CN107733373A - 一种基于cmos工艺的宽带双向射频放大器 - Google Patents

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Abstract

一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，可克服传统基于单刀双掷开关结构的双向射频放大器的不足，包括正向放大器宽带和反向放大器宽带，正向放大器宽带和反向放大器宽带都采用带RC负反馈的共源组态电路拓扑，正向放大器宽带的射频输入端和反向放大器宽带的射频输出端连接在一起，正向放大器宽带的射频输出端和反向放大器宽带的射频输入端连接在一起。本发明基于CMOS工艺实现，电路结构简单，能够实现正向和反向放大，具有较高的隔离度。该电路结构无需射频单刀双掷开关进行切换，消除了因开关引损耗起的噪声系数和输出功率恶化问题，同时两个端口在正向和反向工作模式下均能实现宽带匹配。

Description

一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器
技术领域
本发明涉及宽带双向射频放大器电路，具体涉及一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器。
背景技术
射频放大器电路是无线收发系统中最常见的电路单元之一，其作用是实现对射频信号的放大。例如，射频低噪声放大器用来提高无线收发机对微弱信号的探测能力，射频功率放大器用来提高无线发射机信号的辐射距离。大多数无线系统需要同时实现接收和发射功能，如通信链路上的上行链路和下行链路，雷达等电子设备中的接收链路和发射链路。为了提高系统集成度、简化架构、降低成本，这些系统中往往需要双向射频放大器来实现对上行/下行或者接收/发射信号进行放大。通常，下行或者接收链路上，要求放大器具有较低的噪声系数；上行或者发射链路上，要求放大器具有较大的输出功率。
常规的双向射频放大器最常见的电路结构主要基于单端放大器和单刀双掷开关的拓扑，这种结构一般包括两个单刀双掷开关、一个接收低噪声放大器(LNA)和一个发射功率放大器(PA)，如图1所示。正向工作时，在控制信号作用下，两个单刀双掷开关分别接至LNA的输入端和输出端；反向工作时，在控制信号作用下，两个单刀双掷开关分别接至PA的输入端和输出端。传统的双向射频放大器电路隔离度较高，电路性能稳定，但具有以下缺点：
第一是正向工作时，LNA输入端的单刀双掷开关损耗会增加噪声系数，输出单刀双掷开关损耗会降低LNA输出功率，从整个接收链路上看，两个单刀双掷开关会使LNA增益减小2-3dB。
第二是反向工作时，PA输出单刀双掷开关损耗会降低PA输出功率，从整个发射链路上看，两个单刀双掷开关会使PA增益减小2-3dB。
第三，CMOS工艺中，单刀双掷开关线性度不高，在PA输出功率较大的情况下，开关限制着电路输出功率。
第四是由于输入输出均有单刀双掷开关电路，芯片的版图面积较大，从而使得芯片成本上升。
发明内容
本发明提出的一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，可克服传统基于单刀双掷开关结构的双向射频放大器的不足，提供一种无单刀双掷开关的双向射频放大器电路结构与设计方案，通过控制信号分别使能正向工作时的LNA和反向工作时的PA，实现双方放大功能，提升了电路噪声性能、输出功率和电路增益，在正向和方向工作模式下，两个端口均能实现宽带匹配。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，包括正向放大器宽带和反向放大器宽带，正向放大器宽带和反向放大器宽带都采用带RC负反馈的共源组态电路拓扑，正向放大器宽带的射频输入端和反向放大器宽带的射频输出端连接在一起，正向放大器宽带的射频输出端和反向放大器宽带的射频输入端连接在一起。
进一步的，所述正向放大器宽带包括MOS管M1为射频放大管，LB_R为栅极电感，LS_R为源极负反馈电感，R2_R和C2_R构成RC负反馈扩展电路带宽，还包括MOS管M2和MOS管M3分别构成开关，SW1位高电平、SW2位低电平时正向放大器工作，SW1位低电平、SW2位高电平时正向放大器不工作。
进一步的，所述反向放大器宽带包括MOS管M4为射频放大管，LB_T为栅极电感，R2_T和C2_T构成RC负反馈扩展电路带宽，MOS管M4和MOS管M6分别构成开关，SW3位高电平、SW4位低电平时正向放大器工作，SW3位低电平、SW4位高电平时正向放大器不工作。
由上述技术方案可知，本发明基于CMOS工艺实现，电路结构简单，能够实现正向和反向放大，具有较高的隔离度。该电路结构无需射频单刀双掷开关进行切换，消除了因开关引损耗起的噪声系数和输出功率恶化问题，同时两个端口在正向和反向工作模式下均能实现宽带匹配。
本发明具有以下有益效果：
(1)、降低了正向工作时LNA的噪声系数，提高了LNA输出功率。本发明所设计的双向射频放大器两个端口不采用单刀双掷开关，解决了因输入端开关损耗引起的噪声系数增加和输出开关损耗引起的输出功率降低问题。
(2)、提高了反向工作时PA输出功率。本发明所设计的双向射频放大器两个端口不采用单刀双掷开关，解决了因输出开关损耗引起的输出功率降低问题。
(3)、简化了电路结构，降低了芯片成本。本发明所设计的双向射频放大器两个端口不采用单刀双掷开关，使得电路结构更为简洁，芯片面积更小，从而生产成本更低。
附图说明
图1是传统的双向射频放大器的电路框图；
图2是本发明CMOS宽带双向射频放大器的电路框图；
图3是本发明CMOS宽带双向射频放大器的电路原理图；
图4是正向工作时，本发明CMOS宽带双向射频放大器的工作原理图，灰色部分电路不工作；
图5是反向工作时，本发明CMOS宽带双向射频放大器的工作原理图，灰色部分电路不工作；
图6是正向工作或反向工作时，电路增益和噪声系数仿真结果；
图7是正向工作或反向工作时，电路反向隔离度仿真结果；
图8是正向工作或反向工作时，电路输入端口1回波损耗仿真结果；
图9是正向工作或反向工作时，电路输出端口2回波损耗仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图2、图3、图4和图5所示，本实施例一所述的基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，包括正向放大器宽带LNA和反向放大器宽带PA，LNA和PA都采用带RC负反馈的共源组态电路拓扑，LNA的射频输入端和PA的射频输出端连接在一起，LNA的射频输出端和PA的射频输入端连接在一起。
所述正向放大器宽带LNA包括MOS管M1为射频放大管，LB_R为栅极电感，LS_R为源极负反馈电感，R2_R和C2_R构成RC负反馈扩展电路带宽，还包括MOS管M2和MOS管M3分别构成开关，SW1位高电平、SW2位低电平时正向放大器工作，SW1位低电平、SW2位高电平时正向放大器不工作。
所述反向放大器宽带PA包括MOS管M4为射频放大管，LB_T为栅极电感，R2_T和C2_T构成RC负反馈扩展电路带宽，MOS管M4和MOS管M6分别构成开关，SW3位高电平、SW4位低电平时正向放大器工作，SW3位低电平、SW4位高电平时正向放大器不工作。
综上所述，与传统的双向射频放大器相比，本实施例涉及的双向射频放大器两个端口，端口1和端口2，不采用单刀双掷开关进行切换，解决了因开关损耗引起的增益降低问题，同时降低了正向工作时LNA的噪声系数，提高了反向工作时PA的输出功率。
如图6可见，本实施例CMOS宽带双向射频放大器在在采用单管单级放大器的情况下，在2-3GHz频带内，增益为10-11dB，噪声系数为3-5dB；常规基于单刀双掷开关结构的双向射频放大器，如其中的LNA和PA采用本发明完全一样的电路，在2-3GHz频带内，增益为7-8dB，噪声系数为6-8dB。图6中仿真实例中正向放大器LNA和反向放大器PA参数一致，因此增益盒噪声系数仿真结果一致。
如图7可见，本实施例的CMOS宽带双向射频放大器具有较好的反向隔离度，整个频带内均优于25dB。图7的仿真实例中正向放大器LNA和反向放大器PA参数一致，因此反向隔离度仿真结果一致。
如图8可见，本实施例的CMOS宽带双向射频放大器输入端口即端口1具有宽带匹配特性，在2-3.5GHz范围内，回波损耗均小于-10dB。图8的仿真实例中正向放大器LNA和反向放大器PA参数一致，因此回波损耗仿真结果一致。
如图9可见，本实施例的CMOS宽带双向射频放大器输出端口即端口2具有宽带匹配特性，在2-3.5GHz范围内，回波损耗均小于-10dB。图9的仿真实例中正向放大器LNA和反向放大器PA参数一致，因此回波损耗仿真结果一致。
本实施例的设计的宽带巴伦低噪声放大器在3dB带宽大于1GHz，增益约为10dB，带内噪声系数约为3-4.5dB；在2-3.5GHz范围内，两个端口在正向和反向工作模式下回波损耗均小于-10dB；在3.3V电源电压下，工作电流约为15mA。通过对比，其性能全面优于传统的双向射频放大器。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，包括正向放大器宽带(LNA)和反向放大器宽带(PA)，其特征在于：正向放大器宽带(LNA)和反向放大器宽带(PA)都采用带RC负反馈的共源组态电路拓扑，正向放大器宽带(LNA)的射频输入端和反向放大器宽带(PA)的射频输出端连接在一起，正向放大器宽带(LNA)的射频输出端和反向放大器宽带(PA)的射频输入端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，其特征在于：所述正向放大器宽带(LNA)包括MOS管M1为射频放大管，LB_R为栅极电感，LS_R为源极负反馈电感，R2_R和C2_R构成RC负反馈扩展电路带宽，还包括MOS管M2和MOS管M3分别构成开关，SW1位高电平、SW2位低电平时正向放大器工作，SW1位低电平、SW2位高电平时正向放大器不工作。
3.根据权利要求2所述的基于CMOS工艺的宽带双向射频放大器，其特征在于：所述反向放大器宽带(PA)包括MOS管M4为射频放大管，LB_T为栅极电感，R2_T和C2_T构成RC负反馈扩展电路带宽，MOS管M4和MOS管M6分别构成开关，SW3位高电平、SW4位低电平时正向放大器工作，SW3位低电平、SW4位高电平时正向放大器不工作。
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