CN202652150U

CN202652150U - 单端输入差分输出的射频低噪声放大器

Info

Publication number: CN202652150U
Application number: CN2012201486403U
Authority: CN
Inventors: 沈剑均; 杨阳; 叶松
Original assignee: JIANGSU TIANYUAN ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: Bona Rainfield Electronics Ltd.
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2022-04-10

Abstract

本实用新型属于射频集成电路技术领域，是一种单端输入差分输出的射频低噪声放大器，包括单端输入的主放大电路I；实现另一路反向等幅信号输出的放大器II；为了进一步调整两路输出信号的平衡性，采用了一个交流信号加法反馈电路。该单转双低噪声放大器结构紧凑，适用于接收机通信系统集成，降低设备成本；能够降低低噪声放大器的功耗、减小体积、提高增益、优化噪声、提高线性度；同时具有结构简单，减少片外元件，消除片外巴伦引入额外系统噪声等优点，在无线通信收系统中有着广泛的应用前景。

Description

单端输入差分输出的射频低噪声放大器

技术领域

本实用新型属于无限通信技术领域，涉及射频集成电路(RFIC)技术中的放大器结构设计，所设计的是一种单端转差分的窄带低噪声放大器电路结构。

背景技术

近几年，随着无线通信技术的快速发展，相应产品市场不断丰富，如寻呼机、手机、北斗卫星导航系统(RDSS)、全球定位系统(GPS)、射频识别(RFID)、短距离无线通信和数据传输、数字电视(DVB)、无线局域网(WLAN)等等。这些领域对产品的性能、功耗、体积以及成本等的要求越来越高，促进了无线收发模块朝着小型化、低功耗、低成本方向迈进，从而给产品设计带来了极大挑战，而射频集成电路(RFIC)正是为应对这一挑战而发展起来的，成为近十年来的热门研究领域。射频集成电路技术将越来越多的原来由分离原件实现的无线收发功能集成到单一芯片当中，使得系统朝着高集成度方向前进，从而降低产品的成本、功耗、体积。

射频低噪声放大器作为无线接收机中的关键模块之一，它的噪声系数决定了整个系统的噪声性能，直接关系到系统的灵敏度。

在射频集成电路中，一般都采用差分放大器，以抑制共模噪声，提高系统性能。而从天线进来的信号往往都是单端输入，因此需要实现单端到差分的转换，传统的差分射频低噪声放大器需要额外的单转双(巴伦)模块，许多设计都采用无源平衡转换器连接在射频低噪声放大器之前，实现单端到差分的转换，但是这种方法会引入额外的损耗，恶化系统噪声性能。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种单端输入差分输出的射频低噪声放大器，主要适用北斗等通信系统，具有功耗低、噪声低、面积小、差分输出平衡性能较佳。

本实用新型解决以上技术问题的技术方案是：

一种单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征在于：包括单端输入的第一主放大电路I、单端输入的第二主放大电路II和辅助调节平衡性的负反馈电路III；所述负反馈电路III是交流信号加法器；

所述第一主放大电路I是以共源放大N型晶体管MN1和共栅放大N型晶体管MN2为核心的放大电路；所述第二主放大电路II是以共源放大N型晶体管MN3和共栅放大N型晶体管MN4为核心的放大电路；晶体管MN1和MN3的栅极分别经射频信号阻断电路后连接外部偏置电路的控制电压Vb1和Vb2；晶体管MN2和MN4的栅极分别经射频信号阻断电路后连接外部偏置电路的控制电压Vb3和Vb4；

射频输入信号RF_in交流耦合至输入口电感Lg的信号输入端，电感Lg的信号输出端连接晶体管MN1的栅极；晶体管MN1的漏极和晶体管MN2的源极连接；电感Ld1的一端和晶体管MN2的漏极连接，电感Ld1的另一端连接电源VDD；

晶体管MN3的栅极通过栅源电容C1与晶体管MN1的漏极连接，晶体管MN3的源极通过电感Ls与晶体管MN1的源极连接，晶体管MN3的漏极与晶体管MN4的源极连接，电感Ld2的一端和晶体管MN4的漏极直接相连，电感Ld2的另一端连接电源VDD；

所述晶体管MN2的漏极作为输出端口RF_outp，晶体管MN4的漏极作为输出端口RF_outn；交流信号加法器的两输入端分别连接输出端口RF_outp和输出端口RF_outn，交流信号加法器的输出端连接晶体管MN3的栅极，把第一主放大电路I和第二主放大电路II的两路输出信号的差值反馈到MN3的栅极，用于调整两路输出信号的平衡性；

所述晶体管MN3的源极经隔离接地；所述晶体管MN2的栅极经隔离接地；所述晶体管MN4经隔离接地。

所述晶体管MN3的源极与地之间的隔离方式是晶体管MN3的源极与地之间连接接地电感Lgnd。

所述作为负反馈电路的交流信号加法器包括：N型晶体管MN5、MN6、MN7，P型晶体管MP1和MP2，电容C7和电阻R5；

晶体管MN5的栅极通过耦合电路分别连接输出端口RF_outp和RF_outn；晶体管MN5和MN6的栅极分别经射频信号阻断电路后连接外部偏置电路控制电压Vb5；晶体管MN7的栅极分别经射频信号阻断电路后连接外部偏置电路控制电压Vb6；

所述晶体管MN5的源极和MN6的源极连接，且它们的源极连接晶体管MN7的漏极；晶体管MN7的源极接地；

所述晶体管MP1的漏极连接电源VDD，晶体管MP1的源极与晶体管MN5的漏极连接，晶体管MP1的源极与栅极连接；

所述晶体管MP2的漏极连接电源VDD，晶体管MP2的源极与晶体管MN6的漏极连接，晶体管MP1的栅极与晶体管MP2的栅极连接；

所述晶体管MP2的源极作为负反馈电路的输出端口，该输出端口一方面通过耦合电路和第二主放大器电路II中晶体管MN3的栅极相连，另一方面依次经过电阻R5和电容C7反馈至晶体管MN5的栅极；

所述晶体管MN5的栅极连接的耦合电路是电容。所述负反馈电路的输出端口连接的耦合电路是电容。

射频信号阻断电路是起阻断射频信号作用的高阻值电阻。

电感Ld1和Ld2是相同的，晶体管MN1和MN3尺寸相同，晶体管MN2和MN4尺寸相同，晶体管MN5和MN6尺寸相同，晶体管MP1和MP2尺寸相同。

第一主放大电路I、第二主放大电路II和负反馈电路III全都集成在一块芯片里，射频输入信号RF_in和输出信号RF_outp、RF_outn是通过金属键合线与外部电路相连，在芯片内部是与负反馈电路III直接连接；电源VDD和地线6ND分别通过金属键合线与片外的电源和地分别相连。

本实用新型的优点是：(1)相对于传统的差分输入输出射频低噪声放大器，消除前置巴伦引入额外噪声，从而降低系统噪声；(2)相对于传统的单端输出低噪声放大器，该电路结构具有15dB左右的功率增益；(3)相对于传统的单端输出低噪声放大器，该电路结构可以对输出信号的平衡性进行调节，在一定程度上提高了输出平衡性；(4)相对于已有的单端输入差分输出射频低噪声放大器，该放大器基于窄带放大器的设计理论，相对于传统的差分对有源巴伦，该单端到差分放大电路能够减小系统噪声，降低功耗，提高线性度，结构紧凑，因而有利于提高整个接收机的动态范围。

附图说明

图1是本实用新型的电路拓扑结构图。

图2是具体实施中，负反馈电路图。

图3是本实用新型的电路图。

图4(a)是本实用新型的差分输出信号的平衡性频率变化曲线图。

图4(b)是本实用新型的功率增益和输入反射系数曲线图。

图4(c)是本实用新型的噪声系数曲线图。

具体实施方式

一种单端输入差分输出的射频低噪声放大器，包括单端输入的主放大电路I，还包括用于实现另一路反向等幅信号输出的第二主放大电路II以及平衡性调节负反馈电路。

第一主放大电路I为一个窄带的共源共栅低噪声放大器，由共源放大N型晶体管MN1和共栅放大N型晶体管MN2组成，通过Lg和Ls阻抗匹配实现选频。射频信号RF_In经过匹配网络进入晶体管MN1的栅极，晶体管MN1的源极和第二主放大电路II的源极相连；晶体管MN1的漏极采用片外电感接电源。

第二主放大电路II同样为一个共源共栅低噪声放大器，由共源放大N型晶体管MN3和共栅放大N型晶体管MN4组成。该信号的输入由第一主放大电路I提供，第二主放大电路II的输入信号通过电容C1连接第一主放大电路I进入晶体管MN1的栅极，晶体管MN1的源极和第二主放大电路II的晶体管MN3的源极相连；晶体管MN4的漏极采用片外电感接电源。

电容C1和晶体管MN3的C3构成分压网络，可以通过调节C1的电容值调节M2输入信号的强度，进而可以改善输出电压的幅度平衡。电感Ls连接着晶体管MN1和晶体管MN3的源极，一方面该电感可用于实现第一主放大电路I的输入端口阻抗匹配，另一方面构成了一个负反馈网络有助于提高电路模块的稳定性，同时该电感也引入了一个延时网络可以有助于改善两路输出信号RF_outp和RF_outn的相位特性。另外接地电感Lgnd对于调整两路输出信号RF_outp和RF_outn的平衡性也起到了有利作用。差分输出号RF_outp和RF_outn具有良好的平衡性，主要包含幅度和相位特性。

为了进一步改善输出信号的平衡性，本技术方案还提出了一种作为平衡性调节负反馈电路的新的交流信号加法反馈电路(如图2)。该平衡性调节负反馈电路的设计基于运放的思路，通过运算得出两路输出信号的差值反馈到输入端用于调整两路输出信号的平衡性。N型晶体管(MN5和MN6)和P型晶体管(MP1和MP2)以及电容C7和电阻R5构成了反馈网络的电路。晶体管MN5的栅极通过电容C5和C6分别连接输出端口RF_outp和RF_outn，输出端口通过电容C7和电阻R5反馈至MN5的栅极。

本技术方案的信号走向说明如下：

射频信号RF_in通过电容交流耦合至电感Lg后进入晶体管MN1的栅极(本处是采用电容C0耦合的方式，也可以采用现有技术中的其它耦合方式)；晶体管MN1的源极和晶体管MN3的源极通过电感Ls相连接；晶体管MN1的漏极通过电容C1输入MN3的栅极；差分信号RF_outp和RF_outn分别从第一主放大电路I的共栅放大晶体管MN2的漏极负载电感Ld1和主放大电路II的共栅放大晶体管MN4的漏极负载电感Ld2输出；

交流信号相加反馈电路由N型晶体管MN5和MN6和P型晶体管MP1和MP2以及电容C7和电阻R5构成；晶体管MN5的栅极通过电容C5和C6分别连接输出端口RF_outp和RF_outn，输出端口通过电容C7和电阻R5反馈至MN5的栅极。

本实用新型的所有单元全都集成在一块芯片里，射频输入信号RF_in和通过金属键合线与外部电路相连，输出信号RF_outp、RF_outn在芯片内部与其他电路直接相连；电源VDD和地线GND通过金属键合线与片外的电源和地分别相连。

具体到本实施例中，一种单端输入、差分输出的射频低噪声放大器，包括：单端输入的第一主放大电路I、用于实现另一路反向等幅信号输出的第二主放大器II以及平衡性调节负反馈电路。

第一主放大器电路I主要由N型晶体管MN1、N型晶体管MN2、电感Ld1、电感Lg以及和N型晶体管MN3连接的电感Ls组成。其连接关系为：射频信号RF_in输入到晶体管MN1的栅极；晶体管MN1和晶体管MN2相连接的点经过电容作为主放大器电路II的输入端；电感Ld1接电源VDD；MN1的栅极经过R1接电源Vb1；MN2的栅极经过R3接电源Vb3；MN2的栅极所接的电容C2接地。

第二主放大器电路II主要由N型晶体管MN3，N型晶体管MN4，电感Ld2，电感Lg以及和N型晶体管MN3连接的电感Ls以及电感Lgnd组成。

其连接关系为：第一主放大器电路I中的晶体管MN1和晶体管MN2相连接的点经过电容C1作为第二主放大器电路II的输入；电感Lgnd接地GND；电感Ld2接电源VDD；MN3的栅极经过R2接电源Vb2；MN4的栅极经过R4接电源Vb4；MN4的栅极所接的电容C3接地。

当输出网络处于谐振点时，输出负载可以等效为一个实性阻抗进行分析。电容C1和晶体管MN3的C3构成分压网络，可以通过调节C1的电容值调节M2输入信号的强度，进而可以改善输出电压的幅度平衡。电感Ls连接着晶体管MN1和晶体管MN3的源极，一方面该电感可用于实现第一主放大电路I的输入端口阻抗匹配，另一方面构成了一个负反馈网络，有助于提高电路模块的稳定性，同时该电感Ls也引入了一个延时网络，可以有助于改善两路输出信号RF_outp和RF_outn的相位特性。

负反馈电路III是图2中详细给出的交流信号加法器电路原理图，该设计思想基于运放，通过运算得出两路输出信号的差值反馈到输入端用于调整两路输出信号的平衡性。N型晶体管(MN5和MN6)和P型晶体管(MP1和MP2)以及电容C7和电阻R5构成了负反馈网络的电路。晶体管MN5的栅极通过电容C5和C6分别连接输出端口RF_outp和RF_outn，输出端口一方面通过电容C4和主放大器电路II中MN3管的栅极相连，另一方面通过电容C7和电阻R5反馈至MN5的栅极。

以0.18um CMOS工艺为例，晶体管全用MOS管，电源电压为1.8V，主体电路消耗电流4mA，本实用新型具体实施例子的电路计算结果如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。

图4(a)为差分输出信号的平衡性频率变化曲线，从图中可以看出，在2.492GHz频段，有源巴伦差分输出的相位差小于1°，输出幅度差小于0.1dB完全满足一般系统对于差分信号平衡性要求(幅度误差小于5％，相位误差小于5°)。

图4(b)为射频低噪声放大器的功率增益和输入反射系数曲线，从图中可知，增益达到15dB左右，同时，该电路匹配程度良好，在2.492GHz频段输入反射系数S11＜-28dB。

从图4(c)可知，在2.492GHz频段，整个低噪声放大器的噪声系数小于1.5dB，噪声系数达到了1.065dB，具有很好的噪声性能。

通过以上具体实施实例的计算结果分析可知，本实用新型所设计的单端输入、差分输出的射频低噪声放大器总体指标如下表1：

表1

本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均属于本实用新型保护的范围之内。

Claims

1.一种单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征在于：包括单端输入的第一主放大电路I、单端输入的第二主放大电路II和辅助调节平衡性的负反馈电路III；所述负反馈电路III是交流信号加法器；

2.根据权利要求1所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是所述晶体管MN3的源极与地之间的隔离方式是晶体管MN3的源极与地之间连接接地电感Lgnd。

3.根据权利要求1所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是所述作为负反馈电路的交流信号加法器包括：N型晶体管MN5、MN6、MN7，P 型晶体管MP1和MP2，电容C7和电阻R5；

所述晶体管MP2的源极作为负反馈电路的输出端口，该输出端口一方面通过耦合电路和第二主放大器电路II中晶体管MN3的栅极相连，另一方面依次经过电阻R5和电容C7反馈至晶体管MN5的栅极。

4.根据权利要求3所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是所述晶体管MN5的栅极连接的耦合电路是电容。

5.根据权利要求3所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是所述负反馈电路的输出端口连接的耦合电路是电容。

6.根据权利要求1或3所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是射频信号阻断电路是起阻断射频信号作用的高阻值电阻。

7.根据权利要求3所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是电感Ld1和Ld2是相同的，晶体管MN1和MN3尺寸相同，晶体管MN2和MN4尺寸相同，晶体管MN5和MN6尺寸相同，晶体管MP1和MP2尺寸相同。

8.根据权利要求1或3或7所述的单端输入差分输出的射频低噪声放大器，其特征是第一主放大电路I、第二主放大电路II和负反馈电路III全都集成在一块芯片里，射频输入信号RF_in和输出信号RF_outp、RF_outn是通过金属键合线与外部电路相连，在芯片内部是与负反馈电路III直接连接；电源VDD和地线GND分别通过金属键合线与片外的电源和地分别相连。