CN115865016A

CN115865016A - 一种宽带可变增益单端转差分低噪声放大器

Info

Publication number: CN115865016A
Application number: CN202211381039.3A
Authority: CN
Inventors: 李巍; 蒲运有; 徐鸿涛
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2022-11-06
Filing date: 2022-11-06
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体为一种具有宽带可变增益的有源单端转差分低噪声放大器。该低噪声放大器由同相支路、反相支路、反馈网络构成。通过同相支路和反相支路对输入信号的放大，在同相支路输出端V_OUT+和反相支路输出端V_OUT‑实现了差分信号输出。本发明放大器具有工作频率范围宽、不需要无源巴伦即可实现单端转差分功能以及具有可变增益的特点。由于不需要用到无源巴伦实现单端转差分功能，可以降低接收机系统的成本，提高接收机噪声性能。本发明具有可变增益功能，让接收机的射频前端模块实现更大的动态范围，可广泛应用于宽带射频接收机或者支持多种无线通信协议的接收机中。

Description

一种宽带可变增益单端转差分低噪声放大器

技术领域

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及宽带可变增益单端转差分低噪声放大器。

背景技术

差分结构可以有效的抑制芯片上因为各种原因产生的共模干扰。在射频接收机中，由于天线是单端的，所以需要模块电路实现单端转差分的功能，以便后级电路进行差分处理。一种实现单端转差分的方式是在芯片外部用无源巴伦来实现。此方式的特点是需要额外的片外巴伦，增加了系统成本，同时片外巴伦也会恶化接收机噪声性能。也可以将无源巴伦集成在芯片内部，连接差分低噪声放大器的输入端。但是片上无源巴伦的损耗比片外的更高，会更加恶化接收机噪声性能，这种方式虽然能减少片外巴伦的使用，但是也增加了接收机芯片面积(成本增加)；另一种采用片上无源巴伦的实现方案是将无源巴伦作为单端低噪声放大器的负载，以便在单端低噪声放大器的输出端实现单端转差分的功能，这样可以一定程度上降低巴伦的插损对接收机噪声性能的恶化，但是代价是此时单端的低噪声放大器具有很差的电源抑制比和共模体制比。另一方面，无论片上无源巴伦应用在何处，越先进工艺下使用片上巴伦成本越高，因为工艺的提升不会降低所需变压器的尺寸，而工艺的单位面积成本反而更高。采用片上有源单端转差分低噪声放大器可以解决上述所有问题。它实现信号低噪声放大的同时也实现了单端转差分的功能，有效地降低了接收机系统成本同时不恶化噪声性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较宽的工作频率范围，同时具有可变增益功能的有源单端转差分低噪声放大器。

本发明提供的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器，其结构如附图1所示。该结构由同相支路、反相支路和反馈网络构成。其中：

所述反相支路，由晶体管M_N1a、M_N1b、M_N2a、M_N2b、M_P1，隔直电容C_B1、C_B2、C_B3、C_B4、C_B5，负载电阻R_LO1电路连接构成。其中M_N1a与M_N1b并联，M_N2a与M_N2b并联；M_N1a与M_N1b源端接地，M_N2a、M_N2b作为共源共栅管堆叠于M_N1a和M_N1b的漏端，M_N2a、M_N2b的漏端与M_P1的漏端相连，M_P1的源端连电源；R_LO1一端连电源，另一端与M_P1漏端相连；M_N1a、M_N1b、M_P1的栅极分别通过隔直电容C_B1、C_B2、C_B3与射频输入端口V_IN相连，M_N2a、M_N2b的栅极分别通过隔直电容C_B4、C_B5与晶体管M_N3a、M_N3b的漏端相连；反相输出端口V_OUT-位于M_P1漏端。反相支路一方面实现输入信号的反相放大；另一方面实现将输入信号反相(增益为-1)。

所述同相支路，由晶体管M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2，隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10，负载电阻R_LO2电路连接构成。其中M_N3a与M_N3b并联，M_N4a与M_N4b并联；M_N3a与M_N3b源端接地，M_N4a、M_N4b作为共源共栅管堆叠于M_N3a和M_N3b的漏端，M_N4a、M_N4b的漏端与M_P2的漏端相连，M_P2的源端连电源；R_LO2一端连电源，另一端与M_P2漏端相连；M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2的栅极分别通过隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10与M_N1a、M_N1b的漏端相连；同相输出端口V_OUT+位于M_P2漏端。同相支路将反相支路提供的电压再反相放大，实现输出信号与输入射频信号同相位。由反相支路和同相支路，构成单端转差分的功能。

所述反馈网络，由反馈电阻R_f，反馈电容C_f，隔直电容C_B11、C_B12，以及晶体管M_N5、M_N6电路连接构成。其中M_N5源端接地，栅极通过隔直电容C_B11与V_OUT+端口相连；M_N6漏端连电源，栅极通过隔直电容C_B12与V_OUT-端口相连；M_N5的漏端与M_N6源端相连；反馈电阻R_f与反馈电容C_f串联，并跨接在射频输入端与M_N5漏端。该单端转差分低噪声的宽带输入匹配性能由开环的放大器(同相支路+反相支路)与反馈网络共同提供。反馈网络中的开关在高增益模式下断开，R_f接入反馈网络；反馈网络中的开关在低增益模式下闭合，R_f短路。如此切换，可以在高增益和低增益模式下都有较好的输入匹配性能。

本发明中所述的可变增益，是通过对并联电流复用结构的开启和关闭实现。电流复用结构由晶体管M_N1a、M_N2a、M_N3a、M_N4a、M_P1、M_P2电路连接构成。其中，M_N1a、M_N2a、M_P1属于反相支路，M_N1a、M_N2a分别与M_N1b、M_N2b并联，M_P1源端连电源，M_P1漏端与M_N2a漏端相连；M_N3a、M_N4a、M_P2属于同相支路，M_N3a、M_N4a分别与M_N3b、M_N4b并联，M_P2源端连电源，M_P2漏端与M_N2a漏端相连。在高增益模式下，电流复用结构上电，提供额外的增益，降低整体低噪声放大器的噪声系数。实现了低增益模式向高增益模式的切换。反之，将同相支路和反相支路的并联电流复用结构关闭，实现高增益模式向低增益模式的切换。

本发明中，反相支路将输入信号反相放大，在V_OUT-端输出；同时在晶体管M_N1a、M_N1b的漏端实现输入信号反相(增益为-1)，为同相支路提供输入。同相支路将反相支路在M_N1a、M_N1b漏端的信号进一步反相放大，实现同相放大，在V_OUT+端输出。最终在反相放大输出端V_OUT-和同相放大输出端V_OUT+实现了差分信号输出，即通过有源电路实现了单端转差分功能。

为了减小差分信号的幅度误差和相位误差，同相支路和反相支路对应器件尺寸需要相等，具体为：M_N1a与M_N3a、M_N1b与M_N3b、M_N2a与M_N4a、M_N2b与M_N4b、M_P1与M_P2、R_LO1与R_LO2器件参数值相等。

本发明的宽带可变增益的单端转差分低噪声放大器，具有工作频率范围宽、不需要无源巴伦即可实现单端转差分功能以及具有可变增益的特点。由于不需要用到无源巴伦实现单端转差分功能，一方面可以降低接收机系统的成本，另一方面可以提高接收机噪声性能。该发明的宽带单端转差分低噪声放大器具有可变增益功能，可以让接收机的射频前端模块实现更大的动态范围。

实施例中，在0.7GHz～2.5GHz范围内实现的差分信号幅度误差和相位误差分别在0.15dB～0.44dB/-0.7°～3.0°范围内。在低增益模式下，实现有源单端转分功能，并通过对同相支路和反相支路并联电流复用结构，实现从低增益模式到高增益模式的切换；在高增益模式下，实现的噪声系数可以低于2dB。宽带输入匹配由开环的低噪声放大器和反馈网络共同提供，通过对反馈网络中反馈电阻R_f的接入和短路，使得在高增益和低增益模式下都有较好的输入匹配性能。

本发明的宽带可变增益的单端转差分低噪声放大器可广泛应用于宽带射频接收机或者支持多种无线通信协议的接收机中。

附图说明

图1为本发明的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器具体电路图。

图2为本发明具体实施例中所实现的差分输出信号幅度误差和相位误差。

图3为本发明具体实施例中所实现的可变增益值以及高增益下的噪声系数。

图4为本发明具体实例中所实现的两种增益模式下的输入匹配S11。

图5为本发明具体实施例中所实现的线性度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明此宽带可变增益单端转差分低噪声放大器结构和工作原理。

如附图1所示，该结构主要有反相支路、同相支路、反馈网络构成。反相支路由晶体管M_N1a、M_N1b、M_N2a、M_N2b、M_P1，隔直电容C_B1、C_B2、C_B3、C_B4、C_B5以及负载电阻R_LO1电路连接构成。其中M_N1a与M_N1b并联，M_N2a与M_N2b并联；M_N1a与M_N1b源端接地，M_N2a、M_N2b作为共源共栅管堆叠于M_N1a和M_N1b的漏端，M_N2a、M_N2b的漏端与M_P1的漏端相连，M_P1的源端连电源；R_LO1一端连电源，另一端与M_P1漏端相连；M_N1a、M_N1b、M_P1的栅极分别通过隔直电容C_B1、C_B2、C_B3与射频输入端口相连，M_N2a、M_N2b的栅极分别通过隔直电容C_B4、C_B5与晶体管M_N3a、M_N3b的漏端相连；反相输出端口V_OUT-位于M_P1漏端。反相支路实现射频输入信号V_IN的反相放大。输入端口到晶体管M_N1a、M_N1b的漏端增益为-1。同相支路由晶体管M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2，隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10，负载电阻R_LO2电路连接构成。其中M_N3a与M_N3b并联，M_N4a与M_N4b并联；M_N3a与M_N3b源端接地，M_N4a、M_N4b作为共源共栅管堆叠于M_N3a和M_N3b的漏端，M_N4a、M_N4b的漏端与M_P2的漏端相连，M_P2的源端连电源；R_LO2一端连电源，另一端与M_P2漏端相连；M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2的栅极分别通过隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10与M_N1a、M_N1b的漏端相连；同相输出端口V_OUT+位于M_P2漏端。同相支路将晶体管M_N1a、M_N1b漏端信号再反相放大，实现输出相位与输入端口相位同相。因此在晶体管M_N2a、M_N2b和M_N4a、M_N4b的漏端分别实现了差分信号V_OUT-和V_OUT+输出，即通过有源电路实现了单端转差分功能。

为了实现差分信号输出的幅度相等、相位相反，在电路设计实现的时候，需要保持同相支路和反相支路器件尺寸的对称，具体为：M_N1a与M_N3a、M_N1b与M_N3b、M_N2a与M_N4a、M_N2b与M_N4b、M_P1与M_P2、R_LO1与R_LO2器件参数值相等。如附图2所示，在0.7GHz～2.5GHz范围内，该宽带单端转差分低噪声放大器实现的差分信号幅度误差和相位误差分别在0.15dB～0.44dB/-0.7°～3.0°范围内，体现了所发明的宽带单端转差分低噪声放大器在输出差分信号平衡性方面优异的性能。

所述的可变增益方式是通过对并联电流复用结构实施开启和关闭来实现的。电流复用结构包含的晶体管为M_N1a、M_N2a、M_N3a、M_N4a、M_P1、M_P2。在高增益模式下，电流复用结构上电，提供额外的增益，降低整体低噪声放大器的噪声系数。高增益模式下，该单端转差分低噪声放大器的增益A_VH为：

A_VH＝V_OUT+-V_OUT-≈2(g_mn1a+g_mn1b+g_mp1)(R_LO1||r_op1)，

其中，g_mn1a,g_mn1b,g_mp1分别为晶体管M_N1a、M_N1b、M_P1的跨导值；r_op1为M_P1管的导通电阻。如附图3所示，在0.7GHz～2.5GHz范围内，在高增益模式下，增益值为24dB。在低增益模式下，电流复用结构关闭，此时该单端转差分低噪声放大器的增益A_VL为：

A_VL＝V_OUT+-V_OUT-≈2g_mn1bR_LO1，

如附图3所示，在0.7GHz～2.5GHz范围内，在低增益模式下，低频处增益值约为10dB。

该单端转差分低噪声放大器的宽带输入匹配由开环放大器(同相支路+反相支路)与反馈网络共同提供。反馈网络由反馈电阻R_f、反馈电容C_f、隔直电容C_B11、C_B12，以及晶体管M_N5、M_N6电路连接构成。其中M_N5源端接地，栅极通过隔直电容C_B11与V_OUT+端口相连；M_N6漏端连电源，栅极通过隔直电容C_B12与V_OUT-端口相连；M_N5的漏端与M_N6源端相连；反馈电阻R_f与反馈电容C_f串联，并跨接在射频输入端与M_N5漏端。在高增益模式下，反馈网络中的开关断开，Rf接入反馈网络，该宽带、单端转差分的低噪声放大器的输入阻抗R_IN为：

其中，g_mn6为晶体管M_N6的跨导值。在低增益模式下，反馈网络中的开关闭合，此时该单端转差分的低噪声放大器的输入阻抗R_IN为：

如附图4所示，0.7GHz～2.5GHz范围内，在高增益模式下和低增益模式下，输入匹配S11都低于-10dB。

噪声系数是单端转差分低噪声放大器最重要的指标之一。如附图3所示，在19mW功耗下，该发明宽带可变增益单端转差分低噪声放大器的噪声系数在2dB左右。如附图5所示，所发明的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器的输入三阶交调点在0.3GHz～3GHz范围内为-1.4dBm～1.3dBm；二阶交调点在0.3GHz～3GHz范围内为12.4dBm～15.5dBm。

Claims

1.一种宽带可变增益单端转差分低噪声放大器电路，其特征在于，由反相支路、同相支路、反馈网络构成；其中：

所述反相支路，由五个晶体管M_N1a、M_N1b、M_N2a、M_N2b、M_P1，五个隔直电容C_B1、C_B2、C_B3、C_B4、C_B5，负载电阻R_LO1电路连接构成；其中，晶体管M_N1a与晶体管M_N1b并联，晶体管M_N2a与晶体管M_N2b并联；晶体管M_N1a与晶体管M_N1b源端接地，晶体管M_N2a、晶体管M_N2b作为共源共栅管堆叠于晶体管M_N1a和晶体管M_N1b的漏端，晶体管M_N2a、晶体管M_N2b的漏端与晶体管M_P1的漏端相连，晶体管M_P1的源端连电源；负载电阻R_LO1一端连电源，另一端与晶体管M_P1漏端相连；晶体管M_N1a、晶体管M_N1b、晶体管M_P1的栅极分别通过隔直电容C_B1、C_B2、C_B3与射频输入端口V_IN相连，晶体管M_N2a、晶体管M_N2b的栅极分别通过隔直电容C_B4、C_B5与晶体管M_N3a、晶体管M_N3b的漏端相连；反相输出端口V_OUT-位于晶体管M_P1漏端；反相支路一方面实现输入信号的反相放大；另一方面实现将输入信号反相，增益为-1；

所述同相支路，由五个晶体管M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2，五个隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10，负载电阻R_LO2电路连接构成；其中，晶体管M_N3a与晶体管M_N3b并联，晶体管M_N4a与晶体管M_N4b并联；晶体管M_N3a与晶体管M_N3b源端接地，晶体管M_N4a、晶体管M_N4b作为共源共栅管堆叠于晶体管M_N3a和晶体管M_N3b的漏端，晶体管M_N4a、晶体管M_N4b的漏端与晶体管M_P2的漏端相连，晶体管M_P2的源端连电源；R_LO2一端连电源，另一端与晶体管M_P2漏端相连；晶体管M_N3a、M_N3b、M_N4a、M_N4b、M_P2的栅极分别通过隔直电容C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10与晶体管M_N1a、晶体管M_N1b的漏端相连；同相输出端口V_OUT+位于晶体管M_P2漏端；同相支路将反相支路提供的电压再反相放大，实现输出信号与输入射频信号同相位；由反相支路和同相支路，构成单端转差分的功能；

所述反馈网络，由反馈电阻R_f，反馈电容C_f，两个隔直电容C_B11、C_B12，以及两个晶体管M_N5、M_N6电路连接构成；其中，晶体管M_N5源端接地，栅极通过隔直电容C_B11与V_OUT+端口相连；晶体管M_N6漏端连电源，栅极通过隔直电容C_B12与V_OUT-端口相连；晶体管M_N5的漏端与晶体管M_N6源端相连；反馈电阻R_f与反馈电容C_f串联，并跨接在射频输入端与晶体管M_N5漏端；单端转差分低噪声的宽带输入匹配性能由同相支路和反相支路组成的开环的放大器与反馈网络共同实现。

2.根据权利要求1所述的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器电路，其特征在于，所述反馈网络中的开关在高增益模式下断开，R_f接入反馈网络；反馈网络中的开关在低增益模式下闭合，R_f短路；如此切换，使在高增益和低增益模式下实现好的输入匹配性能。

3.根据权利要求1所述的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器电路，其特征在于，所述可变增益是通过对并联电流复用结构的开启和关闭实现；电流复用结构由晶体管M_N1a、M_N2a、M_N3a、M_N4a、M_P1、M_P2电路连接构成；其中，晶体管M_N1a、M_N2a、M_P1属于反相支路，晶体管M_N1a、M_N2a分别与晶体管M_N1b、M_N2b并联，晶体管M_P1源端连电源，晶体管M_P1漏端与晶体管M_N2a漏端相连；晶体管M_N3a、M_N4a、M_P2属于同相支路，晶体管M_N3a、M_N4a分别与晶体管M_N3b、M_N4b并联，晶体管M_P2源端连电源，晶体管M_P2漏端与晶体管M_N2a漏端相连；在高增益模式下，电流复用结构上电，提供额外的增益，降低整体低噪声放大器的噪声系数，实现低增益模式向高增益模式的切换；反之，将同相支路和反相支路的并联电流复用结构关闭，实现高增益模式向低增益模式的切换。

4.根据权利要求1所述的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器电路，其特征在于，所述反相支路将输入信号反相放大，在V_OUT-端输出；同时在晶体管M_N1a、晶体管M_N1b的漏端实现输入信号反相，增益为-1，为同相支路提供输入；同相支路将反相支路在晶体管M_N1a、晶体管M_N1b漏端的信号进一步反相放大，实现同相放大，在V_OUT+端输出；最终在反相放大输出端V_OUT-和同相放大输出端V_OUT+实现差分信号输出，即通过有源电路实现单端转差分功能。

5.根据权利要求1所述的宽带可变增益单端转差分低噪声放大器电路，其特征在于，同相支路和反相支路对应器件尺寸相等，具体为：晶体管M_N1a与晶体管M_N3a、晶体管M_N1b与晶体管M_N3b、晶体管M_N2a与晶体管M_N4a、晶体管M_N2b与晶体管M_N4b、晶体管M_P1与晶体管M_P2、负载电阻R_LO1与负载电阻R_LO2器件参数值相等。