CN105281681A - 一种宽带单端转双端放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带单端转双端放大器，包括：输入端；第一放大级，包括第一晶体管、负载和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极通过所述负载与所述第二晶体管的源极相连，所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的栅极连接所述输入端；第二放大级，包括第三晶体管和第四晶体管；所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大级的正向输出端；所述第四晶体管的栅极与所述第二晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大器的反向输出端。本发明的放大器本身具备单端双端的转换功能，将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器，对于简化电路起到了很好的作用。

Description

一种宽带单端转双端放大器

技术领域

本发明属于射频无线收发机领域，具体为一种宽带单端转双端放大器。

背景技术

低噪声放大器是射频收发机中的重要模块之一，主要用于通讯系统中将接收自天线的信号放大，以便于后级的接收机电路处理。

由于来自天线的信号一般都非常微弱，低噪声放大器一般情况下均位于非常靠近天线的部位以减小信号损耗。正是由于低噪声放大器位于整个接收机紧邻天线的最先一级，它的特性直接影响着整个接收机接收信号的质量。为了确保天线接收的信号能够在接收机的最后一级被正确的恢复，一个好的低噪声放大器需要在放大信号的同时产生尽可能低的噪音以及失真。

随着现代移动通讯的发展，低噪声放大器要求能够适用于各种频率和协议的应用，因此对LNA的电感提出了更高的要求，尤其是要求LNA的电感可变，满足各种频率和协议应用的需要，从而使整个接收机成为一个宽带的接收机。输入端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键，对输入端的阻抗匹配和噪声匹配影响最关键的是LNA的电感。

低噪声放大器的输出为混频器，通常来说，差分混频器比单端混频器具有更加好的噪声系数以及增益能力，因此在射频接收机中，广泛采用差分混频器。但是由于通常低噪声放大器为单端输出，差分混频器为双端输入，因此通常需要一个单端转双端的额外电路来实现单路转双路的功能，这一单端转双端的额外电路增加了电路的开销。

因此，有必要提出一种自带单端转双端功能的宽带放大器，能够实现宽带信号接受特性，同时也可直接将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于克服现有射频接收机中单端转双端的额外电路开销问题，提供一种结构简单的具有单端双端转换功能的宽带放大器。

本发明采用如下技术方案：一种宽带单端转双端放大器，包括：输入端；第一放大级，包括第一晶体管、负载和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极通过所述负载与所述第二晶体管的源极相连，所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的栅极连接所述输入端；第二放大级，包括第三晶体管和第四晶体管；所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大级的正向输出端；所述第四晶体管的栅极与所述第二晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大器的反向输出端。

优选地，所述第一晶体管的源极通过第一电感连接至电源电压、栅极与第二电感相连，所述第一电感和第二电感用于调节所述宽带放大器的输入匹配。

优选地，所述负载包括串联的第三电感和第四电感。

优选地，所述负载还包括第一电阻和第二电阻，其中所述第一电阻和所述第三电感并联，所述第二电阻和所述第四电感并联。

优选地，所述宽带放大器还包括电容，其一端连接在所述第三电感和第四电感之间，一端连接交流虚地。

优选地，所述第三晶体管的源极连接第一尾电流源，所述第四晶体管的源极连接第二尾电流源。

优选地，所述第一尾电流源为第五晶体管，所述第二尾电流源为第六晶体管。

优选地，所述第二晶体管的栅极通过第五电感连接至所述输入端。

与现有技术相比，本发明提出的自带单端转双端功能的宽带低噪声放大器，不仅能够实现宽带信号接受特性，而且还能够直接将单路信号转换为差分信号传递给后级混频器，无疑对于简化电路起到了很好的作用，有效地避免了射频接收机中单端转双端的额外电路开销。

附图说明

图1是本发明一实施例的宽带单端转双端放大器的电路示意图；

图2是本发明一实施例的宽带单端转双端放大器的输入匹配S11与频率的关系曲线图；

图3是本发明一实施例的宽带单端转双端放大器的噪声系数与频率的关系曲线图。

图4是本发明一实施例的宽带单端转双端放大器的增益与频率的关系曲线图；

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本说明书中及在权利要求书中，应理解当一元件被称为“耦接”或“连接”到另一元件或与另一元件“相连”时，其可直接连接到另一元件，或可存在介入元件。

请参照图1，本发明的宽带单端转双端放大器包括出入端Vin，第一放大级1和第二放大级2。其中，第一放大级1接收来自放大器输入端Vin的射频输入信号并对该输入信号进行第一次放大。第二放大级2与第一放大级1的输出端相连，用于将该放大级1输出的经第一次放大的射频输入信号再次放大并以相位差为180°的一对差分信号输出。第二放大级2的输出端Vop和Von作为低噪声放大器的两个输出端，其输出的该对差分信号可传递至宽带单端转双端放大器后级的混频器。

如图1所示，第一放大级1包括第一晶体管M1、负载和第二晶体管M2。第一晶体管M1的漏极通过负载与第二晶体管M2的源极相连，由此第一放大级采用了电流复用结构，即晶体管M1和M2共享同一电流支路。第一晶体管M1的源极和第二晶体管M2的栅极均连接至输入端Vin。其中，第一晶体管M1为共栅结构，其源极通过电感L1连接至电源，栅极连接电感L2。电感L1和L2构成输入匹配网络以调节宽带放大器的输入阻抗匹配，以匹配电阻Rs的值，一般来说为50Ω。在本实施中，是以两个电感来调节输入阻抗匹配，但在其他实施例中也可以将电感L1替换为电阻。第二晶体管M2为共源晶体管，其源极接地、栅极可通过电感L5连接至输入端。该电感L5起到扩大电压输入摆幅的作用。在本实施例中，负载包括串联的电感L3和L4。电感L1、L3、L4、L5在晶体管M1和M2所共享的电流支路中起到了减小供电电源电压的作用。当然在其他实施例中，串联的电感L3和L4也可以用电阻代替。另一方面，为了实现宽带频率响应，需要电感L3和L4的等效Q值较小，因此，在本设计中，采用第一电阻R1与电感L3并联，以降低电感L3的等效Q值；采用第二电阻R2与电感L4并联，以降低电感L4的等效Q值。电阻R1与电感L3并联结构和电阻R2与电感L4并联结构这两者之间通过电容C1与交流虚地端相连，用于稳压。

第二放大级2包括第三晶体管M3和第四晶体管M4。晶体管M3的栅极与晶体管M1的漏极相连以对晶体管M1漏极输出的信号进行缓冲、晶体管M3的漏极接电源、源极为第二放大级的正向输出端Vop。晶体管M4的栅极与晶体管M2的漏极相连以对晶体管M2漏极输出的信号进行缓冲、晶体管M4的漏极接电源、源极为第二放大器的反向输出端Von。进一步的，第三晶体管M3的源极连接第五晶体管M5的漏极，晶体管M5源极接地、栅极通过直流电平控制，用于向晶体管M3提供尾电流；同样的，第四晶体管M4的源极连接第晶体管M6的漏极，晶体管M6源极接地、栅极通过直流电平控制，用于向晶体管M4提供尾电流。在其他实施例中，也可以用其他尾电流源来代替本实施例中的晶体管M5和M6。

通过小信号等效电路推导，本发明提出的宽带单端转双端放大器的输入阻抗可以表示为：

$Zin=\frac{(1+g_{m1}{Z}_1)(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_3{C}_{gs1})}{(g_{m1}+{\mathrm{j\ωC}}_{gs1}(1+g_{m1}{Z}_1\left)\right)+g_{m1}(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_3{C}_{gs1})\left|\right|\left(\frac{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_4{C}_{gs2}}{{\mathrm{j\ωC}}_{gs2}}\right)}$

其中，gm1是晶体管M1的跨导，Z1是从晶体管M1的漏极所看到的阻抗值，Z2是从晶体管M2漏极所看到的阻抗值，Cgs1是晶体管M1的栅源电容，Cgs2是晶体管M2的栅源电容。

图2至图4为利用本发明的宽带放大器进行仿真得到的各放大器特性与工作频率的关系曲线图。图2为宽带放大器的输入匹配S11与频率的关系曲线图。从图2中可以看出，该宽带单端转双端放大器在2.2GHz以上的频率范围内，S11<-10dB，也即意味着该宽带单端转双端放大器能满足2.2GHz以上的宽频带应用。

通过小信号等效电路推导，本发明提出的宽带单端转双端放大器的噪声可以表示为：

$\begin{array}{c}NoiseFigure=1+\frac{\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&alpha;}}{g}_{m1}{(Z_1-g_{m2}{Z}_{2}Rs)}^2}{{\mathrm{RsK}}^2}+\frac{\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&alpha;}}{g}_{m2}{(Z_2+g_{m1}{Z}_{1}Rs)}^2}{{\mathrm{RsK}}^2}\\ +\frac{(Z_1+Z_2){(1+g_{m1}Rs)}^2}{{\mathrm{RsK}}^2}\end{array}$

其中，γ是NMOS管与PMOS管的噪声系数，为晶体管的跨导系数，K＝g_m1Z₁+g_m2Z₂，Rs为输入匹配阻抗(一般为50欧姆)，Z1是从晶体管M1漏极看到的阻抗值，Z2是晶体管M2漏极看到的阻抗值。

图3为宽带放大器的噪声系数与频率的关系曲线图。从图3中可以看到，宽带单端转双端放大器在宽频应用范围内的噪声系数小于4.6，该噪声系数水平能否满足大部分协议对低噪声放大器的需求。

图4所示为宽带放大器的增益Gain与工作频率Frequency的关系曲线。从图中可以看到，宽带单端转双端放大器的最大增益为19.4dB，最大增益频率范围5.6GHz～9.0GHz。该频率范围也是输入匹配曲线的低值，符合设计预期。

综上所述，通过本发明提出的宽带单端转双端放大器的设计，使得低噪声放大器有更宽的频率覆盖范围。此外，低噪声放大器本身具备单端双端的转换功能，无疑对于简化电路起到了很好的作用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (8)

1.一种宽带单端转双端放大器，其特征在于，包括：

输入端；

第一放大级，包括第一晶体管、负载和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极通过所述负载与所述第二晶体管的源极相连，所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的栅极连接所述输入端；

第二放大级，包括第三晶体管和第四晶体管；所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大级的正向输出端；所述第四晶体管的栅极与所述第二晶体管的漏极相连、其源极为所述第二放大器的反向输出端。

2.根据权利要求1所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述第一晶体管的源极通过第一电感连接至电源电压、栅极与第二电感相连，所述第一电感和第二电感用于调节所述宽带放大器的输入阻抗匹配。

3.根据权利要求1或2所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述负载包括串联的第三电感和第四电感。

4.根据权利要求3所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述负载还包括第一电阻和第二电阻，其中所述第一电阻和所述第三电感并联，所述第二电阻和所述第四电感并联。

5.根据权利要求4所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，还包括电容，其一端连接在所述第三电感和第四电感之间，一端连接交流虚地。

6.根据权利要求1所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述第三晶体管的源极连接第一尾电流源，所述第四晶体管的源极连接第二尾电流源。

7.根据权利要求6所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述第一尾电流源为第五晶体管，所述第二尾电流源为第六晶体管。

8.根据权利要求1所述的宽带单端转双端放大器，其特征在于，所述第二晶体管的栅极通过第五电感连接至所述输入端。