CN104348432B - 一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器 - Google Patents

一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，它包括：一个共源或共发射极输入放大晶体管对：第一晶体管、第四晶体管；一个共栅或共基放大晶体管对：第二晶体管、第三晶体管；尾电流源管和带有紧密耦合差分电感的输出负载电路。第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；C1和C2为谐振用等容值差分电容；L0与L1也可选为紧密耦合差分电感。本发明输出负载采用紧密耦合差分电感L4、L5再加谐振用差分电容C1、C2，提高了差分输出增益相位的平衡性和稳健性；高阻抗尾电流源管M5可以很好地抑制共模信号。该发明专利的性能在PVT和工作频率点变化时表现有优良的鲁棒性，同时具有良好的对介质基底噪声的抗干扰能力。

Description

一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放 大器
技术领域
本发明涉及一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器。
背景技术
在GNSS如北斗、GPS、伽利略、GLONASS等卫星导航系统接收片上系统SoC中，模拟射频电路模块很容易受到数字模块干扰，由于全差分结构抑制共模干扰与噪声的效果很好，因此全差分结构被广泛应用于硅基射频模拟集成电路芯片。然而，由于来自天线到接收系统的信号通常为单端非平衡信号，因此需要在接收机的最前端低噪声放大器把单端非平衡信号转变成两个相位相反幅度一致的差分信号。
实现单端转差分的一个最直接的方法就是在低噪声放大器输入端前加入片外双向式的非平衡至平衡转换器（BALUN），再使用全差分结构的低噪声放大器，在输入信号进入芯片前就转换为差分，具有良好的共模干扰抑制能力。然而，一方面，片外无源的BALUN没有增益，却存在1～2dB的插入损耗，根据Friis级联公式，这1～2dB的插损将直接加到系统的整体噪声系数上，从而恶化接收机的灵敏度。另一方面，片外BALUN的成本相对较高，且体积较大，不能满足接收机小型化设计需求。
为了解决上述问题，中国专利公告号CN102163955A公开了一种单端输入差分输出的低噪声放大器，该低噪声放大器在输入共源、共栅放大电路后加入对称的第二级共源、共栅放大电路形成差分输入放大，如图1所示，耦合电容Cc把单端输入信号的反向信号耦合到第二级输入放大电路，经差分输入放大后产生所需的差分输出信号。然而，该低噪声放大器第二电路中第二场效应管的源极与尾电流源电路之间未设置与负反馈电感Ls对称的电感，直接影响了该低噪声放大器电路的对称性，共模抑制效果不太理想。另外，该低噪声放大器的输出负载由简单的、对信号平衡无改善的差分电阻（RL1、RL2）构成，该低噪放输出的差分信号RFout+、RFout-的平衡性相对还较弱。
又如美国专利申请号09/544,101公开了一种单转双低噪声放大器（Single-to-differential low noise amplifier），如图2所示，该低噪声放大器的共射共基双极型晶体管Q1、Q2的发射极分别对称连接有负反馈电感L1、L2，但是其输出负载也由简单的、对信号平衡无改善的差分电阻ZL构成，差分信号输出端RF(out+)、RF(out-)输出差分信号前分别连接耦合电容。该单转双低噪放存在以下问题：（1）与上述中国专利一样，两个对称的负载阻抗ZL 无任何互耦，输出端RF(out+)、RF(out-)输出差分信号的平衡度较差；（2）未设置高阻抗尾电流源，因此无法抑制共模信号，从而进一步影响了输出端RF(out+)、RF(out-)输出差分信号的平衡度。
此外，现有的单端转差分低噪放在PVT和工作频率点变化时其性能变化都很敏感，其中一部分对于共模干扰和介质基底噪声也是敏感的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，输出负载采用紧密耦合差分电感和在工作频率点处谐振用差分电容实现，以提高差分输出增益相位的平衡性和稳健性，在右侧共源、共栅放大电路与尾电流源电路之间增设负反馈电感，增加电路对称性；高阻抗尾电流源提高电路共模抑制能力，有助于提高差分输出增益相位的平衡性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，它包括：
一个共源或共发射极输入放大晶体管对：第一晶体管、第四晶体管；一个共栅或共基放大晶体管对：第二晶体管、第三晶体管；尾电流源管，共源输入放大退耦电感L0、L1，带有紧密耦合差分电感的输出负载电路。
所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管可以均为场效应管，或是均为双极型三极管。
当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为场效应管时，第一场效应管M1的栅极与射频输入连接，第一场效应管M1的源极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管M5连接，第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极相连；第四场效应管M4的源极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管M5连接，第四场效应管M4的漏极与第三场效应管M3的源极相连，第二场效应管M2的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三场效应管M3的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二场效应管M2和第三场效应管M3的漏极分别与输出负载电路相连。
该低噪声放大器还包括一个耦合电容C0，耦合电容C0的一端与第四场效应管M4的栅极相连，另一端连接第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极的公共连接点。M1、L0与M5构成单端信号输入电路，M4、L1与M5构成第二级电路，所述耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第二级电路的输入端，从而M1/M4可获得一个近似差分输入信号。
所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与电源电压Vcc连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二场效应管M2的漏极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三场效应管M3的漏极连接。其中，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1和第二电容C2为谐振用等容值差分电容。
尾电流源管M5的漏极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点X节点上，X节点对理想的差分信号来说是虚拟接地点，即X与Vss之间对理想差分信号可看作交流短路，因此，尾电流源管M5不影响单端信号的输入阻抗匹配。尾电流源管M5的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_TAILCURRENT，尾电流源管M5的源极连接备用电源Vss。尾电流源管M5为系统提供恒定的尾电流偏置。
当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为双极型三极管时，所述的第一双极型三极管Q1的基极与射频输入连接，第一双极型三极管Q1的发射极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管Q5连接，第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极相连；第四双极型三极管Q4的发射极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管Q5连接，第四双极型三极管Q4的集电极与第三双极型三极管Q3的发射极相连，第二双极型三极管Q2的基极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三双极型三极管Q3的基极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二双极型三极管Q2和第三双极型三极管Q3的集电极分别与输出负载电路相连。
此时，耦合电容C0的一端与第四双极型三极管Q4的基极相连，另一端连接第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极的公共连接点。Q1、 L0与M5构成单端信号输入电路，Q4、L1与M5构成第二级电路，所述耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第二级电路的输入端，从而Q1/Q4可获得一个近似差分输入信号。
所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与偏执电压Vbias连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二双极型三极管Q2的集电极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三双极型三极管Q3的集电极连接。其中，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1和第二电容C2为谐振用等容值差分电容。
所述尾电流源管Q5的集电极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点上，公共连接点X节点上，X节点对理想的差分信号来说是虚拟接地点，即X与Vss之间对理想差分信号可看作交流短路，因此，尾电流源管Q5不影响单端信号的输入阻抗匹配尾电流源管Q5的基极连接直流偏置电压DCBIAS_TAILCURRENT，尾电流源管Q5的发射极连接备用电源Vss。尾电流源管Q5为系统提供恒定的尾电流偏置。
两个紧密耦合电感第四电感L4和第五电感L5是差分负载，K1的耦合系数k表示第四电感L4与第五电感L5之间的电感耦合，k=0～1。L4与L5之间的紧密耦合有助于平衡OUTPUT_P和OUTPUT_N输出的差分信号。较大信号的一边将通过该耦合获得较小的信号强度增加，而较小信号的一方通过耦合将得到较大的信号强度增加。耦合系数越大，平衡性改善越大。
对于任何不平衡的信号，都可以被分解为差模信号和共模信号。尾电流对称电路能够明显抑制不必要的共模信号，从而有助于提供高度相位增益平衡的差分输出信号。
第一负反馈电感L0用于同时输入功率和噪声匹配；增加第二负反馈电感L1，可保证电路良好的对称性，从而带来良好的共模抑制。
作为本发明的进一步改进，第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1也可为紧密耦合差分电感，K2的耦合系数k表示第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1之间的电感耦合，k=0～1。L0与L1紧密耦合差分，可用来改善差分输出信号增益相位的平衡性。但其贡献的重要性要显著小于紧密耦合差分电感L4、L5对于电路平衡性的贡献。
本发明的有益效果是：
1）在第一晶体管的反向放大输出端与第四晶体管的输入端之间设有耦合电容C0，初步产生了大致对称的差分信号；
2）输出负载采用紧密耦合电感和谐振电容实现，进一步提高了差分输出增益相位的平衡性和稳健性；
3）在第二级放大电路与尾电流源电路之间（即第四晶体管与尾电流源管之间）增设了负反馈电感L1，增加了电路对称性，提高了电路共模抑制能力，有助于提高差分输出增益相位的平衡性；
4）进一步第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1也可为紧密耦合差分电感，进一步改善了差分输出信号增益相位的平衡性；
5）设置有高阻抗尾电流源，可以很好地抑制共模信号，从而又进一步提高了输出端RF(out+)、RF(out-)输出差分信号的平衡度；
6）本单转双低噪放电路结构具有良好的性能，且其性能对元件变化不敏感，在组件变化时具有优良的鲁棒性，PVT和工作频率点不牺牲任何电气性能，同时具有良好的共模干扰性能和对介质基底噪声的抗干扰能力。
附图说明
图1为传统单转双低噪声放大器电路结构示意图一；
图2为传统单转双低噪声放大器电路结构示意图二；
图3为基于场效应管的单转双低噪声放大器电路结构示意图；
图4为基于双极型三极管的单转双低噪声放大器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，它包括共源、共发射极输入放大晶体管对：第一晶体管、第四晶体管；共栅、共基放大晶体管对：第二晶体管、第三晶体管；尾电流源管和带有紧密耦合差分电感的输出负载电路。
所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管可以均为场效应管，或是均为双极型三极管。
如图3所示，当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为场效应管时，第一场效应管M1的栅极与射频输入连接，第一场效应管M1的源极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管M5连接，第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极相连；第四场效应管M4的源极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管M5连接，第四场效应管M4的漏极与第三场效应管M3的源极相连，第二场效应管M2的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三场效应管M3的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二场效应管M2和第三场效应管M3的漏极分别与输出负载电路相连。其中，第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1选为紧密耦合差分电感。
该低噪声放大器还包括一个耦合电容C0，耦合电容C0的一端与第四场效应管M4的栅极相连，另一端连接第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极的公共连接点。M1、L0与M5构成单端信号输入电路，M4、L1与M5构成第二级电路，所述耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第二级电路的输入端，从而M1/M4可获得一个近似差分输入信号。
所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与电源电压Vcc连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二场效应管M2的漏极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三场效应管M3的漏极连接。其中，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1和第二电容C2为谐振用等容值差分电容。
尾电流源管M5的漏极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点X节点上，尾电流源管M5的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_TAILCURRENT，尾电流源管M5的源极连接备用电源Vss。
本发明不仅适用于基于场效应管的单转双低噪声放大器，同样也适用于基于双极型三极管的单转双低噪声放大器。
如图4所示，当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为双极型三极管时，所述的第一双极型三极管Q1的基极与射频输入连接，第一双极型三极管Q1的发射极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管Q5连接，第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极相连；第四双极型三极管Q4的发射极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管Q5连接，第四双极型三极管Q4的集电极与第三双极型三极管Q3的发射极相连，第二双极型三极管Q2的基极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三双极型三极管Q3的基极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二双极型三极管Q2和第三双极型三极管Q3的集电极分别与输出负载电路相连。其中，第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1选为紧密耦合差分电感。
此时，耦合电容C0的一端与第四双极型三极管Q4的基极相连，另一端连接第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极的公共连接点。Q1、 L0与M5构成单端信号输入电路，Q4、L1与M5构成第二级电路，所述耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第二级电路的输入端，从而Q1/Q4可获得一个近似差分输入信号。
所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与偏执电压Vbias连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二双极型三极管Q2的集电极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三双极型三极管Q3的集电极连接。其中，第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；第一电容C1和第二电容C2为谐振用等容值差分电容。
所述尾电流源管Q5的集电极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点上，尾电流源管Q5的基极连接直流偏置电压DCBIAS_TAILCURRENT，尾电流源管Q5的发射极连接备用电源Vss。
该低噪放LNA的性能：对于PVT、工作频率，C0及其它组件的选择不敏感。
基于TSMC 1.2V/0.13um CMOS工艺，本专利作者设计了一应用于工作频率为1.56GHz的GNSS LNA电路如图3所示，C0为1pF，而L4/L5电感耦合系数k1为0.66，L0/L1电感耦合系数k2为0.3。仿真结果表明：在以1.56GHz为中心带宽为300MHz工作频率范围内在室温及典型工艺条件下，该低噪声放大器可提供0.07deg相位不平衡和0.04dB增益不平衡。而在-40C和85C条件下，该低噪声放大器会产生0.11deg相位不平衡和0.04dB增益不平衡。如果电源电压变化±10%，那在极端的PVT工作条件下，该低噪声放大器在该工作频率内仅能产生最大0.38deg相位不平衡和0.07dB增益不平衡。其相位增益平衡性能明显优于现有所有单端转差分低噪声放大器。
以上所述仅是本发明的一个优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：它包括：
一个共源或共发射极输入放大晶体管对：第一晶体管、第四晶体管；一个共栅或共基放大晶体管对：第二晶体管、第三晶体管；尾电流源管和带有紧密耦合差分电感与谐振电容组成的输出负载电路；
所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为场效应管，且分别对应为第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、尾电流源管M5；
所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与电源电压Vcc连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二场效应管M2的漏极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三场效应管M3的漏极连接；
所述第四电感L4和第五电感L5为紧密耦合差分电感；所述第一电容C1和第二电容C2为谐振用等容值差分电容；所述的紧密耦合差分电感和谐振用等容值差分电容进一步提高了差分输出信号增益相位的平衡性和稳健性。
2.根据权利要求1所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的第一场效应管M1的栅极与射频输入连接，第一场效应管M1的源极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管M5连接，第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极相连；第四场效应管M4的源极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管M5连接，第四场效应管M4的漏极与第三场效应管M3的源极相连，第二场效应管M2的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三场效应管M3的栅极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二场效应管M2和第三场效应管M3的漏极分别与输出负载电路相连。
3.根据权利要求2所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：它还包括耦合电容C0，耦合电容C0的一端与第四场效应管M4的栅极相连，另一端连接第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极的公共连接点。
4.根据权利要求3所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第四场效应管M4的输入端。
5.根据权利要求2所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述尾电流源管M5的漏极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点上，尾电流源管M5的栅极连接直流偏置电压，尾电流源管M5的源极连接备用电源Vss。
6.根据权利要求1所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、尾电流源管均为双极型三极管，且分别对应为第一双极型三极管Q1、第二双极型三极管Q2、第一双极型三极管Q3、第一双极型三极管Q4、尾电流源管Q5。
7.根据权利要求6所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的第一双极型三极管Q1的基极与射频输入连接，第一双极型三极管Q1的发射极通过第一负反馈电感L0与尾电流源管Q5连接，第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极相连；第四双极型三极管Q4的发射极通过第二负反馈电感L1与尾电流源管Q5连接，第四双极型三极管Q4的集电极与第三双极型三极管Q3的发射极相连，第二双极型三极管Q2的基极连接直流偏置电压DCBIAS_2，第三双极型三极管Q3的基极连接直流偏置电压DCBIAS_1，第二双极型三极管Q2和第三双极型三极管Q3的集电极分别与输出负载电路相连。
8.根据权利要求7所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：它还包括耦合电容C0，耦合电容C0的一端与第四双极型三极管Q4的基极相连，另一端连接第一双极型三极管Q1的集电极与第二双极型三极管Q2的发射极的公共连接点。
9.根据权利要求8所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的耦合电容C0把单端输入信号的反向信号耦合到第四双极型三极管Q4的输入端。
10.根据权利要求7所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述尾电流源管Q5的集电极连接在第一负反馈电感L0和第二负反馈电感L1的公共连接点上，尾电流源管Q5的基极连接直流偏置电压，尾电流源管Q5的发射极连接备用电源Vss。
11.根据权利要求6所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述输出负载电路包括由第一电容C1、第四电感L4组成的左侧单端谐振回路和由第二电容C2、第五电感L5组成的右侧单端谐振回路；第一电容C1、第四电感L4、第五电感L5和第二电容C2的一端分别与偏置电压Vbias连接，第一电容C1和第四电感L4的另一端与第二双极型三极管Q2的集电极相连，第二电容C2和第五电感L5的另一端与第三双极型三极管Q3的集电极连接。
12.根据权利要求2或7所述的一种差分输出增益相位高度平衡且稳健的单转双低噪声放大器，其特征在于：所述的第一负反馈电感L0与第二负反馈电感L1也可选为紧密耦合差分电感。
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