CN117713702A - 一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器 - Google Patents

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CN117713702A CN202311789907.6A CN202311789907A CN117713702A CN 117713702 A CN117713702 A CN 117713702A CN 202311789907 A CN202311789907 A CN 202311789907A CN 117713702 A CN117713702 A CN 117713702A
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胡子祎
王昊
曹瀚璋
吴文
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Abstract

本发明公开了一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，依次包括第一级单端放大器、级间巴伦、第二级差分放大器、输出巴伦。第一级单端放大器用于实现输入匹配、低噪声系数和高增益；级间巴伦用于单端转差分、阻抗匹配和直流复用；第二级差分放大器用于提高增益、提高隔离度和隔离外界干扰；输出巴伦用于输出匹配。本发明提供的低噪声放大器在目标频段能够实现低噪声系数，同时具有低功耗、低增益变化和较高的增益。

Description

一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器
技术领域
本发明涉及毫米波集成电路及微电子技术，特别涉及一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器。
背景技术
传统的低频段已经无法满足人们日益增长的对更高传输速率、更大传输容量的无线通信需求。毫米波频段具有丰富的频谱资源，可用带宽大的特点，可以满足高速无线通信的需求。为了解决毫米波频段大气对无线电波信号的传输衰减严重的问题，相控阵技术成为学术界和工业界公认的最佳解决方案，所以研究毫米波段相控阵技术的收发芯片具有重大意义。低噪声放大器作为相控阵接收通道的第一级有源放大电路，其对噪声的压制能力决定了整个接收通道输出信号的信噪比，同时，其增益和线性度等指标的优劣也会决定后续电路的设计指标。传统多级低噪声放大器存在功耗高、芯片尺寸面积较大的问题；平坦增益的电流复用稳定性加强低噪声放大器，功耗小，面积较小，增益较高，非常适用于大规模相控阵系统，同时通过多级级联实现增益平坦，在此基础上创新性得采用级间巴伦T2中的走线完成稳定性的提升，进一步降低芯片面积，以及采用电阻RG2实现巴伦的性能提升。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，不仅实现了低功耗、较高的增益、较低的噪声系数、较高的线性度和较小的面积，还具有低增益变化的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，包括第一级单端放大器、级间巴伦T1、第二级差分放大器、输出巴伦T2，其中：第一级单端放大器用于实现输如信号的阻抗匹配、实现低噪声系数和提供高信号增益；级间巴伦T1用于实现单端转差分、实现级间阻抗匹配和提供直流复用通道；第二级差分放大器用于提高信号增益、提高电路隔离度和隔离外界干扰；输出巴伦T2用于实现输出信号的阻抗匹配。射频输入信号从第一级单端放大器输入端输入并在输出端输出电流信号，电流信号通过级间巴伦T1的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成差分电压信号，差分电压信号中的共模信号因级间巴伦T1的共模稳定电感而被遏制，差模电压信号送入第二级差分电路中进行放大形成输出差分电流信号，差分电流信号通过输出巴伦T2的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成射频输出信号。
进一步的，第一级单端放大器由输入无源网络和增益级1组成，其中：
输入无源网络包括隔直电容C1、串联匹配电感LG、偏置电阻RG、去耦电容C11、去耦电容C12和低Q电阻R1，输入信号RF IN接隔直电容C1左端，隔直电容C1右端接串联匹配电感LG的左端，电感LG的右端和偏置电阻RG的下端接输出信号VIN，偏置电阻RG的上端接偏置电压VG1，去耦电容C11一端接偏置电压VG1，一端接地，去耦电容C12右端接低Q电阻R1，左端接地，低Q电阻R1右端接偏置电压VG1；
增益级1包括NMOS晶体管NM0、源退化电感LS和匹配电容C2，NMOS晶体管NM0源极接源退化电感LS上端，栅极接输入信号VIN，漏极接输出信号VOUT；退化电感LS上端接MOS晶体管NM0源极，下端接地；匹配电容C2上端接输出信号VOUT，下端接地。
进一步的，级间巴伦T1由第一级线圈L11、第二级线圈L12、去耦电容C0、共模稳定电感L0、偏置电阻RG2、去耦电容C21、去耦电容C22和低Q电阻R2组成，第一级线圈L11上端接输入信号VOUT，下端接共模稳定电感L0左端；第二级线圈L12上端接输出信号VIN+，下端接输出信号VIN-，第二级线圈L12中心抽头直流电馈电VG2；去耦电容C0上端接共模稳定电感L0左端，下端接地，共模稳定电感L0右端接信号VS，偏置电阻RG2的上端接偏置电压VG2，下端接L12的中心抽头处，去耦电容C21一端接偏置电压VG2，一端接地，去耦电容C22右端接低Q电阻R2，左端接地，低Q电阻R2右端接偏置电压VG2。
进一步的，第二级差分放大器由NMOS晶体管NM1、NMOS晶体管NM2、中和电容CN1、中和电容CN2、匹配电容C3、匹配电容C4组成，NMOS晶体管NM1源极接信号VS，栅极接输入信号VIN+，漏极接输出信号VOUT+；NMOS晶体管NM2源极接信号VS，栅极接输入信号VIN-，漏极接输出信号VOUT-；中和电容CN1一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2漏极；中和电容CN2一端接NMOS晶体管NM2栅极，一端接NMOS晶体管NM1漏极；匹配电容C3一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2栅极；匹配电容C4一端接NMOS晶体管NM1漏极，一端接NMOS晶体管NM2漏极，NMOS晶体管NM0、NMOS晶体管NM1和NMOS晶体管NM2的尺寸比例为1:1:1，中和电容可以通过金属电容或者MOS电容实现。
进一步的，输出巴伦T2由第一级线圈L21、第二级线圈L22和匹配电容C5组成，第一级线圈L21上端接输入信号VOUT+，下端接输入信号VOUT-，第一级线圈L21中心抽头直流电馈电VDD；第二级线圈L22上端接输出信号RF OUT，下端接地，匹配电容C5上端接输出信号RFOUT，下端接地。
进一步的，级间巴伦T1的跨阻传递函数呈现一个在中心频率处有下凹的双极点频谱，输出巴伦T2的跨阻传递函数呈现一个在中心频率有峰值的单极点频谱，级间巴伦T1和输出巴伦T2级联的跨阻传递函数呈现一个在工作频段内平坦的频谱。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)采用并联匹配电容参与级间和输出巴伦的匹配，优化了巴伦的面积尺寸，降低了芯片面积，同时调节极点增益，保证较小增益变化。(2)采用级间巴伦作为直流通路，减小了直流通路引入的电阻损耗，减少了直流通路上的压降，提高了电压裕度。(3)第二级差分放大器采用差分结构，降低了外界干扰造成的影响，提高了电路的稳定性。(4)级间巴伦和输出巴伦的跨阻增益互补，保证了传输跨阻增益的平坦，降低了低噪声放大器增益的变化。
附图说明
图1是本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器电路结构示意图；
图2是本发明第一级单端放大器增益级1结构示意图；
图3是本发明第二级差分放大器增益级2结构示意图；
图4是本发明级间巴伦T1和输出巴伦T2以及两者级联下的跨阻增益仿真图；
图5是本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的S参数测试图；
图6是本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的噪声系数测试图；
图7是本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的中心频率处的1dB压缩点测试图；
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明设计了一种工作在毫米波段的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，在传统的两级级联低噪声放大器结构上进行改进，实现了低功耗、低增益变化、较高的增益、较低的噪声系数、较高的线性度和较小的面积。
如图1所示，一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，包括第一级单端放大器、级间巴伦T1、第二级差分放大器、输出巴伦T2，其中：第一级单端放大器用于实现输如信号的阻抗匹配、实现低噪声系数和提供高信号增益；级间巴伦T1用于实现单端转差分、实现级间阻抗匹配和提供直流复用通道；第二级差分放大器用于提高信号增益、提高电路隔离度和隔离外界干扰；输出巴伦T2用于实现输出信号的阻抗匹配。输入信号由RF IN进入电路，通过隔直电容C1和串联匹配电感LG进入增益级1，在增益级1中通过NMOS晶体管NM0将输入电压信号VIN转变为输出电流信号，并在级间巴伦T1的第一级线圈L11上形成电压信号VOUT，此信号经过耦合K1至级间巴伦T1的第二级线圈L12上形成差分电压信号VIN+和VIN-，通过偏置电阻RG2的调整，差分电压信号VIN+和VIN-的幅度接近1:1，相位相差接近180°，并有少量信号耦合至偏置电压VG1和偏置电压VG2上并通过去耦电容C11、去耦电容C12、低Q电阻R1、去耦电容C21、去耦电容C22和低Q电阻R2滤除损耗到地上，差分电压信号VIN+和VIN-通过增益级2将电压信号转变为差分电流信号，并在输出巴伦T2的第二级线圈L21上形成差分电压信号VOUT+和VOUT-，此信号经过耦合K2至输出巴伦T2的第二级线圈L22上形成输出电压信号RF OUT，并有少量信号耦合至偏置电压VG1和偏置电压VG2上并通过去耦电容C11、去耦电容C12、低Q电阻R1、去耦电容C21、去耦电容C22和低Q电阻R2滤除损耗到地上，差分电压信号VIN+和VIN-的少量共模部分通过共模稳定电感L0和去耦电容C0到地，增益级2的共模增益因共模稳定电感L0的退化而降低，因此增益级2的输出共模信号大小降低，遏制了不稳定的情况。
第一级单端放大器由输入无源网络和增益级1组成，其中：
输入无源网络包括隔直电容C1、串联匹配电感LG、偏置电阻RG、去耦电容C11、去耦电容C12和低Q电阻R1，输入信号RF IN接隔直电容C1左端，隔直电容C1右端接串联匹配电感LG的左端，电感LG的右端和偏置电阻RG的下端接输出信号VIN，偏置电阻RG的上端接偏置电压VG1，去耦电容C11一端接偏置电压VG1，一端接地，去耦电容C12右端接低Q电阻R1，左端接地，低Q电阻R1右端接偏置电压VG1。串联匹配电感LG实现了良好的输入虚部匹配，提高了从输入信号RF IN传输到输出信号VIN的信号幅度，隔直电容C1隔离了偏置电压VG1，减少了一条到信号源的直流通路，避免了分压造成的电压降低，偏置电阻RG隔离了交流信号，保证了输入匹配的良好，同时不影响直流，去耦电容C11进一步滤除从级间巴伦T1和输出巴伦T2引入的耦合信号，去耦电容C12和低Q电阻R1在滤除耦合信号的同时对信号进行损耗，提高第一级单端放大器的稳定性。
增益级1如图2所示，增益级1包括NMOS晶体管NM0、源退化电感LS和匹配电容C2，NMOS晶体管NM0源极接源退化电感LS上端，栅极接输入信号VIN，漏极接输出信号VOUT；退化电感LS上端接MOS晶体管NM0源极，下端接地；匹配电容C2上端接输出信号VOUT，下端接地。源退化电感LS和NMOS晶体管NM0在输入信号VIN处等效实部实现实部匹配，同时获得较大的输入信号，提高了晶体管的稳定性，采用并联匹配电容C2参与级间巴伦的匹配，有助于优化了巴伦的面积尺寸，降低芯片面积，同时调节极点增益，保证较小增益变化。
级间巴伦T1由第一级线圈L11、第二级线圈L12、去耦电容C0、共模稳定电感L0、偏置电阻RG2、去耦电容C21、去耦电容C22和低Q电阻R2组成，第一级线圈L11上端接输入信号VOUT，下端接共模稳定电感L0左端；第二级线圈L12上端接输出信号VIN+，下端接输出信号VIN-，第二级线圈L12中心抽头直流电馈电VG2；去耦电容C0上端接共模稳定电感L0左端，下端接地，共模稳定电感L0右端接信号VS，偏置电阻RG2的上端接偏置电压VG2，下端接L12的中心抽头处，去耦电容C21一端接偏置电压VG2，一端接地，去耦电容C22右端接低Q电阻R2，左端接地，低Q电阻R2右端接偏置电压VG2。级间巴伦T1实现了单端信号转变成差分信号的功能，采用较低耦合以使得两个极点位置位于中心频率附近单相距一定频率，提高带宽，第一级线圈L11和前一级放大器的输出寄生电容与并联匹配电容C2相谐振，第二级线圈L12和后一级放大器的输入寄生电容与并联匹配电容C3相谐振，构成高阶耦合谐振腔，提高了传输增益，第二级线圈L12中心抽头直流电馈电VG2，省去第二级差分放大器中NMOS晶体管NM1和NMOS晶体管NM2的栅极输入去耦电容和偏置电阻，降低了电路复杂度，减小了芯片面积，去耦电容C21进一步滤除从级间巴伦T1和输出巴伦T2引入的耦合信号，去耦电容C22和低Q电阻R2在滤除耦合信号的同时对信号进行损耗，提高第一级单端放大器的稳定性，偏置电阻RG2提供一个用于调节级间巴伦T1输出幅度差和输出相位差的方式，降低级间巴伦T1的输出误差，共模稳定电感L0用于稳定第二级差分放大器的共模稳定性，同时不改变差模增益。
第二级差分放大器如图3所示，第二级差分放大器由NMOS晶体管NM1、NMOS晶体管NM2、中和电容CN1、中和电容CN2、匹配电容C3、匹配电容C4组成，NMOS晶体管NM1源极接信号VS，栅极接输入信号VIN+，漏极接输出信号VOUT+；NMOS晶体管NM2源极接信号VS，栅极接输入信号VIN-，漏极接输出信号VOUT-；中和电容CN1一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2漏极；中和电容CN2一端接NMOS晶体管NM2栅极，一端接NMOS晶体管NM1漏极；匹配电容C3一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2栅极；匹配电容C4一端接NMOS晶体管NM1漏极，一端接NMOS晶体管NM2漏极，NMOS晶体管NM0、NMOS晶体管NM1和NMOS晶体管NM2的尺寸比例为1:1:1，中和电容可以通过金属电容或者MOS电容实现。采用并联匹配电容C3和C4分别参与级间巴伦T1和输出巴伦T2的匹配，有助于优化了巴伦的面积尺寸，降低芯片面积，同时调节极点增益，保证较小增益变化，中和电容CN1和中和电容CN2的大小一致，用于抵消NMOS晶体管NM1和NMOS晶体管NM2的栅漏间的寄生电容，提高电路差模增益，提高差模稳定性。
输出巴伦T2由第一级线圈L21、第二级线圈L22和匹配电容C5组成，第一级线圈L21上端接输入信号VOUT+，下端接输入信号VOUT-，第一级线圈L21中心抽头直流电馈电VDD；第二级线圈L22上端接输出信号RF OUT，下端接地，匹配电容C5上端接输出信号RF OUT，下端接地。输出巴伦T2实现了差分信号转单端信号的功能，同时完成了电路的输出匹配。
图4为级间巴伦T1、输出巴伦T2和级间巴伦T1与输出巴伦T2级联状态下的跨阻增益，级间巴伦T1的跨阻传递函数呈现一个在中心频率处有下凹的双极点频谱，输出巴伦T2的跨阻传递函数呈现一个在中心频率有峰值的单极点频谱，级间巴伦T1和输出巴伦T2级联的跨阻传递函数呈现一个在工作频段内平坦的频谱，级间巴伦T1的耦合系数K1和输出巴伦T2的耦合系数K2之比为1:2。级间巴伦T1采用较低耦合获得在中心频率附近的两个极点，输出巴伦T2采用较高耦合获得在中心频率处的单极点和在高频率处的单极点，通过控制级间巴伦T1和输出巴伦T2在中心频率附近的三个极点控制增益变化，降低工作频段内的增益变化，提高增益平坦度。
图5是低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的S参数测试图，本发明实现了26.5GHz-29.5GHz频段范围内，最高15.5dB、最低14.8dB的增益变化，获得了较高的增益，增益最大变化为0.7dB，实现了低增益变化，小于-7dB的S11，小于-10dB的S22，3dB带宽从24.7GHz至31GHz。
图6是低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的噪声系数测试图，本发明实现了26.5GHz-29.5GHz频段范围内，最小2.85dB的噪声系数，最大3.5dB的噪声系数，实现了较低的噪声系数。
图7是低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器的中心频率处的1dB压缩点测试图，本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器实现了在中心频率28GHz处，输入1dB压缩点-12.5dBm。
本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器实现了在工作电源电压1V的条件下工作电流6.8mA，整体功耗6.8mW，同时芯片尺寸为0.2mm*0.5mm，芯片面积为0.1mm2，获得了较小面积的低功耗低噪声放大器。
综上所述，本发明低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器实现了低功耗、低增益变化、较高的增益、较低的噪声系数、较高的线性度和较小的面积的特点。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，包括第一级单端放大器、级间巴伦T1、第二级差分放大器和输出巴伦T2，射频输入信号从第一级单端放大器输入端输入并在输出端输出电流信号，电流信号通过级间巴伦T1的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成差分电压信号，差分电压信号中的共模信号因级间巴伦T1的共模稳定电感而被遏制，差模电压信号送入第二级差分电路中进行放大形成输出差分电流信号，差分电流信号通过输出巴伦T2的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成射频输出信号。
2.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，第一级单端放大器由输入无源网络和增益级1组成，其中：
输入无源网络包括隔直电容C1、串联匹配电感LG、偏置电阻RG、去耦电容C11、去耦电容C12和低Q电阻R1，输入信号RF IN接隔直电容C1左端，隔直电容C1右端接串联匹配电感LG的左端，电感LG的右端和偏置电阻RG的下端接输出信号VIN，偏置电阻RG的上端接偏置电压VG1，去耦电容C11一端接偏置电压VG1，一端接地，去耦电容C12右端接低Q电阻R1，左端接地，低Q电阻R1右端接偏置电压VG1；
增益级1包括NMOS晶体管NM0、源退化电感LS和匹配电容C2，NMOS晶体管NM0源极接源退化电感LS上端，栅极接输入信号VIN，漏极接输出信号VOUT；退化电感LS上端接MOS晶体管NM0源极，下端接地；匹配电容C2上端接输出信号VOUT，下端接地。
3.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，级间巴伦T1由第一级线圈L11、第二级线圈L12、去耦电容C0、共模稳定电感L0、偏置电阻RG2、去耦电容C21、去耦电容C22和低Q电阻R2组成，第一级线圈L11上端接输入信号VOUT，下端接共模稳定电感L0左端；第二级线圈L12上端接输出信号VIN+，下端接输出信号VIN-，第二级线圈L12中心抽头直流电馈电VG2；去耦电容C0上端接共模稳定电感L0左端，下端接地，共模稳定电感L0右端接信号VS，偏置电阻RG2的上端接偏置电压VG2，下端接L12的中心抽头处，去耦电容C21一端接偏置电压VG2，一端接地，去耦电容C22右端接低Q电阻R2，左端接地，低Q电阻R2右端接偏置电压VG2。
4.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，第二级差分放大器由NMOS晶体管NM1、NMOS晶体管NM2、中和电容CN1、中和电容CN2、匹配电容C3、匹配电容C4组成，NMOS晶体管NM1源极接信号VS，栅极接输入信号VIN+，漏极接输出信号VOUT+；NMOS晶体管NM2源极接信号VS，栅极接输入信号VIN-，漏极接输出信号VOUT-；中和电容CN1一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2漏极；中和电容CN2一端接NMOS晶体管NM2栅极，一端接NMOS晶体管NM1漏极；匹配电容C3一端接NMOS晶体管NM1栅极，一端接NMOS晶体管NM2栅极；匹配电容C4一端接NMOS晶体管NM1漏极，一端接NMOS晶体管NM2漏极，NMOS晶体管NM0、NMOS晶体管NM1和NMOS晶体管NM2的尺寸比例为1:1:1，中和电容可以通过金属电容或者MOS电容实现。
5.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，输出巴伦T2由第一级线圈L21、第二级线圈L22和匹配电容C5组成，第一级线圈L21上端接输入信号VOUT+，下端接输入信号VOUT-，第一级线圈L21中心抽头直流电馈电VDD；第二级线圈L22上端接输出信号RF OUT，下端接地，匹配电容C5上端接输出信号RF OUT，下端接地。
6.根据权利要求3和5所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，级间巴伦T1的跨阻传递函数呈现一个在中心频率处有下凹的双极点频谱，输出巴伦T2的跨阻传递函数呈现一个在中心频率有峰值的单极点频谱，级间巴伦T1和输出巴伦T2级联的跨阻传递函数呈现一个在工作频段内平坦的频谱。
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