CN112087206B - 一种超低功耗宽带低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗宽带低噪声放大器，包括依次连接的输入级放大器、中间级匹配网络和输出级放大器；所述输入级放大器由输入匹配网络、跨导增强结构组成；所述输出级放大器由电容中和结构、输出匹配网络组成。通过上述方式，本发明能够提升电流的使用效率，在保证增益和噪声等性能的情况下，大幅降低放大器的功耗，另一方面，优化放大器级间匹配，提高带宽，减小带内波动。

Description

一种超低功耗宽带低噪声放大器

技术领域

本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种超低功耗宽带低噪声放大器。

背景技术

近年来，新一代通信技术取得了快速发展，低频段已经不能满足高速通信的需求。毫米波频段的频谱资源丰富，已经成为了研究热点，如毫米波5G通信、宽带卫星通信等。在毫米波通信中，保证接收信号的信噪比是一个关键问题。

低噪声放大器位于是接收通道中的第一个有源器件，通常直接与接收天线相连接，对接收机的整体噪声起决定性作用。为了降低接收机后级的噪声带来的影响，低噪声放大器需要提供足够高的增益，同时其自身的噪声系数也需要足够低。另外，低噪声放大器还需要与输入端进行输入匹配。低噪声放大器的功耗也非常关键，尤其是在大规模相控阵中，然而降低功耗通常会使增益、噪声以及输入匹配恶化。

低噪声放大器主要采用两种结构。共源放大器能够通过源极负反馈技术来实现噪声和输入的同时匹配，然而其输入匹配的带宽较窄。使用高阶输入匹配网络能够拓展带宽，然而这会牺牲噪声系数和芯片面积。共栅放大器的输入阻抗是跨导的倒数，其品质因数低，能够实现宽带输入匹配。然而，相较于共源放大器，共栅放大器的增益较低，噪声较高。因此，面向毫米波通信应用，需要研究在低功耗条件下实现高增益、低噪声、宽频带的放大器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低功耗宽带低噪声放大器，能够提升电流的使用效率，在保证增益和噪声等性能的情况下，大幅降低放大器的功耗，另一方面，优化放大器级间匹配，提高带宽，减小带内波动。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超低功耗宽带低噪声放大器，包括依次连接的输入级放大器、中间级匹配网络和输出级放大器；所述输入级放大器包括由第一变压器组成的输入匹配网络和跨导增强结构，以及由第一晶体管和第二晶体管组成的差分共栅放大器；所述中间级网络包括由第二变压器，第一可变电容和第二可变电容组成的磁耦合谐振器；所述输出级放大器包括由第三变压器组成的输出匹配网络，以及由第三晶体管和第四晶体管组成的差分共源放大器；所述输入级放大器(100)和输出级放大器的直流电流复用。

进一步的是，所述输入级放大器中第一晶体管和第二晶体管采用共栅结构，尺寸相同；所述第一变压器由第一线圈、第二线圈和第三线圈组成，其中第一线圈与第二线圈相耦合，第二线圈与第三线圈相耦合；第一线圈的一端与单端输入端口相连接，第一线圈的另一端接地；第二线圈的一端与第一晶体管的源极相连接，第二线圈的另一端与第二晶体管的源极相连接；第三线圈的一端与第一晶体管的栅极相连接，第三线圈的另一端与第二晶体管的栅极相连接；第一变压器中第三线圈的中心抽头提供输入级放大器中第一晶体管和第二晶体管的栅极偏置电压。

进一步的是，所述输出级放大器中第三晶体管和第四晶体管尺寸相同，构成差分共源结构，源极相连，漏极与输出匹配网络相连接；所述第一电容的一端与第三晶体管的栅极相连接，另一端与第四晶体管的漏极相连接，其电容值等于第三晶体管的栅漏寄生电容；所述第二电容的一端与第四晶体管的栅极相连接，另一端与第三晶体管的漏极相连接，其电容值等于第四晶体管的栅漏寄生电容。

进一步的是，所述中间级匹配网络中第二变压器由第四线圈和第五线圈组成，第四线圈的一端与第一晶体管的漏极相连接，第四线圈的另一端与第二晶体管的漏极相连接；第五线圈的一端与第三晶体管的栅极相连接，第五线圈的另一端与第四晶体管的栅极相连接；所述第一可变电容与第四线圈并联；所述第二可变电容与第五线圈并联；第二变压器中第五线圈的中心抽头提供输出级放大器中第三晶体管和第四晶体管栅极偏置电压

进一步的是，所述输出级放大器中第三变压器由第六线圈和第七线圈组成，第六线圈的一端与第三晶体管的漏极相连接，第六线圈的另一端与第四晶体管的漏极相连接，第七线圈的两端与差分输出端口相连接。

进一步的是，所述第三晶体管和第四晶体管的源极相连后与第二变压器中第四线圈的中心抽头相连接；通过第三变压器中第六线圈的中心抽头接入直流电源，电流首先流入输出级放大器，经中间级匹配网络，再流入输入级放大器。

进一步的是，所述第二变压器与第一、第二可变电容构成磁耦合谐振器；所述第二变压器中第四线圈与第一可变电容构成谐振网络，第二变压器中第五线圈与第二可变电容构成谐振网络；所述第二变压器是弱耦合变压器，采用层叠结构，使用工艺顶层两层金属设计第四线圈和第五线圈，通过控制两层线圈中心的水平位移决定第二变压器的耦合系数。

本发明的有益效果是：本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器，具有以下优点:第一，本发明提出了一种电流复用结构，在维持低噪声放大器增益、噪声等射频性能的基础上，有效降低了直流功耗；第二，本发明提出了一种跨导增强结构，增强了共栅放大器的增益，降低了噪声，并且能够减小晶体管尺寸降低直流功耗；第三，本发明提出了一种磁耦合谐振器结构，使用开关电容阵列构成的可变电容，能够优化电路级间匹配，增大增益带宽积，减小带内波动，有效校准放大器的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器的电路结构示意图；

图2是本发明的一种可变电容电路结构的示意图；

图3是本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器的增益的仿真结果；

图4是本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1至图4，本发明实施例包括：

如图1所示，本发明实施例包括：本发明提供的超低功耗宽带低噪声放大器包括依次连接的输入级放大器100、中间级匹配网络200和输出级放大器 300。

本发明由两级放大器构成，其中输入级放大器100为差分共栅放大器，输出级放大器300为差分共源放大器。输入级放大器100和输出级放大器300 复用直流电流。第三变压器305中第六线圈311的中心抽头连接直流电源，电流流经第三晶体管303和第四晶体管304后，汇入第二变压器201中第四线圈 211，再流入第一晶体管102和第二晶体管103，最后由第一变压器101的第二线圈112接地。输入级放大器100和输出级放大器300重复利用一路直流电流，提高了电流使用效率，降低了本发明的功耗。

本发明的输入级放大器100为差分共栅放大器，采用跨导增强型共栅结构。基于变压器的跨导增强型共栅放大器，不增加额外的功耗，并且可通过调整变压器的匝数比和耦合系数调整放大器的性能。其中，第一晶体管102和第二晶体管103采用共栅结构，尺寸相同。共栅放大器的输入阻抗是跨导的倒数，品质因数低，有利于宽带输入匹配。第一变压器101是一个三线圈变压器，由第一线圈111、第二线圈112和第三线圈113组成。第一变压器101主要用于输入匹配和跨导增强。其中第一线圈111与第二线圈112相耦合，构成输入匹配网络，与50欧姆的单端天线相匹配，完成单端信号到差分的转换。,第二线圈112与第三线圈113相耦合，构成跨导增强结构，将第一晶体管102和第二晶体管103源极的差分信号反相放大到栅极，加大各晶体管栅极和源极之间的电压差，增大了共栅放大器的等效跨导，从而增大输入级放大器的增益，降低了输入级放大器100的噪声系数。另外，跨导增强结构还可以降低输入匹配所需的晶体管尺寸，进一步减小了直流功耗。

本发明的输出级放大器300为差分共源放大器，采用电容中和结构，由第三晶体管303、第四晶体管304、第一电容301和第二电容302组成。其中，所述第三晶体303和第四晶体管304尺寸相同，构成差分共源结构，源极相连，漏极与输出匹配网络相连接；所述第一电容301的一端与第三晶体管303的栅极相连接，另一端与第四晶体管304的漏极相连接，其电容值等于第三晶体管 303的栅漏寄生电容；所述第二电容302的一端与第四晶体管304的栅极相连接，另一端与第三晶体管303的漏极相连接，其电容值等于第四晶体管304 的栅漏寄生电容。基于电容中和结构的差分共源放大器，结构简单易于实现，抵消了晶体管固有的栅漏寄生电容，避免反馈电流从漏极流向源极，提高了输出级放大器的差模稳定性，增大输出级放大器的增益。

本发明的中间级匹配网络200中的第二变压器201由第四线圈211和第五线圈212组成。所述第二变压器201同第一、第二可变电容202、203构成磁耦合谐振器，其中第四线圈211与第一可变电容202构成谐振网络，第五线圈 212与第二可变电容203构成谐振网络。磁耦合谐振器的带宽与变压器两侧谐振网络的谐振频率相关，通过调节第一、第二可变电容202、203可调节磁耦合谐振器的带宽，进而调整低噪声放大器的带宽。所述第二变压器201是弱耦合变压器，采用层叠结构，使用工艺顶层两层金属设计第四线圈211和第五线圈212，通过两层线圈中心的水平位移来控制耦合系数以覆盖工作频率，提高增益带宽积。

图2给出了第一、第二可变电容202、203的具体实施方式。可变电容是由若干并联的开关电容组成的电容阵列，通过不同的数字信号可控制各个电容的开关，获得电容值可变的总电容。开关电容阵列中任一开关电容结构包括，电容值不变的第三电容225和第四电容226，作为开关的第五晶体管221，反相器222，以及偏置电阻223、224。第五晶体管221的源极接第三电容225，漏极接第四电容226。数字信号经反相器222后接入第五晶体管221的栅极，数字信号分别经偏置电阻223、224接入第五晶体管221的源极和漏极。当数字信号为高电平，第五晶体管221的栅极为低电平，源极和漏极为高电平，此时第五晶体管221截止，该开关电容关闭；当数字信号为低电平，第五晶体管 221的栅极为高电平，源极和漏极为低电平，此时第五晶体管221导通，该开关电容打开。

本发明实施例用于Ka频段卫星通信，工作频带为17.7～20.2GHz。需要说明的是，实施例的工作频带仅作为示例，不作为具体工作频率的限制，实际设计中，本发明可适用于不同频段。

本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器涉及的应用领域包括：卫星通信、5G通信、相控阵系统等。本发明提出了一种电流复用结构，在维持低噪声放大器增益、噪声等射频性能的基础上，有效降低了直流功耗；本发明提出了一种跨导增强结构，增强了共栅放大器的增益，降低了噪声，并且能够减小晶体管尺寸降低直流功耗；本发明提出了一种磁耦合谐振器结构，使用开关电容阵列构成的可变电容，能够优化电路级间匹配，增大增益带宽积，减小带内波动，有效校准放大器的带宽。基于上述提出的技术，本发明最终实现了低功耗、高增益、宽频带的低噪声放大器。

低功耗宽带低噪声放大器的电源电压为1V，消耗的功率为2mW。

图3是低功耗宽带低噪声放大器的增益的仿真结果。该低噪声放大器在 19.5GHz取得最大增益15.8dB。3dB带宽为5GHz，从16.7GHz至21.7GHz。

图4是低功耗宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果。该低噪声放大器在19GHz取得最低的噪声系数3.1dB，并且在17.2GHz至21.5GHz的噪声系数小于3.5dB。

本发明的一种超低功耗宽带低噪声放大器，具有以下优点:

第一，本发明提出了一种电流复用结构，在维持低噪声放大器增益、噪声等射频性能的基础上，有效降低了直流功耗；

第二，本发明提出了一种跨导增强结构，增强了共栅放大器的增益，降低了噪声，并且能够减小晶体管尺寸降低直流功耗；

第三，本发明提出了一种磁耦合谐振器结构，使用开关电容阵列构成的可变电容，能够优化电路级间匹配，增大增益带宽积，减小带内波动，有效校准放大器的带宽。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于包括依次连接的输入级放大器(100)、中间级匹配网络(200)和输出级放大器(300)；所述输入级放大器(100)包括由第一变压器(101)组成的输入匹配网络和跨导增强结构，以及由第一晶体管(102)和第二晶体管(103)组成的差分共栅放大器；所述中间级匹配 网络(200)包括由第二变压器(201)，第一可变电容(202)和第二可变电容(203)组成的磁耦合谐振器；所述输出级放大器(300)包括由第三变压器(305)组成的输出匹配网络，以及由第三晶体管(303)和第四晶体管(304)组成的差分共源放大器；所述输入级放大器(100)和输出级放大器(300)的直流电流复用；

所述中间级匹配网络(200)中第二变压器(201)由第四线圈(211)和第五线圈(212)组成，第四线圈(211)的一端与第一晶体管(102)的漏极相连接，第四线圈(211)的另一端与第二晶体管(103)的漏极相连接；第五线圈(212)的一端与第三晶体管(303)的栅极相连接，第五线圈(212)的另一端与第四晶体管(304)的栅极相连接；所述第一可变电容(202)与第四线圈(211)并联；所述第二可变电容(203)与第五线圈(212)并联；第二变压器(201)中第五线圈(212)的中心抽头提供输出级放大器(300)中第三晶体管(303)和第四晶体管(304)栅极偏置电压。

2.根据权利要求1所述的超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输入级放大器(100)中第一晶体管(102)和第二晶体管(103)采用共栅结构，尺寸相同；所述第一变压器(101)由第一线圈(111)、第二线圈(112)和第三线圈(113)组成，其中第一线圈(111)与第二线圈(112) 相耦合，第二线圈(112)与第三线圈(113)相耦合；第一线圈(111)的一端与单端输入端口相连接，第一线圈(111)的另一端接地；第二线圈(112)的一端与第一晶体管(102)的源极相连接，第二线圈(112)的另一端与第二晶体管(103)的源极相连接；第三线圈(113)的一端与第一晶体管(102)的栅极相连接，第三线圈(113)的另一端与第二晶体管(103)的栅极相连接；第一变压器(101)中第三线圈(113)的中心抽头提供输入级放大器(100)中第一晶体管(102)和第二晶体管(103)的栅极偏置电压。

3.根据权利要求1所述的超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出级放大器(300)中第三晶体管(303)和第四晶体管(304)尺寸相同，构成差分共源结构，源极相连，漏极与输出匹配网络相连接；第一电容(301)的一端与第三晶体管(303)的栅极相连接，另一端与第四晶体管(304)的漏极相连接，其电容值等于第三晶体管(303)的栅漏寄生电容；第二电容(302)的一端与第四晶体管(304)的栅极相连接，另一端与第三晶体管(303)的漏极相连接，其电容值等于第四晶体管(304)的栅漏寄生电容。

4.根据权利要求3所述的超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述输出级放大器(300)中第三变压器(305)由第六线圈(311)和第七线圈(312)组成，第六线圈(311)的一端与第三晶体管(303)的漏极相连接，第六线圈(311)的另一端与第四晶体管(304)的漏极相连接，第七线圈(312)的两端与差分输出端口相连接。

5.根据权利要求3所述的超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第三晶体管(303)和第四晶体管(304)的源极相连后与第二变压器(201)中第四线圈(211)的中心抽头相连接；通过第三变压器(305)中第六线圈(311)的中心抽头接入直流电源，电流首先流入输出级放大器(300)，经中间级匹配网络(200)，再流入输入级放大器(100)。

6.根据权利要求1所述的超低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述第二变压器(201)与第一、第二可变电容(202、203)构成磁耦合谐振器；所述第二变压器(201)中第四线圈(211)与第一可变电容(202)构成谐振网络，第二变压器(201)中第五线圈(212)与第二可变电容(203)构成谐振网络；所述第二变压器(201)是弱耦合变压器，采用层叠结构，使用工艺顶层两层金属设计第四线圈(211)和第五线圈(212)，通过控制两层线圈中心的水平位移决定第二变压器(201)的耦合系数。

Images