CN112653397A - 一种宽带跨导增强型低噪声放大器 - Google Patents

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康凯
熊宇航
吴韵秋
赵晨曦
刘辉华
余益明
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Abstract

本发明属于无需通信技术领域，提供一种宽带跨导增强型低噪声放大器，用以克服现有传统gm‑boost低噪声放大器存在的带宽较窄、增益与噪声达不到设计要求的问题。本发明采用第一级差分放大器、第二级差分放大器、第三级中和电容放大器的三级结构，两级差分放大器基于gm‑boost结构设计，相对于传统gm‑boost结构，改进了输入方式，将源极输入改变为栅极输入，增加了增益和隔离度，使其输入阻抗变化较为平缓，利于匹配得到较大带宽，同时能够降低噪声，通过两级差分放大器及最佳噪声匹配，实现了超低噪声；并且，通过两级差分放大器的差分结构设计，输入、输出及级间的变压器匹配，以及三级放大器的错峰设计，有效拓展了低噪声放大器的带宽。

Description

一种宽带跨导增强型低噪声放大器
技术领域
本发明属于无需通信技术领域，设计毫米波通信***的接收机/发射机中的放大器，具体为一种宽带跨导增强型低噪声放大器。
背景技术
随着通信技术尤其是个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已经趋于饱和，即使采用多种技术扩大通信***的容量，提高频谱的利用率，也无法满足未来通信发展的需求，因而实现高速、宽带的无线通信势必向微波高端开发新的频谱资源。毫米波由于其波长短、频带宽，可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题，因而在短距离通信中有着广泛的应用前景；而放大器是各种毫米波通信***中最关键的一环，它在接收机中将接受的弱信号放大到后端处理、在发射机中将弱信号放大到天线发射出去，而低噪声放大器作为接收机的第一个单元，其性能对整个接收机有着关键的影响。
针对低噪声放大器，为降低噪声系数(NF)及提高增益，近年来已经诞生了很多结构，其中一种结构称为gm-boost，该结构通过改变晶体管的跨导gm，从而提高增益、降低噪声。如图6(a)表示了提高晶体管gm的原理，通过在晶体管栅极和源极添加一个负反馈支路，从而改变晶体管的栅源电压Vgs；根据跨导gm的公式：
Figure BDA0002831533860000011
其中，Id表示晶体管漏极电流，Vgs表示晶体管栅源电压，Vth表示阈值电压，μn表示电子迁移率，Cox表示单位面积的栅氧化层电容，W表示晶体管的栅宽，L表示晶体管的栅长。
可以知道当Vgs改变时，gm也会改变，并且增益和gm成正比，噪声系数NF和gm成反比；该技术就是通过改变Vgs来提高gm，从而提高增益、降低噪声。如图6(b)所示为该技术具体的电路原理图，通过在栅极和源极添加一对方向相反的耦合电感，假设标记的同名端为正极性，那么原本的|Vgs|＝|(Vg-Vs)|，因为电感的耦合，导致源极电压变小，|Vs|＝|(Vs-kVg)|，k表示电感耦合系数、0<k<1；根据以上公式，可以得到耦合后的|Vgs|是增大的，并且根据gm的公式得到gm也增大，从而实现gm-boost。
在上述提到的gm-boost低噪声放大器中，通过一个负反馈支路来改变晶体管的Vgs来提高gm，从而达到提高增益和降低噪声的目的；但在实际的使用过程中依然存在以下几点问题：
(1)传统gm-boost低噪声放大器信号由源极进入，会带来一个隔离度差的问题，负载阻抗会对输入阻抗有较大的影响，从而导致阻抗变化大、难以匹配，导致带宽较窄，对于毫米波频段的应用是远远不够的；
(2)传统gm-boost低噪声放大器是基于共栅结构，由于共栅结构本身的增益低、噪声高，即使使用了gm-boost技术有时也难以达到设计要求。
发明内容
本发明的目的在于针对传统gm-boost低噪声放大器存在的带宽较窄、增益与噪声达不到设计要求的问题，提供一种宽带跨导增强型低噪声放大器。本发明改进了传统的gm-boost低噪声放大器结构，该结构改变了传统gm-boost的输入，从源极输入改变为栅极输入，这样增加了隔离度，使得输入阻抗变化平缓，利于匹配得到较大带宽；相较于传统的源极输入提高了增益，降低了噪声；并且设计为差分结构，输入、输出及级间匹配都采用变压器匹配，通过错峰设计，拓展了带宽，具有很强的工程性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种宽带跨导增强型低噪声放大器，包括依次连接的输入变压器、第一级差分放大器、第一级间变压器、第二级差分放大器、第二级间变压器、第三级中和电容放大器及输出变压器；其中，所述输入变压器采用单转差巴伦；所述第一级差分放大器与第二级差分放大器结构相同，均由两路gm-boost结构构成，每一路gm-boost结构由晶体管、以及分别连接于晶体管的栅极和源极的第一耦合电感和第二耦合电感构成，晶体管的栅极作为差分放大器的输入端、且经过第一耦合电感后连接偏置电压Vbias，晶体管的漏极作为差分放大器的输出端、且连接电源电压VDD。
进一步的，所述第一级差分放大器的具体结构为：一路gm-boost结构由晶体管M1、以及分别连接于晶体管M1的栅极和源极的耦合电感L1和L2构成，另一路gm-boost结构由晶体管M2、以及分别连接于晶体管M2的栅极和源极的耦合电感L3和L4构成，晶体管M1与晶体管M2的栅极作为第一级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L1与耦合电感L3后连接于单转差巴伦的次级线圈两端、且单转差巴伦的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M1与晶体管M2的漏极作为第一级差分放大器的输出端、分别连接于第一级间变压器的初级线圈两端、且第一级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD。
进一步的，所述第二级差分放大器的具体结构为：一路gm-boost结构由晶体管M3、以及分别连接于晶体管M3的栅极和源极的耦合电感L5和L6构成，另一路gm-boost结构由晶体管M4、以及分别连接于晶体管M4的栅极和源极的耦合电感L7和L8构成，晶体管M3与晶体管M4的栅极作为第二级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L5与耦合电感L7后连接于第一级间变压器的次级线圈两端、且第一级间变压器的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M3与晶体管M4的漏极作为第二级差分放大器的输出端、分别连接于第二级间变压器的初级线圈两端、且第二级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD。
进一步的，所述第三级中和电容放大器由晶体管M5、晶体管M6、电感L9、电感L10、电容C1及电容C2构成，电感L9与电感L10分别连接于晶体管M5与晶体管M6的源极，电容C1连接于晶体管M5的漏极与晶体管M6的栅极之间，电容C2连接于晶体管M5的栅极与晶体管M6的漏极之间，晶体管M5与晶体管M6的栅极作为第三级中和电容放大器的输入端、且连接偏置电压Vbias，晶体管M5与晶体管M6的漏极作为第三级中和电容放大器的输出端、且连接电源电压VDD。
进一步的，所述输入变压器与第一级级间变压器均采用最佳噪声匹配，所述第二级级间变压器与输出变压器均采用共轭匹配。
进一步的，所述第一级差分放大器、第二级差分放大器的增益中心频率小于低噪声放大器的中心频率，并位于工作频段的低频边带附近；且第三级中和电容放大器的增益中心频率大于低噪声放大器的中心频率，并位于工作频段的高频边带附近。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种宽带跨导增强型低噪声放大器，采用第一级差分放大器、第二级差分放大器、第三级中和电容放大器的三级放大器结构；其中，第一级差分放大器、第二级差分放大器基于gm-boost结构设计，相对于传统gm-boost结构，改进了输入方式，将源极输入改变为栅极输入，增加了增益和隔离度，使其输入阻抗变化较为平缓，利于匹配得到较大带宽，同时能够降低噪声，通过两级差分放大器及最佳噪声匹配，实现了超低噪声；并且，通过第一级差分放大器、第二级差分放大器的差分结构设计，输入、输出及级间的变压器匹配，以及三级放大器的错峰设计，有效拓展了带宽；使得本发明低噪声放大器在实现宽带和超低噪声的同时，具有很强的工程应用性。
附图说明
图1为本发明提出的宽带超低噪声的低噪声放大器的电路原理图。
图2为本发明提出gm-boost放大器的电路原理图。
图3为本发明实施例中低噪声放大器的最佳增益圆与最佳噪声圆示意图，其中，(a)为最佳增益圆，(b)为最佳噪声圆。
图4为本发明实施例中低噪声放大器错峰前后增益对比图。
图5为本发明实施例中低噪声放大器的小信号参数仿真结果图，其中，(a)为S11，(b)为S22，(c)为S21，(d)为NF。
图6为现有gm-boost结构低噪声放大器的结构示意图，其中，(a)为原理示意图，(b)为电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种宽带跨导增强型低噪声放大器，其电路原理图如图1所示；主要由3部分构成：由晶体管M1和M2构成的第一级gm-boost放大器，由晶体管M3和M4构成的第二级gm-boost放大器，及由晶体管M5和M6构成的第三级中和电容放大器；通过前两级的最佳噪声匹配和第三级中和电容放大器的错峰设计，达到超低噪声和宽带设计。
所述电路结构具体包括：输入变压器、第一级差分放大器、第一级间变压器、第二级差分放大器、第二级间变压器、第三级中和电容放大器及输出变压器；其中，
所述输入变压器采用单转差巴伦；
所述第一级差分放大器与第二级差分放大器结构相同，均采用两路gm-boost结构，以第一级差分放大器为例，一路由晶体管M1、以及分别连接于晶体管M1的栅极和源极的耦合电感L1和L2构成，另一路由晶体管M2、以及分别连接于晶体管M2的栅极和源极的耦合电感L3和L4构成，晶体管M1与晶体管M2的栅极作为第一级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L1与耦合电感L3后连接于单转差巴伦的次级线圈两端、且单转差巴伦的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M1与晶体管M2的漏极作为第一级差分放大器的输出端、分别连接于第一级间变压器的初级线圈两端、且第一级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD；同理，第二级差分放大器的结构相同，一路由晶体管M3、以及分别连接于晶体管M3的栅极和源极的耦合电感L5和L6构成，另一路由晶体管M4、以及分别连接于晶体管M4的栅极和源极的耦合电感L7和L8构成，晶体管M3与晶体管M4的栅极作为第二级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L5与耦合电感L7后连接于第一级间变压器的次级线圈两端、且第一级间变压器的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M3与晶体管M4的漏极作为第二级差分放大器的输出端、分别连接于第二级间变压器的初级线圈两端、且第二级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD；
所述第三级中和电容放大器由晶体管M5、晶体管M6、电感L9、电感L10、电容C1及电容C2构成，电感L9与电感L10分别连接于晶体管M5与晶体管M6的源极，电容C1连接于晶体管M5的漏极与晶体管M6的栅极之间，电容C2连接于晶体管M5的栅极与晶体管M6的漏极之间，晶体管M5与晶体管M6的栅极作为第三级中和电容放大器的输入端、分别连接于第二级间变压器的次级线圈两端、且第二级间变压器的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M5与晶体管M6的漏极作为第三级中和电容放大器的输出端、分别连接于输出变压器的初级线圈两端、且输出变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD；
所述输出变压器的两个输出端连接下一级模块的输入端。
从工作原理上讲：本发明改进了传统的gm-boost低噪声放大器结构，这种结构克服了原来结构隔离度差的问题，并且通过设计为两级的gm-boost低噪声放大器级联，都进行最佳噪声匹配来达到超低噪声；通过变压器匹配和错峰设计，提高了放大器的工作带宽，增强了实用性。
更为具体的讲：
(1)gm-boost的实现
由噪声的级联公式可知，低噪声放大器的第一级对整体放大器有着至关重要的影响，所以不仅噪声要低，且增益也要高才能压住后级产生的噪声；而gm的提高不仅能够提高增益还能够降低噪声，所以gm对于低噪声放大器极其关键。如图2所示为本发明的差分放大器的具体结构，其展示了本发明实现gm-boost的原理，假设图中输入信号在栅极的极性为“+”、电压为Vg，那么源极的极性也为“+”、电压为Vs，根据电感同名端的定义，图中标记的同名端的极性就为“-”，耦合电感将栅极的信号耦合到源极，那么源极的电压就变为Vs′＝Vs-kVg，可以得到等效源极电压减小，那么栅源电压差Vgs＝Vg-Vs相应的就变大，根据公式：
Figure BDA0002831533860000061
得到gm增大，即实现gm-boost。
(2)最佳噪声匹配的实现
对于放大器来说，共轭匹配能实现最大功率传输，很多匹配都是基于共轭匹配去做的，但是对于低噪声放大器来说，输入匹配往往并不是共轭匹配，如图3所示，因为最佳增益圆和最佳噪声圆是错开的，需要在增益和噪声间做一个折中；为了实现超低噪声，本发明在输入端采用最佳噪声匹配，并且在第一级级间匹配也采用最佳噪声匹配，其他级间匹配以及输出匹配均采用共轭匹配。
(3)错峰实现宽带放大器
如图4所示为本实施例中低噪声放大器错峰前后增益对比图，其中，错峰前的线段表示的是前两级差分放大器就进行了最佳噪声匹配后的增益，可以看到通过前两级的gm-boost以及最佳噪声匹配，得到的增益曲线，峰值点在23GHz，本发明设计的中心频点应该是在27GHz，所以需要通过错峰设计来实现中心频点的搬移并达到宽带效果；所谓的错峰设计就是将放大器的前后两级增益的中心频点设置在所需带宽的两边，这样一叠加就能得到一个宽且平的增益曲线；如图4中错峰后的增益曲线，可以看到错峰设计的效果很明显。
(4)小信号仿真
对本实施例提出的低噪声放大器结构进行小信号仿真，采用TSMC65nm工艺；前两级晶体管总栅宽为24×2um＝48um，第三级总栅宽为20×2um＝40um，栅长为工艺默认60nm；小信号仿真结果如图6所示，本实施例中低噪声放大器，S11在23～31GHz范围内小于-10dB，S22在23～31GHz范围内小于-10dB，低噪声放大器的3dB带宽为22.5～32.5GHz，峰值增益为24.5dB，即实现了较大的带宽和超低的噪声。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种宽带跨导增强型低噪声放大器，包括依次连接的输入变压器、第一级差分放大器、第一级间变压器、第二级差分放大器、第二级间变压器、第三级中和电容放大器及输出变压器；其中，所述输入变压器采用单转差巴伦；所述第一级差分放大器与第二级差分放大器结构相同，均由两路gm-boost结构构成，每一路gm-boost结构由晶体管、以及分别连接于晶体管的栅极和源极的第一耦合电感和第二耦合电感构成，晶体管的栅极作为差分放大器的输入端、且经过第一耦合电感后连接偏置电压Vbias，晶体管的漏极作为差分放大器的输出端、且连接电源电压VDD。
2.按权利要求1所述宽带跨导增强型低噪声放大器，其特征在于，所述第一级差分放大器的具体结构为：一路gm-boost结构由晶体管M1、以及分别连接于晶体管M1的栅极和源极的耦合电感L1和L2构成，另一路gm-boost结构由晶体管M2、以及分别连接于晶体管M2的栅极和源极的耦合电感L3和L4构成，晶体管M1与晶体管M2的栅极作为第一级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L1与耦合电感L3后连接于单转差巴伦的次级线圈两端、且单转差巴伦的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M1与晶体管M2的漏极作为第一级差分放大器的输出端、分别连接于第一级间变压器的初级线圈两端、且第一级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD。
3.按权利要求1所述宽带跨导增强型低噪声放大器，其特征在于，所述第二级差分放大器的具体结构为：一路gm-boost结构由晶体管M3、以及分别连接于晶体管M3的栅极和源极的耦合电感L5和L6构成，另一路gm-boost结构由晶体管M4、以及分别连接于晶体管M4的栅极和源极的耦合电感L7和L8构成，晶体管M3与晶体管M4的栅极作为第二级差分放大器的输入端、分别经过耦合电感L5与耦合电感L7后连接于第一级间变压器的次级线圈两端、且第一级间变压器的次级线圈中心抽头接偏置电压Vbias，晶体管M3与晶体管M4的漏极作为第二级差分放大器的输出端、分别连接于第二级间变压器的初级线圈两端、且第二级间变压器的初级线圈中心抽头接电源电压VDD。
4.按权利要求1所述宽带跨导增强型低噪声放大器，其特征在于，所述第三级中和电容放大器由晶体管M5、晶体管M6、电感L9、电感L10、电容C1及电容C2构成，电感L9与电感L10分别连接于晶体管M5与晶体管M6的源极，电容C1连接于晶体管M5的漏极与晶体管M6的栅极之间，电容C2连接于晶体管M5的栅极与晶体管M6的漏极之间，晶体管M5与晶体管M6的栅极作为第三级中和电容放大器的输入端、且连接偏置电压Vbias，晶体管M5与晶体管M6的漏极作为第三级中和电容放大器的输出端、且连接电源电压VDD。
5.按权利要求1所述宽带跨导增强型低噪声放大器，其特征在于，所述输入变压器与第一级级间变压器均采用最佳噪声匹配，所述第二级级间变压器与输出变压器均采用共轭匹配。
6.按权利要求1所述宽带跨导增强型低噪声放大器，其特征在于，所述第一级差分放大器、第二级差分放大器的增益中心频率小于低噪声放大器的中心频率，并位于工作频段的低频边带；所述第三级中和电容放大器的增益中心频率大于低噪声放大器的中心频率，并位于工作频段的高频边带。
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