CN116015221B - 一种基于变压器负反馈的射频放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于变压器负反馈的射频放大器电路，包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（M1），还包括第一变压器（X1）和第二变压器（X2）；第一变压器的初级侧线圈一端跟所述输入端口相连，另一端同第二变压器的初级侧线圈的第一端相连，所述第二变压器的初级侧线圈的第二端耦接到地；第一变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的栅极，另一端耦接到地；第二变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的源极，另一端耦接到地；其中第一变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为负，第二变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为正。通过采用变压器负反馈结构，可以在保持放大功能的前提下，有效降低输入管源‑漏电压的耐压要求。

Description

一种基于变压器负反馈的射频放大器电路

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于变压器负反馈的射频放大器电路。

背景技术

随着物联网市场的飞速发展，可穿戴电子设备的数量和市场份额也随之迅速增长，智能手表、智能手环、无线耳机等消费类应用的兴起推动了可穿戴市场的火热。而在手表、手环、耳机等无线电子产品中，对其中芯片的功耗有着苛刻的要求，客观上可穿戴设备要求更轻的设备重量，更长的待机和工作时间，低功耗的需求相对其他市场更为迫切。

在可穿戴设备中，由于其模组尺寸较小，天线距离人体的距离较近，而人体是相比天线尺寸体积巨大的导体，当可穿戴设备靠近人体时，其上的天线效率会受到严重的影响。可穿戴设备如手表手环等体积的缩小对于消费者的使用体验有着显著提升，而当设备尺寸缩小时，天线的性能也会受到严重影响。因此，在贴近人体的微型可穿戴设备中，对于接收发射芯片的性能有着更高更苛刻的要求。为了提高使用体验，在接收模式下，在可穿戴设备的天线端往往采用低噪声放大器来提高接收灵敏度，间接的提高天线接收效率并且扩大接收范围，在靠近人体时有着更佳的接收性能和使用体验；而在发射模式下，往往也会采用功率放大器来提高发射功率，同时扩大接收范围。

基于上述的原因，也使得可穿戴设备中对于前端放大器有着非常高的要求，在卫星导航及定位系统的接收模式下，放大器既要有足够高的功率增益和尽可能低的噪声系数，同时又需要高线性度以应对带外干扰，这对射频放大器的工艺和设计是个巨大的挑战。

如图1所示，现有技术中提出的低噪声放大器的结构图，由于输入晶体管的源漏电压相位相反，因此对晶体管的耐压特性要求较高；而为了保持性能，电路设计往往采用高性能的先进工艺来实现低噪声高增益的特性，但是高性能的先进工艺往往耐压较低。该结构就存在着耐压和性能不能兼顾的缺点，因而也就限制了上述结构的适用范围。

因此，迫切需要对现有射频放大器的结构给出更优的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种改进后的基于变压器负反馈的射频放大器电路，解决了上述问题。通过采用变压器负反馈结构，可以在保持基本放大功能的前提下，有效降低输入管源-漏电压的耐压要求，因此可以采用先进工艺的MOS器件同时实现低噪声和高输出功率的兼顾。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种基于变压器负反馈的射频放大器电路，所述射频放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（M1），还包括第一变压器（X1）和第二变压器（X2）；

第一变压器的初级侧线圈一端跟所述输入端口相连，另一端同第二变压器的初级侧线圈的第一端相连，所述第二变压器的初级侧线圈的第二端耦接到地；

第一变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的栅极，另一端耦接到地；

第二变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的源极，另一端耦接到地；

其中第一变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为负，第二变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为正。

进一步的，所述输入晶体管的漏极通过负载元件接电源电压，该漏极作为输出端口。

所述负载元件为一电感器，或电感与电容的并联组件，或电感与电阻的并联组件，或电感与电阻的串联组件，或者电感、电容、电阻的并联组件。

所述输出端口还通过一负载电阻RL接地。

所述输出端口与地之间连接有一电容器，或者一LC串联谐振网络，或者一LC并联谐振网络。

优选地，所述第一变压器和第二变压器的匝数比均为1:1。

本发明还提供了一种射频收发芯片，集成有一个或多个上述的射频放大器电路。

本发明还提供了一种通信模块，其包括有一个或多个上述的射频收发芯片。

本发明所提供的技术方案，创造性地采用了变压器负反馈结构，其有益效果为：可以在保持基本放大功能和输入匹配的前提下，有效降低输入管源-漏电压的耐压要求，因此可以在采用先进工艺的MOS器件时同时实现低噪声和高输出功率，提高了射频放大器的适用情形。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有技术中的一般放大器电路的示意图；

图2为增加输入匹配改进后的放大器电路的示意图；

图3为栅氧厚度的逐年变化趋势示意图；

图4为本发明一实施例提供的射频放大器电路的示意图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，其示出了现有技术中一放大器电路的示意图，在该电路中，M1为输入晶体管，Ld为负载电感，输入电压为Vin时，当按预设放大增益（例如2）工作时，输出最大幅度近似为2*VDD，因为源极端口接地，因此晶体管M1的源漏电压近似为2*VDD。

上述电路在实际通信应用时，还需要考虑输入匹配的问题。以图2为例，对上述电路增加输入匹配期间，得到改进后的一般的低噪声放大器电路。在该电路结构中，输入晶体管M1一般采用高性能晶体管实现，使其具有低噪声高增益的特点；L1为输入串联电感，L2为源极负反馈电感，L1、L2和M1共同构成了输入匹配电路，从而实现了在输入匹配情况下的低噪声放大处理。

进一步分析图2的电路，其中，输入晶体管的栅极和源极为同相信号，而漏极为反相信号，漏极电压的直流电平是VDD，由于晶体管的漏极电压不能小于零电势，因此漏极的交流小信号幅度最大是VDD，此时漏极电压最高可以达到2*VDD，可知有：-VG*（1-A）*G=VDD，其中VG为栅极的交流小信号幅度，G为栅源电压到漏极电压的增益，一般大于1，所以可推出，VG=-VDD/(G*(1-A))；则源极信号约为A*VG==-A*VDD /(G*(1-A))，其中A为栅极到源极的增益，一般小于1，因此栅-漏间电压为（2+A/（(1-A)*G））*VDD，该电压高于一般放大器的2*VDD，且还需确保不能超过晶体管本身能够承受的最大电压。

而在芯片制造过程中，输入晶体管往往采用高性能的先进工艺来实现低噪声高增益的特性，但是高性能的先进工艺往往耐压较低。如图3所示，随着CMOS工艺的进步，栅极到有源区的栅氧厚度越来越薄，从而使得耐压逐渐降低。如果采用图2所示的低噪声放大器结构，由于晶体管的源-漏电压大于电源电压，将导致可靠性的下降；如果采用cascode等层叠结构，在改善耐压特性的同时，又会带来线性度的下降。

为了弥补上述电路难以适用的不足，本发明对现有技术进行了改进，提出了一种改进后的基于变压器负反馈的射频放大器电路并进行具体设计，通过创新的结构设计，可以采用先进工艺的MOS器件同时实现低噪声和高输出功率的要求。

图4示出了本发明实施例提供的改进后的射频放大器电路的示意图，如图所示：所述射频放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（M1），还包括第一变压器X1和第二变压器X2；

其中，第一变压器X1的初级侧线圈一端跟输入端口相连，另一端同第二变压器X2的初级侧线圈的第一端相连，第二变压器X2的初级侧线圈的第二端耦接到地；

第一变压器X1的次级侧线圈一端连接输入晶体管M1的栅极，另一端耦接到地；

第二变压器X2的次级侧线圈一端连接输入晶体管M1的源极，另一端耦接到地；

其中第一变压器X1主线圈和次线圈的耦合系数为负，第二变压器X2主线圈和次线圈的耦合系数为正，两个变压器的变压比根据实际通信场景设定。

输入晶体管M1的漏极通过负载元件接电源电压，该漏极作为输出端口；优选地，还通过一负载电阻RL接地。

所述负载元件为一电感器Ld，或电感与电容的并联组件，或电感与电阻的并联组件，或电感与电阻的串联组件，或者电感、电容、电阻的并联组件。

为了进一步说明，以两个变压器的变压比均为1：1为例，其中X1和X2的耦合系数均为正，假设输入信号为VIN时，X2主线圈电压为B*VIN，其中B为变压器X1和X2主线圈的分压比且小于1；由于变压器X1的耦合系数为负（反相），则X1的次线圈电压即M1的栅极电压为（B-1）VIN，其中负号是因为X1的主线圈和次线圈的耦合系数为负；由于变压器X2的耦合系数为正，则M1的源极电压为B*VIN，则栅-源电压为 (B-1)*VIN-B*VIN=-VIN，即输入电压完全加到了晶体管的栅-源极之间，且由于变压器的耦合关系，栅源电压为输入电压取反。因此，由于漏极处的电压最高为2*VDD，对应的栅极交流小信号幅度为VDD，这样的话可以推出最大栅极电压幅度为-VIN*G=-VDD,由此得到源极电压为B *VDD/G。当漏极电压最大信号为2*VDD时，源极电压为B*VDD/G，由于源、漏同相，则源-漏电压为（2-B/G）*VDD，为小于2VDD的一个数值。

从上图可以看出，传统的放大器结构中，栅-源电压同相，而源-漏电压为反相，因此当漏极电压最高，源极电压最低时，此时晶体管面临的耐压问题最严重；而采用第一变压器和第二变压器构造了反馈结构，使得晶体管的栅-源电压相位相反，源-漏电压相位相同，同时在该情况下保持输入匹配和电压增益；在噪声系数及输出功率不变的情况下，同时大大降低了晶体管耐压的要求。本发明避免了晶体管在先进工艺和高耐压二者取舍上存在的制约性，提高了放大电路的可靠性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于变压器负反馈的射频放大器电路，所述射频放大器电路包括一输入端口（Vin）、一输出端口（Vout）以及一输入晶体管（M1），其特征在于：

还包括第一变压器（X1）和第二变压器（X2）；

第一变压器的初级侧线圈一端跟所述输入端口相连，另一端同第二变压器的初级侧线圈的第一端相连，所述第二变压器的初级侧线圈的第二端耦接到地；

第一变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的栅极，另一端耦接到地；

第二变压器的次级侧线圈一端连接输入晶体管的源极，另一端耦接到地；

其中第一变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为负，第二变压器初级侧线圈和次级侧线圈的耦合系数为正。

2.如权利要求1所述的射频放大器电路，其特征在于，所述输入晶体管的漏极通过负载元件接电源电压，该漏极作为输出端口。

3.如权利要求2所述的射频放大器电路，其特征在于，所述负载元件为一电感器，或电感与电容的并联组件，或电感与电阻的并联组件，或电感与电阻的串联组件，或者电感、电容、电阻的并联组件。

4.如权利要求2所述的射频放大器电路，其特征在于，所述输出端口还通过一负载电阻RL接地。

5.如权利要求2所述的射频放大器电路，其特征在于，所述输出端口与地之间连接有一电容器，或者一LC串联谐振网络，或者一LC并联谐振网络。

6.如权利要求1所述的射频放大器电路，其特征在于，所述第一变压器和第二变压器的匝数比均为1:1。

7.一种射频收发芯片，其特征在于，集成有一个或多个如权利要求1-6任一项所述的射频放大器电路。

8.一种通信模块，其包括有一个或多个如权利要求7所述的射频收发芯片。

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