CN115208331A - 一种衬底串电阻的低噪声双向放大器 - Google Patents

一种衬底串电阻的低噪声双向放大器 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体公开了一种衬底串电阻的低噪声双向放大器，通过在NMOS管M1、M2的衬底串联电阻R1、R2到地，有效降低了低噪声放大器的输入路径看到的损耗，提升了低噪声放大器的噪声性能；通过在PMOS管M3、M4的衬底串联电阻R3、R4到供电端，有效降低功率放大器输出路径看到的损耗，提升了功率放大器的效率。相较于传统的基于NMOS管和PMOS管结合的双向放大器，本发明提供的基于衬底串电阻的高效率低噪声的双向放大器具有更低的噪声系数和更高的效率。

Description

一种衬底串电阻的低噪声双向放大器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种衬底串电阻的低噪声双向放大器。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展进步，人们对射频收发机提出了更高灵敏度、更低功耗、更小尺寸、更高可靠性等要求。功率放大器和低噪声放大器分别是射频发射机和射频接收机最靠近天线的有源模块。为了追求更低的功耗，提出了一种功率放大器和低噪声放大器联合设计，即双向放大器的概念。
基础的双向放大器结构如图1所示，通过简单的开关来切换功率放大器和低噪声放大器。这一方式虽然实现了双向的放大器，但是开关的存在让功率放大器的输出网络和低噪声放大器的输入网络损耗都急剧增加，严重恶化了功率放大器的效率以及低噪声放大器的噪声系数。针对这一问题，有研究者改进了带开关的双向放大器。如图2所示，这一结构通过将低噪声放大器的NMOS管(M7，M8)与功率放大器的NMOS管(M9,M10)交叉相连的方式，即M7、M8的漏极分别与M9、M10的栅极互连，M7、M8的栅极分别与M10、M9的漏极互连。互相充当对方的中和电容。在功率放大器的输出端，即低噪声放大器的输入端的匹配网络上，这一结构采用了可重构的匹配网络，以此分别实现两者的匹配。这一结构虽然也使用了开关的切换，但是只针对输出网络的一个支节，所以对双向放大器的性能影响要小一些。但是两个放大器均采用NMOS管，导致功率放大器工作时，低噪声放大器的NMOS管有可能导通，原理上的等效电容变为等效电阻，这对于功率放大器信号的输出是不友好的。基于以上分析，有研究者提出了改进后的NMOS晶体管和PMOS晶体管结合的双向放大器。如图3所示。低噪声放大器采用PMOS管(M3、M4)构成，功率放大器采用NMOS管(M1、M2)构成。两个放大器的切换通过尾电源管M5、M6实现。将低噪声放大器的NMOS管替换为PMOS管，这样在功率放大器工作时，低噪声放大器的晶体管几乎不会导通，这样功率放大器的性能就可以保证。但是PMOS晶体管在关断时，由于PMOS的漏极、源极与衬底存在寄生的电容，这一寄生电容会导致信号的泄漏，导致功率放大器的功率附加效率降低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种衬底串电阻的低噪声双向放大器解决了现有双向放大器中造成功率放大器和低噪声放大器损耗高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种衬底串电阻的低噪声双向放大器，包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、PMOS管M6、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；
所述NMOS管M1的栅极与PMOS管M4的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第一输入输出端，其衬底与电阻R1的一端连接；所述NMOS管M1的源极分别与NMOS管M5的漏极和NMOS管M2的源极连接，其漏极与PMOS管M3的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第二输入输出端；所述PMOS管M3的衬底与电阻R3的一端连接；所述NMOS管M2的栅极与PMOS管M3的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第三输入输出端，其衬底与电阻R2的一端连接；所述NMOS管M2的漏极与PMOS管M4的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第四输入输出端；所述PMOS管M4的衬底与电阻R4的一端连接；所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和NMOS管M5的源极均接地；所述电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和PMOS管M6的源极均与供电端连接；所述NMOS管M5的栅极和PMOS管M6的栅极作为控制电压端VC。
进一步地，所述NMOS管M1和NMOS管M2构成功率放大器。
进一步地，所述PMOS管M3和PMOS管M4构成低噪声放大器。
进一步地，还包括匹配网络Balun1；所述匹配网络Balun1的差分一端与低噪声双向放大器的第一输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第三输入输出端连接。
进一步地，还包括匹配网络Balun2；所述匹配网络Balun2的差分一端与低噪声双向放大器的第二输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第四输入输出端连接。
综上，本发明的有益效果为：
本发明通过在NMOS管M1、M2的衬底串联电阻R1、R2到地，有效降低了低噪声放大器的输入路径看到的损耗，提升了低噪声放大器的噪声性能；通过在PMOS管M3、M4的衬底串联电阻R3、R4到供电端，有效降低功率放大器输出路径看到的损耗，提升了功率放大器的效率。相较于传统的基于NMOS管和PMOS管结合的双向放大器，本发明提供的基于衬底串电阻的高效率低噪声的双向放大器具有更低的噪声系数和更高的效率。
附图说明
图1为基础的双向放大器结构示意图。
图2为传统的基于NMOS管的双向放大器电路示意图。
图3为传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器电路示意图。
图4为本发明中基于衬底串电阻的高效率低噪声双向放大器的电路示意图。
图5为晶体管小信号等效模型。
图6为低噪声放大器噪声系数随串接电阻阻值变化图。
图7为功率放大器效率随串接电阻阻值变化图。
图8为本发明中基于衬底串电阻的高效率低噪声双向放大器与传统的基于NMOS管和PMOS管的双向放大器的功率放大器的功率附加效率比较图。
图9为本发明中基于衬底串电阻的高效率低噪声双向放大器与传统的基于NMOS管和PMOS管的双向放大器的低噪声放大器的噪声系数比较图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图4所示，一种衬底串电阻的低噪声双向放大器，包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、PMOS管M6、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；
所述NMOS管M1的栅极与PMOS管M4的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第一输入输出端，其衬底与电阻R1的一端连接；所述NMOS管M1的源极分别与NMOS管M5的漏极和NMOS管M2的源极连接，其漏极与PMOS管M3的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第二输入输出端；所述PMOS管M3的衬底与电阻R3的一端连接；所述NMOS管M2的栅极与PMOS管M3的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第三输入输出端，其衬底与电阻R2的一端连接；所述NMOS管M2的漏极与PMOS管M4的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第四输入输出端；所述PMOS管M4的衬底与电阻R4的一端连接；所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和NMOS管M5的源极均接地；所述电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和PMOS管M6的源极均与供电端连接；所述NMOS管M5的栅极和PMOS管M6的栅极作为控制电压端VC。
所述NMOS管M1和NMOS管M2构成功率放大器，所述PMOS管M3和PMOS管M4构成低噪声放大器。
本实施例还包括匹配网络Balun1；所述匹配网络Balun1的差分一端与低噪声双向放大器的第一输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第三输入输出端连接。
本实施例还包括匹配网络Balun2；所述匹配网络Balun2的差分一端与低噪声双向放大器的第二输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第四输入输出端连接。
在待放大信号从匹配网络Balun1的单端输入时，通过匹配网络Balun1的差分端输入功率放大器，待放大信号通过NMOS管M1和NMOS管M2进行放大，放大信号进入匹配网络Balun2差分端，通过匹配网络Balun2的单端输出。
在待放大信号从匹配网络Balun2的单端输入时，通过匹配网络Balun2差分端输入低噪声放大器，通过PMOS管M3和PMOS管M4进行放大，放大信号进入匹配网络Balun1的差分端，通过匹配网络Balun1的单端输出。
针对双向放大器的低噪声放大器的噪声系数改善；
传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器，低噪声放大器在工作的时候会把功率放大器的NMOS管关断。通过把晶体管M5和M6栅极的控制电压VC设置为0V，即可关断功率放大器同时打开低噪声放大器。但是晶体管M1和M2由于存在诸多的寄生电容。在高频下，这一寄生电容的存在会导致信号泄漏，由此带来损耗。信号路径表现为：低噪声放大器的输入信号从Balun2的单端馈入，再由Balun2的差分端输出，在进入低噪声放大器的放大管M3和M4的同时，也会经过M1和M2，部分信号就会通过M1和M2的寄生电容泄漏，泄漏的信号对于低噪声放大器来说，直接就会表现为损耗，损耗除了恶化电路的增益以外，还会恶化电路的噪声系数。由于这一损耗发生在低噪声放大器的输入端，所以噪声系数的恶化是无法缓解的。如图5所示，晶体管存在的寄生电容主要是CGS、CGB、CDB、CGD，为了研究该损耗的具体过程，对晶体管的各个寄生电容仿真。由于信号是从晶体管的栅极进入，从漏极输出，基于晶体管的放大作用，漏极的信号相较于栅极的信号幅度要大。所以信号泄露最严重的是从漏极发生的。依据不同的路径，一条路径为从漏极经寄生电容CDB到电源(对于PMOS管，一般衬底接入电源)产生损耗(由于电源的不理想，主要表现为电源内阻不为0，也不是无穷大，泄漏的信号就会在电源内部产生损耗)；另一条路径经过寄生电容CGD(信号反馈回去输入端，表现为负反馈会降低晶体管的放大能力，但是不会产生额外的损耗)到晶体管的栅极，再经过栅极的寄生电容CGB泄漏到电源，进而产生损耗。本发明通过在M1和M2的衬底串联大电阻R1、R2，相当于变相的使得电源的等效内阻增加，这样对于电压信号经过大电阻带来的功率损耗就会更小；对于电流信号，因为大电阻的存在，流过这一路径的电流相较于不加入大电阻的情况会小很多。为了尽可能的阻断这一损耗路径，避免寄生电容带来的信号泄露，针对电阻的阻值进行了仿真优化，如图6所示。当电阻阻值大于5000Ω之后，噪声系数基本不变，所以要保证R1、R2均大于5000Ω。由此来改善这一双向放大器的低噪声放大器的噪声性能。
针对双向放大器的功率放大器效率的改善；
传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器的，功率放大器在工作的时候会把低噪声放大器的PMOS管关断。通过把晶体管M5和M6栅极的控制电压VC设置为1V，即可关断低噪声放大器同时打开功率放大器。但是晶体管M3和M4由于存在诸多的寄生电容，尤其是漏极和衬底之间的寄生电容。在高频下，这一寄生电容的存在会导致信号泄漏，由此带来损耗。信号路径表现为：功率放大器的晶体管M1和M2产生的输出信号在输出到Balun1的差分端的同时，也进入到了低噪声放大器的晶体管M3和M4内。M3、M4的栅极和衬底存在的寄生电容导致信号泄露。对于功率放大器来讲，信号泄露路径同低噪声放大器的信号泄露路径类似：一条路径是从漏极经寄生电容CDB到地(对于NMOS管，一般衬底接到地)产生损耗(由于地的不理想，主要表现为地平面寄生电阻不为0，也不是无穷大，泄漏的信号就会在地平面产生损耗)；另一条路径经过寄生电容CGD到晶体管的栅极，再经过栅极的寄生电容CGB泄漏到地，进而产生损耗。输出端的信号泄露会直接降低线性度，进而影响效率。本发明通过在M3和M4的衬底串联大电阻R3、R4，针对电阻的阻值进行了仿真优化，如图7所示。当电阻阻值大于5000Ω之后，放大器的效率基本不变，所以要保证R1、R2均大于5000Ω，尽可能的阻断这一损耗路径，避免寄生电容带来的信号泄露。由此来改善这一双向放大器的功率放大器的效率。
综上所述，本发明通过衬底串联大电阻技术，相较于传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器，功率放大器的效率以及低噪声放大器的噪声性能都有了较大的提升；在保持主体电路参数相同的条件下，对本实施例中基于衬底串电阻的高效率低噪声的双向放大器与传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器(图3)进行仿真测试，测试结果分别如图8、9所示。
如图8所示，实线为本发明的仿真测试结果，虚线为传统结构的仿真结果。相较于传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器。本实施例提供的双向放大器的饱和效率(饱和功率对应的功率附加效率)在28GHz提升了44％(38％→51％)。
如图9所示，实线为本发明的仿真测试结果，虚线为传统结构的仿真结果。相较于传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器。本实施例提供的双向放大器的噪声系数在23GHZ～32GHz的工作带内降低了0.4dB～0.5dB。
由此可见，本发明相较于传统的NMOS管和PMOS管结合的双向放大器有更高的效率以及更低的噪声系数。

Claims (5)

1.一种衬底串电阻的低噪声双向放大器，其特征在于，包括：NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、PMOS管M6、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；
所述NMOS管M1的栅极与PMOS管M4的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第一输入输出端，其衬底与电阻R1的一端连接；所述NMOS管M1的源极分别与NMOS管M5的漏极和NMOS管M2的源极连接，其漏极与PMOS管M3的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第二输入输出端；所述PMOS管M3的衬底与电阻R3的一端连接；所述NMOS管M2的栅极与PMOS管M3的漏极连接，并作为低噪声双向放大器的第三输入输出端，其衬底与电阻R2的一端连接；所述NMOS管M2的漏极与PMOS管M4的栅极连接，并作为低噪声双向放大器的第四输入输出端；所述PMOS管M4的衬底与电阻R4的一端连接；所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和NMOS管M5的源极均接地；所述电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和PMOS管M6的源极均与供电端连接；所述NMOS管M5的栅极和PMOS管M6的栅极作为控制电压端VC。
2.根据权利要求1所述的衬底串电阻的低噪声双向放大器，其特征在于，所述NMOS管M1和NMOS管M2构成功率放大器。
3.根据权利要求1所述的衬底串电阻的低噪声双向放大器，其特征在于，所述PMOS管M3和PMOS管M4构成低噪声放大器。
4.根据权利要求1所述的衬底串电阻的低噪声双向放大器，其特征在于，还包括匹配网络Balun1；所述匹配网络Balun1的差分一端与低噪声双向放大器的第一输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第三输入输出端连接。
5.根据权利要求1所述的衬底串电阻的低噪声双向放大器，其特征在于，还包括匹配网络Balun2；所述匹配网络Balun2的差分一端与低噪声双向放大器的第二输入输出端连接，其差分另一端与低噪声双向放大器的第四输入输出端连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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