CN116232239A - 基于n路变压器的无源低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
一种基于N路变压器的无源低噪声放大器，包括：一个由至少四路开关电容并联组成的片上变压器以及两个放大器反馈回路，其中：片上变压器的正输入端和负输出端分别与第一放大器反馈回路相连，负输入端和正输出端分别与第二放大器反馈回路相连，利用开关电容对电压进行堆叠，实现无源电压增益；第一放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的正输入端与负输出端相连，第二放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的负输入端与正输出端相连，利用多路电容实现中心频率可调以及高品质的滤波。本发明通过差分结构的全基于开关电容的N路片上变压器，大幅减小无源低噪声放大器的芯片面积的同时，具有更好的兼容性与集成能力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种放大器领域的技术，具体是一种基于N路变压器的无源低噪声放大器。
背景技术
在传统的无线接收机架构中，射频信号经天线接收后，需要经过片外声表面波(Surface AcousticWave,SAW)滤波器或者体声波(BulkAcoustic Wave,BAW)滤波器滤除相邻频带信号所带来的干扰，再经低噪声放大器放大，以便于进一步信号处理。但这些滤波器受其结构限制，仅能用于一个相对固定的频带，无法调节。因此，需要为每一个通信标准专门设计一个对应的滤波器。此外，这些滤波器无法集成在硅芯片之中、体积较大、成本昂贵。
为去除接收机系统中的片外SAW或BAW滤波器，提高集成度。有研究提出基于N路滤波技术的有源低噪声放大器，其结合滤波器以及低噪声放大器的特性，但由于跨导放大器的有源特性，限制其线性度。
为提高线性度，基于片上螺旋变压器的无源低噪声放大器被提出，由于去除有源晶体管，无源低噪声放大器具有更高的线性度，在提供带内增益的同时，具有更好的抗阻塞能力。然而，该无源低噪声放大器，由于使用片上螺旋变压器，需要消耗较大面积，且尺寸无法随先进工艺节点的发展缩小，限制其应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于N路变压器的无源低噪声放大器，通过差分结构的全基于开关电容的N路片上变压器，大幅减小无源低噪声放大器的芯片面积的同时，具有更好的兼容性与集成能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于N路变压器的无源低噪声放大器，包括：一个由至少四路开关电容并联组成的片上变压器以及两个放大器反馈回路，其中：片上变压器的正输入端和负输出端分别与第一放大器反馈回路相连，负输入端和正输出端分别与第二放大器反馈回路相连，利用开关电容对电压进行堆叠，实现无源电压增益；第一放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的正输入端与负输出端相连，第二放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的负输入端与正输出端相连，利用多路电容实现中心频率可调以及高品质的滤波。
所述的片上变压器为差分结构，包括：两个由至少四路开关电容并联组成的变压器子单元，其中：变压器子单元的正反相输入端分别作为无源低噪声放大器的输入端，第一变压器子单元的输出端作为无源低噪声放大器的的正相输出端，第二变压器子单元的输出端作为无源低噪声放大器的的反相输出端。每一变压器子单元分别由N组开关电容并联的次级子单元构成，其中：每一次级子单元由一个电容与两个开关构成，且驱动两个开关的时钟具有180度相位差；第一电容和第一开关串联且设置于无源低噪声放大器的正反相输入端之间，第二开关分别设置于第一电容和无源低噪声放大器的正反相输出端之间。N组次级子单元中的开关分别由频率为fLO的N相不交叠时钟驱动，经若干时钟周期的充电至电容两端的电压达到开关闭合时输入信号对应的平均电压。
所述的放大器反馈回路包括：至少四路并联的开关电容支路，其中：每一支路由一个电容与一个开关串联构成，电容另一端与无源低噪声放大器输入端相连，开关另一端与无源低噪声放大器输出端相连。每一路的开关由不同的相位的互不交叠时钟信号驱动。
技术效果
本发明利用基于开关电容的N路滤波技术实现3倍无源射频电压增益，构建一个转换比为1:3的N路变压器，并将其用于无源低噪声放大器中。与现有纯电容电子变压器需要开关的相位与射频信号的相位对齐，才能使电容在对应的周期内充电至最大电压V从而实现电压堆叠放大且需要在1/4信号周期内完成电容充电相比，本发明利用N路变压器结构提供无源电压增益，高品质滤波，且相比基于片上螺旋变压器的无源低噪声放大器，所占面积小，集成度更高。此外，由于该无源低噪声放大器仅由开关与电容组成，对于未来低电源小尺寸的先进工艺具有更好的兼容性与集成能力。
附图说明
图1为本发明基于N路变压器的无源低噪声放大器示意图；
图2为本发明基于开关电容的N路片上变压器的RLC等效模型图；
图3为本发明基于开关电容的N路片上变压器工作原理图；
图4为本发明基于N路变压器的无源低噪声放大器的芯片实现版图；
图5为实施例中不同LO频率下，无源低噪声放大器电路的增益与S11参数随频率的变化示意图；
图6为实施例中不同LO频率下，无源低噪声放大器电路的NF，带内IIP3和带外IIP3示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于N路变压器的无源低噪声放大器，包括：一个由四路开关电容并联的差分结构片上变压器以及两个放大器反馈回路，其中：片上变压器的正输入端和负输出端分别与第一组反馈回路相连，负输入端和正输出端分别与第二组反馈回路相连。
如图2所示，为本实施例片上变压器的RLC等效模型图，该片上变压器可以等效为两个互相耦合的RLC谐振腔，且耦合系数为1，转换比为3，其中：RT1,LT,CT相当于第一个等效谐振腔的电阻、电感与电容，RT2,n2LT,CT/n2相当于第二个等效谐振腔的电阻、电感与电容，对于四路变压器，其具体计算公式为：
如图3a所示，所述的开关由频率为fLO的四相不交叠时钟
驱动。此处以其中一组开关电容的工作为例，其由时钟/>
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驱动；由于所设计的电路的时间常数远大于开关开启的时间，电路会工作在混频模式。因此，经过许多时钟周期，电容C0两端的电压会逐渐充电到开关闭合时输入信号对应的平均电压。当此时电容两端电压为2V0，则VRF,INP与VRF,INN在/>
相位时对应信号的平均电压为+V0与-V0，如图3b和图3c所示。接着，在/>
相位的时候，另一组开关闭合，此时在输出端，输入信号的电压与电容两端电压相减，使输出电压等于3V0，即输入端电压的三倍。对于其他组开关电容，其工作原理相同。因此该变压器可以工作在射频下，提供三倍的无源电压增益。此外，由于该电路无功率增益，所以输出阻抗会放大为输入的9倍，因此这是一个1:3的N路变压器。
在55nm CMOS工艺下，对基于N路变压器的无源低噪声放大器进行了设计，对应芯片版图如图4所示，结果显示：芯片占用的有源面积仅为0.09mm2。
经过具体实际实验，在55nm工艺下设计，仿真结果如图5、图6所示。结果显示，其可以在0.2-1.6GHz频率下进行频率调节，增益为6.2-8.8dB，对应的S11参数均小于-10dB，带内IIP3为5.04-14.17dBm，带外IIP3为24.52-27.16dBm，NF为2.31-3.68dBm，带宽为20MHz，功耗为0.7-3.1mW，占用面积为0.09mm2。
与现有技术相比，本装置采用了转换比为1:3的N路变压器，其可以实现更高的转换比以及3倍的无源增益。此外，相比与其他方法，该无源低噪声放大器(0.88mm2)，占用面积大幅减小。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征在于，包括：一个由至少四路开关电容并联组成的片上变压器以及两个放大器反馈回路，其中：片上变压器的正输入端和负输出端分别与第一放大器反馈回路相连，负输入端和正输出端分别与第二放大器反馈回路相连，利用开关电容对电压进行堆叠，实现无源电压增益；第一放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的正输入端与负输出端相连，第二放大器反馈回路的电容端和开关端分别与片上变压器的负输入端与正输出端相连，利用多路电容实现中心频率可调以及高品质的滤波。
2.根据权利要求1所述的基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征是，所述的片上变压器为差分结构，包括：两个由至少四路开关电容并联组成的变压器子单元，其中：变压器子单元的正反相输入端分别作为无源低噪声放大器的输入端，第一变压器子单元的输出端作为无源低噪声放大器的的正相输出端，第二变压器子单元的输出端作为无源低噪声放大器的的反相输出端。
3.根据权利要求2所述的基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征是，每一变压器子单元分别由N组开关电容并联的次级子单元构成，其中：每一次级子单元由一个电容与两个开关构成，且驱动两个开关的时钟具有180度相位差；第一电容和第一开关串联且设置于无源低噪声放大器的正反相输入端之间，第二开关分别设置于第一电容和无源低噪声放大器的正反相输出端之间，N组次级子单元中的开关分别由频率为fLO的N相不交叠时钟驱动，经若干时钟周期的充电至电容两端的电压达到开关闭合时输入信号对应的平均电压。
4.根据权利要求1所述的基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征是，所述的放大器反馈回路包括：至少四路并联的开关电容支路，其中：每一支路由一个电容与一个开关串联构成，电容另一端与无源低噪声放大器输入端相连，开关另一端与无源低噪声放大器输出端相连，每一路的开关由不同的相位的互不交叠时钟信号驱动。
5.根据权利要求1或2所述的基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征是，所述的片上变压器等效为两个互相耦合的RLC谐振腔，且耦合系数为1，转换比为3，其中：RT1,LT,CT相当于第一个等效谐振腔的电阻、电感与电容，RT2,n2LT,CT/n2相当于第二个等效谐振腔的电阻、电感与电容，对于四路变压器，其具体为：
6.根据权利要求1所述的基于N路变压器的无源低噪声放大器，其特征是，所述的开关电容由频率为fLO的四相不交叠时钟
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相位时对应信号的平均电压为+V0与-V0，当处于/>
相位的时候，另一组开关闭合，此时在输出端，输入信号的电压与电容两端电压相减，使输出电压等于3V0，即输入端电压的三倍，从而使得变压器工作在射频下，提供三倍的无源电压增益且输出阻抗会放大为输入的9倍。/>
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