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CN102946230B - 一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器 - Google Patents

一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，包括共栅放大级(1)、单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)，共栅放大级(1)的输出端与单端转差分级(2)的输入端连接，单端转差分级(2)的输出端与电容交叉耦合输出缓冲器(3)的输入端连接。本发明的预放大级和单端转差分级采用电流复用技术，用一级的电流消耗可以进行两级放大；共栅放大级提供宽带输入匹配，避免无源匹配网络；将预放大级和单端转差分级的负载阻抗分别谐振在不同频率，通过两级的增益互补实现宽频带的信号放大和单端转差分功能；在输出缓冲器中加入电容交叉耦合技术，对输出差分信号的幅度和相位进行补偿以达到差分信号的幅度和相位平衡，并增加了缓冲器的增益。

Description

一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，属于射频集成电路技术领域。
背景技术
低噪声放大器是无线传输系统中接收机的关键模块，它一般与天线相连，放大接收到的微弱信号，并尽量减少对信号的恶化。端口匹配，增益，噪声系数，功耗和线性度是低噪声放大器的主要技术参数。
接收机一般完成信号的放大和下变频功能，低噪声放大器将接收到的射频信号放大，后级接混频器将射频信号转换成中频信号。双平衡混频器本振输入端和射频输入端都采用差分对形式，双平衡混频器提供了很高的LO,RF,IF之间的隔离度，这是双平衡混频器的主要优点。因此，在射频接收机中双平衡混频器得到了广泛的使用。低噪声放大器需要提供差分形式的信号，因此低噪声放大器往往采用全差分形式。而天线往往是单端的，需要在片外用无源巴伦来进行单端转差分的转换。无源巴伦的使用会降低系统的集成度，增加系统的成本和面积，而且无源巴伦的插入损耗会直接恶化接收机的噪声系数。而高频宽带无源巴伦的插入损耗一般都较大，为了得到使用双平衡混频器的低成本的接收机，并保持较低的噪声系数，需要一种具有单端转差分功能的低噪声放大器。
为了实现单端转差分的功能，必须将输入信号转变成同相和反相的两种信号。在现有技术中使用比较普遍的有三种典型的方法来完成单端转差分功能。
第一种方法是用共栅级得到同相信号用共源级得到反相信号。这种单端转差分的电路可以直接用于电路的第一级，如申请号为201010141720.1的专利,其电路结构如图1所示，用共栅级的输入低阻抗可以提供输入匹配，而且可以通过适当的参数设计删除共栅级的噪声。该电路适用于宽带应用，但是共源放大器和共栅放大器各自消耗一路电流，用两路电流仅实现了单级增益。
第二种方法是用单级共源级得到反相信号用两级共源级得到同相信号。这种单端转差分的电路如果作为第一级，需要加一定的匹配网络才能实现输入匹配，如申请号为201210103136.6的专利,其电路结构如图2所示，利用栅极和源级的电感进行输入匹配，这些无源器件增加了器件的面积，而且共源放大的结构并不适合宽带应用。
第三种方法是用源级跟随器得到同相信号，用共源放大器得到反相信号。这种单端转差分的电路由于不提供增益，往往作为电路的最后一级，如申请号为201210103136.6的专利,其电路结构如图3所示，在共源共栅级放大之后，用有源巴伦将放大后的单端信号转化为差分信号。由于在单端转差分之前预放大级提供了一定的增益，有源巴伦的噪声可以被抑制。但是源级跟随器具有宽带性能，而共源放大器带宽较窄，这种单端转差分的方法难以应用于宽带。
发明内容
本发明为解决现有的单端输入差分输出技术中存在的增益效果较差、功耗较高以及无法应用在超宽带技术中的问题，进而提供了一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器。为此，本发明提供了如下的技术方案：
一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，包括共栅放大级(1)、单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)，共栅放大级(1)的输出端与单端转差分级(2)的输入端连接，单端转差分级(2)的输出端与电容交叉耦合输出缓冲器(3)的输入端连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明的单端转差分电路之前有预放大级，且预放大级和单端转差分级采用电流复用技术共用直流电流，用一级的电流消耗可以进行两级放大；
2、本发明的共栅放大级可以提供宽带输入匹配，避免了复杂的无源匹配网络，且提供一定的增益可以抑制后级噪声。共栅放大级还在传统共栅放大器中加入体电阻以降低噪声；
3、本发明将预放大级和单端转差分级的负载阻抗分别设计谐振在不同的频率，通过两级的增益相互补偿来实现宽频带的信号放大和单端转差分功能；
4、本发明的设计的电路结构，将单端转差分级和电容交叉耦合输出缓冲器结合起来，在单端转差分级中运用电容交叉耦合技术校正输出信号的幅度和相位的平衡性，之后用电容交叉耦合输出缓冲器再次对输出差分信号的幅度和相位的平衡性进行补偿，可以提升单端转差分性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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他的附图。
图1是现有技术中通过采用共栅级得到同相信号用共源级得到反相信号的电路结构示意图；
图2是现有技术中通过采用单级共源级得到反相信号用两级共源级得到同相信号的电路结构示意图；
图3是现有技术中通过采用源级跟随器得到同相信号用共源放大器得到反相信号的电路结构示意图；
图4是本发明的具体实施方式提供的超宽带单端输入差分输出低噪声放大器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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例，都属于本发明保护的范围。
本发明的具体实施方式提供了一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，如图1所示，包括共栅放大级(1)、单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)，共栅放大级(1)的输出端与单端转差分级(2)的输入端连接，单端转差分级(2)的输出端与电容交叉耦合输出缓冲器(3)的输入端连接。
具体的，共栅放大级(1)可采用共栅放大器M1，加入的电阻R1可以降低噪声，共栅放大器M1的源级采用电感L1接地以提供源级偏置，共栅放大器M1的漏极采用电感L2作为负载，源级输入的低阻抗可以提供宽带输入匹配；
单端转差分级(2)采用一级共源放大器M2获得反相输出，并采用两级共源放大器M2和M3获得同相输出；两级共源放大器M2和M3的源级通过电容C3接地作为交流地，使得M2和M3能够实现共源放大器的功能，两级共源放大器M2和M3的反相输出通过电容C4接到NMOS管M5的栅极，两级共源放大器M2和M3的同相输出通过电容C5耦合接到NMOS管M4的栅极，在NMOS管M4和M5的漏极用电感L3和L4作为负载，获得差分信号Vout-和Vout+，电容交叉耦合技术可以校正输出差分信号的幅度和相位的平衡性；
电容交叉耦合输出缓冲器(3)用于将同相信号Vout+接到NMOS管M7的栅极，并通过电容C7耦合接到NMOS管M8的栅极，以及将反相信号Vout-接到NMOS管M6的栅极，并通过电容C6耦合接到NMOS管M9的栅极。电容交叉耦合输出缓冲器(3)通过将传统源级跟随器中的NMOS电流源改为射频NMOS管放大器，利用电容交叉耦合技术，增加了缓冲器的增益，并对输出差分信号的幅度和相位进行补偿，可以提升差分信号的幅度和相位的平衡性能。
优选的，共栅放大级(1)的输出通过电容耦合到单端转差分级(2)，共栅放大级(1)和单端转差分级(2)通过电流复用技术共用直流电流，因此可以减少功耗，在相同的电流消耗下进行了两级放大，同时提高了增益。
优选的，共栅放大级(1)和单端转差分级(2)的负载阻抗分别谐振在不同的频率，共栅放大级(1)可在低频处提供高增益，而单端转差分级(2)则在高频处提供高增益；共栅放大级(1)和单端转差分级(2)通过级联在宽带内提供高增益。
优选的，将单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)结合，在单端转差分级(2)中用电容交叉耦合技术校正输出差分信号的幅度和相位的平衡性，并通过电容交叉耦合输出缓冲器(3)再次对输出差分信号的幅度和相位的平衡性进行补偿，以提升单端转差分性能。该技术方案提供的电路改进并未增加电流消耗，仅仅通过增加了一些电容器，便得到了更高的缓冲器级增益和更好的差分信号的幅度和相位平衡性能。
以0.13um CMOS工艺为例，晶体管全用MOS管，电源电压用1.3V,主体电路消耗电流3.5mA，缓冲器消耗电流2mA，本发明具体实施例子的电路仿真结果如下表所示：
  指标   数值   单位
  带宽   >2   GHz
  功耗   9   mW
  S11   <-10   dB
  噪声系数   <3   dB
  功率增益   >20   dB
  幅度平衡性误差   <0.1   dB
  相位平衡性误差   <0.1   Degree
采用本具体实施方式提供的技术方案，能够实现以下的技术效果：
1、本发明的单端转差分电路之前有预放大级，且预放大级和单端转差分级采用电流复用技术共用直流电流，用一级的电流消耗可以进行两级放大；
2、本发明的共栅放大级可以提供宽带输入匹配，避免了复杂的无源匹配网络，且提供一定的增益可以抑制后级噪声。共栅放大级还在传统共栅放大器中加入体电阻以降低噪声；
3、本发明将预放大级和单端转差分级的负载阻抗分别设计谐振在不同的频率，通过两级的增益相互补偿来实现宽频带的信号放大和单端转差分功能；
4、本发明的设计的电路结构，将单端转差分级和电容交叉耦合输出缓冲器结合起来，在单端转差分级中运用电容交叉耦合技术校正输出信号的幅度和相位的平衡性，之后用电容交叉耦合输出缓冲器再次对输出差分信号的幅度和相位的平衡性进行补偿，可以提升单端转差分性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，包括共栅放大级(1)、单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)，共栅放大级(1)的输出端与单端转差分级(2)的输入端连接，单端转差分级(2)的输出端与电容交叉耦合输出缓冲器(3)的输入端连接；
其中，共栅放大级(1)采用共栅放大器M1，共栅放大器M1的源极采用电感L1接地以提供源极偏置，共栅放大器M1的漏极采用电感L2作为负载；
单端转差分级(2)采用一级共源放大器M2获得反相输出，并采用两级共源放大器M2和M3获得同相输出；两级共源放大器M2和M3的源极通过电容C3接地，两级共源放大器M2和M3的反相输出通过电容C4接到NMOS管M5的栅极，两级共源放大器M2和M3的同相输出通过电容C5耦合接到NMOS管M4的栅极，在NMOS管M4和M5的漏极用电感L3和L4作为负载，获得差分信号Vout-和Vout+；
电容交叉耦合输出缓冲器(3)用于将同相信号Vout+接到NMOS管M7的栅极，并通过电容C7耦合接到NMOS管M8的栅极，以及将反相信号Vout-接到NMOS管M6的栅极，并通过电容C6耦合接到NMOS管M9的栅极。
2.根据权利要求1所述的超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，共栅放大级(1)的输出通过电容耦合到单端转差分级(2)，共栅放大级(1)和单端转差分级(2)通过电流复用技术共用直流电流。
3.根据权利要求1所述的超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，共栅放大级(1)和单端转差分级(2)的负载阻抗分别谐振在不同的频率，共栅放大级(1)和单端转差分级(2)通过级联在宽带内提供高增益。
4.根据权利要求1所述的超宽带单端输入差分输出低噪声放大器，其特征在于，将单端转差分级(2)和电容交叉耦合输出缓冲器(3)结合，在单端转差分级(2)中用电容交叉耦合技术校正输出差分信号的幅度和相位的平衡性，并通过电容交叉耦合输出缓冲器(3)再次对输出差分信号的幅度和相位的平衡性进行补偿。
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