CN113381713A - 一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及毫米波无线通信技术，具体涉及一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器，包括依次连接的可重构输入匹配网络、放大电路、可重构输出匹配网络；还包括射频输入端、射频输出端、控制电压端、电源端和地线端；可重构输入匹配网络和可重构输出匹配网络分别连接射频输入端和射频输出端。该放大器在输入输出匹配网络中使用可重构电感设计，通过改变控制电压VS的值，可以在不增加额外面积的情况下实现该低噪声放大器的匹配中心频率在28GHz/32GHz两种频率之间切换。同时该低噪声放大器的噪声系数、增益、输入输出回波损耗、线性度等达到均衡的性能。

Description

一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器
技术领域
本发明属于毫米波无线通信技术领域，特别涉及一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器。
背景技术
在前几代移动通信技术的普及和现今5G的推广下，移动通信系统面临着多种制式并存、多个频段并列的局面。因此，多频段设计是移动通信系统发展的必然趋势。低噪声放大器是射频接收机链路中的第一个模块，其噪声系数对接收机的整体噪声系数起主导作用，并且需要提供足够的增益来抑制后级放大器的噪声对接收机整体的影响，此外，低噪声放大器还要实现良好的阻抗匹配来防止信号的回波损耗。作为射频接收机中不可或缺的一部分，低噪声放大器的多频段设计也迫在眉睫。对毫米波频率可重构低噪声放大器的研究，可以为面积紧凑、性能均衡的毫米波频段多频射频前端电路芯片设计提供新思路，从而促进毫米波频段5G移动通信系统研发和布局，适应互联网新技术和新应用的发展潮流，具有极其重要的战略意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可重构电感的双频低噪声放大器。可以在不增加额外面积的情况下实现匹配频段切换选择的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器，包括依次连接的可重构输入匹配网络、放大电路、可重构输出匹配网络；还包括射频输入端、射频输出端、控制电压端VS、电源端VDD和地线端GND；可重构输入匹配网络和可重构输出匹配网络分别连接射频输入端和射频输出端。
在上述基于可重构电感的双频段低噪声放大器中，可重构输入匹配网络包括第一可重构电感Lrec1、第一电容C1、第一控制开关晶体管Msw1以及第一大电阻Rsw1；可重构输入匹配网络输入端为单端射频输入信号RFin，输出端连接放大电路。
在上述基于可重构电感的双频段低噪声放大器中，可重构输出匹配网络包括第二可重构电感Lrec2、第四电容C4、第二控制开关晶体管Msw2以及第二大电阻Rsw2；可重构输出匹配网络输入端连接放大电路输出端，输出端为单端射频输出信号RFout。
在上述基于可重构电感的双频段低噪声放大器中，放大电路包括三级放大器，第一级放大器包括按共源共栅方式连接的第一MOS晶体管M1、第二MOS晶体管M2，共源管第一MOS晶体管M1源级连接源级退化电感LS，共栅管第二MOS晶体管M2漏极连接第一负载电感LD1；第二级放大器包括按共源共栅方式连接的第三MOS晶体管M3、第四MOS晶体管M4，共栅管第四MOS晶体管M4漏级连接第二负载电感LD2；第三级放大器包括按共源共栅方式连接的第五MOS晶体管M5、第六MOS晶体管M6，共栅管第六MOS晶体管M6漏级连接第二可重构电感Lrec2；放大电路输入端连接可重构输入匹配网络输出端，输出端连接可重构输出匹配网络输入端；
放大电路与可重构输入匹配网络通过第一电容C1耦合，第一级和第二级放大器之间通过第二电容C2耦合，第二级和第三级放大器之间通过第三电容C3耦合；放大电路和可重构输出匹配网络通过第四电容C4耦合。
在上述基于可重构电感的双频段低噪声放大器中，第一可重构电感Lrec1、第二可重构电感Lrec2均采用55nm CMOS工艺金属互连线设计，利用工艺中最顶层金属作为顶层原电感线圈，第二层金属作为次级耦合线圈；源级退化电感LS、第一负载电感LD1、第二负载电感LD2均采用55nm CMOS工艺顶层金属互连线设计。
本发明的有益效果：在输入输出匹配网络中使用可重构电感设计，通过改变控制电压VS的值(0V/1.2V)，可以在不增加额外面积的情况下实现该低噪声放大器的匹配中心频率在28GHz/32GHz两种频率之间切换。同时该低噪声放大器的噪声系数、增益、输入输出回波损耗、线性度等达到均衡的性能。
附图说明
图1为本发明一个实施例电路模块示意图；
图2为本发明一个实施例电路图；
图3为本发明一个实施例的频率可重构电感的3D模型示意图；
图4(a)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝0V时的S参数仿真曲线；
图4(b)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时的S参数仿真曲线；
图5(a)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝0V时的噪声系数和稳定性仿真曲线；
图5(b)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时的噪声系数和稳定性仿真曲线；
图6(a)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝0V时输入1dB压缩点仿真曲线；
图6(b)为本发明一个实施例的低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时输入1dB压缩点仿真曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种基于可重构电感的双频低噪声放大器，包括依次连接的可重构输入匹配网络、放大电路、可重构输出匹配网络；还包括射频输入端、射频输出端、控制电压端VS、电源端VDD和地线端GND。可重构输入匹配网络和可重构输出匹配网络分别连接射频输入端和射频输出端。
可重构输入匹配网络包括第一可重构电感Lrec1、第一电容C1、第一控制开关晶体管Msw1以及第一大电阻Rsw1；可重构输入匹配网络输入端为单端射频输入信号RFin，输出端连接放大电路。
可重构输出匹配网络包括第二可重构电感Lrec2、第四电容C4、第二控制开关晶体管Msw2以及第二大电阻Rsw2；可重构输出匹配网络输入端连接放大电路输出端，输出端为单端射频输出信号RFout。
放大电路包括三级放大器，第一级放大器包括按共源共栅方式连接的第一MOS晶体管M1、第二MOS晶体管M2，共源管第一MOS晶体管M1源级连接源级退化电感LS，共栅管第二MOS晶体管M2漏极连接第一负载电感LD1；第二级放大器包括按共源共栅方式连接的第三MOS晶体管M3、第四MOS晶体管M4，共栅管第四MOS晶体管M4漏级连接第二负载电感LD2；第三级放大器包括按共源共栅方式连接的第五MOS晶体管M5、第六MOS晶体管M6，共栅管第六MOS晶体管M6漏级连接第二可重构电感Lrec2。放大电路输入端连接可重构输入匹配网络输出端，输出端连接可重构输出匹配网络输入端。
可重构输入匹配网络和放大电路之间有耦合电容第一电容C1，放大电路的第一级和第二级放大器之间，第二级和第三级放大器之间有耦合电容第二电容C2和第三电容C3。放大电路和可重构输出匹配网络之间有耦合电容第四电容C4。
第一、第二可重构电感Lrec1、Lrec2、源级退化电感LS、第一、第二负载电感LD1、LD2均采用55nm CMOS工艺金属互连线设计，可重构电感原电感金属线圈采用工艺中顶层金属设计，次级耦合线圈采用第二层金属设计；源级退化电感LS、第一、第二负载电感LD1、LD2采用顶层金属设计。
具体实施时，如图1所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器的电路模块示意图，包括依次连接的可重构输入匹配网络、放大电路、可重构输出匹配网络；还包括射频输入端、射频输出端、控制电压端VS、电源端VDD和地线端GND。可重构输入匹配网络、可重构输出匹配网络分别连接射频输入端和射频输出端。
单端射频信号从射频输入端进入低噪声放大器，由可重构输入匹配网络实现50Ω阻抗匹配，再输入到放大电路中进行放大，最后再通入可重构输出匹配网络中进行50Ω阻抗匹配并从低噪声放大器输出端输出。
如图2所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器的电路图，可重构输入匹配网络包括第一可重构电感Lrec1、耦合电容第一电容C1、第一控制开关晶体管Msw1以及第一大电阻Rsw1；可重构输入匹配网络输入端信号为单端射频输入信号RFin，经过该网络变换可以实现输入端50Ω阻抗匹配，随后信号输入至放大电路。
放大器电路包括三级共源共栅拓扑结构，第一级放大器侧重于噪声系数的优化，第二级和第三级放大器侧重于提高增益，可以在不引入过多噪声的情况下对信号进行放大。第一级放大器包括按共源共栅方式连接的第一、第二MOS晶体管M1、M2，共源管第一MOS晶体管M1源级连接源级退化电感LS，共栅管第二MOS晶体管M2漏极连接第一负载电感LD1；第二级放大器包括按共源共栅方式连接的第三、第四MOS晶体管M3、M4，共栅管第四MOS晶体管M4漏级连接第二负载电感LD2；第三级放大器包括按共源共栅方式连接的第五、第六MOS晶体管M5、M6，共栅管第六MOS晶体管M6漏级连接第二可重构电感Lrec2。放大电路输入端连接可重构输入匹配网络输出端，输出端连接可重构输出匹配网络输入端。
可重构输出匹配网络包括第二可重构电感Lrec2、第四电容C4、第二控制开关晶体管Msw2以及第二大电阻Rsw2；可重构输出匹配网络输入端连接放大电路输出端，输出端为单端射频输出信号RFout。
可重构输入匹配网络和放大电路之间有耦合电容第一电容C1，放大电路的第一级和第二级放大器之间，第二级和第三级放大器之间有耦合电容第二电容C2和第三电容C3。放大电路和可重构输出匹配网络之间有耦合电容第四电容C4。
第一、第二可重构电感Lrec1、Lrec2均采用55nm CMOS工艺金属互连线设计，利用工艺中最顶层金属作为顶层原电感线圈，利用工艺中第二层金属作为次级耦合线圈。
源级退化电感LS、第一、第二负载电感LD1、LD2均采用55nm CMOS工艺顶层金属互连线设计。
如图2所示，其中共有8个MOS晶体管，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6和第一、第二控制开关晶体管Msw1、Msw2；7个电容：分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七电容C1、C2、C3、C3、Cf1、Cf2、Cf3；2个可重构电感：分别为第一、第二可重构电感Lrec1、Lrec2；3个片上电感，分别为第一、第二电感负载LD1、LD2和源级退化电感LS；8个负载电阻，分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六电阻R1、R2，R3、Rb1、Rb2、Rb3和第一、第二大电阻Rsw1、Rsw2。
如图3所示，本实施例的频率可重构电感的3D模型示意图。可重构电感原电感金属线圈采用顶层金属制作，减小损耗；而次级耦合线圈采用M2制作，次级耦合线圈两端通过MOSFET开关进行连接，VS控制MOSFET开关的通断；Msw为频率可重构电感的MOSFET开关，它们的源漏极接在频率可重构电感次级线圈的两端，栅极通过一个大电阻Rsw与开关控制电压VS相连。当MOSFET开关闭合时，次级线圈未形成闭合回路，对原电感线圈的耦合作用可以忽略；而当MOSFET开关导通时，次级耦合线圈可形成闭合回路，由楞次定律可知，次级线圈感应产生的磁场会阻碍原线圈磁场的变化，即原线圈有效磁场减小，原电感值减小，达到了电感值切换的目的。
如图4(a)所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝0V时的S参数仿真曲线，其中S21为小信号增益，S11为输入端口回波损耗，S22为输出端口回波损耗。当控制电压VS＝0V时的S参数仿真结果，此时匹配频段中心频率为28GHz，在26～31GHz范围内输入与输出匹配良好，在28GHz处S11为-11.5dB，S22为-13dB，最大增益为23dB，增益-3dB带宽为26.1～32.2GHz。
如图4(b)所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时的S参数仿真曲线，当VS＝1.2V时，此时匹配频段中心频率切换到32GHz，输入输出匹配的范围变为30～35GHz，在该频段内匹配良好，在32GHz处S11为-15dB，S22为-12dB，最大增益为20dB，增益-3dB带宽为28～34GHz。
如图5(a)所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝0V时的噪声系数和稳定性仿真曲线；当VS＝0V时，噪声系数在26～30GHz内均小于4.4dB，稳定系数Kf在36.3GHz取得最小值5.5，满足全频段稳定条件.
如图5(b)所示，本实施例基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时的噪声系数和稳定性仿真曲线；当VS＝1.2V时，在30～34GHz频段内噪声系数范围为4.4～4.7dB，稳定系数在全频段内的最小值为5.0，可以满足全频段稳定条件。
如图6(a)所示，本实施基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝0V时的输入1dB压缩点仿真曲线；如图6(b)所示，本实施基于可重构电感的双频段低噪声放大器控制电压VS＝1.2V时的输入1dB压缩点仿真曲线；在VS＝0V和VS＝1.2V时，本实施例的输入1dB压缩点分别为-5.4dBm和-7.5dBm，该设计的线性度良好。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于可重构电感的双频段低噪声放大器，其特征在于：包括依次连接的可重构输入匹配网络、放大电路、可重构输出匹配网络；还包括射频输入端、射频输出端、控制电压端(VS)、电源端(VDD)和地线端(GND)；可重构输入匹配网络和可重构输出匹配网络分别连接射频输入端和射频输出端。
2.根据权利要求1所述基于可重构电感的双频段低噪声放大器，其特征在于：可重构输入匹配网络包括第一可重构电感(Lrec1)、第一电容(C1)、第一控制开关晶体管(Msw1)以及第一大电阻(Rsw1)；可重构输入匹配网络输入端为单端射频输入信号(RFin)，输出端连接放大电路。
3.根据权利要求2所述基于可重构电感的双频段低噪声放大器，其特征在于：可重构输出匹配网络包括第二可重构电感(Lrec2)、第四电容(C4)、第二控制开关晶体管(Msw2)以及第二大电阻(Rsw2)；可重构输出匹配网络输入端连接放大电路输出端，输出端为单端射频输出信号(RFout)。
4.根据权利要求3所述基于可重构电感的双频段低噪声放大器，其特征在于：放大电路包括三级放大器，第一级放大器包括按共源共栅方式连接的第一MOS晶体管(M1)、第二MOS晶体管(M2)，共源管第一MOS晶体管(M1)源级连接源级退化电感(LS)，共栅管第二MOS晶体管(M2)漏极连接第一负载电感(LD1)；第二级放大器包括按共源共栅方式连接的第三MOS晶体管(M3)、第四MOS晶体管(M4)，共栅管第四MOS晶体管(M4)漏级连接第二负载电感(LD2)；第三级放大器包括按共源共栅方式连接的第五MOS晶体管(M5)、第六MOS晶体管(M6)，共栅管第六MOS晶体管(M6)漏级连接第二可重构电感(Lrec2)；放大电路输入端连接可重构输入匹配网络输出端，输出端连接可重构输出匹配网络输入端；
放大电路与可重构输入匹配网络通过第一电容(C1)耦合，第一级和第二级放大器之间通过第二电容(C2)耦合，第二级和第三级放大器之间通过第三电容(C3)耦合；放大电路和可重构输出匹配网络通过第四电容(C4)耦合。
5.根据权利要求2-4任意一项所述基于可重构电感的双频段低噪声放大器，其特征在于：第一可重构电感(Lrec1)、第二可重构电感(Lrec2)均采用55nm CMOS工艺金属互连线设计，利用工艺中最顶层金属作为顶层原电感线圈，第二层金属作为次级耦合线圈；源级退化电感(LS)、第一负载电感(LD1)、第二负载电感(LD2)均采用55nm CMOS工艺顶层金属互连线设计。
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