CN116505898B - 一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，属于无线通信技术领域，包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路。单转差放大电路用于对单端输入信号RF_in放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。本发明能够实现超宽带低噪声放大器的设计，并且在较大带宽内具有优异的单转差分性能。

Description

一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器。

背景技术

随着5G无线通信技术的不断发展，人们对通信数据率的要求也越来越高。为了应对这一挑战，毫米波频段，如26GHz/28GHz/37GHz/39GHz等，已颁布用于5G毫米波通信，这使得可利用带宽进一步拓宽更宽，可以实现更高的传输速率。作为毫米波宽带接收机中的核心模块，低噪声放大器作为接收链路的第一个有源且具有放大功能的模块，其性能直接关乎着接收机系统的灵敏度和工作带宽。为了满足多个5G毫米波通信标准，可同时支持24.25~43GHz的低噪声放大器需求也越来越大。此外，由于大部分天线是单端口元件，而低噪声放大器的后续电路（例如移相器、混频器等）大都需要差分输入信号以此抑制版图寄生的影响，因此低噪声放大器还需具备单端信号转差分信号的功能。

如图1所示，传统的宽带低噪声放大器一般采用多级共源结构实现，为了实现宽带特性，一般在输入输出级采用高阶的电容-电感网络设计，但是该结构占用的芯片面积较大并且会恶化插损以及噪声性能；对于增益带宽而言，一般采用多极点的方法来实现带宽的拓展，由于该方法的核心技术是将各级的增益峰值错开，一定程度上牺牲了整个电路的增益。并且，由于加工工艺等因素的影响可能导致各级增益的变化，从而可能导致带内增益的较大波动。对于单转差放大器设计而言，如图2所示，主流方案是采用共源结构加共栅结构来实现，该方案在实现难度以及线性度方面具有一定的优势。但是由于未考虑噪声匹配等原因，其噪声性能较差。并且在宽带条件下，由于共源和共栅放大器的频率响应不一致，导致输出两路信号的幅度平衡性和相位误差会随远离中心频率而快速变大，这限制了其宽带应用的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对超宽带5G毫米波通信与低噪声单转差应用需求，提供一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，可同时覆盖K波段和Ka波段。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路；

所述单转差放大电路用于对单端输入信号RF_in放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；

所述第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；

所述第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。

进一步地，所述的单转差放大电路包括耦合电感L₁和L₂、电容C₁、电容C₂、电感L₃、场效应管M₁和变压器T₁，所述耦合电感L₁和电容C₁并联，耦合电感L₁的一端接地，另一端连接所述耦合电感L₂的一端，耦合电感L₂的另一端通过电容C₂连接场效应管M₁的栅极，场效应管M₁的源极通过电感L₃接地，场效应管M₁的漏极连接所述变压器T₁的初级线圈的一端，变压器T₁的初级线圈的另一端接电源VDD，接收到的单端输入信号RF_in输入到所述耦合电感L₁和耦合电感L₂之间，变压器T₁的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第一级缓冲电路的两个输入端。

进一步地，所述的第一级缓冲电路包括场效应管M_2A和M_2B，所述的场效应管M_2A和M_2B的源极均接地，所述的场效应管M_2A和M_2B的栅极作为第一级缓冲电路的输入端交叉连接到所述场效应管M_2B和M_2A的漏极，所述的场效应管M_2A和M_2B的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第一级间匹配电路的两个输入端。

进一步地，所述的第一级缓冲电路还包括连接在所述场效应管M_2A的源极和接地端的电感L_4A和连接在所述场效应管M_2B的源极和接地端的电感L_4B。

进一步地，所述的第一级缓冲电路还包括中和电容C₃，所述中和电容C₃连接在场效应管M_2A栅极和所述场效应管M_2B漏极之间，同时还连接在场效应管M_2B栅极和所述场效应管M_2A漏极之间。

进一步地，所述的第一级间匹配电路包括六端口变压器T₂，所述六端口变压器T₂的初级线圈的两端连接所述第一级缓冲电路的输出，六端口变压器T₂的初级线圈的中间抽头接电源VDD，六端口变压器T₂的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第二级缓冲电路的两个输入端。

进一步地，所述的第一级间匹配电路还包括电容C₄，所述电容C₄的一端接地，另一端接电源VDD。

进一步地，所述六端口变压器T₂为基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的对称六端口片上变压器。

本发明的有益效果是：

1）单转差放大电路中，由耦合电感L₁和L₂、电容C₁、电容C₂、电感L₃和场效应管M₁的寄生电容C_gs构成的五阶LC匹配网络，在整个目标带宽内获得多个零点，实现了超宽带的输入匹配，还有效降低了芯片面积。

2）电感L₃连接在场效应管M₁的源极，电感源极负反馈技术改善了共源管的输入阻抗特性，有利于在较大带宽内实现阻抗和噪声同步匹配并提高电路的稳定性。

3）第二级和第三级缓冲电路采用差分的共源结构，通过引入中和电容C₃和C₅提高了电路的增益和稳定性，并优化每一级的输入输出阻抗，有利于级间宽带匹配。

4）第二和第三级间匹配电路采用全对称的六端口变压器来进一步改善宽带差分信号的幅相平衡性，实现了宽带级间和输出匹配。

综上所述，相较于传统的宽带毫米波低噪声放大器和单转差放大器，本发明提供的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器具有更宽的工作带宽、更低的噪声系数、更小的版图面积和良好的宽带单转差性能。

附图说明

图1为传统超宽带毫米波低噪声放大器的电路示意图；

图2为传统单转差毫米波放大器的电路示意图；

图3为本发明提出的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的电路示意图；

图4为本发明中提出的五阶LC匹配网络的电路示意图；

图5为本发明中提出的五阶LC匹配网络的小信号等效电路示意图；

图6为本发明中单转差放大电路的变压器T₁物理结构图以及信号电流流向；

图7为本发明中六端口变压器T₂物理结构图以及信号电流流向；

图8为本发明中六端口变压器T₃物理结构图以及信号电流流向；

图9为本发明中提出的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的版图后仿真输入匹配特性图；

图10为本发明中提出的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的版图后仿真增益特性图；

图11为本发明中提出的带单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的版图后仿真输出信号相位误差图，

图12为本发明中提出的带单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器的版图后仿真输出信号幅度误差图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-12，本发明提供一种技术方案：

如图3所示，一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路；

所述单转差放大电路用于对单端输入信号RF_in放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；

所述第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；

所述第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。

本实施例中，所述的单转差放大电路包括耦合电感L₁和L₂、电容C₁、电容C₂、电感L₃、场效应管M₁和变压器T₁，所述耦合电感L₁和电容C₁并联，耦合电感L₁的一端接地，另一端连接所述耦合电感L₂的一端，耦合电感L₂的另一端通过电容C₂连接场效应管M₁的栅极，场效应管M₁的源极通过电感L₃接地，场效应管M₁的漏极连接所述变压器T₁的初级线圈的一端，变压器T₁的初级线圈的另一端接电源VDD，接收到的单端输入信号RF_in输入到所述耦合电感L₁和耦合电感L₂之间，变压器T₁的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第一级缓冲电路的两个输入端。

单转差放大电路中，由耦合电感L₁和L₂、电容C₁、电容C₂、电感L₃和场效应管M₁的寄生电容C_gs构成的五阶LC匹配网络，在目标频段内获得多个零点，从而获得超宽带的输入匹配。采用基于片上耦合电感的五阶LC匹配网络结构还有效降低了芯片面积。由电感L₃、场效应管M₁和变压器T₁构成的共源放大结构将输入的单端信号进行放大并转化成差分信号，电感L₃连接在场效应管的源极，这样做的目的是将本发明的最佳噪声匹配点搬移至最佳阻抗匹配点附近，保证了阻抗和噪声匹配同步实现。而场效应管M₁的漏极接变压器T₁，则变压器T₁作为漏极负载，还在实现多极点宽带级间阻抗匹配的同时起着将单端的宽带信号转为差分信号的作用。

本实施例中，第一级缓冲电路包括场效应管M_2A和M_2B、电感L_4A和L_4B和中和电容C₃，所述的场效应管M_2A和M_2B的源极分别通过电感L_4A和L_4B接地，所述的场效应管M_2A和M_2B的栅极作为第一级缓冲电路的输入端经中和电容C₃交叉连接到所述场效应管M_2B和M_2A的漏极，所述的场效应管M_2A和M_2B的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第一级间匹配电路的两个输入端。

第二级缓冲电路包括场效应管M_3A和M_3B、电感L_5A和L_5B和中和电容C₅，所述的场效应管M_3A和M_3B的源极分别通过电感L_5A和L_5B接地，所述的场效应管M_3A和M_3B的栅极作为第二级缓冲电路的输入端经中和电容C₅交叉连接到所述场效应管M_3B和M_3A的漏极，所述的场效应管M_3A和M_3B的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第二级间匹配电路的两个输入端。

第一级和第二级缓冲电路采用基于差分共源的场效应管来实现差分信号的放大，即场效应管M_2A、M_2B、M_3A和M_3B。引入中和电容C₃和C₅用于中和上述场效应管的栅漏寄生电容，减小Miller效应的影响，从而提高电路的增益和稳定性，并优化每一级的输入输出阻抗，此外，其还将减小差分共源的输入阻抗随频率的波动，有益于实现超宽带的级间匹配。同时，在所述缓冲电路中还加入了源极退化电感来改变共源结构的输入输出阻抗，即电感L_4A、L_4B、L_5A和L_5B，从而实现超宽带的阻抗和噪声超宽带匹配，保证电路的宽带特性与低噪声性能。第二级缓冲电路与第一级缓冲电路的结构相同，可进一步提高电路的增益以及宽带差分输出信号的幅相平衡性。

本实施例中，第一级间匹配电路包括六端口变压器T₂和电容C₄，所述六端口变压器T₂的初级线圈的两端连接所述第一级缓冲电路的输出，六端口变压器T₂的初级线圈的中间抽头接电源VDD，所述电容C₄的一端接地，另一端接电源VDD；六端口变压器T₂的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第二级缓冲电路的两个输入端。

第二级间匹配电路包括六端口变压器T₃和电容C₆，所述六端口变压器T₃的初级线圈的两端连接所述第二级缓冲电路的输出，六端口变压器T₃的初级线圈的中间抽头接电源VDD，所述电容C₆的一端接地，另一端接电源VDD；六端口变压器T₃的次级线圈的两端输出差分信号RF_out＋和RF_out－。

此外，本实施例中的六端口变压器T₂和T₃为基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的对称六端口片上变压器。

六端口变压器T₂和T₃均采用全对称的六端口片上变压器设计，由于变压器的对称性，只能将差分信号通过电磁耦合传递给下一级，这将有效地抑制共模分量，改善信号的差分特性。由于级间匹配是采用基于变压器的高阶谐振网络，能够在一定带宽内建立多个极点，这将有助于实现宽带的阻抗匹配。此外，该变压器是基于电磁耦合的原理，能够保证在较宽的频段范围内良好的幅相平衡性。电源电压VDD通过变压器原极线圈的中心抽头加入，该点可视为交流信号的虚地点；在供电线两端还增加并联去耦电容C₄和C₆，以减少外部直流供电纹波的影响。第一级间匹配电路和第二级间匹配电路的结构一致，可进一步改善宽带差分信号的幅相平衡性，并实现宽带级间和输出匹配，最终差分信号RF_out＋和RF_out－从六端口变压器T₃的次级线圈输出。

需要说明的是，本实施例中虽然第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，但是所有器件在尺寸上有所差异，可以进一步保证电路的线性度。

基于工作原理，本发明实现了以下功能：

（1）版图紧凑的基于耦合电感超宽带输入匹配；

如图4所示，基于片上耦合电感的五阶LC匹配网络可以等效为一个并联谐振网络以及一个串联谐振网络，并联谐振网络由等效电感L_E1、电容C₁构成，串联谐振网络由电感L_E2、电感L₃、电容C_gs构成，其中C_gs表示晶体管T₁栅源之间的寄生电容。而电容C₂相较于C_gs影响小很多，可以忽略。其小信号模型如图5所示。

当工作角频率不等于谐振腔的谐振频率/>时，可以分别对并联谐振腔和串联谐振腔的阻抗Z _Shunt 和Z _Series 进行推导，分别如公式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

其中复变量，/>是虚数单位。

如果工作角频率低于/>，即/>，此时Z _Shunt 表现的虚部大于0，可以等效为一个电感/>，而Z _Series 表现的虚部小于0，可以等效为一个电容/>。等效出来的电容和电感就会构成新的谐振网络，同样会有一个对应的谐振角频率/>：

(3)

此时新的谐振网络的输入阻抗可以表示为：

(4)

观察公式(3)，为了使分子中的第一项有效，即根号下的数式大于0，需要满足公式(5)：

(5)

对比公式(5)与公式(4)可以知道，此时的输入阻抗会大于原来的阻抗/>。

如果工作角频率高于/>，即/>，此时Z _Shunt 表现的虚部小于0，可以等效为一个电容/>，而Z _Series 表现的虚部大于0，可以等效为一个电感/>。等效出来的电容和电感就会构成新的谐振网络，同样会有一个对应的谐振角频率/>，可以用公式(6)表示:

(6)

此时新的谐振网络的输入阻抗表示为：

(7)

(8)

观察公式(6)，为了使分子中的第一项有效，即根号下的数式大于0，需要满足公式(8)，对比公式(8)与公式(7)可以知道此时的输入阻抗会大于原来的阻抗/>。

再次考虑公式(5)和公式(8)，可以发现，如果想让匹配带宽更宽，就需要两个谐振角频率相差更大，那么和/>就要更小，相对应的，最终在高低谐振频率处表现出来的阻抗值就会更大。为了保证回波损耗小于-10dB，针对50欧姆的阻抗匹配，纯实部阻抗要大于25Ω小于100Ω。

（2）毫米波超宽带单转差功能；

该电路的单转差功能由单转差放大电路实现，如图6所示，场效应管M₁漏极的单端信号流入变压器T₁的初级线圈，通过电磁感应效应，信号耦合到次级线圈输出。由于次级线圈通过中心抽头建立了一个虚地点，因此两路输出信号具有180°的相位差异。

进一步地，如图7-8所示，第二和第三级间匹配电路的六端口全对称变压器同时作为输出负载，利用其对称性，初级线圈中信号的差模分量将均匀地耦合到次级线圈的两个输出端并呈现180°相位差，而初级线圈中信号的共模分量无法通过电磁感应耦合到次级线圈，从而进一步保证了输出差分信号的幅度和相位的平衡性。

综上所述，本发明可以通过以上方法实现超宽带的匹配并可以获得高质量的差分信号。本发明实施的版图后仿真结果分别如图9-12所示。

如图9所示，本实施例提供的低噪声放大器的输入回波损耗|S11|在24.25~46.5GHz内大于10dB，覆盖了K波段和Ka波段多个5G毫米波频段，这证明了本发明提出的匹配网络的可行性。

如图10所示，展示了本发明实施例的增益特性，由此可知，该放大器实现了24~41GHz的3-dB增益带宽并且最大增益大于18.6dB。且电路的后仿真噪声系数，在24~41GHz内，噪声系数小于4dB。

如图11-12所示，展示了输出信号的幅度和相位误差，在整个频段内幅度误差和相位误差分别小于0.1dB和0.6°（20~50GHz），该结果表明本发明提出的结构差分特性非常优异。

由此可见，本发明能够实现超宽带低噪声放大器的设计，并且在较大带宽内具有优异的单转差分性能，相较于传统的宽带毫米波低噪声放大器和单转差放大器，本发明提供的具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器具有更宽的工作带宽、更低的噪声系数、更小的版图面积和良好的宽带单转差性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：包括依次连通的单转差放大电路、第一级缓冲电路、第一级间匹配电路、第二级缓冲电路、第二级间匹配电路；

所述单转差放大电路用于对单端输入信号RF_in放大并转换为差分信号，完成阻抗和噪声匹配同步实现；

所述第一级缓冲电路与第二级缓冲电路结构相同，均用于对所述单转差放大电路输出的差分信号进行滤波放大处理和相位幅度调整；

所述第一级间匹配电路与第二级间匹配电路结构相同，均用于实现级间和输出匹配、进一步平衡差分信号的相位幅度并输出差分信号。

2.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的单转差放大电路包括耦合电感L₁和L₂、电容C₁、电容C₂、电感L₃、场效应管M₁和变压器T₁，所述耦合电感L₁和电容C₁并联，耦合电感L₁的一端接地，另一端连接所述耦合电感L₂的一端，耦合电感L₂的另一端通过电容C₂连接场效应管M₁的栅极，场效应管M₁的源极通过电感L₃接地，场效应管M₁的漏极连接所述变压器T₁的初级线圈的一端，变压器T₁的初级线圈的另一端接电源VDD，接收到的单端输入信号RF_in输入到所述耦合电感L₁和耦合电感L₂之间，变压器T₁的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第一级缓冲电路的两个输入端。

3.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路包括场效应管M_2A和M_2B，所述的场效应管M_2A和M_2B的源极均接地，所述的场效应管M_2A和M_2B的栅极作为第一级缓冲电路的输入端交叉连接到所述场效应管M_2B和M_2A的漏极，所述的场效应管M_2A和M_2B的漏极作为第一级缓冲电路的输出，分别连接到所述第一级间匹配电路的两个输入端。

4.根据权利要求3所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路还包括连接在所述场效应管M_2A的源极和接地端的电感L_4A和连接在所述场效应管M_2B的源极和接地端的电感L_4B。

5.根据权利要求3所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级缓冲电路还包括中和电容C₃，所述中和电容C₃连接在场效应管M_2A栅极和所述场效应管M_2B漏极之间，同时还连接在场效应管M_2B栅极和所述场效应管M_2A漏极之间。

6.根据权利要求1所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级间匹配电路包括六端口变压器T₂，所述六端口变压器T₂的初级线圈的两端连接所述第一级缓冲电路的输出，六端口变压器T₂的初级线圈的中间抽头接电源VDD，六端口变压器T₂的次级线圈的两端输出差分信号，连接到所述第二级缓冲电路的两个输入端。

7.根据权利要求6所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于：所述的第一级间匹配电路还包括电容C₄，所述电容C₄的一端接地，另一端接电源VDD。

8.根据权利要求6所述的一种具有单转差功能的超宽带毫米波低噪声放大器，其特征在于所述六端口变压器T₂为基于两个平面电感线圈之间耦合效应构建的对称六端口片上变压器。