CN117674738B - 宽带差分低噪声放大器及射频芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通讯技术领域，公开了一种宽带差分低噪声放大器及射频芯片，所述宽带差分低噪声放大器包括依次电连接的第一信号输入端、第一低噪声放大器和第一信号输出端、以及依次电连接的第二信号输入端、第二低噪声放大器和第二信号输出端；所述第一低噪声放大器包括第一输入匹配电路、第一差分放大电路、第一输出匹配电路以及第一非线性补偿电路；所述第二低噪声放大器包括第二输入匹配电路、第二差分放大电路、第二输出匹配电路以及第二非线性补偿电路。本发明的宽带差分低噪声放大器具有良好的增益和噪声性能的同时提供较高的线性度。

Description

宽带差分低噪声放大器及射频芯片

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是涉及一种宽带差分低噪声放大器及射频芯片。

背景技术

在现代通信系统中，低噪声放大器被广泛应用于信号的放大和增强。在许多应用中，如无线通信、光通信、雷达和音频放大等，低噪声放大器的性能对系统的整体性能至关重要。宽带低噪声放大器由于其较低的噪声和较宽的频带在许多应用中具有重要作用。

在宽带放大器中，差分架构被广泛应用，因为它具有较好的抗共模干扰能力和噪声性能。差分放大器由两个互补工作的放大器组成，通过差分模式输出信号，抑制了共模噪声。然而，传统的差分放大器在宽频段内难以同时实现低噪声和高线性度。

现有的差分低噪声放大器广泛采用以下几种电路结构：

其中一种结构是共栅（CG）放大器结构，共栅级结构的输入阻抗由跨导和栅源寄生电容所决定，频率较低时可忽略栅源寄生电容直接取其跨导的倒数。通过调节共栅管的大小和偏置电压，可以在较宽的频带内轻松实现输入阻抗匹配，同时获得较高的线性度和反向隔离，但共栅结构基础的噪声系数较大，难以满足低噪声的需求。

另一种常用的结构是带有源极负反馈的共源放大器结构，源极所增加的感性负载可以为低噪放提供一个实部阻抗，利用LC匹配网络抵消虚部即可获得良好的输入匹配，通过对源极负反馈电感进行优化，还可以进一步提升低噪放的线性度和噪声性能。但该结构只能在窄带内实现良好的匹配，难以满足宽带的需求。

还有一种结构是电阻负反馈结构，该结构在输入端和输出端增加了一个电阻，可以通过优化阻值实现频带的扩展和增益平坦度的提升，减小带内纹波，并提高低噪放的线性度。然而该结构会在输入端引入热噪声，导致噪声系数的恶化，对其应用场景有所限制。

因此，现有的宽带差分低噪声放大器设计仍然面临着频带、噪声、增益、功耗和线性度等指标之间的权衡问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种宽带差分低噪声放大器，通过在低噪声放大电路连接非线性补偿电路，用以解决现有的宽带差分低噪声放大器的频带、噪声、增益、功耗和线性度等指标之间的权衡效果差的问题。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种宽带差分低噪声放大器，所述宽带差分低噪声放大器包括依次电连接的第一信号输入端、第一低噪声放大器和第一信号输出端、以及依次电连接的第二信号输入端、第二低噪声放大器和第二信号输出端；

所述第一低噪声放大器包括第一输入匹配电路、第一差分放大电路、第一输出匹配电路以及第一非线性补偿电路；所述第一输入匹配电路的输入端连接所述第一信号输入端，所述第一输入匹配电路的输出端连接所述第一差分放大电路的第一端，所述第一差分放大电路的第二端与所述第一非线性补偿电路的第一端连接并接地，所述第一差分放大电路的第三端与所述第一非线性补偿电路的第二端连接，所述第一差分放大电路的第四端连接所述第一输出匹配电路的第一输入端，所述第一输出匹配电路的第二输入端用于连接电源电压，所述第一输出匹配电路的输出端连接所述第一信号输出端；

所述第二低噪声放大器包括第二输入匹配电路、第二差分放大电路、第二输出匹配电路以及第二非线性补偿电路；所述第二输入匹配电路的输入端连接所述第二信号输入端，所述第二输入匹配电路的输出端连接所述第二差分放大电路的第一端，所述第二差分放大电路的第二端与所述第二非线性补偿电路的第一端连接并接地，所述第二差分放大电路的第三端与所述第二非线性补偿电路的第二端连接，所述第二差分放大电路的第四端连接所述第二输出匹配电路的第一输入端，所述第二输出匹配电路的第二输入端用于连接所述电源电压，所述第二输出匹配电路的输出端连接所述第二信号输出端。

优选的，所述第一差分放大电路包括第一MOS管、第二MOS管和第一电感；所述第一MOS管的栅极作为所述第一差分放大电路的第一端，所述第一MOS管的源极连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端作为所述第一差分放大电路的第二端，所述第一MOS管的漏极连接所述第二MOS管的源极且作为所述第一差分放大电路的第三端，所述第二MOS管的栅极用于连接偏置电压，所述第二MOS管的漏极作为所述第一差分放大电路的第四端。

优选的，所述第一非线性补偿电路包括第三MOS管，所述第三MOS管的源极作为所述第一非线性补偿电路的第一端，所述第三MOS管的漏极连接至所述第三MOS管的栅极并作为所述第一非线性补偿电路的第二端。

优选的，所述第一非线性补偿电路还包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的第一端和所述第一电容的第一端分别连接所述第三MOS管的源极，所述第一电阻的第二端和所述第一电容的第二端连接并接地。

优选的，所述第二差分放大电路包括第四MOS管、第五MOS管和第二电感，所述第四MOS管的栅极作为所述第二差分放大电路的第一端，所述第四MOS管的源极连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端作为所述第二差分放大电路的第二端，所述第四MOS管的漏极连接至所述第五MOS管的栅极并作为所述第二差分放大电路的第三端，所述第五MOS管的栅极用于连接偏置电压，所述第五MOS管的漏极作为所述第二差分放大电路的第四端。

优选的，所述第二非线性补偿电路包括第六MOS管，所述第六MOS管的源极作为所述第二非线性补偿电路的第一端，所述第六MOS管的漏极和所述第六MOS管的栅极连接并作为所述第二非线性补偿电路的第二端。

优选的，所述第二非线性补偿电路还包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端和所述第二电容的第一端分别连接所述第六MOS管的源极，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端连接并接地。

优选的，所述第一输入匹配电路包括第三电感，所述第三电感的第一端作为所述第一输入匹配电路的输入端，所述第三电感的第二端作为所述第一输入匹配电路的输出端；

所述第二输出匹配电路包括第四电感，所述第四电感的第一端作为所述第二输入匹配电路的输入端，所述第四电感的第二端作为所述第二输入匹配电路的输出端。

优选的，所述第一输出匹配电路包括第五电感和第三电容，所述第五电感的第一端连接所述第三电容的第一端且作为所述第一输出匹配电路的第一输入端，所述第五电感的第二端作为所述第一输出匹配电路的第二输入端，所述第三电容的第二端作为所述第一输出匹配电路的输出端；

所述第二输出匹配电路包括第六电感和第四电容，所述第六电感的第一端连接所述第四电容的第一端且作为所述第二输出匹配电路的第一输入端，所述第六电感的第二端作为所述第二输出匹配电路的第二输入端，所述第四电容的第二端作为所述第二输出匹配电路的输出端。

第二方面，本发明提供一种射频芯片，所述射频芯片包括上述的宽带差分低噪声放大器。

与现有技术相比，本发明中的宽带差分低噪声放大器，通过将第一输入匹配电路的输入端连接第一信号输入端，第一输入匹配电路的输出端连接第一差分放大电路的第一端，第一差分放大电路的第二端与第一非线性补偿电路的第一端连接并接地，第一差分放大电路的第三端与第一非线性补偿电路的第二端连接，所述第一差分放大电路的第四端连接所述第一输出匹配电路的第一输入端，所述第一输出匹配电路的第二输入端用于连接电源电压，第一输出匹配电路的输出端连接第一信号输出端；第二输入匹配电路的输入端连接第二信号输入端，第二输入匹配电路的输出端连接第二差分放大电路的第一端，第二差分放大电路的第二端与第二非线性补偿电路的第一端连接并接地，第二差分放大电路的第三端与第二非线性补偿电路的第二端连接，所述第二差分放大电路的第四端连接所述第二输出匹配电路的第一输入端，所述第二输出匹配电路的第二输入端用于连接所述电源电压，第二输出匹配电路的输出端连接第二信号输出端；这样在第一差分放大电路上并联第一非线性补偿电路，在第二差分放大电路上并联第二非线性补偿电路，通过第一非线性补偿电路对第一差分放大电路提供一个相反的三阶跨导分量，通过第二非线性补偿电路对第二差分放大电路提供一个三阶跨导分量，通过差分结构的对称性有效抑制了信号输入端和信号输出端的共模分量，减少了偶次谐波失真，平衡了输出信号，具有良好的增益和噪声性能的同时提供较高的线性度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：

图1为本发明实施列提供的宽带差分低噪声放大器的整体电路图。

图中，100、宽带差分低噪声放大器，1、第一低噪声放大器，11、第一输入匹配电路，12、第一差分放大电路，13、第一输出匹配电路，14、第一非线性补偿电路，2、第二低噪声放大器，21、第二输入匹配电路，22、第二差分放大电路，23、第二输出匹配电路，24、第二非线性补偿电路，3、第一信号输入端， 4、第二信号输入端，5、第一信号输出端，6、第二信号输出端。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅附图1所示，本发明实施例提供了一种宽带差分低噪声放大器100，所述宽带差分低噪声放大器100包括依次电连接的第一信号输入端3（V_in1）、第一低噪声放大器1和第一信号输出端5（Vout+）、以及依次电连接的第二信号输入端4（V_in2）、第二低噪声放大器2和第二信号输出端6（Vout-）。

所述第一低噪声放大器1包括第一输入匹配电路11、第一差分放大电路12、第一输出匹配电路13以及第一非线性补偿电路14；所述第一输入匹配电路11的输入端连接所述第一信号输入端3，所述第一输入匹配电路11的输出端连接所述第一差分放大电路12的第一端，所述第一差分放大电路12的第二端与所述第一非线性补偿电路14的第一端连接并接地，所述第一差分放大电路12的第三端与所述第一非线性补偿电路14的第二端连接，所述第一差分放大电路12的第四端连接所述第一输出匹配电路13的第一输入端，所述第一输出匹配电路13的第二输入端用于连接电源电压VDD，所述第一输出匹配电路13的输出端连接所述第一信号输出端5。通过第一信号输入端3输出射频信号到第一输入匹配电路11上进行匹配，将匹配后的信号通过第一差分放大电路12进行功率放大后通过第一输出匹配电路13进行匹配后输出，通过将第一非线性补偿电路14连接在第一差分放大电路12的两端，通过第一非线性补偿电路14对第一差分放大电路12提供一个相反的三阶跨导分量，进而更好地抵消第一差分放大电路12所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。

所述第二低噪声放大器2包括第二输入匹配电路21、第二差分放大电路22、第二输出匹配电路23以及第二非线性补偿电路24；所述第二输入匹配电路21的输入端连接所述第二信号输入端4，所述第二输入匹配电路21的输出端连接所述第二差分放大电路22的第一端，所述第二差分放大电路22的第二端与所述第二非线性补偿电路24的第一端连接并接地，所述第二差分放大电路22的第三端与所述第二非线性补偿电路24的第二端连接，所述第二差分放大电路22的第四端连接所述第二输出匹配电路23的第一输入端，所述第二输出匹配电路23的第二输入端用于连接所述电源电压VDD，所述第二输出匹配电路23的输出端连接所述第二信号输出端6。通过第二信号输入端4输出射频信号到第二输入匹配电路21上进行匹配，将匹配后的信号通过第二差分放大电路22进行功率放大后通过第二输出匹配电路23进行匹配后输出，通过将第二非线性补偿电路24连接在第二差分放大电路22的两端，通过第二非线性补偿电路24对第二差分放大电路22提供一个三阶跨导分量，进而更好地抵消第二差分放大电路22所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。通过差分结构的对称性有效抑制了信号输入端和信号输出端的共模分量，减少了偶次谐波失真，平衡了输出信号，具有良好的增益和噪声性能的同时提供较高的线性度。

本实施例中，所述第一差分放大电路12包括第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电感L1；所述第一MOS管M1的栅极作为所述第一差分放大电路12的第一端，所述第一MOS管M1的源极连接所述第一电感L1的第一端，所述第一电感L1的第二端作为所述第一差分放大电路12的第二端，所述第一MOS管M1的漏极连接所述第二MOS管M2的源极且作为所述第一差分放大电路12的第三端，所述第二MOS管M2的栅极用于连接偏置电压V_b，所述第二MOS管M2的漏极作为所述第一差分放大电路12的第四端。

本实施例中，所述第一非线性补偿电路14包括第三MOS管M3，所述第三MOS管M3的源极作为所述第一非线性补偿电路14的第一端，所述第三MOS管M3的漏极连接至所述第三MOS管M3的栅极并作为所述第一非线性补偿电路14的第二端。通过第三MOS管M3可以提供一个相反的三阶跨导分量，进而更好地抵消第一MOS管M1所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。

本实施例中，所述第一非线性补偿电路14还包括第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的第一端和所述第一电容C1的第一端分别连接所述第三MOS管M3的源极，所述第一电阻R1的第二端和所述第一电容C1的第二端连接并接地。通过第三MOS管M3可以提供一个相反的三阶跨导分量，通过调整并联的第一电阻R1和第一电容C1的取值可以控制该分量的幅度和相位，进而更好地抵消第一MOS管M1所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。

本实施例中，所述第二差分放大电路22包括第四MOS管M4、第五MOS管M5和第二电感L2，所述第四MOS管M4的栅极作为所述第二差分放大电路22的第一端，所述第四MOS管M4的源极连接所述第二电感L2的第一端，所述第二电感L2的第二端作为所述第二差分放大电路22的第二端，所述第四MOS管M4的漏极连接所述第五MOS管M5的栅极并作为所述第二差分放大电路22的第三端，所述第五MOS管M5的栅极用于连接偏置电压V_b，所述第五MOS管M5的漏极作为所述第二差分放大电路22的第四端。

本实施例中，所述第二非线性补偿电路24包括第六MOS管M6，所述第六MOS管M6的源极作为所述第二非线性补偿电路24的第一端，所述第六MOS管M6的漏极和所述第六MOS管M6的栅极连接并作为所述第二非线性补偿电路24的第二端。通过第六MOS管M6可以提供一个三阶跨导分量，进而更好地抵消第四MOS管M4所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。

本实施例中，所述第二非线性补偿电路24还包括第二电阻R2和第二电容C2，所述第二电阻R2的第一端和所述第二电容C2的第一端分别连接所述第六MOS管M6的源极，所述第二电阻R2的第二端和所述第二电容C2的第二端连接并接地。通过第六MOS管M6可以提供一个三阶跨导分量，通过调整并联的第二电阻R2和第二电容C2的取值可以控制该分量的幅度和相位，进而更好地抵消第四MOS管M4所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。此外，通过差分结构的对称性有效抑制了信号输入端和信号输出端的共模分量，减少了偶次谐波失真，平衡了输出信号，具有良好的增益和噪声性能的同时提供较高的线性度。

本实施例中，所述第一输入匹配电路11包括第三电感L3，所述第三电感L3的第一端作为所述第一输入匹配电路11的输入端，所述第三电感L3的第二端作为所述第一输入匹配电路11的输出端。

所述第二输出匹配电路23包括第四电感L4，所述第四电感L4的第一端作为所述第二输入匹配电路21的输入端，所述第四电感L4的第二端作为所述第二输入匹配电路21的输出端。

本实施例中，所述第一输出匹配电路13包括第五电感L5和第三电容，所述第五电感L5的第一端连接所述第三电容的第一端且作为所述第一输出匹配电路13的第一输入端，所述第五电感L5的第二端作为所述第一输出匹配电路13的第二输入端，用于连接电源电压VDD，所述第三电容的第二端作为所述第一输出匹配电路13的输出端。

所述第二输出匹配电路23包括第六电感L6和第四电容，所述第六电感L6的第一端连接所述第四电容的第一端且作为所述第二输出匹配电路23的第一输入端，所述第六电感L6的第二端作为所述第二输出匹配电路23的第二输入端，用于连接所述电源电压VDD，所述第四电容的第二端作为所述第二输出匹配电路23的输出端。

本实施例中，通过第一信号输入端3和第二信号输入端4分别接受输入信号V_in1和输入信号V_in2，通过第一输入匹配电路11完成匹配后被第一MOS管M1和第二MOS所构成的共源共栅放大器进行放大，然后被传送到第五电感L5和第三电容完成差分输出。通过第二输入匹配电路21完成匹配后被第三MOS管M3和第四MOS管M4所构成的共源共栅放大器进行放大，然后被传送到第六电感L6和第四电容完成差分输出。通过选取合适的尺寸，第三MOS管M3和第六MOS管M6可以提供与相反的三阶跨导分量，进一步调整非线性补偿电路中第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电阻R2的数值可以控制该分量的幅度和相位，进而更好地分别抵消第一MOS管M1和第三MOS管M3所产生的非线性，提高低噪声放大器的线性度。

实施例二

本发明提供一种射频芯片，所述射频芯片包括上述的宽带差分低噪声放大器100。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽带差分低噪声放大器，所述宽带差分低噪声放大器包括依次电连接的第一信号输入端、第一低噪声放大器和第一信号输出端、以及依次电连接的第二信号输入端、第二低噪声放大器和第二信号输出端；其特征在于，

所述第一低噪声放大器包括第一输入匹配电路、第一差分放大电路、第一输出匹配电路以及第一非线性补偿电路；所述第一输入匹配电路的输入端连接所述第一信号输入端，所述第一输入匹配电路的输出端连接所述第一差分放大电路的第一端，所述第一差分放大电路的第二端与所述第一非线性补偿电路的第一端连接并接地，所述第一差分放大电路的第三端与所述第一非线性补偿电路的第二端连接，所述第一差分放大电路的第四端连接所述第一输出匹配电路的第一输入端，所述第一输出匹配电路的第二输入端用于连接电源电压；所述第一输出匹配电路的输出端连接所述第一信号输出端；

所述第二低噪声放大器包括第二输入匹配电路、第二差分放大电路、第二输出匹配电路以及第二非线性补偿电路；所述第二输入匹配电路的输入端连接所述第二信号输入端，所述第二输入匹配电路的输出端连接所述第二差分放大电路的第一端，所述第二差分放大电路的第二端与所述第二非线性补偿电路的第一端连接并接地，所述第二差分放大电路的第三端与所述第二非线性补偿电路的第二端连接，所述第二差分放大电路的第四端连接所述第二输出匹配电路的第一输入端，所述第二输出匹配电路的第二输入端用于连接所述电源电压，所述第二输出匹配电路的输出端连接所述第二信号输出端；

所述第一非线性补偿电路包括第三MOS管，所述第三MOS管的源极作为所述第一非线性补偿电路的第一端，所述第三MOS管的漏极连接至所述第三MOS管的栅极并作为所述第一非线性补偿电路的第二端；

所述第二非线性补偿电路包括第六MOS管，所述第六MOS管的源极作为所述第二非线性补偿电路的第一端，所述第六MOS管的漏极和所述第六MOS管的栅极连接并作为所述第二非线性补偿电路的第二端。

2.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一差分放大电路包括第一MOS管、第二MOS管和第一电感；所述第一MOS管的栅极作为所述第一差分放大电路的第一端，所述第一MOS管的源极连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端作为所述第一差分放大电路的第二端，所述第一MOS管的漏极连接所述第二MOS管的源极且作为所述第一差分放大电路的第三端，所述第二MOS管的栅极用于连接偏置电压，所述第二MOS管的漏极作为所述第一差分放大电路的第四端。

3.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一非线性补偿电路还包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的第一端和所述第一电容的第一端分别连接所述第三MOS管的源极，所述第一电阻的第二端和所述第一电容的第二端连接并接地。

4.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第二差分放大电路包括第四MOS管、第五MOS管和第二电感，所述第四MOS管的栅极作为所述第二差分放大电路的第一端，所述第四MOS管的源极连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端作为所述第二差分放大电路的第二端，所述第四MOS管的漏极连接至所述第五MOS管的栅极并作为所述第二差分放大电路的第三端，所述第五MOS管的栅极用于连接偏置电压，所述第五MOS管的漏极作为所述第二差分放大电路的第四端。

5.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第二非线性补偿电路还包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端和所述第二电容的第一端分别连接所述第六MOS管的源极，所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二端连接并接地。

6.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一输入匹配电路包括第三电感，所述第三电感的第一端作为所述第一输入匹配电路的输入端，所述第三电感的第二端作为所述第一输入匹配电路的输出端；

所述第二输出匹配电路包括第四电感，所述第四电感的第一端作为所述第二输入匹配电路的输入端，所述第四电感的第二端作为所述第二输入匹配电路的输出端。

7.如权利要求1所述的宽带差分低噪声放大器，其特征在于，所述第一输出匹配电路包括第五电感和第三电容，所述第五电感的第一端连接所述第三电容的第一端且作为所述第一输出匹配电路的第一输入端，所述第五电感的第二端作为所述第一输出匹配电路的第二输入端，所述第三电容的第二端作为所述第一输出匹配电路的输出端；

所述第二输出匹配电路包括第六电感和第四电容，所述第六电感的第一端连接所述第四电容的第一端且作为所述第二输出匹配电路的第一输入端，所述第六电感的第二端作为所述第二输出匹配电路的第二输入端，用于连接所述电源电压，所述第四电容的第二端作为所述第二输出匹配电路的输出端。

8.一种射频芯片，其特征在于，所述射频芯片包括如权利要求1-7任一项所述的宽带差分低噪声放大器。