專利名稱：單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無限通信技術領域，涉及射頻集成電路(RFIC)技術中的放大器結構設計，所設計的是ー種單端轉差分的窄帶低噪聲放大器電路結構。
背景技術：
近幾年，隨著無線通信技術的快速發展，相應產品市場不斷豐富，如尋呼機、手機、北斗衛星導航系統(RDSS)、全球定位系統(GPS)、射頻識別(RFID)、短距離無線通信和數據傳輸、數字電視(DVB)、無線局域網(WLAN)等等。這些領域對產品的性能、功耗、體積以及成本等的要求越來越高，促進了無線收發模塊朝著小型化、低功耗、低成本方向邁進，從而給產品設計帶來了極大挑戰，而射頻集成電路(RFIC)正是為應對這ー挑戰而發展起來的，成為近十年來的熱門研究領域。射頻集成電路技術將越來越多的原來由分離原件實現的無線收發功能集成到単一芯片當中，使得系統朝著高集成度方向前進，從而降低產品的成本、功耗、體積。射頻低噪聲放大器作為無線接收機中的關鍵模塊之一，它的噪聲系數決定了整個系統的噪聲性能，直接關系到系統的靈敏度。在射頻集成電路中，一般都采用差分放大器，以抑制共模噪聲，提高系統性能。而從天線進來的信號往往都是單端輸入，因此需要實現單端到差分的轉換，傳統的差分射頻低噪聲放大器需要額外的單轉雙(巴倫)模塊，許多設計都采用無源平衡轉換器連接在射頻低噪聲放大器之前，實現單端到差分的轉換，但是這種方法會引入額外的損耗，惡化系統噪聲性能。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對以上現有技術存在的缺點，提出ー種單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，主要適用北斗等通信系統，具有功耗低、噪聲低、面積小、差分輸出平衡性能較佳。本發明解決以上技術問題的技術方案是—種單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征在于包括單端輸入的第一主放大電路I、單端輸入的第二主放大電路II和輔助調節平衡性的負反饋電路III ;所述負反饋電路III是交流/[目號加法器；所述第一主放大電路I是以共源放大N型晶體管麗I和共柵放大N型晶體管麗2為核心的放大電路；所述第二主放大電路II是以共源放大N型晶體管MN3和共柵放大N型晶體管MN4為核心的放大電路；晶體管匪I和匪3的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路的控制電壓Vbl和Vb2 ;晶體管麗2和MN4的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路的控制電壓Vb3和Vb4 ；射頻輸入信號RFin交流稱合至輸入口電感Lg的信號輸入端，電感Lg的信號輸出端連接晶體管麗I的柵極；晶體管麗I的漏極和晶體管麗2的源極連接；電感Ldl的一端和晶體管匪2的漏極連接，電感Ldl的另一端連接電源VDD ；晶體管麗3的柵極通過柵源電容Cl與晶體管麗I的漏極連接，晶體管MN3的源極通過電感Ls與晶體管匪I的源極連接，晶體管匪3的漏極與晶體管MN4的源極連接，電感Ld2的一端和晶體管MN4的漏極直接相連，電感Ld2的另一端連接電源VDD ；所述晶體管麗2的漏極作為輸出端ロ RF。-，晶體管MN4的漏極作為輸出端ロRFoutn ;交流信號加法器的兩輸入端分別連接輸出端ロ RFwtp和輸出端ロ RFwtn，交流信號加法器的輸出端連接晶體管麗3的柵極，把第一主放大電路I和第二主放大電路II的兩路輸出信號的差值反饋到麗3的柵極，用于調整兩路輸出信號的平衡性；所述晶體管麗3的源極經隔離接地；所述晶體管麗 2的柵極經隔離接地；所述晶體管MN4經隔離接地。所述晶體管MN3的源極與地之間的隔離方式是晶體管MN3的源極與地之間連接接地電感Lgnd。所述作為負反饋電路的交流信號加法器包括N型晶體管匪5、MN6、匪7，P型晶體管MPl和MP2,電容C7和電阻R5 ；晶體管麗5的柵極通過耦合電路分別連接輸出端ロ RFtjutp和RFtjutn ；晶體管麗5和MN6的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路控制電壓Vb5 ;晶體管MN7的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路控制電壓Vb6 ；所述晶體管匪5的源極和MN6的源極連接，且它們的源極連接晶體管匪7的漏極；晶體管匪7的源極接地；所述晶體管MPl的漏極連接電源VDD，晶體管MPl的源極與晶體管麗5的漏極連接，晶體管MPl的源極與柵極連接；所述晶體管MP2的漏極連接電源VDD，晶體管MP2的源極與晶體管MN6的漏極連接，晶體管MPl的柵極與晶體管MP2的柵極連接；所述晶體管MP2的源極作為負反饋電路的輸出端ロ，該輸出端ロー方面通過耦合電路和第二主放大器電路II中晶體管MN3的柵極相連，另ー方面依次經過電阻R5和電容C7反饋至晶體管麗5的柵極；所述晶體管麗5的柵極連接的耦合電路是電容。所述負反饋電路的輸出端ロ連接的耦合電路是電容。射頻信號阻斷電路是起阻斷射頻信號作用的高阻值電阻。電感Ldl和Ld2是相同的，晶體管麗I和麗3尺寸相同，晶體管麗2和MN4尺寸相同，晶體管麗5和MN6尺寸相同，晶體管MPl和MP2尺寸相同。第一主放大電路I、第二主放大電路II和負反饋電路III全都集成在一塊芯片里，射頻輸入信號RFin和輸出信號RFratl^RFtjutn是通過金屬鍵合線與外部電路相連，在芯片內部是與負反饋電路III直接連接；電源VDD和地線6ND分別通過金屬鍵合線與片外的電源和地分別相連。本發明的優點是(I)相對于傳統的差分輸入輸出射頻低噪聲放大器，消除前置巴倫引入額外噪聲，從而降低系統噪聲；(2)相對于傳統的單端輸出低噪聲放大器，該電路結構具有15dB左右的功率増益；(3)相對于傳統的單端輸出低噪聲放大器，該電路結構可以對輸出信號的平衡性進行調節，在一定程度上提高了輸出平衡性；(4)相對于已有的單端輸入差分輸出射頻低噪聲放大器，該放大器基于窄帶放大器的設計理論，相對于傳統的差分對有源巴倫，該單端到差分放大電路能夠減小系統噪聲，降低功耗，提高線性度，結構緊湊，因而有利于提高整個接收機的動態范圍。
圖I是本發明的電路拓撲結構圖。圖2是具體實施中，負反饋電路圖。圖3是本發明的電路圖。圖4(a)是本發明的差分輸出信號的平衡性頻率變化曲線圖。圖4(b)是本發明的功率増益和輸入反射系數曲線圖。
圖4(c)是本發明的噪聲系數曲線圖。
具體實施例方式ー種單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，包括單端輸入的主放大電路I，還包括用于實現另一路反向等幅信號輸出的第二主放大電路II以及平衡性調節負反饋電路。第一主放大電路I為ー個窄帶的共源共柵低噪聲放大器，由共源放大N型晶體管麗I和共柵放大N型晶體管麗2組成，通過Lg和Ls阻抗匹配實現選頻。射頻信號RFln經過匹配網絡進入晶體管麗I的柵極，晶體管麗I的源極和第二主放大電路II的源極相連；晶體管MNl的漏極采用片外電感接電源。第二主放大電路II同樣為ー個共源共柵低噪聲放大器，由共源放大N型晶體管匪3和共柵放大N型晶體管MN4組成。該信號的輸入由第一主放大電路I提供，第二主放大電路II的輸入信號通過電容Cl連接第一主放大電路I進入晶體管麗I的柵極，晶體管MNl的源極和第二主放大電路II的晶體管MN3的源極相連；晶體管MN4的漏極采用片外電感接電源。電容Cl和晶體管麗3的C3構成分壓網絡，可以通過調節Cl的電容值調節M2輸入信號的強度，進而可以改善輸出電壓的幅度平衡。電感Ls連接著晶體管麗I和晶體管MN3的源極，一方面該電感可用于實現第一主放大電路I的輸入端ロ阻抗匹配，另ー方面構成了一個負反饋網絡有助于提高電路模塊的穩定性，同時該電感也引入了一個延時網絡可以有助于改善兩路輸出信號RFtjutp和RFtjutn的相位特性。另外接地電感Lgnd對于調整兩路輸出信號RFwtp和RFtjutn的平衡性也起到了有利作用。差分輸出號RFtjutp和RFwtn具有良好的平衡性，主要包含幅度和相位特性。為了進一歩改善輸出信號的平衡性，本技術方案還提出了一種作為平衡性調節負反饋電路的新的交流信號加法反饋電路(如圖2)。該平衡性調節負反饋電路的設計基于運放的思路，通過運算得出兩路輸出信號的差值反饋到輸入端用于調整兩路輸出信號的平衡性。N型晶體管(MN5和MN6)和P型晶體管(MPl和MP2)以及電容C7和電阻R5構成了反饋網絡的電路。晶體管麗5的柵極通過電容C5和C6分別連接輸出端ロ RFtjutp和RFwtn,輸出端ロ通過電容C7和電阻R5反饋至麗5的柵極。本技術方案的信號走向說明如下射頻信號RFin通過電容交流耦合至電感Lg后進入晶體管MNl的柵極(本處是采用電容CO耦合的方式，也可以采用現有技術中的其它耦合方式)；晶體管麗I的源極和晶體管麗3的源極通過電感Ls相連接；晶體管麗I的漏極通過電容Cl輸入麗3的柵極；差分信號RF。-和RFtjutn分別從第一主放大電路I的共柵放大晶體管MN2的漏極負載電感Ldl和主放大電路II的共柵放大晶體管MN4的漏極負載電感Ld2輸出；交流信號相加反饋電路由N型晶體管麗5和MN6和P型晶體管MPl和MP2以及電容C7和電阻R5構成；晶體管麗5的柵極通過電容C5和C6分別連接輸出端ロ RFtjutp和RF。-，輸出端ロ通過電容C7和電阻R5反饋至MN5的柵極。本發明的所有単元全都集成在一塊芯片里，射頻輸入信號RFin和通過金屬鍵合線與外部電路相連，輸出信號RF。.、RFwtn在芯片內部與其他電路直接相連；電源VDD和地線GND通過金屬鍵合線與片外的電源和地分別相連。
具體到本實施例中，ー種單端輸入、差分輸出的射頻低噪聲放大器，包括單端輸入的第一主放大電路I、用于實現另一路反向等幅信號輸出的第二主放大器II以及平衡性調節負反饋電路。第一主放大器電路I主要由N型晶體管麗1、N型晶體管麗2、電感Ldl、電感Lg以及和N型晶體管麗3連接的電感Ls組成。其連接關系為射頻信號RFin輸入到晶體管麗I的柵極；晶體管MNl和晶體管MN2相連接的點經過電容作為主放大器電路II的輸入端；電感Ldl接電源VDD ;麗1的柵極經過Rl接電源Vbl ;麗2的柵極經過R3接電源Vb3 ;麗2的柵極所接的電容C2接地。第二主放大器電路II主要由N型晶體管麗3，N型晶體管MN4，電感Ld2，電感Lg以及和N型晶體管麗3連接的電感Ls以及電感Lgnd組成。其連接關系為第一主放大器電路I中的晶體管MNl和晶體管MN2相連接的點經過電容Cl作為第二主放大器電路II的輸入；電感Lgnd接地GND ;電感Ld2接電源VDD ;麗3的柵極經過R2接電源Vb2 ；MN4的柵極經過R4接電源Vb4 ；MN4的柵極所接的電容C3接地。當輸出網絡處于諧振點吋，輸出負載可以等效為ー個實性阻抗進行分析。電容Cl和晶體管匪3的C3構成分壓網絡，可以通過調節Cl的電容值調節M2輸入信號的強度，進而可以改善輸出電壓的幅度平衡。電感Ls連接著晶體管匪I和晶體管匪3的源極，一方面該電感可用于實現第一主放大電路I的輸入端ロ阻抗匹配，另ー方面構成了ー個負反饋網絡，有助于提高電路模塊的穩定性，同時該電感Ls也引入了ー個延時網絡，可以有助于改善兩路輸出信號RF。-和RFwtn的相位特性。負反饋電路III是圖2中詳細給出的交流信號加法器電路原理圖，該設計思想基于運放，通過運算得出兩路輸出信號的差值反饋到輸入端用于調整兩路輸出信號的平衡性。N型晶體管(MN5和MN6)和P型晶體管(MPl和MP2)以及電容C7和電阻R5構成了負反饋網絡的電路。晶體管麗5的柵極通過電容C5和C6分別連接輸出端ロ RFtjutp和RF。-，輸出端ロー方面通過電容C4和主放大器電路II中匪3管的柵極相連，另ー方面通過電容C7和電阻R5反饋至匪5的柵極。以0. 18um CMOSエ藝為例，晶體管全用MOS管，電源電壓為I. 8V，主體電路消耗電流4mA，本發明具體實施例子的電路計算結果如圖4 (a)、圖4 (b)、圖4 (c)所示。圖4(a)為差分輸出信號的平衡性頻率變化曲線，從圖中可以看出，在2. 492GHz頻段，有源巴倫差分輸出的相位差小于1°，輸出幅度差小于0. IdB完全滿足一般系統對于差分信號平衡性要求(幅度誤差小于5%,相位誤差小于5° )。圖4(b)為射頻低噪聲放大器的功率増益和輸入反射系數曲線，從圖中可知，増益達到15dB左右，同時，該電路匹配程度良好，在2. 492GHz頻段輸入反射系數Sll <-28dB。從圖4 (c)可知，在2. 492GHz頻段，整個低噪聲放大器的噪聲系數小于I. 5dB，噪聲系數達到了 1.065dB，具有很好的噪聲性能。通過以上具體實施實例的計算結果分析可知，本發明所設計的單端輸入、差分輸出的射頻低噪聲放大器總體指標如下表I :
表I
權利要求
1.ー種單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征在于包括單端輸入的第一主放大電路I、單端輸入的第二主放大電路II和輔助調節平衡性的負反饋電路III;所述負反饋電路III是交流/[目號加法器； 所述第一主放大電路I是以共源放大N型晶體管MNl和共柵放大N型晶體管MN2為核心的放大電路；所述第二主放大電路II是以共源放大N型晶體管麗3和共柵放大N型晶體管MN4為核心的放大電路；晶體管MNl和MN3的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路的控制電壓Vbl和Vb2 ;晶體管匪2和MN4的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路的控制電壓Vb3和Vb4 ； 射頻輸入信號RFin交流耦合至輸入ロ電感Lg的信號輸入端，電感Lg的信號輸出端連接晶體管麗I的柵極；晶體管麗I的漏極和晶體管麗2的源極連接；電感Ldl的一端和晶體管匪2的漏極連接，電感Ldl的另一端連接電源VDD ； 晶體管匪3的柵極通過柵源電容Cl與晶體管匪I的漏極連接，晶體管匪3的源極通過電感Ls與晶體管匪I的源極連接，晶體管匪3的漏極與晶體管MN4的源極連接，電感Ld2的一端和晶體管MN4的漏極直接相連，電感Ld2的另一端連接電源VDD ； 所述晶體管麗2的漏極作為輸出端ロ RF—，晶體管MN4的漏極作為輸出端ロ RFwtn ;交流信號加法器的兩輸入端分別連接輸出端ロ RFtjutp和輸出端ロ RFwtn，交流信號加法器的輸出端連接晶體管MN3的柵極，把第一主放大電路I和第二主放大電路II的兩路輸出信號的差值反饋到麗3的柵極，用于調整兩路輸出信號的平衡性； 所述晶體管MN3的源極經隔離接地；所述晶體管MN2的柵極經隔離接地；所述晶體管MN4經隔離接地。
2.根據權利要求I所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是所述晶體管匪3的源極與地之間的隔離方式是晶體管MN3的源極與地之間連接接地電感LgncL
3.根據權利要求I所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是所述作為負反饋電路的交流信號加法器包括N型晶體管匪5、MN6、匪7，P型晶體管MPl和MP2，電容C7和電阻R5 ； 晶體管匪5的柵極通過耦合電路分別連接輸出端ロ RFtjutp和RFwtn ;晶體管匪5和MN6的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路控制電壓Vb5 ;晶體管MN7的柵極分別經射頻信號阻斷電路后連接外部偏置電路控制電壓Vb6 ； 所述晶體管MN5的源極和MN6的源極連接，且它們的源極連接晶體管MN7的漏極；晶體管匪7的源極接地； 所述晶體管MPl的漏極連接電源VDD，晶體管MPl的源極與晶體管匪5的漏極連接，晶體管MPl的源極與柵極連接； 所述晶體管MP2的漏極連接電源VDD，晶體管MP2的源極與晶體管MN6的漏極連接，晶體管MPl的柵極與晶體管MP2的柵極連接； 所述晶體管MP2的源極作為負反饋電路的輸出端ロ，該輸出端ロー方面通過耦合電路和第二主放大器電路II中晶體管MN3的柵極相連，另一方面依次經過電阻R5和電容C7反饋至晶體管麗5的柵極。
4.根據權利要求3所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是所述晶體管麗5的柵極連接的耦合電路是電容。
5.根據權利要求3所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是所述負反饋電路的輸出端ロ連接的耦合電路是電容。
6.根據權利要求I或3所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是射頻信號阻斷電路是起阻斷射頻信號作用的高阻值電阻。
7.根據權利要求3所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是電感Ldl和Ld2是相同的，晶體管麗I和麗3尺寸相同，晶體管麗2和MN4尺寸相同，晶體管麗5和MN6尺寸相同，晶體管MPl和MP2尺寸相同。
8.根據權利要求I或3或7所述的單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，其特征是第一主放大電路I、第二主放大電路II和負反饋電路III全都集成在一塊芯片里，射頻輸入信號RFin和輸出信號RFratl^RFtjutn是通過金屬鍵合線與外部電路相連，在芯片內部是與負反饋電路III直接連接；電源VDD和地線GND分別通過金屬鍵合線與片外的電源和地分別 相連。
全文摘要
本發明屬于射頻集成電路技術領域，是一種單端輸入差分輸出的射頻低噪聲放大器，包括單端輸入的主放大電路I；實現另一路反向等幅信號輸出的放大器II；為了進一步調整兩路輸出信號的平衡性，采用了一個交流信號加法反饋電路。該單轉雙低噪聲放大器結構緊湊，適用于接收機通信系統集成，降低設備成本；能夠降低低噪聲放大器的功耗、減小體積、提高增益、優化噪聲、提高線性度；同時具有結構簡單，減少片外元件，消除片外巴倫引入額外系統噪聲等優點，在無線通信收系統中有著廣泛的應用前景。
文檔編號H03F3/193GK102647157SQ20121010313
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者葉松, 楊陽, 沈劍均 申請人:江蘇天源電子有限公司