CN116865696B - 一种低功耗高增益低噪声差分放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗高增益低噪声差分放大电路，具体结构为，输入端口与低噪声输入匹配网络相连，低噪声输入匹配网络与M1晶体管栅极相连，M1晶体管漏极通过共源共栅级间匹配网络与M2晶体管源极相连，M2晶体管漏极与共源共栅输出匹配网络相连，共源共栅输出匹配网络与第一输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间匹配网络与M3晶体管栅极相连，M1晶体管源极、M2晶体管栅极、M3晶体管源极接地，M3晶体管漏极与电流复用输出匹配网络相连，电流复用输出匹配网络与第二输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间直流馈电网络与M3晶体管源极相连，解决了现有电路能耗大、噪声高、增益低的问题。
Description
技术领域
本发明属于微波射频集成电路领域，具体涉及一种具有低功耗、高增益特性的低噪声差分放大电路。
背景技术
在微波射频领域，低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是广泛应用于各类接收机中的核心器件，它需要将接收到的微弱主信号尽可能放大且尽可能降低放大前后信噪比的恶化，这直接反映在低噪声放大器的核心指标噪声系数上，要求噪声系数尽可能低。差分放大器通常指可以输出两个幅度相等、相位相差180°的差分信号的放大器。由此输出的两个差分信号可以在后续射频链路中分别进行处理，便于进一步提取差模信号和共模信号。
在射频接收机链路中，通常通过差分电路实现单端口信号到双端口差分信号的转换（即平衡-不平衡转换，Balance-Unbalance,又称为巴伦Balun），主要采用螺旋电感结构、Marchand传输线结构、Lange电桥结构等无源电路，都具有较大插入损耗。低噪声放大器与巴伦结构即组成基本的低噪声差分放大电路。由于巴伦结构存在3dB固有插损，将导致差分放大电路噪声系数显著增大，不适合接收机链路应用。当差分放大电路中巴伦结构在后时，当前面的低噪声放大器增益较大，其对噪声系数影响较小，更适合接收机链路应用，但此时的低噪声放大器的输出功率会被巴伦结构一分为二，为保证相同的输出功率，差分放大电路本身的输出功率需要提高一倍，导致整体功耗倍增。且传统差分放大电路皆为单级放大电路，放大增益较低。
现有电路存在整体功耗大、噪声系数高和放大增益低的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的整体功耗大、噪声系数高和放大增益低的问题，本发明提出了一种低功耗高增益低噪声差分放大电路，为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：
提供了一种低功耗高增益低噪声差分放大电路，包括了M1晶体管、M2晶体管、M3晶体管、低噪声输入匹配网络、共源共栅极间匹配网络、共源共栅输出匹配网络、电流复用极间匹配网络、电流复用极间直流馈电网络、电流复用输出匹配网络、输入端口、第一输出端口和第二输出端口，所述M1晶体管、M3晶体管处于共源组态，所述M2晶体管处于共栅组态，输入端口与低噪声输入匹配网络相连，低噪声输入匹配网络与M1晶体管的栅极相连，M1晶体管漏极通过共源共栅级间匹配网络与M2晶体管源极相连，M2晶体管漏极与共源共栅输出匹配网络相连，共源共栅输出匹配网络与M1输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间匹配网络与M3晶体管栅极相连，M1晶体管源极、M2晶体管栅极、M3晶体管源极接地，M3晶体管漏极与电流复用输出匹配网络相连，电流复用输出匹配网络与第二输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间直流馈电网络与M3晶体管源极相，该电路结构可以在不使用额外的巴伦电路的情况下，在放大信号的同时完成相位转换。
较优的，本发明所述M1晶体管和M2晶体管组成共源共栅放大电路，形成反相通道;M1晶体管和M3晶体管组成电流复用放大电路，形成同向通道，进行信号放大的同时实现差分功能，避免引入无源巴伦结构的损耗，实现了高增益。
较优的，本发明所述电路包括由电流复用结构构成的同相两级放大通道和由共源共栅结构构成的反相两级放大通道，所述两个通道的直流功耗只与单级放大电路相同，降低了电路整体的功耗。
较优的，本发明所述M1晶体管被共源共栅放大电路和两级共源放大电路共用，作为各自通道的公共第一级，所有通道都由两级放大组成，可以实现高增益。
较优的，本发明提供了一种可以工作于X波段的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其中M1晶体管为共源组态，M2晶体管为共栅组态，M1晶体管的栅极通过电感Lnf和电容Cnf与输入端RFin连接，电感L10与电容C7串联并接地，电感Lnf与电感L10串联，M1晶体管的源极经过电感Ls接地，M1晶体管的漏极与M2晶体管的源极通过电感L1连接，M2晶体管的栅极经过电阻R1和电容C1接地，M2晶体管的漏极通过电感L4、电感L5和电容C4与第一输出端口RFout1连接，串联的电阻Rfb1、电感Lfb1和电容Cfb1组成并联负反馈，两端分别连接于M1晶体管的栅极、电感Lnf之间与电感L4、电感L5之间，M1晶体管和M3晶体管均为共源组态，M1晶体管的漏极与M3晶体管的栅极通过电感L2和电容C2连接，M1晶体管的漏极与M3晶体管的源极通过电感L3连接，电容C3并联接地于M3晶体管的源极，M3晶体管的漏极通过电感L6、电感L7和电容C5与第二输出端口RFout2连接，串联的电阻Rfb2、电感Lfb2和电容Cfb2组成并联负反馈，电阻Rfb2左端连接于M3晶体管的栅极和电容C2之间，电容Cfb2的右端连接于电感L6、电感L7之间，M1晶体管的栅极馈电位于a处；M2晶体管的栅极馈电位于b处；M3晶体管的栅极馈电位于c处；M2晶体管的漏极馈电位于d处；M3晶体管的漏极馈电位于e处。
较优的，本发明提供了一种可以工作于X波段的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其中M1晶体管和M2晶体管组成共源共栅放大单元；所述M1晶体管和M3晶体管组成电流复用放大单元，电流复用结构和共源共栅结构可以降低工作电流，减少整体能耗。
较优的，本发明提供了一种工作于X波段的低功耗高增益低噪声差分放大电路，提供了a、b、c、d、e处馈电电路的结构，其中M4晶体管源极接地，M4晶体管栅极和漏极短路连接，作为M1晶体管的栅极馈电；M4晶体管的漏极经过电阻Rb2与M5晶体管的源极连接，电阻R2连接于M5晶体管的栅极，另一端与b相连，作为M2晶体管的栅极馈电；电阻R3连接于M5晶体管的栅极和M5晶体管的漏极，另一端与c相连，作为M3晶体管的栅极馈电；M5晶体管的漏极经过电阻Rb1与馈电端口连接，电容C6连接于地和馈电端口之间，电感L8一端与馈电端口连接，另一端与d连接，为M2漏极馈电，电感L9一端与馈电端口连接，另一端与e连接，作为M3晶体管漏极馈电。
较优的，本发明所述电容Cnf、电感Lnf、电感L10、电容C7组成了输入级的噪声匹配网络，将最佳噪声阻抗匹配到标准50欧姆，实现良好的噪声性能。
较优的，本发明所述电容C3和电感L3组成了电流复用级间直流馈电网络，电感L2和电容C2组成电流复用级间匹配网络。
较优的，本发明所述电感L1作为共源共栅通道的级间匹配网络，具有直流通流功能和射频匹配功能。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：
1.两个输出端口的直流功耗均只与单级放大电路相同，降低了电路整体的功耗。
2.电流复用结构和共源共栅结构都可以在不增加功耗的前提下实现比单级放大更高的增益。
3.电流复用结构和共源共栅结构共用第一级共源放大单元，在该级输入端进行低噪声匹配，降低电路整体的噪声系数。
4.本发明采用的差分电路利用共源放大电路本身输入和输出信号反相、共栅放大电路本身输入和输出信号同相的特点，进行信号放大的同时实现差分功能，避免了引入无源巴伦结构的损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是一种低功耗高增益低噪声差分放大电路结构示意图。
图2是是实施例1射频部分电路结构示意图。
图3是实施例1馈电部分电路结构示意图。
图4是本发明所用实施例1的增益曲线。
图5本发明所用实施例1的回波损耗曲线。
图6是本发明所用实施例1的同相噪声系数曲线。
图7是本发明所用实施例1的反相噪声系数曲线。
图8是本发明所用实施例1的幅度不平衡度曲线。
图9是本发明所用实施例1的相位不平衡度曲线。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
实施例：
如图1所示，本发明基于GaAs pHEMT工艺实现了一款工作于X波段的低功耗高增益低噪声差分放大电路，具体电路结构如图2，图3所示：
所述M1晶体管为共源放大组态，M2晶体管为共栅放大组态，M1晶体管的栅极通过电感Lnf和电容Cnf与输入端RFin连接，电感L10与电容C7串联并接地，电感Lnf与电感L10串联，M1晶体管的源极经过电感Ls接地，M1晶体管的漏极与M2晶体管的源极通过电感L1连接，M2晶体管的栅极经过电阻R1和电容C1接地，M2晶体管的漏极通过电感L4、电感L5和电容C4与反相差分输出端RFout1连接，串联的电阻Rfb1、电感Lfb1和电容Cfb1组成并联负反馈，两端分别连接于M1极管的栅极、电感Lnf之间与电感L4、电感L5之间。
M1晶体管和M3晶体管组成电流复用放大单元，M1晶体管和M3晶体管均为共源放大组态，M1晶体管的漏极与M3晶体管的栅极通过电感L2和电容C2连接，M1晶体管的漏极与M3晶体管的源极通过电感L3连接，电容C3并联接地于M3晶体管的源极，M3晶体管的漏极通过电感L6、电感L7和电容C5与第二输出端口RFout2连接，串联的电阻Rfb1、电感Lfb1、电容Cfb1组成并联负反馈，一端连接于M1晶体管的栅极和电感Lnf之间，另一端连接于电感L4和电感L5之间；串联的电阻Rfb2、电感Lfb2、电容Cfb2组成并联负反馈，一端连接于M3晶体管的栅极和电容C2之间，另一端连接于电感L6和电感L7之间。
M1晶体管的栅极馈电位于a处；M2晶体管的栅极馈电位于b处；M2晶体管的漏极馈电位于d处；M3晶体管的栅极馈电位于c处；M3晶体管的漏极馈电位于e处。
所述M1晶体管和M2晶体管组成共源共栅放大单元，所述M1晶体管和M3晶体管组成电流复用放大单元，电流复用结构和共源共栅结构可以降低工作电流，减少整体能耗。
其中输入信号若为正，则M1晶体管栅极处信号为正，M1晶体管漏极和M2晶体管源极处为负，M2晶体管漏极处为负，从RFout1第一输出端口处输出反相信号，即构成了反相通道；M1栅极处为正，M1漏极处为负，M3栅极处为负，M3漏极处为正，从RFout2第二输出端口处输出同相信号，即构成了同相通道；经过两个通道分别放大后，RFout2第二输出端口和RFout1第一输出端口输出互为反相差分信号。
所述a、b、c、d、e处馈电电路结构为：M4晶体管源极接地，M4晶体管栅极和漏极短路连接，M4晶体管的漏极经过电阻Rb2于M5晶体管的源极连接，电阻R2连接于M5晶体管的栅极，另一端与b相连，作为M2晶体管的栅极馈电；电阻R3连接于M5晶体管的栅极和M5晶体管的漏极，另一端与c相连，作为M3晶体管的栅极馈电，M5晶体管的漏极经过电阻Rb1与馈电端口连接，电容C6连接于地和馈电端口之间，电感L8与馈电端口连接，电感L9一端与馈电端口连接。
电容Cnf、电感Lnf、电感L10、电容C7组成低噪声输入匹配网络，其作用是：最佳噪声阻抗匹配到标准50欧姆；电感Ls作为源极反馈可改善最佳噪声匹配和最大增益匹配之间的矛盾，以上共同作用实现良好的噪声性能。
电感L1作为共源共栅级间匹配网络，具有直流通流功能和射频匹配功能。
电感L3和电容C3作为电流复用级间直流馈电网络，其作用是给第一级放大电路提供直流馈电。
电感L4、电感L5与电容C4组成共源共栅输出匹配网络，其作用是：完成M2晶体管漏极与第一输出端口RFout1（标准50欧姆）之间的阻抗匹配，实现良好的射频信号传输。
电感L6、电感L7、电容C5组成电流复用输出匹配网络，其作用是：完成M3晶体管漏极与第二输出端口RFout2（标准50欧姆）之间的阻抗匹配，实现良好的射频信号传输。
电感L2和电容C2组成电流复用级间匹配网络，其作用是：完成M1晶体管漏极与M3晶体管栅极之间的阻抗匹配，实现良好的射频信号传输。
L10和C7接收了直流馈电网络的栅极电压，为M1晶体管提供栅极偏置电压，同时L10也起到低噪声匹配作用。
电阻Rfb1、电感Lfb1、电容Cfb1组成的并联负反馈网络和电阻Rfb2、电感Lfb2、电容Cfb2组成的并联负反馈网络对反相放大通道和同相放大通道的增益进行控制，实现良好的幅度平衡度。电阻R1可改善稳定性。
如图4所示，其为本实施例的增益曲线图，由图可见本实施例在经过了射频匹配之后，同相通道和反相通道的增益均可达到18dB，增益提升明显。
如图5所示，其为本实施例的回波损耗曲线图，由图可见本实施例在经过了射频匹配之后，同相输出端和反相输出端都可获得近似的增益。
如图6所示，其为本实施例的同相通道的噪声系数曲线图，由图可见本实施例同相通道噪声系数小于1.25dB，噪声系数控制良好。
如图7所示，其为本实施例的反相通道的噪声系数曲线图，由图可见本实施例反相通道噪声系数小于1dB，噪声系数控制良好。
如图8所示，其为本实施例的幅度不平衡度曲线图，由图可见本实施例幅度不平衡度小于0.5dB。
如图9所示，其为本实施例的相位不平衡度曲线图，有图可见本实施例相位不平衡度小于1°。
本发明所述半导体器件包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等化合物半导体工艺的高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）、金属-半导体场效应晶体管（MESFET）等器件。除实施案例中提到的GaAs pHEMT外，上述其余各类型工艺和器件均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种低功耗高增益低噪声差分放大电路，其特征在于，包括了M1晶体管、M2晶体管、M3晶体管、低噪声输入匹配网络、共源共栅极间匹配网络、共源共栅输出匹配网络、电流复用极间匹配网络、电流复用极间直流馈电网络、电流复用输出匹配网络、输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
所述M1晶体管、M3晶体管处于共源组态，所述M2晶体管处于共栅组态；
输入端口与低噪声输入匹配网络相连，低噪声输入匹配网络与M1晶体管的栅极相连，M1晶体管漏极通过共源共栅级间匹配网络与M2晶体管源极相连，M2晶体管漏极与共源共栅输出匹配网络相连，共源共栅输出匹配网络与M1输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间匹配网络与M3晶体管栅极相连，M1晶体管源极、M2晶体管栅极、M3晶体管源极接地，M3晶体管漏极与电流复用输出匹配网络相连，电流复用输出匹配网络与第二输出端口相连，M1晶体管漏极通过电流复用级间直流馈电网络与M3晶体管源极相连；
所述低噪声输入匹配网络包括了电容Cnf、电感Lnf、电感L10、电容C7，其中输入端口与电容Cnf串联连接，电容Cnf与电感Lnf串联连接，电感Lnf与电感L10一端相连，电感L10另一端与电容C7相连，电感Cnf和电感Lnf接收了输入端口传入的信号，并发送到M1晶体管栅极；
所述电流复用极间直流馈电网络包括电感L3和电容C3，其中电感L3和电容C3串联连接，将M3晶体管源极直流电流传输至M1漏极；
所述电流复用极间匹配网络包括电感L2和电容C2，其中M1晶体管漏极与电感L2串联连接，电感L2与电容C2串联连接，其接收了从M1晶体管漏极传入的信号，并发送到M3晶体管栅极；
所述电流复用输出匹配网络包括电感L6、电感L7和电容C5，其中M3晶体管漏极与电感L6串联连接，电感L6与电感L7串联连接，电感L7和电容C5串联连接，其接收了从M3晶体管漏极传入的信号，并发送到第二输出端口；
其中电感Lnf与M1晶体管栅极之间设置有馈电位a，M2晶体管栅极处设置有接地电路，接地电路包括了电阻R1和电容C1，M2晶体管栅极与电阻R1串联连接，电阻R1和电容C1串联连接，其中电阻R1与电容C1之间设置有馈电位b，M3晶体管栅极和电容C2之间设置有馈电位c，电感L4和电感L5之间设置有馈电位d，电感L6和电感L7之间设置有馈电位e；串联的电阻Rfb1、电感Lfb1、电容Cfb1组成并联负反馈，一端连接于M1晶体管的栅极和电感Lnf之间，另一端连接于电感L4和电感L5之间；串联的电阻Rfb2、电感Lfb2、电容Cfb2组成并联负反馈，一端连接于M3晶体管的栅极和电容C2之间，另一端连接于电感L6和电感L7之间。
2.根据权利要求1所述的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其特征在于，M1晶体管和M2晶体管组成共源共栅放大电路，形成反相通道，M1晶体管和M3晶体管组成电流复用放大电路，形成同相通道。
3.根据权利要求1所述的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其特征在于，共源共栅级间匹配网络包括电感L1，其接收了从M1晶体管漏极传入的射频信号，并发送到M2晶体管源极，同时将M2晶体管源极直流电流传输至M1漏极，且共源共栅级间匹配网络与电流复用级间匹配网络相连。
4.根据权利要求3所述的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其特征在于，共源共栅输出匹配网络包括电感L4、电感L5与电容C4，其中M2晶体管漏极与电感L4串联连接，电感L4与电感L5串联连接，电感L5与电容C4串联连接，其接收了从M2晶体管漏极传入的信号，并发送到第一输出端口。
5.根据权利要求1所述的低功耗高增益低噪声差分放大电路，其特征在于，五处馈电位外接有馈电网络，馈电网络中M4晶体管源极接地，M4晶体管栅极和漏极短路连接并与a相连作为M1晶体管的栅极馈电；M4晶体管的漏极经过电阻Rb2与M5晶体管的源极连接，电阻R2连接于M5晶体管的栅极，另一端与b相连，作为M2晶体管的栅极馈电；电阻R3连接于M5晶体管的栅极和M5晶体管的漏极，另一端与c相连，作为M3晶体管的栅极馈电；M5晶体管的漏极经过电阻Rb1与馈电端口连接，电容C6连接于接地端口和馈电端口之间，电感L8一端与馈电端口连接，另一端与d连接，作为M2漏极馈电；电感L9一端与馈电端口连接，另一端与e连接，作为M3晶体管漏极馈电。
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