CN107623494B - 一种应用于tr组件的cmos三端口放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器，包含驱动放大器、低噪声放大器，驱动放大器输出端与低噪声放大器输入端直接相连，正向工作时，输入信号接驱动放大器的输入端，由公共端输出；反向工作时，输入信号接公共端，由低噪声放大器输出端输出。本发明的优点在于：在不添加收发开关的情况下，实现收发切换，且实现公共端口的阻抗匹配。

Description

一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器

技术领域

本发明涉及一种CMOS器件，更具体涉及一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器。

背景技术

TR组件是有源相控阵雷达的关键部件，其设计成功与否，决定了整部雷达的成本、可生产性和系统性能。收发开关、驱动放大器、低噪声放大器组合的三端口放大器常见于TR组件中，其中收发开关控制TR组件工作于正向或反向状态，进而进行功率放大或低噪声放大。

CMOS工艺因其长期作为数字电路设计的主流工艺，使得工艺非常成熟，具有很高的集成度，最低的成本及最小的功耗。随着CMOS工艺水平的提升以及新型射频IC设计方法和收发机结构的涌现，将整体射频前端电路集成于单芯片上，把收发开关、驱动放大器、低噪声放大器等射频模块集成一起非常有利于提高集成度，如图1所示，是传统三端口放大器的电路结构图。

然而传统三端口放大器结构在引入收发开关后，收发开关可以方便切换工作状态，但是，正向工作时，收发开关会降低驱放的输出功率；反向工作时，又会引入多余噪声并降低低噪放的增益；此外还会增加电路面积，提高电路成本与功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种降低信号传输损耗，提高输出功率，降低噪声系数、节约电路功耗、面积与成本的应用于TR组件的CMOS三端口放大器。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器，包含驱动放大器、低噪声放大器，驱动放大器输出端与低噪声放大器输入端直接相连，正向工作时，输入信号接驱动放大器的输入端，由公共端输出；反向工作时，输入信号接公共端，由低噪声放大器输出端输出。

作为具体的技术方案，驱动放大器包括晶体管M1、M2、M10、电感L1、Ld、电阻R1、R2、电容C1、C2，其中晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的栅极接电感L1的一端和电阻R2的一端，晶体管M2的漏极同时接电感Ld的一端、电容C2的一端和三端口放大器的公共端，晶体管M2的栅极接偏置电压VB2，电感Ld的另一端接电源，电容C2的另一端与电阻R2的另一端连接，电感L1的另一端接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端作为三端口放大器的正向输入端口，电阻R1的另一端接晶体管M10的漏极，同时晶体管M10的漏极接偏置电压VB1，晶体管M10的源极接地，晶体管M10的栅极作为使能信号SW1输入端。

作为具体的技术方案，低噪声放大器包括晶体管M3、M4、M5、M20、M21、M22、M23、M24、M25、电容C5、C6、电感L2，电阻R3，其中晶体管M20的栅极作为使能信号SW2输入端，晶体管M20的漏极连接三端口放大器的公共端，晶体管M20的源极接到电感L2的一端，电感L2的另一端连接晶体管M4、M5、M25的栅极、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接晶体管M4的漏极、电容C5的一端，晶体管M3、M25的源极接地，晶体管M4的源极接晶体管M21的漏极，晶体管M21、M22的栅极相连，M21、M22的源极相连且连到电源端，偏置电流Ibias输入晶体管M21、M22、M23的栅极和晶体管M22的漏极，晶体管M5的栅极接电容C5的另一端和偏置电压VB3，晶体管M5的漏极接电源端，晶体管M23的源极接电源端，晶体管M23的栅极接偏置电流Ibias，晶体管M5的源极、晶体管M23的漏极以及晶体管M24的源极连接在一起接到电容C6的一端，晶体管M24的栅极接偏置电压VB4，电容C6的另一端作为反相输出端，晶体管M24的漏极与晶体管M25的漏极连接在一起，M25的源极接地。

作为具体的技术方案，驱动放大器还包括电感Ld，电容C3，低噪声放大器包括电容C4，晶体管M2的漏极通过电容C3接三端口放大器的公共端，晶体管M20的漏极通过电容C4连接三端口放大器的公共端。

作为具体的技术方案，电阻R1为大于5K欧姆的电阻。

作为具体的技术方案，使能信号SW1、SW2同时为低电平时，驱放偏置V_B1加在晶体管M1栅极，低噪放输入端断开，三端口放大器处于正向工作状态；

使能信号SW1、SW2同时为高电平时，驱放偏置V_B1导向地，晶体管M1断开，低噪放输入端导通，三端口放大器处于反向工作状态。

作为具体的技术方案，当电阻R2无穷大时电路反馈为0，随着电阻R2的减小，增益降低且主极点向高频移动。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)在不添加收发开关的情况下，实现收发切换，且实现公共端口的阻抗匹配。降低信号传输损耗，提高输出功率，降低噪声系数，节约电路功耗、面积与成本。

(2)高带宽，本发明在放大器结构中使用电阻并联负反馈结构，得到了良好的带宽扩展，切提高了放大器的稳定性，降低了非线性失真。

(3)低噪声系数。本发明采用并联反馈噪声消除结构，在保证输入匹配的基础上，令输出噪声相互抵消且不削弱传输信号。

附图说明

图1是传统三端口放大器的电路结构图；

图2是本发明三端口放大器的电路结构图；

图3是本发明三端口放大器的电路原理图；

图4是本发明三端口放大器正向工作时的电路原理图；

图5是本发明三端口放大器反向工作时的电路原理图；

图6是相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于正向工作状态时，输出功率的比较；

图7是相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于反向工作状态时，噪声系数的比较；

图8是相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于正/反向工作状态时，增益的比较；

图9是本发明中的三端口放大器公共端口匹配。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参看图2，本发明三端口放大器包含驱动放大器DA、低噪声放大器LNA。正向工作时，单端射频输入信号接驱动放大器的输入端，由公共端输出；反向工作时，输入信号接公共端，由低噪声放大器输出端输出。

参看图3，驱动放大器包括晶体管M1、M2、M10、电感L1、Ld、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3。其中晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的栅极接电感L1的一端和电阻R2的一端，晶体管M2的漏极同时接电感Ld的一端、电容C2和C3的一端，晶体管M2的栅极接偏置电压VB2，电感Ld的另一端接电源，电容C2的另一端与电阻R2的另一端连接，电容C3的另一端接三端口放大器的公共端。电感L1的另一端接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端作为三端口放大器的正向输入端口，电阻R1的另一端接晶体管M10的漏极，同时晶体管M10的漏极接偏置电压VB1，晶体管M10的源极接地，晶体管M10的栅极作为使能信号SW1输入端。

低噪声放大器包括晶体管M3、M4、M5、M20、M21、M22、M23、M24、M25、电容C4、C5、C6、电感L2，电阻R3。其中晶体管M20的栅极作为使能信号SW2输入端，晶体管M20的漏极通过电容C4连接三端口放大器的公共端，晶体管M20的源极接到电感L2的一端，电感L2的另一端连接晶体管M4、M5、M25的栅极、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接晶体管M4的漏极、电容C5的一端，晶体管M3、M25的源极接地，晶体管M4的源极接晶体管M21的漏极，晶体管M21、M22的栅极相连，M21、M22的源极相连且连到电源端，偏置电流Ibias输入晶体管M21、M22、M23的栅极和晶体管M22的漏极。晶体管M5的栅极接电容C5的另一端和偏置电压VB3，晶体管M5的漏极接电源端，晶体管M23的源极接电源端，晶体管M23的栅极接偏置电流Ibias，晶体管M5的源极、晶体管M23的漏极以及晶体管M24的源极连接在一起接到电容C6的一端，晶体管M24的栅极接偏置电压VB4，电容C6的另一端作为反相输出端。晶体管M24的漏极与晶体管M25的漏极连接在一起，M25的源极接地。

晶体管M1、M2构成共源共栅结构，并引入电阻R2作为并联反馈电阻达到带宽扩展，C1、C2为隔直电容，L1、C1、C3、Ld做输入输出匹配，SW1控制偏置，电阻R1为大于5K欧姆的电阻；低噪声放大器中，SW2控制低噪放输入端通断，晶体管M3、M4、电阻R3、电容C5、晶体管M5构成并联反馈噪声消除结构，电感L2、电容C4做低噪放输入匹配。电容C3、C4直接连接，电感Ld、电容C3、C4、电感L2的取值要同时满足驱放输出匹配与低噪放输入匹配虑。

驱动放大器输出端与低噪声放大器输入端直接相连，在不添加收发开关的情况下，实现收发切换，且实现公共端口的阻抗匹配；正向工作状态中，使能信号SW1从共源共栅驱动放大器的输入端进入，实现功率放大，驱放中采用电阻并联负反馈实现宽带输入匹配，电容C2的作用是防止反馈网络对晶体管的支流偏置产生影响，电阻R2起主要反馈作用；反向工作状态中，使能信号SW2从公共端进入低噪声放大器，低噪放中采用并联反馈结构用于消除噪声，在保证输入匹配的基础上，令输出噪声相抵消且不削弱传输的信号，从而减小噪声系数，在实际设计中，第一级的晶体管噪声电流影响最大，通过电路拓扑结构使得输出产生与之同样大小的反相噪声电流，就可以抵消掉其对输出噪声的影响；放大器正/反向工作状态的切换通过控制使能信号SW1、SW2实现。

驱动放大器输出端与低噪声放大器输入端直接相连，将驱放的输出匹配与低噪放的输入匹配同时设计，通过调节低噪放输入端匹配电感L2和驱放共源共栅管漏端电感Ld来实现。

正向工作时，驱动放大器采用电阻并联负反馈实现宽带输入匹配，R2是反馈电阻，电容C2用于限制低频信号的反馈。当R2无穷大时电路反馈为0，随着R2的减小，增益降低且主极点向高频移动。这种结构是以牺牲增益为代价换来带宽的扩展，不过该结构有益于电路稳定性的提高以及非线性失真的降低。

反向工作时，在低噪声放大器中采用并联反馈结构进行噪声消除，在保证输入匹配的基础上，令输出噪声相抵消且不削弱传输的信号，从而减小噪声系数，在实际设计中，第一级的晶体管噪声电流影响最大，通过电路拓扑结构使得输出产生与之同样大小的反相噪声电流，就可以抵消掉其对输出噪声的影响。

参看图4可见，使能信号SW1、SW2同时为低电平时，驱放偏置V_B1加在晶体管M1栅极，低噪放输入端断开，三端口放大器处于正向工作状态。

参看图5可见，使能信号SW1、SW2同时为高电平时，驱放偏置V_B1导向地，晶体管M1断开，低噪放输入端导通，三端口放大器处于反向工作状态。

参看图6可见，相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于正向工作状态时，输出功率的比较，其结果显示，本发明所设计的三端口放大器输出功率更高。

参看图7可见，相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于反向工作状态时，噪声系数的比较，其结果显示，本发明所设计的三端口放大器噪声系数更低。

参看图8可见，相同功耗下本发明与传统三端口放大器处于正/反向工作状态时，增益的比较，其结果显示，本发明所设计的三端口放大器在获得良好增益平坦度的同时，增益更大。

参看图9可见，本发明中的三端口放大器，在不添加收发开关的情况下，公共端口，即正向工作时驱放的输出端和反向工作时低噪放的输入端，都实现良好的宽带匹配。

本发明设计的一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器，避免了收发开关的使用，降低了损耗与噪声，减小了电路面积与功耗，并实现了公共端口宽带匹配和良好的增益平坦度，使其在输出功率、接收噪声、电路功耗等性能上优于传统三端口放大器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于TR组件的CMOS三端口放大器，其特征在于：包含驱动放大器、低噪声放大器，驱动放大器输出端与低噪声放大器输入端直接相连，正向工作时，输入信号接驱动放大器的输入端，由公共端输出；反向工作时，输入信号接公共端，由低噪声放大器输出端输出；

驱动放大器包括晶体管M1、M2、M10、电感L1、Ld、电阻R1、R2、电容C1、C2，其中晶体管M1的漏极和晶体管M2的源极相连，晶体管M1的源极接地，晶体管M1的栅极接电感L1的一端和电阻R2的一端，晶体管M2的漏极同时接电感Ld的一端、电容C2的一端和三端口放大器的公共端，晶体管M2的栅极接偏置电压VB2，电感Ld的另一端接电源，电容C2的另一端与电阻R2的另一端连接，电感L1的另一端接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端作为三端口放大器的正向输入端口，电阻R1的另一端接晶体管M10的漏极，同时晶体管M10的漏极接偏置电压VB1，晶体管M10的源极接地，晶体管M10的栅极作为使能信号SW1输入端；

低噪声放大器包括晶体管M3、M4、M5、M20、M21、M22、M23、M24、M25、电容C5、C6、电感L2，电阻R3，其中晶体管M20的栅极作为使能信号SW2输入端，晶体管M20的漏极连接三端口放大器的公共端，晶体管M20的源极接到电感L2的一端，电感L2的另一端连接晶体管M4、M5、M25的栅极、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接晶体管M4的漏极、电容C5的一端，晶体管M3、M25的源极接地，晶体管M4的源极接晶体管M21的漏极，晶体管M21、M22的栅极相连，M21、M22的源极相连且连到电源端，偏置电流Ibias输入晶体管M21、M22、M23的栅极和晶体管M22的漏极，晶体管M5的栅极接电容C5的另一端和偏置电压VB3，晶体管M5的漏极接电源端，晶体管M23的源极接电源端，晶体管M23的栅极接偏置电流Ibias，晶体管M5的源极、晶体管M23的漏极以及晶体管M24的源极连接在一起接到电容C6的一端，晶体管M24的栅极接偏置电压VB4，电容C6的另一端作为反相输出端，晶体管M24的漏极与晶体管M25的漏极连接在一起，M25的源极接地；

驱动放大器还包括电容C3，低噪声放大器包括电容C4，晶体管M2的漏极通过电容C3接三端口放大器的公共端，晶体管M20的漏极通过电容C4连接三端口放大器的公共端；

使能信号SW1、SW2同时为低电平时，驱放偏置电压VB1加在晶体管M1栅极，低噪放输入端断开，三端口放大器处于正向工作状态；

使能信号SW1、SW2同时为高电平时，驱放偏置电压VB1导向地，晶体管M1断开，低噪放输入端导通，三端口放大器处于反向工作状态；

正向工作时，驱动放大器采用电阻并联负反馈实现宽带输入匹配，R2是反馈电阻，电容C2用于限制低频信号的反馈；当R2无穷大时电路反馈为0，随着R2的减小，增益降低且主极点向高频移动；

反向工作时，在低噪声放大器中采用并联反馈结构进行噪声消除，在保证输入匹配的基础上，令输出噪声相抵消且不削弱传输的信号，从而减小噪声系数。

2.如权利要求1所述的应用于TR组件的CMOS三端口放大器，其特征在于：电阻R1为大于5K欧姆的电阻。

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