CN110492857B - 一种射频低噪声放大器集成电路 - Google Patents

一种射频低噪声放大器集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种射频低噪声放大器集成电路，其解决了现有低噪声放大器集成电路功耗高、电路设计复杂、差分信号失配性高的技术问题。其设有输入匹配模块、跨导转化模块、增益峰化模块、单端转差分负载模块、电流镜模块、电源电压，输入匹配模块与跨导转化模块电连接，输入匹配模块与电流镜模块电连接，跨导转化模块与单端转差分负载模块电连接，跨导转化模块与增益峰化模块电连接，单端转差分负载模块与增益峰化模块电连接，增益峰化模块与电流镜模块电连接。本发明可广泛应用于通信、雷达等领域。

Description

一种射频低噪声放大器集成电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路，特别是涉及一种射频低噪声放大器集成电路。
背景技术
随着射频集成电路工艺及技术的发展，通信、雷达等领域逐渐采用射频集成电路替代传统的PCB分立元件射频电路。低噪声放大器作为接收机的第一级，需要足够的增益及较低的噪声系数来对来自天线的微弱信号进行放大，实现高的信噪比。
随着小型化的发展，低功耗成为影响产品的使用寿命和竞争力的重要指标，使用低电压进行低噪声放大器的设计成为发展的必要条件，但如图1-2所示，传统的共源共栅结构由于电压的限制，很难实现在低功耗下的高增益状态。
随着工艺尺寸的缩小，射频集成电路的各模块之间的隔离度性能变差，差分结构发挥了其对称性能，广泛应用于射频集成电路的设计中，传统的单端转差分结构，常常采用有源巴伦电路来实现，增加了电路的设计复杂度，提高了功耗以及差分信号的失配性。
发明内容
本发明针对现有低噪声放大器集成电路功耗高、电路设计复杂、差分信号失配性高的技术问题，提供一种低电压、低功耗、电路设计简单、差分信号失配性低的射频低噪声放大器集成电路。
为此，本发明的技术方案是，一种射频低噪声放大器集成电路，设有电流镜模块，所述电流镜模块用于提供随温度稳定的偏置电压，使电路正常工作；跨导转化模块，所述跨导转化模块用于实现交流电压信号到交流电流信号的转化，产生电压到电流的跨导增益；输入匹配模块，所述输入匹配模块用于将所述跨导转化模块的阻抗变换成与天线共轭匹配的阻抗，以实现最大功率传输；增益峰化模块，所述增益峰化模块用于提高高频时信号通路到地的阻抗，从而提升交流信号的增益；单端转差分负载模块，所述单端转差分负载模块用于实现单端信号到差分信号的转化，提高所述信号的抗干扰能力；所述输入匹配模块与所述跨导转化模块电连接，所述输入匹配模块与所述电流镜模块电连接，所述跨导转化模块与所述单端转差分负载模块电连接，所述跨导转化模块与所述增益峰化模块电连接，所述单端转差分负载模块与所述增益峰化模块电连接，所述增益峰化模块与所述电流镜模块电连接。
优选地，输入匹配模块设有第一电容、第一电感、第二电感，跨导转化模块设有第一MOS管、第二MOS管，增益峰化模块设有第三电感，单端转差分负载模块设有第四电感、第二电容、第三电容，电流镜模块设有第三MOS管、第一电阻、第二电阻。
优选地，第四电感为抽头电感，抽头电感设有两个差模端口和一个共模端口，两个差模端口分别为第一端和第二端，共模端口为第三端。
优选地，第一电容的一端分别与第一电感的一端、第二电阻的一端连接，第一电感的另一端与第一MOS管的栅极相连，第二电感的一端与第一MOS管的源极相连，第二电感的另一端接地，第一MOS管的漏极与第二MOS管的源极相连，第二MOS管的栅极与第三电感的一端相连，第二MOS管的漏极分别与第二电容的一端、第四电感的第一端相连，第三电感的另一端与电源电压连接，第四电感的第二端与第三电容的一端相连，第四电感的第三端、第二电容的另一端、第三电容的另一端均与电源电压连接，第一电阻的一端与电源电压连接，第三MOS管的漏极和第三MOS管的栅极相连后连接到第一电阻的另一端，第三MOS管的栅极和第二电阻的另一端相连。
优选地，低噪声放大器包括输入端口、第一差分输出端口、第二差分输出端口，第一电容的另一端为低噪声放大器的输入端，第二MOS管的漏极为低噪声放大器的第一差分输出端口，第四电感的第二端作为低噪声放大器的第二差分输出端口。
本发明具有以下有益效果：
(1)通过在第二MOS管的栅极引入第三电感，提高了高频时信号通路到地的阻抗，从而在不提高功耗的情况下大大提高了该低噪声放大器的增益，通过增益峰化模块提高了电源利用率，实现了低压、低功耗状态工作；
(2)本发明所述的单端转差分负载模块，采用抽头电感作为差分电感，替代了传统的单端电感负载，在不增加面积和功耗的同时，实现了失配很小、抗干扰能力强的差分电压信号放大输出，提高了隔离度和信号的抗干扰能力；
(3)输入匹配模块将跨导转化模块的阻抗变换成与天线共轭匹配的阻抗，以实现最大功率传输，跨导转化模块用于实现交流电压信号到交流电流信号的转化，产生电压到电流的跨导增益；电流镜模块用于提供稳定的偏置电压，使电路正常工作；
(4)在跨导转化模块中，第一MOS管将栅极交流信号转化为漏极交流电流，第二MOS管作为电流缓冲级提供高的输出阻抗，从而有较大的电压增益。
附图说明
图1是传统共源共栅感性负载的低噪声放大器的电路原理图；
图2是应用图1电路的电压增益的仿真结果示意图；
图3是本发明射频低噪声放大器集成电路模块连接图；
图4是本发明射频低噪声放大器集成电路原理图；
图5是应用图4电路的电压增益仿真结果示意图；
图6是应用图4电路的差分两路输出信号相位差图。
图中符号说明：
1.输入匹配模块；2.增益峰化模块；3.单端转差分负载模块；4.跨导转化模块；5.电流镜模块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
如图3-4所示，一种射频低噪声放大器集成电路，设有输入匹配模块1、跨导转化模块4、增益峰化模块2、单端转差分负载模块3、电流镜模块5、电源电压Vdd，输入匹配模块1与跨导转化模块4电连接，输入匹配模块1与电流镜模块5电连接，跨导转化模块4与单端转差分负载模块3电连接，跨导转化模块4与增益峰化模块2电连接，单端转差分负载模块3与增益峰化模块2电连接，增益峰化模块2与电流镜模块5电连接。
输入匹配模块1设有第一电容Cb、第一电感Lb、第二电感Ls，跨导转化模块4设有第一MOS管M1、第二MOS管M2，第一MOS管M1将栅极交流信号转化为漏极交流电流，第二MOS管M2作为电流缓冲级提供高的输出阻抗，从而有较大的电压增益，输入匹配模块1将跨导转化模块4的阻抗变换成与天线共轭匹配的阻抗，以实现最大功率传输；增益峰化模块2设有第三电感Lg，通过增益峰化模块2提高了电源利用率，实现了低压、低功耗状态工作；单端转差分负载模块3设有第四电感Ld、第二电容Cd1、第三电容Cd2，其中，第四电感Ld为抽头电感，抽头电感设有两个差模端口和一个共模端口，两个差模端口分别为第一端和第二端，共模端口为第三端，采用抽头电感作为差分电感替代传统的单端电感负载，在不增加面积和功耗的同时，实现了失配很小、抗干扰能力强的差分电压信号放大输出，提高了隔离度和信号的抗干扰能力。电流镜模块5设有第三MOS管Mb、第一电阻Rd、第二电阻Rb，用于提供稳定的偏置电压，使电路正常工作。其中，第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管Mb均可用三极管代替。
第一电容Cb的一端分别与第一电感Lb的一端、第二电阻Rb的一端连接，第一电感Lb的另一端与第一MOS管M1的栅极相连，第二电感Ls的一端与第一MOS管M1的源极相连，第二电感Ls的另一端接地，
第一MOS管M1的漏极与第二MOS管M2的源极相连，第二MOS管M2的栅极与第三电感Lg的一端相连，提高了高频时信号通路到地的阻抗，从而在不提高功耗的情况下大大提高了该低噪声放大器的增益，通过增益峰化模块2提高了电源利用率，实现了低压、低功耗状态工作。
第二MOS管M2的漏极分别与第二电容Cd1的一端、第四电感Ld的第一端相连，第三电感Lg的另一端与电源电压Vdd连接，第四电感Ld的第二端与第三电容Cd2的一端相连，第四电感Ld的第三端、第二电容Cd1的另一端、第三电容Cd2的另一端均与电源电压Vdd连接，第一电阻Rd的一端与电源电压Vdd连接，第三MOS管Mb的漏极和第三MOS管Mb的栅极相连后连接到第一电阻Rd的另一端，第三MOS管Mb的栅极和第二电阻Rb的另一端相连。
低噪声放大器包括输入端口Vin、第一差分输出端口Vout1、第二差分输出端口Vout2，第一电容Cb的另一端为低噪声放大器的输入端，第二MOS管M2的漏极为低噪声放大器的第一差分输出端口Vout1，第四电感Ld的第二端作为低噪声放大器的第二差分输出端口Vout2。
应用本发明技术方案的射频低噪声放大器集成电路，工作在10GHz下，第二电感Ls作为源退化电感，提供输入匹配模块1的实部阻抗，计算公式为：
Rin＝gmLs/Cgs；
其中，gm为第一MOS管M1的跨导，Cgs为第一MOS管M1栅极和源极之间的电容。
同时，使用第一电感Lb与上述Cgs谐振，从而实现输入匹配。
在跨导转化模块4中，第一MOS管M1将栅极交流信号转化为漏极交流电流，第二MOS管M2作为电流缓冲级提供高的输出阻抗，从而有较大的电压增益。
增益峰化模块2中的第三电感Lg切断第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的源极的电容直接到地通路，从而将电路的极点推向了更高频，使得在10GHz下增益得到充分提高。
在单端转差分负载模块3中，第四电感Ld为抽头电感，包括两个差模端口和一个共模端口，两个差模端口分别为第一端和第二端，共模端口为第三端，交流电流信号从第一端流入，将通过磁场耦合在第二端耦合出方向相反的交流电流，最后再经过第四电感Ld与第二电容Cd1、第三电容Cd2组成了并联谐振负载网络将电流信号转化为输出差分电压信号，从而实现了失配很小、抗干扰能力强的差分电压信号放大输出。
电流镜模块5中第三MOS管Mb的漏级和栅级短接，可看成一个随温度、工艺变化较为稳定的电阻，与第一电阻Rd分压给第一MOS管M1实现了稳定的偏置输出。
图1和图4电路设置电源电压Vdd为1.2V，两者直流功耗均为1.48mW，两电路均工作在10GHz频率下，图2为图1电路的仿真结果示意图，图5为图4电路的仿真结果示意图，由图2和图5中可见，图1电路的传统共源共栅感性负载的低噪声放大器的电路在10GHz下的电压增益为18.86dB，图4的射频低噪声放大器集成电路在10GHz下的电压增益为27.53dB，增益提高了8.67dB，证明了增益峰化模块2在同等功耗下对电路有很显著的增益提高效果。
如图6所示，横坐标为频率，纵坐标为两路差分输出Vout1和Vout2的相位差，图4射频低噪声放大器集成电路工作在10GHz频率下，Vout1和Vout2的相位差为180.55°，差分信号失配为0.55°，达到了传统有源巴伦很难达到的失配级别，这得益于无源器件第四电感Ld很好的对称性。
通过以上实施例，采用本发明所述的技术方案，可以满足通信、雷达等领域对低噪音放大器的高增益、低噪音的需求，并且功耗低，延长了产品的使用寿命，具有广阔的应用前景。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (3)

1.一种射频低噪声放大器集成电路，其特征在于，设有：电流镜模块，所述电流镜模块用于提供随温度稳定的偏置电压，使电路正常工作；跨导转化模块，所述跨导转化模块用于实现交流电压信号到交流电流信号的转化，产生电压到电流的跨导增益；输入匹配模块，所述输入匹配模块用于将所述跨导转化模块的阻抗变换成与天线共轭匹配的阻抗，以实现最大功率传输；增益峰化模块，所述增益峰化模块用于提高高频时信号通路到地的阻抗，从而提升交流信号的增益；单端转差分负载模块，所述单端转差分负载模块用于实现单端信号到差分信号的转化，提高所述信号的抗干扰能力；所述输入匹配模块与所述跨导转化模块电连接，所述输入匹配模块与所述电流镜模块电连接，所述跨导转化模块与所述单端转差分负载模块电连接，所述跨导转化模块与所述增益峰化模块电连接，所述单端转差分负载模块与所述增益峰化模块电连接，所述增益峰化模块与所述电流镜模块电连接；所述输入匹配模块设有第一电容、第一电感、第二电感，所述跨导转化模块设有第一MOS管、第二MOS管，所述增益峰化模块设有第三电感，所述单端转差分负载模块设有第四电感、第二电容、第三电容，所述电流镜模块设有第三MOS管、第一电阻、第二电阻；所述第四电感为抽头电感，所述抽头电感设有两个差模端口和一个共模端口，所述两个差模端口分别为第一端和第二端，所述共模端口为第三端。
2.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器集成电路，其特征在于，所述第一电容的一端分别与所述第一电感的一端、所述第二电阻的一端连接，所述第一电感的另一端与所述第一MOS管的栅极相连，所述第二电感的一端与所述第一MOS管的源极相连，所述第二电感的另一端接地，所述第一MOS管的漏极与所述第二MOS管的源极相连，所述第二MOS管的栅极与所述第三电感的一端相连，所述第二MOS管的漏极分别与所述第二电容的一端、所述第四电感的第一端相连，所述第三电感的另一端与电源电压连接，所述第四电感的第二端与所述第三电容的一端相连，所述第四电感的第三端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端均与所述电源电压连接，所述第一电阻的一端与所述电源电压连接，所述第三MOS管的漏极和所述第三MOS管的栅极相连后连接到所述第一电阻的另一端，所述第三MOS管的栅极和所述第二电阻的另一端相连。
3.根据权利要求2所述的射频低噪声放大器集成电路，其特征在于，所述低噪声放大器集成电路还设有输入端口、第一差分输出端口、第二差分输出端口，所述第一电容的另一端为所述低噪声放大器集成电路的输入端，所述第二MOS管的漏极为所述低噪声放大器集成电路的第一差分输出端口，所述第四电感的第二端作为所述低噪声放大器集成电路的第二差分输出端口。
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