CN115208328A - 一种自偏置有源跨导增强放大电路 - Google Patents

一种自偏置有源跨导增强放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自偏置有源跨导增强放大电路，包括：输入放大模块，用于实现射频输入信号的初步放大；级间匹配及偏置电路，用于完成所述输入放大模块和输出放大模块两级之间的级间匹配以及所述输入放大模块的输出端直流偏置；输出放大模块，用于完成经所述输入放大模块初步放大后的射频输入信号的进一步放大；自偏置有源跨导增强放大器，用于将所述射频输入信号进行自举放大后传输至所述输入放大模块的输入端。

Description

一种自偏置有源跨导增强放大电路
技术领域
本发明涉及射频前端集成电路技术领域，特别是涉及一种自偏置有源跨导增强放大电路。
背景技术
低噪声放大电路作为天线接收电路第一个关键模块，其要求低功耗低噪声且高增益以保证天线信号接收信噪比及通信质量。
如图1所示为传统两级级联单端放大电路的电路结构图，其中，射频输入信号RFin经输入耦合电容Cin、输入电感Lg输入到输入级的输入端，级间电容C1连接在输入级的输出端与输出级的输入端之间，电源Vdd连接至第一输入偏置电路的电源输入端、第二输入偏置电路的电源输入端、第一漏极电感Ld1和第二漏极电感Ld2的一端，第一输入偏置电路的输出端连接至第一偏置电阻R1的一端，第一偏置电阻R1的另一端连接至输入级的输入端，第二输入偏置电路的输出端连接至第二偏置电阻R2的一端，第二偏置电阻R2的另一端连接至输出级的输入端和级间电容C1，第一漏极电感Ld1的另一端连接所述输入级的输出端，第二漏极电感Ld2的另一端连接在输出级的输出端，输出级的输出端经输出耦合电容C2输出射频输出信号RFout。
为提高通信数据传输率及改善信道数量，往往采用增加频带，提高频率，甚至是毫米波频段通信。但是随着频率增加高频信号环境传输损耗增大，而且硅基器件单级本征增益随频率增加而下降，故高频及毫米波低噪声放大电路往往采用多级结构，需要进行低功耗及增益改善增强设计。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种自偏置有源跨导增强放大电路，利用自偏置有源跨导增强放大器实现输入级的反馈端信号放大耦合至输入级输入端，实现输入信号幅度自举有源放大等效跨导增强，同时输入级及自偏置级与输出级偏置电流复用能够节省功耗，综合实现低成本低功耗高增益降性能。
为达上述及其它目的，本发明提出一种自偏置有源跨导增强放大电路，包括：
输入放大模块，用于实现射频输入信号的初步放大；
级间匹配及偏置电路，用于完成所述输入放大模块和输出放大模块两级之间的级间匹配以及所述输入放大模块的输出端直流偏置；
输出放大模块，用于完成经所述输入放大模块初步放大后的射频输入信号的进一步放大；
自偏置有源跨导增强放大器，用于将所述射频输入信号进行自举放大后传输至所述输入放大模块的输入端。
优选地，所述放大电路利用所述自偏置有源跨导增强放大器实现输入放大模块的输入端信号放大耦合至输入放大模块的反馈端，实现输入信号幅度自举有源放大等效输入有效信号电压幅度增大，等效跨导增强，从而提高增益。
优选地，所述自偏置有源跨导增强放大器与所述输入放大模块通过第三偏置电阻(R0)共享同一直流偏置电压实现自偏置，并且在输入端与反馈端间提供阻抗反馈调节通路改善增益平坦度。
优选地，所述输入放大模块包括第一输入偏置电路、输入级、第一偏置电阻(R1)、反馈电感(Ls)和输入耦合电容(Cin)，射频输入信号(RFin)连接至所述输入耦合电容(Cin)的一端、所述自偏置有源跨导增强放大器，输入耦合电容(Cin)的另一端连接至输入级的反馈端和反馈电感(Ls)的一端，反馈电感(Ls)的另一端接地，第一输入偏置电路的第一输出端连接至第一偏置电阻(R1)的一端，第一偏置电阻(R1)的另一端连接至输入级的输入端、所述自偏置有源跨导增强放大器。
优选地，所述自偏置有源跨导增强放大器包括第三漏极电感(Lg)、第三偏置电阻(R0)、自举输出耦合电容(C0)和自举放大管(Mg)，所述NMOS自举放大管(Mg)的漏极通过所述第三漏极电感(Lg)连接至所述第一输入偏置电路的第二输出端，并连接至所述自举输出耦合电容(C0)的一端，所述自举输出耦合电容(C0)的另一端连接所述输入级，并连接所述第三偏置电阻(R0)的一端，所述自举放大管(Mg)的源极接地，栅极连接所述输入耦合电容(Cin)以及第三偏置电阻(R0)的另一端。
优选地，所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)和级间电容(C1)，所述输入级的输出端连接至所述第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，所述第一漏极电感(Ld1)的另一端连接电源，所述级间电容(C1)的另一端连接所述输出放大模块。
优选地，所述输出放大模块包括第二输入偏置电路、输出级、第二偏置电阻(R2)、第二漏极电感(Ld2)和输出耦合电容(C2)，所述第二输入偏置电路的输出端连接至第二偏置电阻(R2)的一端，第二偏置电阻(R2)的另一端连接至所述输出级的输入端和所述级间电容(C1)的另一端，所述输出级的输出端连接至所述第二漏极电感(Ld2)的一端和所述输出耦合电容(C2)的一端，所述输出级的反馈端接地，所述输出耦合电容(C2)的另一端即射频输出信号RFout端。
优选地，所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)、级间电容(C1)和偏置退耦电容(Cgnd)，所述输入级的输出端连接至所述第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，所述级间电容(C1)的另一端连接至所述输出放大模块输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感(Ld1)的另一端和所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端，所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端接地。
优选地，所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)和级间电容(C1)和偏置退耦电容(Cgnd)，断开所述第一输入偏置电路的第二输出与第三漏极电感(Lg)的连接，将第三漏极电感(Lg)的断开点连接至所述输出放大模块输出级的反馈端；所述输入级的输出端连接至第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，级间电容(C1)的另一端连接至输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感(Ld1)的另一端和偏置退耦电容(Cgnd)的一端以及第三漏极电感(Lg)的一端，所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端接地。
与现有技术相比，本发明一种自偏置有源跨导增强放大电路通过利用自偏置有源跨导增强放大器实现输入级的反馈端信号放大耦合至输入级输入端，实现输入信号幅度自举有源放大等效跨导增强，同时输入级及自偏置级与输出级偏置电流复用能够节省功耗，综合实现低成本低功耗高增益降性能。
附图说明
图1为传统两级级联差分放大的射频前端电路的电路结构图；
图2为本发明一示例性实施例中一种自偏置有源跨导增强放大电路的电路结构示意图；
图3为本发明另一示例性实施例中一种自偏置有源跨导增强放大电路的电路结构示意图；
图4为本发明再一示例性实施例中一种自偏置有源跨导增强放大电路的电路结构示意图；
图5为本发明与现有技术增益改善比较示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一示例性实施例中一种自偏置有源跨导增强放大电路的电路结构示意图。如图2所示，本发明一种自偏置有源跨导增强放大电路，包括输入放大模块10、级间匹配及偏置电路20、输出放大模块30和自偏置有源跨导增强放大器40。
输入放大模块10由第一输入偏置电路、输入级、第一偏置电阻R1、反馈电感Ls和输入耦合电容Cin组成，用于实现射频输入信号RFin的初步放大；级间匹配及偏置电路20由第一漏极电感Ld1和级间电容C1组成，用于完成输入放大模块10和输出放大模块30两级之间的级间匹配即输入阻抗与输出阻抗的匹配和输入放大模块10的输出端直流偏置；输出放大模块30由第二输入偏置电路、输出级、第二偏置电阻R2、第二漏极电感Ld2和输出耦合电容C2组成，用于实现射频信号的进一步放大；自偏置有源跨导增强放大器40由第三漏极电感Lg、第三偏置电阻R0、自举输出耦合电容C0和自举NMOS管Mg组成，用于将射频输入信号RFin进行自举放大后传输至输入放大模块10的输入端。
射频输入信号RFin连接至输入耦合电容Cin的一端、第三偏置电阻R0的一端和NMOS自举放大管Mg的栅极，输入耦合电容Cin的另一端连接至输入级的反馈端和反馈电感Ls的一端，反馈电感Ls的另一端接地；
NMOS自举放大管Mg的漏极连接至第三漏极电感Lg的另一端、自举输出耦合电容C0的一端，NMOS自举放大管Mg的源极接地；
输入级的输出端连接至第一漏极电感Ld1的一端和级间电容C1的一端，输出级的输出端连接至第二漏极电感Ld2的一端和输出耦合电容C2的一端，输出级的反馈端接地，输出耦合电容C2的另一端即射频输出信号RFout端；
电源Vdd连接至第一输入偏置电路的电源输入端、第二输入偏置电路的电源输入端、第一漏极电感Ld1的另一端和第二漏极电感Ld2的另一端，第一输入偏置电路的第一输出端连接至第一偏置电阻R1的一端，第一偏置电阻R1的另一端连接至输入级的输入端、第三偏置电阻R0的另一端和自举输出耦合电容C0的另一端，第一输入偏置电路的第二输出端连接至第三漏极电感Lg的另一端，第二输入偏置电路的输出端连接至第二偏置电阻R2的一端，第二偏置电阻R2的另一端连接至输出级的输入端和级间电容C1的另一端。
本发明利用增益为G的自偏置有源跨导增强放大器实现输入级的反馈端信号放大耦合至输入级输入端，实现输入信号幅度自举有源放大等效输入有效信号电压幅度增大为(1+G)倍，等效跨导增强G倍，从而提高增益。
自偏置有源跨导增强放大器与输入级通过R0共享同一直流偏置电压实现自偏置，并且在输入端与反馈端间提供阻抗反馈调节通路改善增益平坦度。
共享输入级原有输入匹配电感作自偏置有源跨导增强放大器输出负载，无需增加额外的电感元件，增加有源器件面积及功耗有限，却可以显著提高增益并通过控制有源器件尺寸控制增益提高。
图3为本发明另一示例性实施例中一种无源跨导增强差分放大电路的电路结构示意图。在图2所示架构基础上，级间匹配及偏置电路20微调电路组成和连接关系以实现输出级与输入级直流电流共享。
具体地，级间匹配及偏置电路20由第一漏极电感Ld1和级间电容C1和偏置退耦电容Cgnd组成，用于完成输入放大模块10与输出放大模块30两级之间的级间匹配即输入阻抗与输出阻抗的匹配和输入级与输出级间的直流电流共享。
输入级的输出端连接至第一漏极电感Ld1的一端和级间电容C1的一端，级间电容C1的另一端连接至输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感Ld1的另一端和偏置退耦电容Cgnd的一端，偏置退耦电容Cgnd的一端接地。
本实施例中，差分输入级输出端及差分输出级输出端采用电容交叉耦合实现多信号链路输出，等效输出级跨导一定程度增强，进一步提高输出增益；差分输入级与差分输出级共享直流偏置电流，功耗电流复用能够节省功耗。
图4为本发明再一示例性实施例中一种无源跨导增强差分放大电路的电路结构示意图。如图4所示，在图2所示架构基础上，级间匹配及偏置电路20微调电路组成和连接关系以实现输出级与输入级直流电流共享，自偏置跨导增强放大器40微调连接关系实现与输出级直流共享。
具体地，级间匹配及偏置电路20由第一漏极电感Ld1和级间电容C1和偏置退耦电容Cgnd组成，用于完成输入放大模块10与输出放大模块30两级之间的级间匹配即输入阻抗与输出阻抗的匹配和输入级与输出级间的直流电流共享。
断开第一输入偏置电路的第二输出与第三漏极电感Lg的连接，将第三漏极电感Lg的断开点连接至输出级的反馈端；输入级的输出端连接至第一漏极电感Ld1的一端和级间电容C1的一端，级间电容C1的另一端连接至输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感Ld1的另一端和偏置退耦电容Cgnd的一端以及第三漏极电感Lg的一端，偏置退耦电容Cgnd的一端接地。
可见，本实施例中输入级及自偏置有源跨导增强放大器与输出级共享直流偏置电流，功耗电流复用能够节省功耗。
如图5所示，图中下方曲线Typical为现有技术增益-频率曲线，上方Novel为本发明的增益-频率曲线，由比较可知，自偏置有源跨导增强放大电路在不增加功耗的情况下在较宽频带下实现了跨导增强，增益改善大于6dB。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种自偏置有源跨导增强放大电路，包括：
输入放大模块，用于实现射频输入信号的初步放大；
级间匹配及偏置电路，用于完成所述输入放大模块和输出放大模块两级之间的级间匹配以及所述输入放大模块的输出端直流偏置；
输出放大模块，用于完成经所述输入放大模块初步放大后的射频输入信号的进一步放大；
自偏置有源跨导增强放大器，用于将所述射频输入信号进行自举放大后传输至所述输入放大模块的输入端。
2.如权利要求1所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述放大电路利用所述自偏置有源跨导增强放大器实现输入放大模块的反馈端信号放大耦合至输入放大模块的输入端，实现输入信号幅度自举有源放大等效输入有效信号电压幅度增大，等效跨导增强，从而提高增益。
3.如权利要求2所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述自偏置有源跨导增强放大器与所述输入放大模块通过第三偏置电阻(R0)共享同一直流偏置电压实现自偏置，并且在输入端与反馈端间提供阻抗反馈调节通路改善增益平坦度。
4.如权利要求3所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述输入放大模块包括第一输入偏置电路、输入级、第一偏置电阻(R1)、反馈电感(Ls)和输入耦合电容(Cin)，射频输入信号(RFin)连接至所述输入耦合电容(Cin)的一端、所述自偏置有源跨导增强放大器，输入耦合电容(Cin)的另一端连接至输入级的反馈端和反馈电感(Ls)的一端，反馈电感(Ls)的另一端接地，第一输入偏置电路的第一输出端连接至第一偏置电阻(R1)的一端，第一偏置电阻(R1)的另一端连接至输入级的输入端、所述自偏置有源跨导增强放大器。
5.如权利要求4所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述自偏置有源跨导增强放大器包括第三漏极电感(Lg)、第三偏置电阻(R0)、自举输出耦合电容(C0)和自举放大管(Mg)，所述NMOS自举放大管(Mg)的漏极通过所述第三漏极电感(Lg)连接至所述第一输入偏置电路的第二输出端，并连接至所述自举输出耦合电容(C0)的一端，所述自举输出耦合电容(C0)的另一端连接所述输入级，并连接所述第三偏置电阻(R0)的一端，所述自举放大管(Mg)的源极接地，栅极连接所述输入耦合电容(Cin)以及第三偏置电阻(R0)的另一端。
6.如权利要求5所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)和级间电容(C1)，所述输入级的输出端连接至所述第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，所述第一漏极电感(Ld1)的另一端连接电源，所述级间电容(C1)的另一端连接所述输出放大模块。
7.如权利要求6所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述输出放大模块包括第二输入偏置电路、输出级、第二偏置电阻(R2)、第二漏极电感(Ld2)和输出耦合电容(C2)，所述第二输入偏置电路的输出端连接至第二偏置电阻(R2)的一端，第二偏置电阻(R2)的另一端连接至所述输出级的输入端和所述级间电容(C1)的另一端，所述输出级的输出端连接至所述第二漏极电感(Ld2)的一端和所述输出耦合电容(C2)的一端，所述输出级的反馈端接地，所述输出耦合电容(C2)的另一端即射频输出信号RFout端。
8.如权利要求5所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)、级间电容(C1)和偏置退耦电容(Cgnd)，所述输入级的输出端连接至所述第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，所述级间电容(C1)的另一端连接至所述输出放大模块输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感(Ld1)的另一端和所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端，所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端接地。
9.如权利要求5所述的一种自偏置有源跨导增强放大电路，其特征在于：所述级间匹配及偏置电路包括第一漏极电感(Ld1)和级间电容(C1)和偏置退耦电容(Cgnd)，断开所述第一输入偏置电路的第二输出与第三漏极电感(Lg)的连接，将第三漏极电感(Lg)的断开点连接至所述输出放大模块输出级的反馈端；所述输入级的输出端连接至第一漏极电感(Ld1)的一端和级间电容(C1)的一端，级间电容(C1)的另一端连接至输出级的输入端，输出级的反馈端连接至第一漏极电感(Ld1)的另一端和偏置退耦电容(Cgnd)的一端以及第三漏极电感(Lg)的一端，所述偏置退耦电容(Cgnd)的一端接地。
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