CN108923756A - 一种高性能折叠式差分转单端放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及差分放大器，具体涉及一种高性能折叠式差分转单端放大器，包括输入单元，输入单元的正输入端Vin+及负输入端Vin‑分别与差分射频输入信号的正负两端相连，与输入单元交叉耦合连接的用于提供直流电流通路，同时对差分射频输入信号进行扼流的扼流单元，与输入单元相连的用于对输入信号进行滤波的滤波单元，与滤波单元相连的用于对滤波后的信号进行放大的放大单元，与放大单元相连的用于将差分射频信号转换为单端射频信号输出的巴伦单元，巴伦单元的初级线圈LP和次级线圈LS通过对称互绕构成变压器巴伦；本发明所提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的不能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗，提高放大器的增益和隔离度的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及差分放大器，具体涉及一种高性能折叠式差分转单端放大器。
背景技术
在各类无线电发射机中，射频前端的放大器一般为单端结构，即射频信号从单端输入端进入，从单端输出端送出。但是单端结构的放大器容易受到键合线的影响，导致增益出现衰减，因此无线电发射机会采用差分结构解决上述问题。但是发射机的输出端连接的是单端天线，所以发射机的射频前端需要有一个差分转单端放大器，并且希望该放大器有一定的增益、较宽的带宽和较好的相位平衡度。
共栅结构放大器广泛应用于宽带放大器的设计中，主要原因是其具有宽带输入匹配特性，传统的共栅结构放大器电路如图2所示。信号由晶体管M1、M2源极输入，通过调整M1、M2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经M1、M2的电流大小，进而改变M1、M2的跨导gm，使其输入阻抗与50Ω天线匹配。通过调整负载电阻R1和R2的阻值大小，可以获得不同的电压增益。该结构具有较宽的输入带宽和增益带宽。但是，传统的共栅结构放大器具有以下缺点：
第一是功耗大，传统的共栅结构放大器的输入阻抗近似为1/(gm+gmb)，其中gm为输入晶体管跨导，gmb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50Ω天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入管的跨导，使上式近似等于50Ω。
第二是增益低，传统的共栅结构放大器的增益很大程度上取决于负载阻抗的大小，但是大电阻负载会带来过多的压降，降低电压余度及线性度；而大感值负载电感既增加了芯片面积又会导致电路呈现窄带增益特性。
第三是隔离度差，由于传统的共栅结构放大器的隔离度较差，会导致输出端信号返回到输入端，难以满足***对隔离度指标的要求。
在共栅结构放大器的基础上，一般会利用LC巴伦替换负载电阻实现差分转单端的功能，但是LC巴伦具有选频滤波特性，会造成带宽变窄、相位平衡度变差，此外LC巴伦的衰减较大，因此该结构的差分转单端放大器的性能较差，不适用于无线电发射机射频前端。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种高性能折叠式差分转单端放大器，能够有效克服现有技术所存在的不能在保证宽带特性基础上，降低放大器的功耗，提高放大器的增益和隔离度的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高性能折叠式差分转单端放大器，包括输入单元，所述输入单元的正输入端Vin+及负输入端Vin-分别与差分射频输入信号的正负两端相连，与所述输入单元交叉耦合连接的用于提供直流电流通路，同时对差分射频输入信号进行扼流的扼流单元，与所述输入单元相连的用于对输入信号进行滤波的滤波单元，与所述滤波单元相连的用于对滤波后的信号进行放大的放大单元，与所述放大单元相连的用于将差分射频信号转换为单端射频信号输出的巴伦单元，所述巴伦单元的初级线圈LP和次级线圈LS通过对称互绕构成变压器巴伦。
优选地，所述输入单元的NMOS管M1、M2的源级分别与差分射频输入信号的Vin+、Vin-相连。
优选地，所述交叉耦合连接为扼流单元的电感L1、L2分别与输入单元NMOS管M1、M2的源级相连，NMOS管M1、M2的栅极串联电阻R1、R2后连接到偏置电压VB1，NMOS管M1、M2的栅极串联电容C2、C1后分别连接到M2、M1的源级。
优选地，所述NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电感L3、L4到放大单元NMOS管M3、M4的源级，同时NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电容C5、C6到放大单元NMOS管M3、M4的栅极。
优选地，所述放大单元NMOS管M3、M4的源级分别连接电容C7、C8至GND，NMOS管M3、M4的栅极串联电阻R3、R4后连接到偏置电压VB2。
优选地，所述放大单元NMOS管M3、M4的漏极分别连接巴伦单元初级线圈LP的两端，初级线圈LP的中心抽头连接电源电压VDD，巴伦单元次级线圈LS的一端接地，次级线圈LS的另一端为放大器的输出端，输出单端射频信号。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种高性能折叠式差分转单端放大器在实现50Ω输入阻抗匹配的要求下，可以大幅度降低功耗；使用变压器巴伦作为放大器的负载，不会产生过大的压降，同时交叉耦合技术可以提高MOS管等效的跨导gm和gmb，也能提高电压增益；采用电流复用技术，相当于两级放大电路，可以大大提高放大器的隔离度，相比于单级放大电路，隔离度可从原先的30dB提高至65dB；将变压器巴伦作为共栅放大器的负载，既可以得到较宽的增益带宽和输入匹配带宽，也可以得到较高的相位平衡度。
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为本发明***结构示意图；
图2为传统的共栅结构放大器电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
一种高性能折叠式差分转单端放大器，如图1所示，包括输入单元，输入单元的正输入端Vin+及负输入端Vin-分别与差分射频输入信号的正负两端相连，与输入单元交叉耦合连接的用于提供直流电流通路，同时对差分射频输入信号进行扼流的扼流单元，与输入单元相连的用于对输入信号进行滤波的滤波单元，与滤波单元相连的用于对滤波后的信号进行放大的放大单元，与放大单元相连的用于将差分射频信号转换为单端射频信号输出的巴伦单元，巴伦单元的初级线圈LP和次级线圈LS通过对称互绕构成变压器巴伦。
输入单元的NMOS管M1、M2的源级分别与差分射频输入信号的Vin+、Vin-相连。
交叉耦合连接为扼流单元的电感L1、L2分别与输入单元NMOS管M1、M2的源级相连，NMOS管M1、M2的栅极串联电阻R1、R2后连接到偏置电压VB1，NMOS管M1、M2的栅极串联电容C2、C1后分别连接到M2、M1的源级。
NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电感L3、L4到放大单元NMOS管M3、M4的源级，同时NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电容C5、C6到放大单元NMOS管M3、M4的栅极。
放大单元NMOS管M3、M4的源级分别连接电容C7、C8至GND，NMOS管M3、M4的栅极串联电阻R3、R4后连接到偏置电压VB2。
放大单元NMOS管M3、M4的漏极分别连接巴伦单元初级线圈LP的两端，初级线圈LP的中心抽头连接电源电压VDD，巴伦单元次级线圈LS的一端接地，次级线圈LS的另一端为放大器的输出端，输出单端射频信号。
差分射频输入信号通过输入单元输入，对于共栅结构的放大电路，其输入阻抗约为1/(gm+gmb)，gm为共栅极晶体管的跨导，gmb为共栅极晶体管衬底B到源极S的电位差带来的等效跨导。
本实施例在输入端进行了交叉耦合连接，即NMOS管M1、M2的栅极串联电容C2、C1后分别连接M2、M1的源级，该连接方式为交叉耦合连接。此时，输入单元中的NMOS管对应的等效gm、gmb分别增加为2gm、2gmb，这种连接方式使得功耗降低一半。同时，由于采用了电流复用技术，在保持功耗不变的情况下，使得信号电流经放大单元再一次放大。相比传统共栅结构放大器完成50Ω输入匹配，在相同电源电压下，本技术方案工作电流降低为传统共栅结构放大器的一半。同时，交叉耦合连接方式和电流复用技术可以有效提高放大器的增益。
NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电感L3、L4到放大单元NMOS管M3、M4的源级，同时NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电容C5、C6到放大单元NMOS管M3、M4的栅极，放大单元NMOS管M3、M4的源级分别连接电容C7、C8到地。这种连接方法保证了输入单元产生的信号电流可以经过放大单元形成二次放大，因而两级放大电路保证了输出端对输入端较好的隔离性。
本发明所提供的一种高性能折叠式差分转单端放大器在实现50Ω输入阻抗匹配的要求下，可以大幅度降低功耗；使用变压器巴伦作为放大器的负载，不会产生过大的压降，同时交叉耦合技术可以提高MOS管等效的跨导gm和gmb，也能提高电压增益；采用电流复用技术，相当于两级放大电路，可以大大提高放大器的隔离度，相比于单级放大电路，隔离度可从原先的30dB提高至65dB；将变压器巴伦作为共栅放大器的负载，既可以得到较宽的增益带宽和输入匹配带宽，也可以得到较高的相位平衡度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：包括输入单元，所述输入单元的正输入端Vin+及负输入端Vin-分别与差分射频输入信号的正负两端相连，与所述输入单元交叉耦合连接的用于提供直流电流通路，同时对差分射频输入信号进行扼流的扼流单元，与所述输入单元相连的用于对输入信号进行滤波的滤波单元，与所述滤波单元相连的用于对滤波后的信号进行放大的放大单元，与所述放大单元相连的用于将差分射频信号转换为单端射频信号输出的巴伦单元，所述巴伦单元的初级线圈LP和次级线圈LS通过对称互绕构成变压器巴伦。
2.根据权利要求1所述的高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：所述输入单元的NMOS管M1、M2的源级分别与差分射频输入信号的Vin+、Vin-相连。
3.根据权利要求1所述的高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：所述交叉耦合连接为扼流单元的电感L1、L2分别与输入单元NMOS管M1、M2的源级相连，NMOS管M1、M2的栅极串联电阻R1、R2后连接到偏置电压VB1，NMOS管M1、M2的栅极串联电容C2、C1后分别连接到M2、M1的源级。
4.根据权利要求3所述的高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：所述NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电感L3、L4到放大单元NMOS管M3、M4的源级，同时NMOS管M1、M2的漏极分别连接滤波单元的电容C5、C6到放大单元NMOS管M3、M4的栅极。
5.根据权利要求4所述的高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：所述放大单元NMOS管M3、M4的源级分别连接电容C7、C8至GND，NMOS管M3、M4的栅极串联电阻R3、R4后连接到偏置电压VB2。
6.根据权利要求5所述的高性能折叠式差分转单端放大器，其特征在于：所述放大单元NMOS管M3、M4的漏极分别连接巴伦单元初级线圈LP的两端，初级线圈LP的中心抽头连接电源电压VDD，巴伦单元次级线圈LS的一端接地，次级线圈LS的另一端为放大器的输出端，输出单端射频信号。
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| CN201810676832.3A CN108923756A (zh) | 2018-06-27 | 2018-06-27 | 一种高性能折叠式差分转单端放大器 |
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| CN201810676832.3A CN108923756A (zh) | 2018-06-27 | 2018-06-27 | 一种高性能折叠式差分转单端放大器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022089393A1 (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 锐石创芯(深圳)科技股份有限公司 | 射频差分放大电路和射频模组 |
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2018
- 2018-06-27 CN CN201810676832.3A patent/CN108923756A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| WO2022089393A1 (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 锐石创芯(深圳)科技股份有限公司 | 射频差分放大电路和射频模组 |
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