CN114614773A - 基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器，属于集成电路技术领域，包括：输入模块、输出模块、晶体管、磁耦合前馈路径和电耦合前馈路径；输入模块通过晶体管与输出模块串联，磁耦合前馈路径与晶体管并联，电耦合前馈路径与晶体管并联；磁耦合前馈路径用于控制输入模块与晶体管之间的输入匹配和级间匹配；电耦合前馈路径用于去除所述晶体管寄生电容的耦合；输入模块用于将输入信号匹配至晶体管，晶体管用于将输入信号进行放大，输出模块用于将放大后的信号匹配至负载上，通过磁耦合前馈路径增强了等效跨导，通过电耦合前馈路径保证了稳定性，两条前馈路径保证了足够高的增益和足够低的噪声系数。

Description

基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器。

背景技术

近年来，通信技术快速发展，人们对无线传输数据率的需求越来越高，带宽成为了主要瓶颈。目前主要的商用通信系统大多工作在6GHz以下，提升工作频率是解决这一瓶颈问题的有效方法。过去十年来，毫米波通信技术飞速发展，对于毫米波接收机而言，低噪声放大器通常作为射频前端的第一个模块，它的噪声系数决定了整个接受链路的信噪比，进而影响通信质量。因此，极低噪声的放大器设计势在必行。

目前有多种实现毫米波低噪声放大器的设计方法，主要有三种主流方案。第一种是源简并结构，在晶体管源端加入电感去调节输入阻抗和最优噪声阻抗，这种结构是目前应用最广的，但是缺点在于源简并电感会降低放大器的增益且很难实现一个宽带设计。第二种方案是利用共栅极晶体管作为输入，因为共栅晶体管的输入是一个低阻，更容易匹配到输入信号源的内阻或者天线的阻抗(通常是50ohm)，因此这种结构通常能实现较大的带宽，但是噪声系数基本高于源简并结构的放大器，增益也很难做得很高。为了解决增益低的问题，后来诞生了跨导增强技术，在共栅极输入的基础上，将信号反相耦合到晶体管栅端，增大输入信号的等效幅度。第三种方案就是噪声相消的结构，输入信号分别经过共源极和共栅极的放大，由于共源极和共栅极输出信号的极性相反，噪声极性近似相同，在输出端做差之后，理论上可以将共栅极晶体管的噪声完全消除，这种结构对于设计参数比较敏感，且很难在毫米波频段达到比较好的性能。

基于以上三种低噪声放大器的设计方案，本发明提出了一种全新的基于电磁耦合的双前馈路径的毫米波低噪声放大器。

发明内容

本发明提供一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器，用以解决现有技术中低噪声放大器稳定性差的缺陷，实现既保证低噪声，还能保证高增益、高稳定性和低功耗。

本发明提供一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，包括：输入模块、输出模块、晶体管、磁耦合前馈路径和电耦合前馈路径；

所述输入模块通过所述晶体管与所述输出模块串联，所述磁耦合前馈路径与所述晶体管并联，所述电耦合前馈路径与所述晶体管并联；

所述磁耦合前馈路径用于控制所述输入模块与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配；所述电耦合前馈路径用于去除所述晶体管寄生电容的耦合；

所述输入模块用于将输入信号匹配至所述晶体管，所述晶体管用于将所述输入信号进行放大，所述输出模块用于将放大后的信号匹配至负载上。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述磁耦合前馈路径包括：第一电感、第二电感和第三电感；

所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感组成三绕组变压器，所述三绕组变压器用于控制所述输入模块与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述第一电感的一端分别与所述晶体管的源极和所述输入模块相连，所述第一电感的另一端连接与电源相连；

所述第二电感的一端与所述晶体管的栅极相连，所述第二电感的另一端连接偏置电压；

所述第三电感的一端分别与所述晶体管的漏极和所述输出模块相连，所述第三电感的另一端接地。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述第一电感与所述第二电感构成堆叠结构，所述第三电感堆叠于所述第一电感与所述第二电感构成的堆叠结构上，以使所述第一电感与所述第二电感之间的耦合极性相反。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述第三电感与所述第二电感之间的走线方式为“8”字型。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述电耦合前馈路径包括：第一电容；

所述第一电容的一端与所述晶体管的源极相连，所述第一电容的另一端与所述晶体管的漏极相连；

所述第一电容用于解除所述晶体管自身的耦合控制。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述第一电容的大小等于所述晶体管寄生电容的大小。

根据本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，所述输出模块包括：第四电感、第二电容和第五电感；

所述第四电感、所述第二电容和所述第五电感构成LCL阻抗匹配网络；

所述LCL阻抗匹配网络用于将输出阻抗匹配至负载上。

本发明还提供一种放大器，包括如上述任一实施例所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路。

本发明还提供一种多通道芯片，包括如上述所述的放大器。

本发明提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器，包括：输入模块、输出模块、晶体管、磁耦合前馈路径和电耦合前馈路径；所述输入模块通过所述晶体管与所述输出模块串联，所述磁耦合前馈路径与所述晶体管并联，所述电耦合前馈路径与所述晶体管并联；所述磁耦合前馈路径用于控制所述输入模块与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配；所述电耦合前馈路径用于去除所述晶体管寄生电容的耦合；所述输入模块用于将输入信号匹配至所述晶体管，所述晶体管用于将所述输入信号进行放大，所述输出模块用于将放大后的信号匹配至负载上，通过磁耦合前馈路径增强了等效跨导，通过电耦合前馈路径保证了稳定性，两条前馈路径保证了足够高的增益和足够低的噪声系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的原理示意图；

图2是图1中基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的具体电路图之一；

图3是图1中基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的具体电路图之二；

图4是本发明实施例提供的芯片版图的原理示意图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

下面结合图1-图2描述本发明的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路及放大器。

图1是本发明提供的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的原理示意图，图2是图1中基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的具体电路图之一；图3是图1中基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路的具体电路图之二，图4是本发明实施例提供的芯片版图的原理示意图。

如图1所示，一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，包括：输入模块1、输出模块2、晶体管3、磁耦合前馈路径4和电耦合前馈路径5；其中，输入模块1通过晶体管3与输出模块2串联，磁耦合前馈路径4与晶体管3并联，电耦合前馈路径5与晶体管3并联；磁耦合前馈路径4用于控制输入模块1与晶体管3之间的输入匹配和级间匹配；电耦合前馈路径5用于去除晶体管3寄生电容的耦合；输入模块1用于将输入信号匹配至晶体管3，晶体管3用于将输入信号进行放大，输出模块2用于将放大后的信号匹配至负载上。其中，输入匹配就是输入的信号源的内阻跟它和输入电阻相等，输入匹配能够使得输出的功率为最大，级间匹配最主要的作用是实现阻抗变换，即将事先给定的阻抗值变换成为更合适的阻抗值。

在一个具体的实现过程中，晶体管3可以采用共栅极晶体管M1，磁耦合前馈路径4利用磁通量的耦合将一部分输入信号直接耦合到共栅极晶体管上进行输出，实现输入匹配的同时加强了晶体管的等效跨导，改善增益，电耦合前馈路径5有效地中和了晶体管自身寄生电容的影响。

其中，磁耦合前馈路径4包括：第一电感Ls1、第二电感Lg1和第三电感Ld1；第一电感Ls1即连接在晶体管源极的电感、第二电感Lg1即连接在晶体管栅极的电感和第三电感Ld1即连接在晶体管漏极的电感组成三绕组变压器，三绕组变压器用于控制输入模块1与晶体管之间的输入匹配和级间匹配。第一电感Ls1的一端分别与晶体管的源极和输入模块1相连，第一电感Ls1的另一端连接与电源相连；第二电感Lg1的一端与晶体管的栅极相连，第二电感Lg1的另一端连接偏置电压Vbias1；第三电感Ld1的一端分别与晶体管的漏极和输出模块2相连，第三电感Ld1的另一端接地。第一电感Ls1与第一电感Lg1构成堆叠结构，第三电感Ld1堆叠于第一电感Ls1与第二电感Lg1构成的堆叠结构上，以使第一电感Ls1与第二电感Lg1之间的耦合极性相反。

磁耦合前馈路径4主要为电感堆叠的三绕组变压器构成，也就是通过电感堆叠技术将用于输入匹配和级间匹配的共栅极晶体管M1的第一电感Ls1、第二电感Lg1和第三电感Ld1构成一个三线圈的变压器，第一电感Ls1和第二电感Lg1之间的耦合在实现输入匹配的同时加强晶体管的等效跨导改善增益。第三电感Ld1和第一电感Ls1/第二电感Lg1之间的耦合引入了磁耦合前馈路径4，利用磁通量的耦合将一部分输入信号直接耦合到共栅极晶体管的输出。合理控制第三电感Ld1和第一电感Ls1/第二电感Lg1之间的耦合系数可以在保证放大器稳定性的前提下最大化的优化增益和噪声性能。

电感堆叠的三绕组变压器基于片上螺旋电感进行设计，首先大致确定第一电感Ls1、第二电感Lg1和第三电感Ld1三个电感需要的感值，然后将第一电感Ls1和第二电感Lg1进行堆叠，保证信号的耦合极性是反相的，接着再将第三电感Ld1堆叠到栅源电感之上，其中栅源电感指的是第一电感和第二电感堆叠之后的电感，通过“8”字型的走线方式控制第三电感Ld1分别和栅源电感之间的耦合系数，达到整体性能的一个最优值。其中“8”字形走线方式为将平面螺旋电感进行第一处理而得到的电感，而第一处理为将平面螺旋电感划分为等面积的两部分，并将其中一部分镜像翻转180°且连接关系保持不变而进行的处理。“8”字型电感可以在电感完全堆叠情况下通过控制“8”的上下两个线圈的相对大小实现较小的耦合系数，不需要通过电感错位来降低耦合系数，有利于芯片面积的紧凑化。这种三绕组变压器通过占用一个传统两线圈变压器的面积同时实现了输入匹配和级间匹配。如图2所示，互感系数K1、K2和K3引入磁耦合前馈路径4，基于电感堆叠的三绕组变压器的设计原理图，Ls1和Lg1在走线方式上是完全一样的，分别用Metal9和Metal8实现，尽可能保证大的耦合系数，增强等效的跨导。Ld1的设计可以先大致确定需要的电感量以及与Ls1和Lg1之间的耦合系数k2和k3，然后将Ld1绕成非对称“8”字型电感，通过不对称的两部分控制耦合系数，利用Metal10实现后直接堆叠在Ls1和Lg1之上，实现面积的紧凑化。

具体的，其中的电耦合前馈路径5包括：第一电容Cds1；第一电容Cds1的一端与晶体管的源极相连，第一电容Cds1的另一端与晶体管的漏极相连；第一电容Cds1用于解除晶体管自身的耦合控制，其中，第一电容Cds1的大小等于晶体管寄生电容的大小。需说明的是，再具体的实现过程中，第一电容可以是Cds1，也可是图3中的Cgs1。

由于晶体管寄生电容的存在，输入匹配和输出匹配无法完全解耦设计，在差分晶体管的设计中通常引入中和电容去消除寄生电容的影响，在单端晶体管的设计中，本发明加入第一电容Cds1去模拟中和电容的效果，并且提供了一个电耦合的前馈通路。因为源极信号和栅极信号是反相的，它们分别通过第一电容Cds1和寄生电容耦合到漏极的信号会完全抵消，提升电路稳定性的同时可以将输入输出匹配进行解耦设计。且共栅极晶体管M1的第一电容Cds1利用最顶层金属和次顶层金属之间的寄生电容的实现，不需要额外插入一个电容器件，有利于整体面积的紧凑化。电容值的选取近似等于晶体管的寄生电容，跟中和电容的取值是一致的，说明通过第一电容Cds1引入的前馈和寄生电容的前馈可以比较好的抵消，保证稳定性和解耦性。如图2所示，第一电容Cds1引入电耦合前馈路径5，而本实施例中的第一电容Cds1，可以利用Metal10和Metal9之间的寄生耦合电容得到想要的电容值。如图4所示，为芯片版图的3D视图即晶体管是在电路板上的结构原理图，其中未填充部分走线为顶层金属，填充部分走线为次顶层金属，晶体管M1的栅极、源极和漏极分别通过次顶层金属接到电路中，电容Cds1利用顶层金属和次顶层金属之间的寄生电容去实现。

本实施例提供的一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，包括：输入模块1、输出模块2、晶体管、磁耦合前馈路径4和电耦合前馈路径5；所述输入模块1通过所述晶体管与所述输出模块2串联，所述磁耦合前馈路径4与所述晶体管并联，所述电耦合前馈路径5与所述晶体管并联；所述磁耦合前馈路径4用于控制所述输入模块1与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配；所述电耦合前馈路径5用于解除所述晶体管自身的耦合控制；所述输入模块1用于将输入信号匹配至所述晶体管，所述晶体管用于将所述输入信号进行放大，所述输出模块2用于将放大后的信号匹配至负载上，通过磁耦合前馈路径4增强了等效跨导，通过电耦合前馈路径5保证了稳定性，两条前馈路径保证了足够高的增益和足够低的噪声系数。

进一步的，本实施例中的输出模块2包括：第四电感Ld2、第二电容Cd2和第五电感Lout；第四电感Ld2、第二电容Cd2和第五电感Lout构成LCL阻抗匹配网络；LCL阻抗匹配网络用于将输出阻抗匹配至50ohm的负载上。晶体管可以包括一级晶体管M1和二级晶体管M2，本实施例中的毫米波Ka波段的基于电磁耦合的双前馈路径的低噪声放大器电路，其工作范围可以覆盖25GHz-30GHz。在实际工作时，输入信号通过三绕组变压器输入到共栅极晶体管M1，共栅极晶体管M1的输出传到第二级共源极晶体管M2的输入端，共源极晶体管M2的输出通过一个LCL的匹配网络输出到匹配负载上。共源极晶体管M2的栅极与共栅极晶体管M1的漏极相连，共源极晶体管M2的源极接地，共源极晶体管M2的漏极与第四电感Ld2连接，第四电感Ld2的另一端连接高电平VDD，共源极晶体管M2的漏极还通过第二电容Cd2与输出端和第五电感Lout分别相连，第五电感Lout的另一端接地。其中，Cd1是隔直电容并且用于进行阻抗匹配，图2中电阻R的主要作用是偏置电压Vbias2提供交流开路，防止信号泄露。

本发明采用的25GHz-30GHz基于电磁耦合的双前馈路径的低噪声放大电路，采用新的匹配网络，构建电耦合和磁耦合两条信号前馈路径，在Ka波段实现2dB以下的噪声系数且整体面积更小，更利于相控阵等多通道芯片的应用，并且采用新型的电路结构：增益高，稳定性好，噪声系数低，版图面积小，功耗低。主要包括以下几个优点：

1、增益高：本发明中的基于电感堆叠的三绕组变压器技术在保证稳定性的前提下由于跨导增强和磁耦合前馈通路的引入，尽可能的提升了电路的整体增益。

2、稳定性好：尽管引入了电磁两条前馈路径，但是磁耦合的耦合系数不大，对于稳定性不会有特别大影响。电耦合的路径抵消了晶体管的寄生电容引入的反馈路径，使得共栅极晶体管输入输出进行了解耦，稳定性是得到一定增强的。

3、噪声系数低：通过电磁耦合的前馈路径的引入，调节最优噪声阻抗，同时晶体管衬底加入大的隔离电阻，使得电路整体得到了极低的噪声系数。

4、版图面积小：电感堆叠的三绕组变压器仅仅占用一个传统两线圈变压器的面积就实现了输入匹配和级间匹配两个匹配网络的功能，最后输出级匹配同样采用“8”字型电感实现了一个LCL的匹配网络，仅仅消耗一个电感的面积。

基于同一总的发明构思，本申请还保护一种放大器。本实施例中的一种放大器，包括如上述任一实施例的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路。

基于同一总的发明构思，本申请还保护一种多通道芯片。本实施例中的一种多通道芯片，包括如上述任一实施例的放大器。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，包括：输入模块、输出模块、晶体管、磁耦合前馈路径和电耦合前馈路径；

所述输入模块通过所述晶体管与所述输出模块串联，所述磁耦合前馈路径与所述晶体管并联，所述电耦合前馈路径与所述晶体管并联；

所述磁耦合前馈路径用于控制所述输入模块与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配；所述电耦合前馈路径用于去除所述晶体管寄生电容的耦合；

所述输入模块用于将输入信号匹配至所述晶体管，所述晶体管用于将所述输入信号进行放大，所述输出模块用于将放大后的信号匹配至负载上。

2.根据权利要求1所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述磁耦合前馈路径包括：第一电感、第二电感和第三电感；

所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感组成三绕组变压器，所述三绕组变压器用于控制所述输入模块与所述晶体管之间的输入匹配和级间匹配。

3.根据权利要求2所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述第一电感的一端分别与所述晶体管的源极和所述输入模块相连，所述第一电感的另一端连接与电源相连；

所述第二电感的一端与所述晶体管的栅极相连，所述第二电感的另一端连接偏置电压；

所述第三电感的一端分别与所述晶体管的漏极和所述输出模块相连，所述第三电感的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述第一电感与所述第二电感构成堆叠结构，所述第三电感堆叠于所述第一电感与所述第二电感构成的堆叠结构上，以使所述第一电感与所述第二电感之间的耦合极性相反。

5.根据权利要求4所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述第三电感与所述第二电感之间的走线方式为“8”字型。

6.根据权利要求1所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述电耦合前馈路径包括：第一电容；

所述第一电容的一端与所述晶体管的源极相连，所述第一电容的另一端与所述晶体管的漏极相连；

所述第一电容用于去除所述晶体管寄生电容的耦合。

7.根据权利要求6所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述第一电容的大小等于所述晶体管寄生电容的大小。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路，其特征在于，所述输出模块包括：第四电感、第二电容和第五电感；

所述第四电感、所述第二电容和所述第五电感构成LCL阻抗匹配网络；

所述LCL阻抗匹配网络用于将输出阻抗匹配至负载上。

9.一种放大器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的基于电磁双耦合的双前馈路径低噪声放大电路。

10.一种多通道芯片，其特征在于，包括如权利要求9所述的放大器。

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