CN107911085B - 一种Ku波段低噪声放大器 - Google Patents

一种Ku波段低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ku波段低噪声放大器，利用不同放大结构放大，采用CMOS工艺的Ku波段差分低噪声放大器电路结构，电路结构包括：第一级伪差分放大级，第二级RC并联反馈共源级放大电路，利用键合线金丝电感的输入输出匹配结构，四个部分。信号由输入端进入输入匹配结构，之后经过第一级伪差分放大级进行初级放大，后通过耦合电容进入第二级共源级放大器，最后通过输出匹配结构到输出端。本电路结构解决了采用CMOS工艺的Ku波段低噪声放大器放大能力不足、噪声性能差、抗干扰能力差的问题。且利用输入输出键合线金丝电感，简化了匹配结构和电路版图，差分结构也提高了电路的稳定性、可用性。

Description

一种Ku波段低噪声放大器
技术领域
本发明是一种放大器，特别是一种Ku波段低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器作为射频接收的第一级，其放大能力和噪声性能对整个接收通道的性能极为关键，目前采用0.18um CMOS工艺的低噪声放大器少有做Ku波段的电路，因为即便采用两级甚至三级、四级放大，最终电路的放大能力依然不够高，噪声性能差，匹配难做，而且即便采用单端结构，电路使用的电感数量依然较多，芯片面积大，电路结构复杂，稳定性、实用性也有较大限制。
发明内容
本发明目的在于提供一种Ku波段低噪声放大器，解决Ku波段CMOS低噪声放大器增益不足、噪声差、抗干扰差、芯片面积大等问题。
一种Ku波段低噪声放大器，包括：T型输入匹配结构、伪差分放大器、共源级放大器和输出匹配，伪差分放大器与共源级放大器之间有耦合电容连接，共源级放大器与输出匹配之间有耦合电容连接。
T型输入匹配结构包括：金丝电感Wb1、金丝电感Wb2、并联抽头电感Lg、耦合电容。低噪声放大器的一个输入端INPUT1与金丝电感Wb1的一端连接，另一个输入端INPUT2与金丝电感Wb2一端连接，金丝电感Wb1另一端通过耦合电容连接并联抽头电感Lg一端和晶体管M11栅极、晶体管M12栅极，金丝电感Wb2另一端通过耦合电容连接并联抽头电感Lg另一端和晶体管M21栅极、晶体管M22栅极。并联抽头电感Lg的公共端通过耦合电容接地。
伪差分放大器包括：晶体管M11、晶体管M12、晶体管M21、晶体管M22、电容Cd1、电容Cd2，负载抽头电感Ld1。电容Cd1一端与晶体管M11、晶体管M12的栅极连接，电容Cd1另一端与晶体管M21、晶体管M22的漏极连接，电容Cd2一端与晶体管M21、晶体管M22的栅极连接，电容Cd2另一端与晶体管M11、晶体管M12的漏极连接，负载抽头电感Ld1连接在晶体管M11、晶体管M12漏极和晶体管M21、晶体管M22漏极之间，负载抽头电感Ld1的公共端接电源，晶体管M11、晶体管M12、晶体管M21、晶体管M22的源级接地。针对伪差分放大器，将晶体管拆分，晶体管M11与晶体管M12是不同尺寸的晶体管，晶体管M21、晶体管M22尺寸也不同，这样变化对放大器的线性度有优化，能够实现Ku波段的高增益高线性度。
共源级放大器将前一级伪差分放大器的输出信号继续放大并保证伪差分放大器与共源级放大器之间的阻抗匹配。
输出匹配包括负载抽头电感Ld2、耦合电容以及金丝电感Wb3、金丝电感Wb4。负载抽头电感Ld2一端通过耦合电容与金丝电感Wb3一端连接，金丝电感Wb3另一端与低噪声放大器的输出端OUTPUT1连接，负载抽头电感Ld2另一端通过耦合电容与金丝电感Wb4一端连接，金丝电感Wb4另一端与共源级放大器的输出端OUTPUT2连接。
更优的，所述共源级放大器包括晶体管M3、晶体管M4、反馈电阻R1、反馈电阻R2、耦合电容和负载抽头电感Ld2。反馈电阻R1的一端与负载抽头电感Ld2一端以及晶体管M3的漏极连接，另一端通过隔直电容串联到晶体管M3栅极，反馈电阻R2一端与负载抽头电感Ld2的另一端和晶体管M4的漏极连接，反馈电阻R2的另一端通过隔直电容串联到晶体管M4的栅极。晶体管M3、晶体管M4的源级接地。
整个电路在工作过程中，信号首先通过输入匹配传递至晶体管栅极，晶体管是由拆分的不同尺寸的晶体管M11、晶体管M12和晶体管M21、晶体管M22组成，晶体管在交叉连接的电容Cd1、电容Cd2和负载抽头电感Ld1的作用下将信号高线性放大。信号再通过耦合电容进入共源级放大器，共源级放大器的反馈电阻R1、反馈电阻R2和负载抽头电感Ld2相互协调配合将信号再次放大。信号再经过输出匹配，从共源放大器的负载抽头电感Ld2两端传输至低噪声放大器的输出端OUTPUT1、输出端OUTPUT2。
Ku波段吸收金丝电感Wb1、金丝电感Wb2、金丝电感Wb3、金丝电感Wb4做匹配能够降低匹配损耗，芯片面积和输入噪声贡献，并解决Ku CMOS芯片使用过程中的bonding失配问题。虽然电路是差分结构，但芯片版图绘制时，除去片外的金丝电感Wb1、金丝电感Wb2、金丝电感Wb3、金丝电感Wb4，片上只有三个抽头电感：并联抽头电感Lg、负载抽头电感Ld1、负载抽头电感Ld2，简化布版面积和复杂度。伪差分放大器能够提供很高的单级增益。共源放大器带并联反馈支路，能够实现在Ku波段的宽带增益并有利于输出匹配调节。
附图说明
图1一种Ku波段低噪声放大器的结构示意图。
1.T型输入匹配结构2.伪差分放大器3.共源级放大器4.输出匹配
具体实施方式
一种Ku波段低噪声放大器，包括：T型输入匹配结构1、伪差分放大器2、共源级放大器3和输出匹配4，其中所述共源级放大器3带RC并联负反馈，伪差分放大器2与共源级放大器3之间有耦合电容连接，共源级放大器3与输出匹配4之间均有耦合电容连接。
T型输入匹配结构1包括：金丝电感Wb1、金丝电感Wb2、并联抽头电感Lg、耦合电容。低噪声放大器的一个输入端INPUT1与金丝电感Wb1的一端连接，另一个输入端INPUT2与金丝电感Wb2一端连接，金丝电感Wb1另一端通过耦合电容连接并联抽头电感Lg一端和晶体管M11、晶体管M12栅极，金丝电感Wb2另一端通过耦合电容连接并联抽头电感Lg另一端和晶体管M21、晶体管M22栅极。并联抽头电感Lg的公共端通过耦合电容接地。
伪差分放大器2包括：晶体管M11、晶体管M12、晶体管M21、晶体管M22，电容Cd1、电容Cd2，负载抽头电感Ld1。电容Cd1一端与晶体管M11、晶体管M12的栅极连接，电容Cd1另一端与晶体管M21、晶体管M22的漏极连接，电容Cd2一端与晶体管M21、晶体管M22的栅极连接，电容Cd2另一端与晶体管M11、晶体管M12的漏极连接，负载抽头电感Ld1连接在晶体管M11、晶体管M12漏极和晶体管M21、晶体管M22漏极之间，负载抽头电感公共端接电源，晶体管M11、晶体管M12、晶体管M21、晶体管M22源级接地。晶体管M11与晶体管M12是不同尺寸的晶体管，M21、M22尺寸也不同，这样变化对放大器的线性度有优化，并能够实现Ku波段的高增益高线性度。
共源级放大器由晶体管M3、晶体管M4、反馈电阻R1、反馈电阻R2，耦合电容和负载抽头电感Ld2组成。反馈电阻R1的一端与负载抽头电感Ld2一端以及晶体管M3的漏极连接，另一端通过耦合电容串联到晶体管M3栅极，电阻R2一端与负载抽头电感Ld2的另一端和晶体管M4的漏极连接，电阻R2的另一端通过耦合电容串联到晶体管M4的栅极，晶体管M3、晶体管M4源级接地。
输出匹配4由负载抽头电感Ld2、串联电容以及金丝电感Wb3、金丝电感Wb4组成。负载抽头电感Ld2一端通过耦合电容与金丝电感Wb3一端连接，金丝电感Wb3另一端与共源级放大器3的输出端OUTPUT1连接，负载抽头电感Ld2另一端通过耦合电容与金丝电感Wb4一端连接，金丝电感Wb4另一端与共源级放大器3的输出端OUTPUT2连接。
整个电路在工作过程中，信号首先通过输入匹配传递至晶体管栅极，晶体管是由拆分的不同尺寸的晶体管M11、晶体管M12和晶体管M21、晶体管M22组成，晶体管在交叉连接的电容Cd1、电容Cd2和负载抽头电感Ld1的作用下将信号高线性放大。信号再通过耦合电容进入共源级放大器，共源级放大器的反馈电阻R1、反馈电阻R2和负载抽头电感Ld2相互协调配合将信号再次放大。信号再经过输出匹配4，从共源放大器的负载抽头电感Ld2两端传输至低噪声放大器的输出端OUTPUT1、输出端OUTPUT2。

Claims (2)

1.一种Ku波段低噪声放大器，其特征在于包括：T型输入匹配结构(1)、伪差分放大器(2)、共源级放大器(3)和输出匹配(4)，伪差分放大器(2)与共源级放大器(3)之间有耦合电容连接，共源级放大器(3)与输出匹配(4)之间有耦合电容连接；
T型输入匹配结构(1)包括：第一金丝电感(Wb1)、第二金丝电感(Wb2)、并联抽头电感(Lg)、耦合电容；低噪声放大器的一个第一输入端(INPUT1)与第一金丝电感(Wb1)的一端连接，另一个第二输入端(INPUT2)与第二金丝电感(Wb2)一端连接，第一金丝电感(Wb1)另一端通过耦合电容连接并联抽头电感(Lg)一端和第一晶体管(M11)栅极、第二晶体管(M12)栅极，第二金丝电感(Wb2)另一端通过耦合电容连接并联抽头电感(Lg)另一端和第三晶体管(M21)栅极、第四晶体管(M22)栅极；并联抽头电感(Lg)的公共端通过耦合电容接地；
伪差分放大器(2)包括：第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)、第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)、第一电容(Cd1)、第二电容(Cd2)，第一负载抽头电感(Ld1)；第一电容(Cd1)一端与第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)的栅极连接，第一电容(Cd1)另一端与第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)的漏极连接，第二电容(Cd2)一端与第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)的栅极连接，第二电容(Cd2)另一端与第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)的漏极连接，第一负载抽头电感(Ld1)连接在第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)漏极和第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)漏极之间，第一负载抽头电感(Ld1)的公共端接电源，第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)、第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)的源级接地；针对伪差分放大器(2)，将晶体管拆分，第一晶体管(M11)与第二晶体管(M12)是不同尺寸的晶体管，第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)尺寸也不同，这样变化对放大器的线性度有优化，能够实现Ku波段的高增益高线性度；
共源级放大器(3)将前一级伪差分放大器(2)的输出信号继续放大并保证伪差分放大器(2)与共源级放大器(3)之间的阻抗匹配；所述共源级放大器(3)包括第五晶体管(M3)、第六晶体管(M4)、第一反馈电阻(R1)、第二反馈电阻(R2)、耦合电容和第二负载抽头电感(Ld2)；第一反馈电阻(R1)的一端与第二负载抽头电感(Ld2)一端以及第五晶体管(M3)的漏极连接，另一端通过隔直电容串联到第五晶体管(M3)栅极，第二反馈电阻(R2)一端与第二负载抽头电感(Ld2)的另一端和第六晶体管(M4)的漏极连接，第二反馈电阻(R2)的另一端通过隔直电容串联到第六晶体管(M4)的栅极；第五晶体管(M3)、第六晶体管(M4)的源级接地；
输出匹配(4)包括第三金丝电感(Wb3)、第四金丝电感(Wb4)；第二负载抽头电感(Ld2)一端通过耦合电容与第三金丝电感(Wb3)一端连接，第三金丝电感(Wb3)另一端与低噪声放大器的第一输出端(OUTPUT1)连接，第二负载抽头电感(Ld2)另一端通过耦合电容与第四金丝电感(Wb4)一端连接，第四金丝电感(Wb4)另一端与共源级放大器(3)的第二输出端(OUTPUT2)连接。
2.根据权利要求1所述的Ku波段低噪声放大器，其特征在于，整个电路在工作过程中，信号首先通过输入匹配传递至晶体管栅极，晶体管是由拆分的不同尺寸的第一晶体管(M11)、第二晶体管(M12)和第三晶体管(M21)、第四晶体管(M22)组成，晶体管在交叉连接的第一电容(Cd1)、第二电容(Cd2)和第一负载抽头电感(Ld1)的作用下将信号高线性放大；信号再通过耦合电容进入共源级放大器(3)，共源级放大器(3)的第一反馈电阻(R1)、第二反馈电阻(R2)和第二负载抽头电感(Ld2)相互协调配合将信号再次放大；信号再经过输出匹配(4)，从共源放大器的第二负载抽头电感(Ld2)两端传输至低噪声放大器的第一输出端(OUTPUT1)、第二输出端(OUTPUT2)。
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