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CN116566332A - 一种低功耗宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种低功耗宽带低噪声放大器 Download PDF

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CN116566332A
CN116566332A CN202310372982.6A CN202310372982A CN116566332A CN 116566332 A CN116566332 A CN 116566332A CN 202310372982 A CN202310372982 A CN 202310372982A CN 116566332 A CN116566332 A CN 116566332A
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low
amplifier
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岳宏卫
韦善于
韦家锐
罗育豪
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Guilin University of Electronic Technology
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Guilin University of Electronic Technology
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Abstract

本发明公开了一种低功耗宽带低噪声放大器，包括偏置电路、输入级放大器、输出级缓冲放大器；所述偏置电路由电流镜组成；所述输入级放大器由电流复用结构、电流分流和跨导增强结构、并联电阻负反馈结构组成；所述输出级缓冲放大电路由共源缓冲结构、电流复用和噪声抵消结构组成。本发明创新型的提出两路电流复用和两路噪声抵消，并采用及间电容抵消。通过上述方式，能够提升电路各路电流的使用效率，在不增加额外的电流情况下，有效提高电路增益和噪声等性能，另一方面的，优化反馈支路，提高增益平坦度，拓展带宽。

Description

一种低功耗宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体是涉及一种低功耗宽带低噪声放大器。
背景技术
随着高速率无线通信技术、物联网传感网络和雷达通信等应用的快速发展，使得无线通信设备的便携化、低功耗、低成本和高性能成为研究热点。高集成度的射频收发芯片的应用大幅度提升了移动通信设备的性能。射频接收机前端关键模块作为通信系统中高功耗的模块之一，降低其功耗是实现整个通信系统低功耗的关键。为了应对高速率无线通信技术、物联网传感网络和雷达通信、全球定位系统、WIFI、卫星链路等应用的快速发展，要求射频接收前端芯片具有宽带宽、低功耗和低噪声等特点。
低噪声放大器作为射频接收机第一级的有源模块，其电路性能往往能影响到整个系统的好坏。低噪声放大器将输入信号放大，在放大射频有用信号的同时也能有效降低其噪声系数和提高线性性能，从而使得进一步得信号处理对噪声不再敏感。其性能的关键性能是将无失真的放大信号送到信号处理单元，同时不增加额外的噪声。此外，低功耗对于低噪声放大器也是一个重要指标，低功耗主要表现在低电流和低电压，但是降低电路功耗会不同程度地恶化电路增益、噪声系数性能。
低噪声放大器低功耗主要通过降低工作电压和减小工作电流的使用实现。包括的技术有降低阈值电压技术和电流复用技术以及门控电源技术等，降低阈值电压主要通过前向衬底偏置使得衬底和源极的电压差变大，实现减小晶体管的阈值电压效果，但是这会使得电路的增益和噪声系数等性能变差；电流复用能够实现用一路电流实现多路电路工作，其核心思想是保持等效跨导不变情况下降低电路的电路使用率，在无需牺牲增益和噪声系数等性能时实现低功耗设计。但是这样会降低电路模块间的隔离度，可能存在串扰、信号耦合等问题。
常用的低噪声放大器的结构有共源放大器结构和共栅放大器结构。共源放大器的特点是高输入阻抗，这使得从信号源到共源输入端需要高阶的匹配网络拓展带宽，但是引入高阶匹配网络会使得有源器件的使用增加，增大了电路噪声系数和芯片面积。共栅放大器结构是低输入阻抗、高输出阻抗电路，但是该结构的噪声较大、增益较低。对于无线网络通信、卫星链路通信等应用，低功耗的低噪声放大器的设计是实现低功耗射频收发系统的关键，但是功耗和增益、线性度、噪声系数等性能往往不能完美实现，低功耗和低噪声、高线性度等高性能指标存在一定的折中关系。因此需要研究在低供电电压情况下如何实现高增益、低噪声系数、宽带宽的放大器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗宽带低噪声放大器，能够提升电路各路电流的使用效率，在不增加额外的电流情况下，有效提高电路增益和噪声等性能，另一方面的，优化反馈支路，提高增益平坦度，拓展带宽。
针对现有技术和上述不足之处，本发明通过以下设计方案来实现：
一种低功耗宽带低噪声放大器，包括偏置电路、输入级放大器和输出级缓冲放大器；所述偏置电路包括第一晶体管和第二晶体管组成的电流产生结构，以及由第一电阻和第二电阻组成的电流缓冲结构；所述的输入级放大电路包括由第三晶体管和第四晶体管组成的共源共栅电流复用放大电路结构，在此基础上，增加第五晶体管与第三晶体管组成互补式共源放大结构，由第一电感、第一电容和第二电容组成输入匹配网络，由第二电感作为输入级放大电路负载同时与第三电感组成输出匹配网络，以及由第三电容和第三电阻组成电路并联负反馈结构；所述的输出级缓冲放大器由电流源接法的共源放大结构的第六晶体管和共漏缓冲第七晶体管组成带放大的缓冲电路结构，由第四电感组成的第六晶体管和第七晶体管间的匹配，由第四电容组成的电容抵消反馈结构，以及由第五电容组成的隔离直流信号结构。所述的第三晶体管与第四晶体管、第五晶体管的直流电流复用；所述的第六晶体管和第七晶体管的直流电流复用。
进一步的是，所述的输入级放大电路中的第一电感与第一电容的连接端与第二电阻的一端相连接，第三电感的一端与第三电阻的一端连接后与第七晶体管的栅极相连接，第三晶体管的栅极与第六晶体管的栅极相连接；所述的输出级缓冲放大器中的第四电容的一端与第三晶体管的漏极相连接；所述的偏置电路为第三晶体管和第六晶体管的栅极提供偏置电压。
进一步的是，所述的偏置电路中的第一晶体管采用漏极和栅极相连接，同时与第二电阻的另一端相连；所述的第二晶体管采用电流源接法，第二晶体管的漏极与第一晶体管的漏极、栅极相连接，第一电阻的一端与第二晶体管的栅极相连接，第一电阻的另一端与外部电压Vpb1相连接。
进一步的是，所述的输入级放大电路中的第三晶体管和第四晶体管组成共源共栅结构电路，第三晶体管的漏极和第四晶体管的源极相连后与第五晶体管的漏极相连接，第一电感的另一端与第三晶体管的栅极相连接，第四晶体管的漏极与第二电感的一端相连后与第三电感的另一端相连接，第三电容的一端与第三电阻的另一端相连接，另一端与第一电感和第一电容的连接端相连接，第二电容的一端和第一电容的另一端连接后与信号输入端相连接，另一端与第五晶体管的栅极相连接，第四电阻的一端与第二晶体管的栅极相连接，另一端与外部电压Vpb2相连接。
进一步的是，所述的输出级缓冲放大器中的第四电感组成第六晶体管和第七晶体管的极间匹配，第四电感的一端与第六晶体管的漏极相连接，另一端与第七晶体管的源极相连接，第四电容的一端与第三晶体管的漏极相连接，另一端与第七晶体管的源极相连接，第五电容的一端与第七晶体管的源端相连接，另一端与信号输出端相连接。
进一步的是，所述的第一晶体管、第三晶体管和第六晶体管的衬底极和源极相连到地信号端，第二晶体管和第五晶体管的衬底极和源极相连接到电源信号端，第四晶体管的衬底极与地信号端相连接，第七晶体管的衬底极与源极相连接。
本发明的有益效果是：本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器，具有以下优点：第一，本发明提出了一种电流复用结构，在电路中两次使用电流复用技术，在不增加额外的电流情况下提高电路增益和降低电路噪声系数；第二，本发明提出了一种并联电流分流电路结构，减小放大电路的负载电压差，同时实现信号放大和提高电路等效输入跨导；第三，本发明提出了寄生电容抵消结构，降低寄生电容对电路影响，有效降低输入反射系数，同时创新性的在共源共栅电路中采用并联反馈技术降低等效输入阻抗，提高电路增益平坦度，电路增益平坦度为±0.19dB，结合电流复用技术实现噪声抵消技术，有效降低噪声，频带内电路噪声小于1.2dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明中记录的一些实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出掺创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他得附图。
图1是本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器的电路结构示意图；
图2为本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器的部分S参数的仿真结果；
图3为本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器的增益的仿真结果；
图4为本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果；
图5为本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器的稳定性仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施方式详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示个根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性，并且不限于这些实施方式。
此外，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1至图5，本发明实施例包括：
如图1所示，本发明实施例包括：本发明提供的一种低功耗宽带低噪声放大器包括偏置电路100、输入级放大电路200和输出级缓冲放大器300。
本发明由两级放大器组成，其中输入级放大电路200为结合互补式共源结构的共源共栅放大器。输出级缓冲放大器300是共漏放大器结构的输出缓冲结合共源放大器的放大器。输入级放大电路200和输出级缓冲放大器300共用偏置电路100提供的直流偏置电压。
本发明的偏置电路100为电流镜结构的偏置电路。基于电流源接法的102与电流复制晶体管第一晶体管(101)组成，103和第二电阻(104)采用大阻值的电阻，实现减小电流镜电路的阻抗影响输入阻抗以及减小由电流镜引入的额外噪声。
本发明的输入级放大电路200为共源共栅放大器，采用结合互补式共源结构的共源共栅结构。共源共栅放大器结构是电流复用结构，在不增加电流之路的情况下实现高增益和良好的隔离性能，减小后级电路对前级电路的影响，在共源共栅结构上，结合互补式共源结构即在共源共栅结构上的共栅晶体管第四晶体管(202)并联P型共源结构的第五晶体管(203)，实现并联分流效果，降低负载第二电感(205)上的电压降，加入第五晶体管(203)还实现了提高输入等效跨导、提高电路增益的效果。输入信号通过第一电容(207)和第二电容(208)流入第三晶体管(201)和第五晶体管(203)放大，再由第四晶体管(202)的源极输入到第四晶体管(202)实现共栅结构放大。第一电感(204)和第三电感(206)主要为了提高匹配网络性能，有利于提高电路带宽。第一电容(207)和第二电容(208)主要用于隔离直流电压的对输入信号的影响，同时和第一电感(204)组成输入匹配网络。第二电感(205)作为输入级放大器的负载和电路峰化电感，引入零点与极点抵消，有利于抑制高频处的增益滚降，实现拓展电路带宽效果。第三电容(209)和第三电阻(210)组成并联电阻电容负反馈，并联反馈通过引入电阻增加输入阻抗的实部来调节电路稳定性，拓宽带宽，使得工作频带内增益更加平坦，同时把第三晶体管(201)的电流噪声通过反相放大后在输出端达到噪声抵消效果，实现降低噪声系数。
本发明的输入级放大电路300为输出缓冲放大器，采用共源级放大器和输出缓冲器的缓冲组成，由第六晶体管(301)和第七晶体管(302)组成。其中第六晶体管(301)为共源级放大器结构，第七晶体管(302)为共漏级放大器结构，第六晶体管(301)漏极通过第四电感(303)与第七晶体管(302)的源极相连，第六晶体管(301)的源极与第三晶体管(201)的栅极相连，输入信号通过第一电容(207)和第一电感(204)后流入第六晶体管(301)后放到输出端，同时地，并联反馈电阻电容结构反馈回来的反向的第三晶体管(201)电流噪声通过第六晶体管(301)再次反向，反向的噪声信号在输出端与原始的第三晶体管(201)电流噪声叠加，实现噪声抵消效果。第四电感(303)作为峰化电感用于拓展电路带宽，第四电容(304)的一端与第三晶体管(201)的漏极相连接，另一端与第七晶体管(302)的源极相连接，抵消晶体管固有的寄生电容，有效降低输入反射系数。第五电容(305)作为输出匹配网络的一部分实现隔离直流电源的效果，减小对下一级电路影响。
本发明实施例用于WIFI-6(5G频段和6G频段)，工作频带为4.98GHz～7.58GHz。需要说明的是，实施例的工作频带仅为示例，不作为具体工作频率的限制，实际设计中，本发明可适用于不同频段。
本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器涉及的应用领域包括：无线通信技术、物联网传感网络和雷达通信、全球定位系统、WIFI、卫星链路等。本发明提出了一种电流复用结构，在电路中两次使用电流复用技术，在不增加额外的电流情况下提高电路增益和降低电路噪声系数；本发明提出了一种并联电流分流电路结构，减小放大电路的负载电压差，同时实现信号放大和提高电路等效输入跨导；本发明提出了寄生电容抵消结构，降低寄生电容对电路影响，有效降低输入反射系数，同时创新性的在共源共栅电路中采用并联反馈技术降低等效输入阻抗，提高电路增益平坦度，电路增益平坦度为±0.05dB，结合电流复用技术实现噪声抵消技术，有效降低噪声，频带内电路噪声小于1.2dB。基于以上述提出的技术，本发明最终实现了低功耗、低噪声系数、高增益和宽带宽的低噪声放大器。
低功耗宽带低噪声放大器的电源电压为1V，消耗的功率为4.8mW。
图2是低功耗宽带低噪声放大器的部分S参数的仿真结果。该低噪声放大器在输入反射系数S11在4.812GHz～8.129GHz内均小于-10dB，输出反射系数S22在2.485GHz～7.886GHz内均小于-10dB，S12在整个频带内最大值为-26.17dB。
图3是低功耗宽带低噪声放大器的增益的仿真结果。该低噪声放大器的增益S21在4.98HGHz～7.58GHz频带内最大值为21.76dB，频带内平坦度为±0.19dB。
图4是低功耗宽带低噪声放大器的噪声系数的仿真结果。该低噪声放大器的噪声系数NF在4.98HGHz～7.58GHz频带内小于1.2dB，噪声系数在频带内最小值为1.13dB，最小噪声系数在频带内的最小值为1.03dB。
图5是低功耗宽带低噪声放大器的稳定性仿真结果。该低噪声放大器的稳定系数KF在4.98HGHz～7.58GHz频带内大于1，表明系统稳定。
本发明的一种低功耗宽带低噪声放大器，具有以下优点：
第一，本发明提出了一种电流复用结构，在电路中两次使用电流复用技术，在不增加额外的电流情况下提高电路增益和降低电路噪声系数；
第二，本发明提出了一种并联电流分流电路结构，减小放大电路的负载电压差，同时实现信号放大和提高电路等效输入跨导；
第三，本发明提出了寄生电容抵消结构，降低寄生电容对电路影响，有效降低输入反射系数，同时创新性的在共源共栅电路中采用并联反馈技术降低等效输入阻抗，提高电路增益平坦度，电路增益平坦度为±0.19dB，结合电流复用技术实现噪声抵消技术，有效降低噪声，频带内电路噪声小于1.2dB。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于包括偏置电路(100)、输入级放大电路(200)和输出级缓冲放大器(300)；所述偏置电路(100)包括第一晶体管(101)和第二晶体管(102)组成的电流产生结构，以及由第一电阻(103)和第二电阻(104)组成的电流缓冲结构；所述的输入级放大电路(200)包括由第三晶体管(201)和第四晶体管(202)组成的共源共栅电流复用放大电路结构，在此基础上，增加第五晶体管(203)与第三晶体管(201)组成互补式共源放大结构，由第一电感(204)、第一电容(207)和第二电容(208)组成输入匹配网络，由第二电感(205)作为输入级放大电路(200)负载同时与第三电感(206)组成输出匹配网络，以及由第三电容(209)和第三电阻(210)组成电路并联负反馈结构；所述的输出级缓冲放大器(300)由电流源接法的共源放大结构的第六晶体管(301)和共漏缓冲第七晶体管(302)组成带放大的缓冲电路结构，由第四电感(303)组成的第六晶体管(301)和第七晶体管(302)间的匹配，由第四电容(304)组成的电容抵消反馈结构，以及由第五电容(305)组成的隔离直流信号结构。所述的第三晶体管(201)与第四晶体管(202)、第五晶体管(203)的直流电流复用；所述的第六晶体管(301)和第七晶体管(302)的直流电流复用；
所述的输入级放大电路(200)中的第一电感(204)与第一电容(207)的连接端与第二电阻(104)的一端相连接，第三电感(206)的一端与第三电阻(210)的一端连接后与第七晶体管(302)的栅极相连接，第三晶体管(201)的栅极与第六晶体管(301)的栅极相连接；所述的输出级缓冲放大器(300)中的第四电容(304)的一端与第三晶体管(201)的漏极相连接；所述的偏置电路(100)为第三晶体管(201)和第六晶体管(301)的栅极提供偏置电压。
2.根据权利要求1所述的低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的偏置电路(100)中的第一晶体管(101)采用漏极和栅极相连接，同时与第二电阻(104)的另一端相连；所述的第二晶体管(102)采用电流源接法，第二晶体管(102)的漏极与第一晶体管(101)的漏极、栅极相连接，第一电阻(103)的一端与第二晶体管(102)的栅极相连接，第一电阻(103)的另一端与外部电压Vpb1相连接。
3.根据权利要求1所述的低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的输入级放大电路(200)中的第三晶体管(201)和第四晶体管(202)组成共源共栅结构电路，第三晶体管(201)的漏极和第四晶体管(202)的源极相连后与第五晶体管(203)的漏极相连接，第一电感(204)的另一端与第三晶体管(201)的栅极相连接，第四晶体管(202)的漏极与第二电感(205)的一端相连后与第三电感(206)的另一端相连接，第三电容(209)的一端与第三电阻(210)的另一端相连接，另一端与第一电感(204)和第一电容(207)的连接端相连接，第二电容(208)的一端和第一电容(207)的另一端连接后与信号输入端相连接，另一端与第五晶体管(203)的栅极相连接，第四电阻(211)的一端与第二晶体管(102)的栅极相连接，另一端与外部电压Vpb2相连接。
4.根据权利要求1所述的低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的输出级缓冲放大器(300)中的第四电感(303)组成第六晶体管(301)和第七晶体管(302)的极间匹配，第四电感(303)的一端与第六晶体管(301)的漏极相连接，另一端与第七晶体管(302)的源极相连接，第四电容(304)的一端与第三晶体管(201)的漏极相连接，另一端与第七晶体管(302)的源极相连接，第五电容(305)的一端与第七晶体管(302)的源端相连接，另一端与信号输出端相连接。
5.根据权利要求1所述的低功耗宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的第一晶体管(101)、第三晶体管(201)和第六晶体管(301)的衬底极和源极相连到地信号端，第二晶体管(102)和第五晶体管(203)的衬底极和源极相连接到电源信号端，第四晶体管(202)的衬底极与地信号端相连接，第七晶体管(302)的衬底极与源极相连接。
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CN116865696A (zh) * 2023-09-04 2023-10-10 四川益丰电子科技有限公司 一种低功耗高增益低噪声差分放大电路

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