CN112272011A

CN112272011A - 一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器

Info

Publication number: CN112272011A
Application number: CN202011368459.9A
Authority: CN
Inventors: 杨格亮; 廖春连; 韩威; 王尧; 吴迪; 王旭东; 曲明
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-01-26

Abstract

本发明公开了一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，属于射频集成电路技术领域。该放大器包含的电流复用放大单元具有低功耗的特点，边带抑制功能由连接在晶体管栅极、反馈支路和输出支路的陷波器实现，多陷波器设计一方面可以提升低噪声放大器的边带抑制能力，另一方面能够拓展抑制信号的带宽。陷波器非输入端连接的设计还能够避免陷波器对低噪声放大器噪声性能的恶化。本发明可应用于集成收发通道的低功耗射频系统中。

Description

一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，特别是指一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器。

背景技术

有源相控阵系统中一般包含多个接收和发射通道，多通道同时工作会带来系统散热以及可靠性问题，对接收通道来说，完成接收通道前端放大的低噪声放大器应该在功耗受限情况下实现低噪声放大的功能，而电流复用技术是低噪声放大器(Low NoiseAmplifier,LNA)电路低功耗设计的有效手段。另外，接收通道和发射通道通常复用一个天线元，由于发射通道的信号幅度较大，接收通道存在受到发射通道干扰的风险。为了避免这种风险，首先在频率规划上将接收和发射通道的工作频段分开，但受频率资源的限制，接收和发射通道的中心频差是有限的；其次，在接收电路设计过程中采用纯技术手段对接收频带以外的信号进行抑制。例如：

Vincenzo Chironi,Stefano D’Amico等人在ICICDT 2013，第171-174页的“ADual-Band Balun LNA Resilient to 5-6GHz WLAN Blockers for IR-UWB in 65nmCMOS”中提出了一种共栅-共源并联结构的LNA，通过在输入端和输出负载中引入陷波器来实现带外抑制。但将陷波器放在LNA的输入端会恶化LNA的噪声系数，因此该器件不适用于对噪声性能要求较高的场合。

M.Ikram Malek和Suman Saini在IEEE ICSPACES 2015，第157-161页的“ImprovedTwo Stage Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier with Out Band RejectionUsing Low Noise Active Inductor”中采用源简并Cascode单元作为LNA的基本放大单元，实现带外抑制功能的陷波器也被并联在了LNA的输出端，增强了抑制能力，且输出陷波器的电感采用了有源结构设计，芯片面积得到了控制。但该LNA的输入端仍存在一个无源陷波器，因此噪声问题无法得到改善。

许爱国于2007年在现代雷达第29卷第3期第81-83页的“T/R组件中滤波低噪声放大器一体化设计”中提出将滤波器与LNA进行一体化设计，在低噪声放大器的同时具有带外抑制的作用。但该方案是基于板级电路考虑的，当移植到单片集成电路时仍避免不了出现前述两例的噪声问题。

KO DONG HYUN在发明专利“DUAL BAND LOW NOISE AMPLIFIER”(JP2015091123)中提出将噪声抵消技术与双边带设计相结合，这样整个LNA的噪声系数会得到改善，但对两个边带重叠处信号的抑制能力较弱，而且噪声抵消能力也会随着工作频率的增加逐渐变弱，不适用于毫米波系统。

张冬在发明专利“S波段高带外抑制低噪声放大器”(CN201020296176.3)中提出了采用滤波器、场效应管和单片放大器级联的方案实现高带外抑制。但与前述第三例类似，该方案也是基于板级电路的考虑，不适用于单片集成电路设计。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提出一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器以解决LNA设计中难以同时实现低功耗、低噪声和带外信号抑制的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，包括由晶体管M₀～M_n、片上电感器L₀、L_S1～L_Sn+2和片上电容器C₀、C_P1～C_Pn构成的电流复用放大单元，n≥1；其中，信号从片上电容器C₀的一端输入，C₀的另一端与晶体管M₀的栅极相连，片上电感器L₀的一端连接到晶体管M₀的栅极，L₀的另一端连接到偏置电压V_B0；片上电感器L_Si串联连接在晶体管M_i的源极和M_i-1的漏极之间，晶体管M_i的源极又与片上电容器C_Pi一端相连，片上电容器C_Pi的另一端接地，1≤i≤n；晶体管M_n的漏极与电源V_DD之间连接由片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2组成的串联网络，L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点连接着一个反馈支路和一个输出支路。

进一步的，晶体管M₁～M_n的栅极各包含一个陷波器，晶体管M_i的栅极与由片上电感器L_i和片上电容器C_i所构成的并联网络的一端相连，该并联网络的另一端一方面经过偏置电阻R_Bi连接到偏置电压V_Bi，另一方面经过耦合电容C_Ci连接到晶体管M_i-1的漏极，1≤i≤n。

进一步的，所述反馈支路和输出支路各包含一个陷波器；其中，反馈支路的陷波器由片上电感器L_n+1和片上电容器C_n+1的并联网络构成，该并联网络的一端接在片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点处，另一端接反馈电容C_F的一端，反馈电容C_F的另一端接反馈电阻R_F，反馈电容R_F的另一端接到晶体管M_n的栅极；输出支路的陷波器由片上电感器L_n+2和片上电容器C_n+2的并联网络构成，该并联网络的一端接在电路的输出端，另一端接在隔直电容C_B的一端，隔直电容C_B的另一端接在片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点处。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

1)本发明LNA电路中的陷波器分别位于反馈支路、输出支路以及非输入晶体管的栅极，既能够提升带外抑制能力，又避免了陷波器对LNA噪声系数的恶化。

2)本发明提出的LNA基于电流复用架构，能够在低功耗的条件下实现带外抑制的效果。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种电流复用低噪声放大器的电路原理图。

图2是本发明实施例中的另一种电流复用低噪声放大器的电路原理图。

图3是信号通过陷波器时增益的频率响应仿真曲线图。

图4是本发明实施例中的增益仿真曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提出的一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器进行详细描述。

如图1所示，一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，包括：晶体管M₀～M_n(n为自然数)，片上电感器L₀～L_n+2、L_S1～L_Sn+2，片上电容器C₀～C_n+2、C_P1～C_Pn、C_C1～C_Cn、C_F、C_B和片上电阻器R_B1～R_Bn、R_F。其中，晶体管M₀的栅极与片上电容器C₀的一端相连，片上电容器C₀的另一端连接到电路输入端，片上电感器L₀的两端分别连接到晶体管M₀的栅极和偏置电压V_B0，晶体管M₀的漏极与n个串联堆叠连接的放大单元相连；在每个放大单元中晶体管M_x(x＝1,2,…n)的栅极与片上电感器L_x和片上电容器C_x并联构成的陷波器一端相连，陷波器的另一端与偏置电阻R_Bx和片上电容器C_Cx连接在一起，偏置电阻R_Bx的另一端连接到偏置电压V_Bx，片上电容器C_Cx的另一端连接到晶体管M_x-1的漏极，片上电感器L_Sx串联连接在晶体管M_x的源极和M_x-1的漏极之间，晶体管M_x的源极又与片上电容器C_Px一端相连，片上电容器C_Px的另一端接地；晶体管M_n的漏极与片上电感器L_Sn+1的一端相连，片上电感器L_Sn+1的另一端与三条支路相连，分别为：反馈支路、输出支路、电源支路；在反馈支路中，片上电感器L_Sn+1的另一端与片上电感器L_n+1和片上电容器C_n+1并联构成的陷波器一端相连，陷波器的另一端经片上电容器C_F和片上电阻器R_F串联连接到晶体管M_n的栅极；在输出支路中，片上电感器L_Sn+1的另一端与片上电容器C_B的一端相连，片上电容器C_B的另一端与片上电感器L_n+2和片上电容器C_n+2并联构成的陷波器一端相连，陷波器的另一端连接到电路输出端；在电源支路中，片上电感器L_Sn+1的另一端与片上电感器L_Sn+2的一端相连，片上电感器L_Sn+2的另一端连接到电源V_DD。

当n＝1时，图1就简化为图2。其中，信号从电容器C₀的一端输入，C₀的另一端接到晶体管M₀的栅极，电感器L₀跨接在晶体管M₀的栅极与电压V_B0之间为晶体管M₀提供偏置，晶体管M₀的漏极连接电感L_S1作为负载，输入信号经晶体管M₀放大以后从晶体管M₀的漏极输出。晶体管M₀的漏极输出信号经电容C_C1隔直再经过电感L₁和C₁并联组成的陷波器到达晶体管M₁的栅极作为以晶体管M₁为核心的放大级的输入。为了实现流过晶体管M₀和晶体管M₁的电流复用，晶体管M₁的源极连接到电感L_S1的另一端。晶体管M₁的源极还要并联接地电容C_P以实现正常放大。晶体管M₁的偏置V_B1通过电阻R_B1加在晶体管M₁栅极的直流通路上(直接加在栅极上或者L₁与C_C1连接点上)。晶体管M₁的漏极接电感L_S2和L_S3的串联网络作为负载，电源V_DD接到电感L_S3的另一端。信号晶体管M₁放大后从电感L_S2和L_S3的串联连接节点输出，一方面经过电感L₂和C₂并联组成的陷波器再经过电容C_F和电阻R_F组成的串联网络反馈到达晶体管M₁的栅极，另一方面经隔直C_B再经过电感L₃和C₃并联组成的陷波器到达电路的输出端。

仍见图2，该LNA电路中包含3个陷波器，将陷波器看作一个两端口网络，它的电特性可以用ABCD矩阵来表达，如下所示：

式(1)中，A、B、C、D是矩阵因子，j为虚数单位，ω为角频率，L_x和C_x分别是组成陷波器的电感和电容的感值和容值。

根据S-参数矩阵与ABCD矩阵之间的换算关系，得到：

式(1)中，Z_C为特征阻抗，通常为50欧姆，则对S₂₁的模做对数运算得：

从式(3)可以看出，当ω²＝1/(L_xC_x)，即陷波工作在谐振状态时，谐振频率处的10log|S₂₁|→-∞，说明该频率处的信号被陷波器阻断。

对图2所示电路中的三个陷波器其中之一进行仿真，图3是信号通过陷波器时增益的频率响应曲线，从图中可以看出，曲线在高频处有明显的凹陷，因此，仿真结果与理论分析的结果是一致的。

图4给出了图2所示LNA与基于同种电流复用结构而未采用边带抑制技术的LNA的增益仿真曲线对比。从对比可以看出，图2电路在期望的高频边带具有显著的信号抑制能力，最大抑制度可达24dBc。

上述的理论分析与仿真结果证实了本发明所提供的一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器是有效的。

总之，本发明放大器包含的电流复用放大单元具有低功耗的特点，边带抑制功能由连接在晶体管栅极、反馈支路和输出支路的陷波器实现，多陷波器设计一方面可以提升低噪声放大器的边带抑制能力，另一方面能够拓展抑制信号的带宽。陷波器非输入端连接的设计还能够避免陷波器对低噪声放大器噪声性能的恶化。本发明可应用于集成收发通道的低功耗射频系统中。

虽然本发明已经参考其某些优选实施例进行了示出和描述，但是，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims

1.一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，其特征在于：包括由晶体管M₀～M_n、片上电感器L₀、L_S1～L_Sn+2和片上电容器C₀、C_P1～C_Pn构成的电流复用放大单元，n≥1；其中，信号从片上电容器C₀的一端输入，C₀的另一端与晶体管M₀的栅极相连，片上电感器L₀的一端连接到晶体管M₀的栅极，L₀的另一端连接到偏置电压V_B0；片上电感器L_Si串联连接在晶体管M_i的源极和M_i-1的漏极之间，晶体管M_i的源极又与片上电容器C_Pi一端相连，片上电容器C_Pi的另一端接地，1≤i≤n；晶体管M_n的漏极与电源V_DD之间连接由片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2组成的串联网络，L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点连接着一个反馈支路和一个输出支路。

2.根据权利要求1所述的一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，其特征在于：晶体管M₁～M_n的栅极各包含一个陷波器，晶体管M_i的栅极与由片上电感器L_i和片上电容器C_i所构成的并联网络的一端相连，该并联网络的另一端一方面经过偏置电阻R_Bi连接到偏置电压V_Bi，另一方面经过耦合电容C_Ci连接到晶体管M_i-1的漏极，1≤i≤n。

3.根据权利要求1所述的一种具有边带抑制功能的电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述反馈支路和输出支路各包含一个陷波器；其中，反馈支路的陷波器由片上电感器L_n+1和片上电容器C_n+1的并联网络构成，该并联网络的一端接在片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点处，另一端接反馈电容C_F的一端，反馈电容C_F的另一端接反馈电阻R_F，反馈电容R_F的另一端接到晶体管M_n的栅极；输出支路的陷波器由片上电感器L_n+2和片上电容器C_n+2的并联网络构成，该并联网络的一端接在电路的输出端，另一端接在隔直电容C_B的一端，隔直电容C_B的另一端接在片上电感器L_Sn+1和L_Sn+2的串联节点处。