CN111404492A - 一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器。所述放大器包括包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第一组开关晶体管、第二组开关晶体管、n个电阻、n个控制电压、直流偏置和电源；其中，第一组开关晶体管、第二组开关晶体管均分别包括n个开关晶体管。本发明通过输入晶体管的栅漏采用变压器实现更好的噪声匹配和宽带输入匹配之间的折衷，双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应；数字开关对实现电压平坦增益的控制。

Description

一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器
技术领域
本发明涉及电子通信技术的毫米波前端电路领域，具体涉及一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器。
背景技术
近年来，许多业界及学术界研究机构将研究热点转向第五代（5G）通信，毫米波前端电路是5G通信系统中重要的一环，其中一个关键是位于接收机前端电路第一级的低噪声放大器。在5G相控阵接收机中，可变增益低噪声放大器会是一个更具有吸引力的选择，当弱的RF信号进入接收机，低噪声放大器需要具有最高的增益和最小噪声系数；在另一方面，如果输入的RF信号强，低噪声放大器提供中等增益和高线性度，以防止接收器饱和。
在已有实现的可变增益低噪声放大器方案中，（Kim S, Kim H C, Kim D H, etal. 58-72GHz CMOS wideband variable gain low-noise amplifier[J]. ElectronicsLetters, 2011, 47(16):904.）发表了一种模拟的电流导流的可变增益放大器，3dB增益带宽是58.5-73 GHz，相对带宽是11%，1dB平坦增益带宽为10 GHz，噪声系数4.2dB；（Hsieh,Y.K., Kuo, J.L., Wang, H., and Lu, L.H. A 60 GHz broadband low-noiseamplifier with variable-gain control in 65 nm CMOS. IEEE Microw. Wirel.Compon. Lett., 2011, 21, (11), pp. 610–612）采用了一种数字的信号衰减的可变增益放大器，中心频率为61.2GHz，3dB增益带宽是13 GHz，相对带宽是21%，1dB平坦增益带宽是8GHz，噪声系数6.05dB；（Chang, Yu-Teng & Lu, Hsin-Chia. A V-Band Low-PowerDigital Variable-Gain Low-Noise Amplifier Using Current-Reused Technique WithStable Matching and Maintained OP1dB. IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques. PP. 1-14. 10.1109/TMTT.2019.2938752.）发表了数字的电流导流可变增益低噪声放大器，中心频率为60GHz，3dB增益带宽为10 GHz，相对带宽是16.7%，1dB平坦增益带宽是4 GHz，噪声系数为6dB。
上述已有实现的可变增益低噪声放大器方案中的可变增益低噪声放大器的带宽窄，1dB增益平坦度低，不同增益模式下不能保持宽带的增益带宽和1dB平坦度。
发明内容
本发明提出了一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，目的在于实现可变的宽带平坦增益。
本发明的目的通过如下技术方案之一实现。
一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第一组开关晶体管、第二组开关晶体管、n个电阻、n个控制电压、直流偏置和电源；其中，第一组开关晶体管、第二组开关晶体管均分别包括n个开关晶体管；
输入端经过第一电容连接到第一电感的负端，直流偏置通过第一偏置电阻连接到第一电感负端进行偏置；第一电感的正端连接到第一NMOS晶体管的栅极，第一NMOS晶体管的源级接地，第一NMOS晶体管的漏极连接到第二电感正端；第一电感的正端和第二电感的正端耦合，耦合系数为k，第一电感和第二电感形成一个变压器；
第二电感的负端和第三电感的负端相连，第二电感的负端和第三电感的负端均与第二电容连接；第二电容的另一端与第四电感的负端相连，并连接到第二偏置电阻的一端，第二偏置电阻的另一端与第五电感的负端连接，并接到电源；第四电感的正端与第二NMOS晶体管的栅极连接，第二NMOS晶体管的漏极与第五电感的正端连接；第二NMOS晶体管的源级与第三电感的正端连接，第二NMOS晶体管的源级和第三电感的正端均与第三电容相连，第三电容的另一端接地；第五电感的正端连接输出端；
第二电感的负端和第三电感的负端均与第四电容的一端相连，第四电容的另一端与第一组开关晶体管的漏极相连；输出端OUT与第五电容的一端相连，第五电容的另一端与第二组开关晶体管的漏极相连；第一组开关晶体管和第二组开关晶体管的源级接地；第一组开关晶体管和第二组开关晶体管构成n对数字开关对，对应晶体管的栅极分别通过n个电阻与n个控制电压相连，n个控制电压的另一端接地。
进一步地，第一电容、第四电容和第五电容均为隔直电容，第二电容为交流耦合电容，第三电容为旁路电容；第一电感和第二电感构成源漏变压器，第三电感为隔交电感。
进一步地，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容的取值均为1 pF；第一电感的取值范围为200~300 pH，第二电感的取值范围为50~130 pH，第三电感的取值大于600 pH，第四电感的取值范围为150~220 pH、第五电感的取值范围为130~180 pH，第一偏置电阻、第二偏置电阻和n个电阻的取值均大于5kΩ；n个控制电压取值为0 V或者1 V；电源的取值为1V。
进一步地，在输入晶体管即第一NMOS晶体管处使用栅漏变压器实现宽带输入匹配，增强对噪声匹配和宽带的输入匹配之间进行折衷，使用双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应，以及通过n对数字开关对实现电压平坦增益的控制。
进一步地，平坦宽带的增益主要是通过第一电感和第四电感来实现的，通过在电流复用的共源-共源级联的两个共源管的栅极加入电感，实现双栅极电感峰化技术产生两个主极点；第一电感和第一NMOS晶体管实现第一共轭极点即低频极点的产生，第四电感和第二NMOS晶体管产生第二共轭极点即高频极点；两个不同频率的主极点控制着整个电路的增益的宽度和平坦度。
进一步地，宽带平坦的可变增益的实现是在各级共源放大器的输出同时使用数字开关控制，构成了一对数字开关对对增益带宽的控制衰减，主要是对产生的两个主极点频率处的信号进行增益的控制衰减，最终在宽带平坦的增益带宽的基础上实现对带宽内的平坦增益控制；通过并联增加相应的数字开关对实现多模的增益控制或增益步进的控制：
当n个控制电压均为0 V时，可实现最高增益；
当n个控制电压均为1 V时，可实现最低增益；
通过对n个控制电压进行不同的（0 V，1 V）组合可以实现多模的增益控制。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明通过输入晶体管的栅漏采用变压器实现更好的噪声匹配和宽带输入匹配之间的折衷，双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应；数字开关对实现电压平坦增益的控制。
附图说明
图1为本发明一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器原理图；
图2为本发明实施例中高增益模式下的S参数示意图；
图3为本发明实施例中高低增益模式增益对比图；
图4为本发明实施例中高低增益模式噪声系数对比图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。
实施例：
一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，如图1所示，包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一偏置电阻RB1、第二偏置电阻RB2、第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第一组开关晶体管、第二组开关晶体管、n个电阻、n个控制电压、直流偏置VB1和电源VDD；其中，第一组开关晶体管、第二组开关晶体管均分别包括n个开关晶体管；
输入端IN经过第一电容C1连接到第一电感L1的负端，直流偏置VB1通过第一偏置电阻RB1连接到第一电感L1负端进行偏置；第一电感L1的正端连接到第一NMOS晶体管M1的栅极，第一NMOS晶体管M1的源级接地，第一NMOS晶体管M1的漏极连接到第二电感L2正端；第一电感L1的正端和第二电感L2的正端耦合，耦合系数为k，第一电感L1和第二电感L2形成一个变压器；
第二电感L2的负端和第三电感L3的负端相连，第二电感L2的负端和第三电感L3的负端均与第二电容C2连接；第二电容C2的另一端与第四电感L4的负端相连，并连接到第二偏置电阻RB2的一端，第二偏置电阻RB2的另一端与第五电感L5的负端连接，并接到电源VDD；第四电感L4的正端与第二NMOS晶体管M2的栅极连接，第二NMOS晶体管M2的漏极与第五电感L5的正端连接；第二NMOS晶体管M2的源级与第三电感L3的正端连接，第二NMOS晶体管M2的源级和第三电感L3的正端均与第三电容C3相连，第三电容C3的另一端接地；第五电感L5的正端连接输出端OUT；
第二电感L2的负端和第三电感L3的负端均与第四电容C4的一端相连，第四电容C4的另一端与第一组开关晶体管Ma1~Man的漏极相连；输出端OUT与第五电容C5的一端相连，第五电容C5的另一端与第二组开关晶体管Mb1~Mbn的漏极相连；第一组开关晶体管Ma1~Man和第二组开关晶体管Mb1~Mbn的源级接地；第一组开关晶体管Ma1~Man和第二组开关晶体管Mb1~Mbn构成n对数字开关对（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn），对应晶体管的栅极分别通过n个电阻R1~Rn与n个控制电压VCTRL1~VCTRLn相连，n个控制电压VCTRL1~VCTRLn的另一端接地。
第一电容C1、第四电容C4和第五电容C5均为隔直电容，第二电容C2为交流耦合电容，第三电容C3为旁路电容；第一电感L1和第二电感L2构成源漏变压器，第三电感L3为隔交电感。
本实施例中，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5的取值均为1 pF；第一电感L1的取值为280 pH、第二电感L2的取值为70 pH、第三电感L3的取值为850 pH、第四电感L4的取值为160 pH、第五电感L5的取值为140 pH，第一偏置电阻RB1、第二偏置电阻RB2和n个电阻的取值均为10 kΩ；根据不同的增益模式，n个控制电压可取值为0 V（高增益）或者1 V（低增益）；电源VDD的取值为1V。
本发明在输入晶体管即第一NMOS晶体管M1处使用栅漏变压器实现宽带输入匹配，增强对噪声匹配和宽带的输入匹配之间进行折衷，使用双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应，以及通过n对数字开关对（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn）实现电压平坦增益的控制。
平坦宽带的增益主要是通过第一电感L1和第四电感L4来实现的，通过在电流复用的共源-共源级联的两个共源管的栅极加入电感，实现双栅极电感峰化技术产生两个主极点；第一电感L1和第一NMOS晶体管M1可以实现第一共轭极点即低频极点的产生，第四电感L4和第二NMOS晶体管M2可以产生第二共轭极点即高频极点；两个不同频率的主极点控制着整个电路的增益的宽度和平坦度。
宽带平坦的可变增益的实现是在各级共源放大器的输出同时使用数字开关控制，构成了一对数字开关对增益带宽的控制衰减，主要是对产生的两个主极点频率处的信号进行增益的控制衰减，最终在宽带平坦的增益带宽的基础上实现对带宽内的平坦增益控制；通过并联增加相应的数字开关对（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn）可以实现多模的增益控制或增益步进的控制：
当n个控制电压VCTRL1~VCTRLn均为0 V时，可实现最高增益Avmax；
当n个控制电压VCTRL1~VCTRLn均为1 V时，可实现最低增益Avmin；
通过对n个控制电压VCTRL1~VCTRLn进行不同的（0 V，1 V）组合可以实现多模的增益控制。
如图2所示，高增益模式下的S参数分别为S11、S21，可见3dB增益带宽18-62GHz，相对带宽是110%，1dB增益带宽频率范围是22-57GHz，相对现有技术的低噪声放大器表现出优异的相对带宽和1dB平坦增益带宽，S11<-10dB的频率范围为22-60GHz；图3为高低增益模式噪声系数对比图，可见，在20-60GHz频率范围内，高增益模式下的噪声系数小于4dB。高增益和低增益模式中，都可实现宽带平坦增益的情况，仍然可实现整个频带内的低噪声；图4是高低增益模式的增益对比图，表示在一个数字开关对的高低电压增益控制图，低增益模式下的增益仍然保持高增益模式下的宽带平坦的增益模式，一对开关管大致可调大小为5dB，并且能够保持稳定的增益曲线。图2和图3说明通过输入晶体管的栅漏采用变压器实现更好的噪声匹配和宽带输入匹配之间的折衷，双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应。图3和图4说明一个数字开关对可在实现良好噪声的情况下，实现电压平坦增益的控制。

Claims (6)

1.一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、第五电容（C5）、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第三电感（L3）、第四电感（L4）、第五电感（L5）、第一偏置电阻（RB1）、第二偏置电阻（RB2）、第一NMOS晶体管（M1）、第二NMOS晶体管（M2）、第一组开关晶体管、第二组开关晶体管、n个电阻、n个控制电压、直流偏置（VB1）和电源（VDD）；其中，第一组开关晶体管、第二组开关晶体管均分别包括n个开关晶体管；
输入端（IN）经过第一电容（C1）连接到第一电感（L1）的负端，直流偏置（VB1）通过第一偏置电阻（RB1）连接到第一电感（L1）负端进行偏置；第一电感（L1）的正端连接到第一NMOS晶体管（M1）的栅极，第一NMOS晶体管（M1）的源级接地，第一NMOS晶体管（M1）的漏极连接到第二电感（L2）正端；第一电感（L1）的正端和第二电感（L2）的正端耦合，耦合系数为k，第一电感（L1）和第二电感（L2）形成一个变压器；
第二电感（L2）的负端和第三电感（L3）的负端相连，第二电感（L2）的负端和第三电感（L3）的负端均与第二电容（C2）连接；第二电容（C2）的另一端与第四电感（L4）的负端相连，并连接到第二偏置电阻（RB2）的一端，第二偏置电阻（RB2）的另一端与第五电感（L5）的负端连接，并接到电源（VDD）；第四电感（L4）的正端与第二NMOS晶体管（M2）的栅极连接，第二NMOS晶体管（M2）的漏极与第五电感（L5）的正端连接；第二NMOS晶体管（M2）的源级与第三电感（L3）的正端连接，第二NMOS晶体管（M2）的源级和第三电感（L3）的正端均与第三电容（C3）相连，第三电容（C3）的另一端接地；第五电感（L5）的正端连接输出端（OUT）；
第二电感（L2）的负端和第三电感（L3）的负端均与第四电容（C4）的一端相连，第四电容（C4）的另一端与第一组开关晶体管（Ma1~Man）的漏极相连；输出端OUT与第五电容（C5）的一端相连，第五电容（C5）的另一端与第二组开关晶体管（Mb1~Mbn）的漏极相连；第一组开关晶体管（Ma1~Man）和第二组开关晶体管（Mb1~Mbn）的源级接地；第一组开关晶体管（Ma1~Man）和第二组开关晶体管（Mb1~Mbn）构成n对数字开关对（（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn）），对应晶体管的栅极分别通过n个电阻（R1~Rn）与n个控制电压（VCTRL1~VCTRLn）相连，n个控制电压（VCTRL1~VCTRLn）的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，第一电容（C1）、第四电容（C4）和第五电容（C5）均为隔直电容，第二电容（C2）为交流耦合电容，第三电容（C3）为旁路电容；第一电感（L1）和第二电感（L2）构成源漏变压器，第三电感（L3）为隔交电感。
3.根据权利要求1所述的一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）和第五电容（C5）的取值均为1pF；第一电感（L1）的取值范围为200~300 pH，第二电感（L2）的取值范围为50~130 pH，第三电感（L3）的取值大于600 pH，第四电感（L4）的取值范围为150~220 pH、第五电感（L5）的取值范围为130~180 pH，第一偏置电阻（RB1）、第二偏置电阻（RB2）和n个电阻的取值均大于5kΩ；n个控制电压取值为0 V或者1 V；电源（VDD）的取值为1V。
4.根据权利要求1所述的一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，在输入晶体管即第一NMOS晶体管（M1）处使用栅漏变压器实现宽带输入匹配，增强对噪声匹配和宽带的输入匹配之间进行折衷，使用双栅极电感峰化技术实现宽带的平坦增益响应，以及通过n对数字开关对（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn）实现电压平坦增益的控制。
5.根据权利要求4所述的一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，平坦宽带的增益主要是通过第一电感（L1）和第四电感（L4）来实现的，通过在电流复用的共源-共源级联的两个共源管的栅极加入电感，实现双栅极电感峰化技术产生两个主极点；第一电感（L1）和第一NMOS晶体管（M1）实现第一共轭极点即低频极点的产生，第四电感（L4）和第二NMOS晶体管（M2）产生第二共轭极点即高频极点；两个不同频率的主极点控制着整个电路的增益的宽度和平坦度。
6.根据权利要求5所述的一种宽带平坦增益的可变增益低噪声放大器，其特征在于，宽带平坦的可变增益的实现是在各级共源放大器的输出同时使用数字开关控制，构成了一对数字开关对对增益带宽的控制衰减，主要是对产生的两个主极点频率处的信号进行增益的控制衰减，最终在宽带平坦的增益带宽的基础上实现对带宽内的平坦增益控制；通过并联增加相应的数字开关对（Ma1, Mb1）~（Man, Mbn）实现多模的增益控制或增益步进的控制：
当n个控制电压（VCTRL1~VCTRLn）均为0 V时，可实现最高增益；
当n个控制电压（VCTRL1~VCTRLn）均为1 V时，可实现最低增益；
通过对n个控制电压（VCTRL1~VCTRLn）进行不同的（0 V，1 V）组合可以实现多模的增益控制。
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