方面会增加整个模块的面积，同时还会引入额外的寄生和电路的复杂性。折叠共源共栅结构是另外一种共源共栅结构的放大器(如图2所示)，由于采用了PMOS和NMOS相结合的方法，使得电源电压可以小于传统的共源共栅结构，然而实际中折叠共源共栅结构的使用却受到了很大限制。这主要是因为在CMOS集成电路的设计中很难获得高品质因子的LC谐振网络，使得LC谐振网络的实际阻抗与 可比拟，使得RF信号产生分流，一部分的信号因此而损失在了LC谐振网络中，所以折叠共源共栅结构的增益通常要小于传统的共源共栅结构。Thomas H.Lee报道了一种采用交叉耦合电容中和化的方式来提高差分放大器输入输出端之间隔离度的结构，如图3所示。这种结构要求电容CN与共源管的栅漏寄生电容精确匹配以实现输入输出信号之间的中和。然而由于共源管的栅漏寄生电容通常随其输入的栅漏电压变化变化，这使得电容CN与共源管的栅漏寄生电容精确匹配通常难以实现。因此在实际放大器的设计中这种结构的应用通常非常有限。作为结构最为简单的共源型差分放大器(如图4所示)，该放大器采用两个以共源方式连接的MOSFET作为两个差分信号的输入端，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，采用电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源。该结构具有非常低的工作电压，同时由于使用了最少的器件来实现低噪声放大功能，其噪声系数也会较其它结构的放大器低，因此是一种具有很好应用潜力的结构。但是由于只采用了单管其输入输出端之间的隔离效果会由于Miller效应而变得非常差，因此在实际应用过程中限制了这种结构的应用范围。尤其是在高频下的应用更是困难，因为这会使得电路的稳定性产生很大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有低压低功耗、高反向隔离度的差分放大器。本专利技术的
技术实现思路
一种低压低功耗高隔离度差分放大器，差分信号的输入端为两个以共源方式连接的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，其特征在于增加两个与共源输入MOSFET完全相同的MOSFET，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连(负输出端)，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入正信号的的共源MOSFET漏端相连(正输出端)。增加的两个MOSFET的源端可以彼此相连，也可以悬空。本专利技术的技术效果由于深亚微米MOSFET器件在饱和区和在截止区时，器件的栅漏工作电容相同，充分利用该特点，通过增加两个与共源输入MOSFET完全相同的，工作在截止区且采用交叉连接方式的MOSFET，提供一种新型的具有低压低功耗、高反向隔离度的差分放大器。与传统差分共源型放大器相比，该电路结构可以在保证放大器在低电压下工作，同时实现输入与输出端之间的高隔离性，有效的降低整个电路的电源电压和功耗，使之适合于低压、低功耗射频无线接收机中放大器的应用。与传统共源型差分结构的放大器相比，本专利技术保证了放大器在整体性能基本不变的前提下的反向隔离性能，有效的提高整个电路的反向隔离性能，使之适合于低压、低功耗射频无线接收机中放大器的应用。本专利技术与采用电容进行中和化(Neutralization)的放大器相比，由于利用与输入MOSFET相同尺寸且工作在截止区的MOSFET栅漏极所产生的寄生电容与输入MOSFET的寄生栅漏电容匹配，因此不受输入栅电压的影响，具有很强的应用前景。附图说明下面结合附图，对本专利技术做出详细描述。图1为传统经典型共源共栅放大器结构示意图；图2是折叠共源共栅放大器结构示意图；图3是采用电容中和法提高放大器输入输出端口隔离的结构示意图；图4为传统共源型差分放大器的电路结构示意图；图5是本专利技术低压低功耗高隔离度差分放大器的电路结构示意图；图6为两种结构放大器进行的S12参数仿真结果比较。具体实施例方式本专利技术低压低功耗高隔离度差分放大器采用两个以共源方式连接的MOSFET作为两个差分信号的输入端，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，采用电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源；同时采用两个与输入MOSFET完全相同的MOSFET，这两个MOSFET的源端彼此相连或悬空，其中一个MOSFET的栅端与输入正信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入负信号的共源MOSFET漏端相连(负输出端)，另一个MOSFET的栅端与输入负信号的共源MOSFET的栅端相连，该MOSFET的漏端与输入正信号的的共源MOSFET漏端相连(正输出端)，呈交叉连接方式。整个差分放大器的负载根据应用背景的不同可以采用电感、电容、电阻、有源器件等本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低压低功耗高隔离度差分放大器，差分信号的输入端为两个以共源方式连接的金属氧化物半导体场效应晶体管ＭＯＳＦＥＴ，采用电阻、电感或其它有源器件作为负载，电阻、电感或其它有源器件作为放大器源端反馈元件或尾电流源，其特征在于：增加两个与共源输入ＭＯＳＦＥＴ完全相同的ＭＯＳＦＥＴ，其中一个ＭＯＳＦＥＴ的栅端与输入正信号的共源ＭＯＳＦＥＴ的栅端相连，该ＭＯＳＦＥＴ的漏端与输入负信号的共源ＭＯＳＦＥＴ漏端相连，另一个ＭＯＳＦＥＴ的栅端与输入负信号的共源ＭＯＳＦＥＴ的栅端相连，该ＭＯＳＦＥＴ的漏端与输入正信号的的共源ＭＯＳＦＥＴ漏端相连。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋睿丰，廖怀林，张国艳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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