CN116013656A - 三线圈变压器及低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供的三线圈变压器及低噪声放大器，三线圈变压器中的第一、第二电感线圈均为具有封闭形状的线圈，且两者存在重叠，第三电感线圈为由第一、第二主体通过交叉跳线形成的“8”字型线圈，第一、第二主体均与第一、第二电感线圈存在叠合，且交叉跳线不与第一、第二电感线圈接触。低噪声放大器包括晶体管、电容和所述三线圈变压器，三圈变压器分别连接在晶体管的栅极、源极和漏极，实现跨导增强和噪声抵消，以增加电路增益并减小噪声，还起到第一级输入匹配和一二级级间匹配的作用。本公开提供的三线圈变压器可实现三线圈之间耦合系数的相互独立，便于电路设计，通过三线圈变压器同时完成噪声抵消和输入匹配以及级间匹配，可大大减少芯片面积。
Description
技术领域
本公开涉及电子电路技术领域，特别涉及三圈变压器及具有该三线圈变压器的低噪声放大器。
背景技术
在过去十年里，毫米波技术无疑是发展最迅猛的之一。毫米波作为电磁波，其主要的应用方向是通信和雷达。在毫米波系统中，最关键的组件之一是低噪声放大器(LNA)，它接收并放大来自天线的小信号，且具有良好的信噪比(SNR)。由于低噪声放大器位于接收机的第一级，而接收机的第一级决定了链路的噪声系数(NF)，因此它需要提供足够的增益来抑制后级链路的噪声。因此，如何优化低噪声放大器的噪声性能和提高其功率增益一直是人们关注的重要问题。
在降低噪声系数方面，F.Bruccoleri提出的噪声抵消技术(noise-cancelling)是一个很好的选择，它可以在宽带范围降低低噪声放大器的噪声系数，传统的噪声抵消技术由两路放大器组成，其中一路放大器为主要的信号通路放大器，称为主放大器，另一路放大器称辅放大器。其中主放大器的信号流与辅放大器的信号流同向，叠加增强；噪声信号流则反向，叠加后可以实现对主放大器噪声信号流的抵消，并且可以证明这种抵消是宽带的。除此之外，跨导增强技术也是一种提高低噪声放大器增益并减小其噪声的重要技术，跨导增强技术是在低噪声放大器的跨导级晶体管的栅极和源极之间直接接入一反相放大器，该反相放大器可以提高跨导级晶体管的栅极和源极之间的电压差，相当于提升跨导晶体管的等效跨导。
在毫米波频段下，因为电路的寄生较为严重，所以传统的噪声抵消结构往往不能很好的抵消噪声，并且额外的辅放大器通路所引入的寄生会带来不可忽视的增益损耗。这使得毫米波频段下使用传统噪声抵消技术的低噪声放大器不会有太好的噪声性能和增益性能。一种在毫米波频段下实现噪声抵消的方法是使用三线圈变压器，不引入额外的辅放大器，同时实现噪声抵消和跨导提升。然而对于三线圈变压器中的耦合系数，组成三线圈变压器的三个电感之间具有互感关系，因此一旦设计好三线圈变压器中其中两个耦合系数，第三个耦合系数就被固定下来，可能无法同时得到需要的三个耦合系数，需要在指标之间进行折衷。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开第一方面实施例提供的便于调节耦合系数的三线圈变压器，包括：
第一电感线圈和第二电感线圈，均为具有封闭形状的线圈，且两者具有重叠；
第三电感线圈，为由第一主体和第二主体通过交叉跳线形成的“8”字型线圈，所述第一主体和第二主体均与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈存在叠合，且所述交叉跳线不与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈接触。
在一些实施例中，所述第三电感线圈为对称或非对称的“8”字型线圈。
在一些实施例中，所述第三电感线圈与所述第一电感线圈的耦合系数同所述第一主体和所述第二主体分别与所述第一电感线圈的叠合面积之比成正相关。
在一些实施例中，所述第三电感线圈与所述第二电感线圈的耦合系数同所述第一主体和所述第二主体分别与所述第二电感线圈的叠合面积之比成正相关。
在一些实施例中，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈为全等形状。
在一些实施例中，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈位于所述第三电感线圈的同一侧或者两侧。
在一些实施例中，所述第一电感线圈、所述第二电感线圈和所述第三电感线圈的主体采用不同的金属制成，且所选金属应保证各电感线圈的电阻损耗尽可能小。
本公开第二方面实施例提供的低噪声放大器，包括根据本公开第一方面任一实施例提供的三线圈变压器。
在一些实施例中，所述低噪声放大器包括晶体管、电容和根据本公开第一方面任一实施例提供的三线圈变压器，
所述晶体管的源极接入地-信号-地接口GSG；
所述第一电感线圈的一端连接所述晶体管的源极、另一端接地，所述第二电感线圈的一端连接所述晶体管的栅极、另一端连接直流偏置电压VB，所述第三电感线圈的一端连接所述晶体管的漏极、另一端连接电源VDD；
所述电容与所述第三电感线圈构成级间匹配网络，所述电容的一端连接所述晶体管的漏极、另一端连接负载。
在一些实施例中，所述晶体管采用NMOS晶体管。
本公开的技术特点及有益效果：
1、提升三线圈变压器设计自由度，“8”字型三线圈变压器可以使变压器中三个线圈之间的耦合系数相互独立，引入更多的自由度，便于电路的设计；
2、提升毫米波频段低噪声放大器放大器的噪声性能。“8”字型三线圈变压器可以起到噪声抵消的效果，连接在共栅级放大器的漏极和源极的两个电感线圈组成变压器，可以相互感应出与各自噪声电压相位相反的感应噪声电压，噪声电压与感应噪声电压叠加后可以起到噪声抵消的效果，提高晶体管的噪声性能；
3、提升毫米波频段低噪声放大器放大器的增益性能。“8”字型三线圈变压器可以起到跨导增强的效果，连接在共栅级放大器的栅极和源极的两个电感线圈组成变压器，可以提高晶体管的栅源电压差，提高晶体管等效跨导。
4、提升芯片的紧凑度，减小芯片面积。共栅级中的“8”字型三线圈变压器同时承担了输入和级间阻抗匹配的作用，使得电路不需要额外的匹配网络，减小了芯片的无源损耗和面积。本公开充分利用了三线圈变压器结构特点，采用了紧凑型版图设计，进一步减少了芯片的面积。
附图说明
图1为本公开第一方面实施例提供的三线圈变压器的结构示意图。
图2为本公开第二方面实施例提供的低噪声放大器的电路结构示意图；
图3为本公开第二方面实施例提供的的低噪声放大器的信号及噪声仿真结果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的一种三线圈变压器，包括三个电感线圈，其中：
第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg位于第三电感线圈Ld的同侧或两侧，为具有封闭形状的线圈，且两者存在叠合，第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg分别采用第一金属和第二金属制成；
第三电感线圈Ld，为由第一主体和第二主体通过交叉跳线形成的“8”字型线圈，第一主体和第二主体采用第三金属制成，第一主体和第二主体均与第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg存在叠合，且交叉跳线不与第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg接触。
在一些实施例中，设第一电感线圈Ls与第二电感线圈Lg的耦合系数为K1、第三电感线圈Ld与第一电感线圈Ls的耦合系数为K2、第三电感线圈Ld与第二电感线圈Lg的耦合系数为K3，耦合系数K2与第三电感线圈Ld中第一主体和第二主体分别与第一电感线圈Ls的叠合面积之比成正相关，耦合系数K3与第三电感线圈Ld中第一主体和第二主体分别与第二电感线圈Lg的交叠面积之比成正相关。
在一些实施例中，第一电感线圈Ls由65nmCMOS工艺自带金属层M1-AP中的任一金属层制成(为了减小电阻损耗，尽量采用高层金属层)，可以设计成任意满足65nmCMOS工艺要求的封闭图形，在本实施例中设计为八边形。
在一些实施例中，第二电感线圈Lg可以位于第一电感线圈Ls的上侧或者下侧，第二电感线圈Lg由与第一电感线圈Ls材质不同的65nmCMOS工艺自带金属层M1-AP中的任一金属层制成(为了减小电阻损耗，尽量采用高层金属层)，可以设计成任意满足65nmCMOS工艺要求的封闭图形，且第二电感线圈Lg与第一电感线圈Ls为全等形状，以尽量提高第二电感线圈Lg与第一电感线圈Ls的耦合系数，从而减小变压器的插入损耗。
在一些实施例中，第三电感线圈Ld由65nmCMOS工艺自带金属层M1-AP中的任意两层构成(为了减小损耗，尽量采用高层金属层，以下以AP层和M9层举例)，形状为“8”字型，可以根据所需的耦合系数将第三电感线圈Ld设计为对称或非对称的“8”字型，主体使用金属层AP，交叉处由金属层M9跳线，第三电感线圈Ld与第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg之间的耦合系数分别可以由第三电感线圈Ld中第一主体和第二主体分别与第一电感线圈Ls的叠合面积之比以及第三电感线圈Ld中第一主体和第二主体分别与第二电感线圈Lg的交叠面积之比(以下简称为第一主体和第二主体的面积之比)决定，其原理如下，此处以第三电感线圈Ld与第二电感线圈Lg的耦合为例进行说明：第三电感线圈Ld的第一主体和第二主体均与第二电感线圈Lg存在磁场耦合，且线圈之间的交叠面积越大，耦合越强，因此可以通过控制第一主体与第二主体各自与第二电感线圈Lg的交叠面积来控制第一主体与第二主体各自与第二电感线圈Lg的耦合系数(如图1中，为第一主体与第二电感线圈Lg的交叠区域，为第二主体与第二电感线圈Lg的交叠区域)；同时，由于第三电感线圈Ld中第一主体与第二主体的磁场方向相反，第一主体与第二主体的磁场与第二电感线圈Lg磁场耦合会相互抵消，因此，通过合理分配第三电感线圈Ld的第一主体与第二主体与第二电感线圈Lg的交叠面积，就可以控制这种抵消作用，以此实现任意需要的耦合系数(特别是较小的耦合系数)，即第一主体和第二主体分别与第二电感线圈Lg的叠合面积之比越接近于1，第三电感线圈Ld与第二电感线圈Lg的耦合系数K2就越小，例如通过仿真可得，当第一主体与第二主体面积之比为1.3：1时，第三电感线圈Ld与第二电感线圈Lg的耦合系数近似为0.1。在使用中，可以根据设计需求选择需要的耦合系数，根据变压器的同名端和异名端在电路中的需求选择三线圈变压器端口的连接方式。
参见图2，本公开第二方面实施例提供的具有上述三线圈变压器的低噪声放大器，包括共栅放大器、三线圈变压器和电容Cd，共栅放大器包括一个晶体管M1，晶体管可采用NMOS晶体管，晶体管M1构成共栅级放大器中的跨导管，三线圈变压器采用图1所示三线圈变压器，三线圈变压器同时起到输入匹配、跨导增强和噪声抵消的作用，且第三电感线圈Ld与电容Cd起到输出匹配的作用。各器件的连接关系如下：晶体管M1的源极接入地-信号-地接口GSG(ground-signal-ground)；三线圈变压器中的第一电感线圈Ls的一端连接晶体管M1的源极，另一端接地；三线圈变压器中的第二电感线圈Lg的一端连接晶体管M1的栅极，另一端连接共栅放大器的直流偏置电压VB；三线圈变压器中的第三电感线圈Ld的一端连接晶体管M1的漏极，另一端接电源VDD。第一电感线圈Ls与第二电感线圈Lg之间的耦合系数为K1，第三电感线圈Ld与第一电感线圈Ls之间的耦合系数为K2，第三电感线圈Ld与第二电感线圈Lg之间的耦合系数为K3。级间匹配网络由三线圈变压器中的第三电感线圈Ld与电容Cd构成，电容Cd一端接晶体管M1的漏极，另一端接下一级放大器的输入端(在图2中，下一级放大器以负载RL表示)；晶体管M1的源极作为共栅级放大器的输入端，晶体管M1的漏极作为主路共源放大器的输出端；三线圈变压器用于输入匹配、噪声抵消和跨导增强。具体为：当输入信号由地-信号-地接口GSG进入晶体管M1的源极时，三线圈变压器中的第一电感线圈Ls和第二电感线圈Lg组成的变压器会在晶体管M1的栅极感应出反相的电压，提高晶体管M1的等效跨导；三线圈变压器中的第一电感线圈Ls和第三电感线圈Ld组成的变压器可以感应出与原噪声电压相位相反的噪声电压，经过叠加后可以起到噪声抵消的效果。在本电路中，设计三线圈变压器的耦合系数(K1，K2，K3)时，需综合考虑电路的增益、噪声、稳定性。耦合系数K1应尽可能大以减小变压器的插入损耗。由于第一电感线圈Ls与第三电感线圈Ld形成正反馈，正反馈的大小与变压器耦合系数K2成正比，过强的正反馈会影放大器的稳定性，需通过仿真确定K2的精确值。
本公开实施例采用一级单端放大器结构；其中输入匹配及一二级的级间匹配由非对称“8”字型三圈变压器和电容完成。共栅放大器的偏置通过三线圈变压器的电感线圈提供，共源共栅放大器以及共源放大器的偏置电压由偏置电阻提供。
本低噪声放大器中，偏置电压VB为已知量，本实例中为0.6V。
本公开低噪声放大器的工作原理如下：
单端输入信号通过GSG接口注入第一级单端共栅级放大器，经过放大后，由第一级单端共栅级放大器的漏极输出；第一级单端放大器的输出通过级间匹配网络连接到后级单放大器的输入端，噪声信号及有用信号分别经过非对称“8”字型三圈变压器的作用后，分别起到噪声抵消和跨导增强的效果。
本公开的基于跨导增强技术和噪声抵消技术的低噪声放大器的实施例说明如下：
本实施例采用65nmCMOS工艺(为本领域的常规制备工艺)制备基于一种多圈变压器实现的跨导增强和噪声抵消的毫米波低噪声放大器，可以用于低噪声放大器的第一级。
图3给出了低噪声放大器有(wi)无(wo)三线圈变压器的增益(Gmax)和噪声性能(NFmin)的对比图。如图3所示，可以看到，在使用本公开实施例提出的三线圈变压器后，低噪声放大器的增益和噪声性能都得到了提升。因此，本实施例可提升毫米波频段下低噪声放大器的噪声性能和增益性能。
综上，本公开实施例提供的低噪声放大器，克服了传统噪声抵消技术中辅放大器会引入额外噪声、寄生大、增益损耗大等问题，并解决了三线圈变压器中耦合系数无法自由调控的问题，本公开实施例采用具有“8”字型结构电感线圈的三线圈变压器实现对共栅级放大器的噪声抵消和跨导增强，并利用“8”字型结构的第一主体与第二主体面积之比，来自由控制耦合系数。三圈变压器同时可以起到输入匹配网络和级间匹配网络的作用。同时为了实现变压器所需的不同耦合系数，采用“8”字型结构电感线圈并与局域封闭形状的电感线圈相结合。
以上实施例验证了本公开的正确性和实效性。以上所述仅为本公开在具体CMOS工艺下与具体频段下的于一种三圈变压器实现的跨导增强和噪声抵消的低噪声放大器，并非用于限定本公开的保护范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种三圈变压器，其特征在于，包括三个电感线圈，其中，
第一电感线圈和第二电感线圈，均为具有封闭形状的线圈，且两者存在重叠；
第三电感线圈，为由第一主体和第二主体通过交叉跳线形成的“8”字型线圈，所述第一主体和第二主体均与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈存在叠合，且所述交叉跳线不与所述第一电感线圈和所述第二电感线圈接触。
2.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第三电感线圈为对称或非对称的“8”字型线圈。
3.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第三电感线圈与所述第一电感线圈的耦合系数同所述第一主体和所述第二主体分别与所述第一电感线圈的叠合面积之比成正相关。
4.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第三电感线圈与所述第二电感线圈的耦合系数同所述第一主体和所述第二主体分别与所述第二电感线圈的叠合面积之比成正相关。
5.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈为全等形状。
6.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈位于所述第三电感线圈的同一侧或者两侧。
7.根据权利要求1所述的三线圈变压器，其特征在于，所述第一电感线圈、所述第二电感线圈和所述第三电感线圈的主体采用不同的金属制成，且所选金属应保证各电感线圈的电阻损耗尽可能小。
8.一种低噪声放大器，其特征在于，包括根据的权利要求1～7中任意一项所述的三线圈变压器。
9.一种低噪声放大器，其特征在于，包括晶体管、电容和根据权利要求1～7中任意一项所述的三线圈变压器，
所述晶体管的源极接入地-信号-地接口GSG；
所述第一电感线圈的一端连接所述晶体管的源极、另一端接地，所述第二电感线圈的一端连接所述晶体管的栅极、另一端连接直流偏置电压VB，所述第三电感线圈的一端连接所述晶体管的漏极、另一端连接电源VDD；
所述电容与所述第三电感线圈构成级间匹配网络，所述电容的一端连接所述晶体管的漏极、另一端连接负载。
10.根据权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，所述晶体管采用NMOS晶体管。
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