一种宽带差分转单端放大器的制作方法

本发明涉及放大器，具体涉及一种宽带差分转单端放大器。

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，导致增益衰减问题，因此无线电发射机会采用差分结构解决上述问题。而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1所示。信号由晶体管m1、m2源极输入，通过调整m1和m2的宽长比及栅极偏置电压，可以调整流经m1和m2的电流大小，进而改变m1和m2的跨导gm，使其输入阻抗与50欧姆天线匹配。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50欧姆天线的匹配，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50欧姆。

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，这将导致输出端信号返回到输入端，难以满足系统对隔离度指标的要求。

在共栅结构放大器的基础上，一般会采用将负载电阻替换成lc巴伦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。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服传统的共栅结构放大器以及lc巴伦的不足，提供一种低功耗高增益宽带差分转单端放大器，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、隔离度和相位平衡度。

本发明采取的技术方案如下：

一种低功耗高增益宽带差分转单端放大器，包括输入单元、扼流单元、滤波单元、放大单元以及巴伦单元，差分射频输入信号的正负两端分别连接输入单元的正输入端vin+及负输入端vin-，输入单元的输入端连接扼流单元，输入单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端连接放大单元的输入端，放大单元的输出端连接巴伦单元，巴伦单元输出单端射频输出信号；其中：

输入单元包括nmos管m1、nmos管m2、第一、第二两个电阻、第一、第二、第三、第四四个电容，nmos管m1及nmos管m2的栅极分别串联第一电阻及第二电阻后均连接第一偏置电压，nmos管m1的栅极串联第二电容后连接nmos管m2的源极，并经过第四电容与差分射频输入信号的负输入端连接，nmos管m2的栅极串联第一电容后连接nmos管m1的源极，并经过第三电容与差分射频输入信号的正输入端连接；

扼流单元包括第一、第二两个电感，第一、第二电感的一端分别连接输入单元中的nmos管m1和nmos管m2的源级，第一、第二电感的另一端均接地。

进一步的，滤波单元包括第五、第六两个电容和第三、第四两个电感，第五、第六电容的一端分别连接输入单元中的nmos管m1和nmos管m2的漏极，第五、第六电容的另一端分别连接放大单元中的nmos管m3和nmos管m4的栅级，第三、第四电感的一端分别连接输入单元中的nmos管m1和nmos管m2的漏极，第三、第四电感的另一端分别连接放大单元中的nmos管m3和nmos管m4的源级。

进一步的，放大单元包括nmos管m3、nmos管m4、第三、第四两个电阻、第七、第八两个电容，nmos管m3及nmos管m4的栅极分别串联第三电阻及第四电阻后均连接第二偏置电压，nmos管m3及nmos管m4的源极分别经过第七、第八电容连接到地。

进一步的，巴伦单元包括初级线圈lp和次级线圈ls，初级线圈lp的一端连接放大单元中的nmos管m3的漏极，初级线圈lp的另一端连接放大单元中的nmos管m4的漏极，初级线圈lp的中心抽头连接电源，次级线圈ls的一端连接地，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，初级线圈lp和次级线圈ls通过对称互绕构成变压器巴伦。

本发明的优点及显著效果：

(1)低功耗。在实现50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗，通过晶体管交叉耦合和电流复用技术可以将工作电流降低至6.8ma(电源电压3.3v)，而采用传统的共栅结构放大器，需要约13.5ma的工作电流(电源电压3.3v)。

(2)高增益。本发明的工作电流较低，且使用变压器巴伦作为放大器的负载，从而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，也能使电压增益增加。

(3)高隔离度。本发明采用电流复用技术，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，电路隔离度可从原先30db提高至65db。

(4)高相位平衡度。本发明采用变压器巴伦实现差分转单端功能，变压器巴伦相比于lc巴伦具有更宽的带宽和更好的相位平衡度，在本发明中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。

(5)本发明提出的电流复用交叉耦合共栅差分转单端放大器，可以大幅降低功耗，提高电压增益、隔离度和相位平衡度，可以应用于宽带射频前端中。

附图说明

图1是传统共栅结构放大器的电路原理图；

图2是本发明差分转单端放大器的电路方框图；

图3是本发明差分转单端放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图2，本发明设有输入单元1、扼流单元2、滤波单元3、放大单元4以及巴伦单元5；差分射频输入信号的正负两端分别连接输入单元1的正输入端vin+及负输入端vin-，输入单元1的输入端连接扼流单元2，输入单元1的输出端连接滤波单元3的输入端，滤波单元3的输出端连接放大单元4的输入端，放大单元4的输出端连接巴伦单元，巴伦单元输出单端射频输出信号。

如图3，输入单元1采用共栅结构，并在输入级的mos管栅极和源级进行了交叉耦合，差分输入端通过输入单元1实现50欧姆输入阻抗。扼流单元2提供直流电流通路，同时对输入信号进行扼流；输入单元1产生的信号电流通过滤波单元3，经电流复用的放大单元4的放大，再送至巴伦单元5，最终输出放大的单端射频信号。其中：输入单元1设有nmos管m1、m2、电容c1、c2、c3、c4以及电阻r1、r2；扼流单元2设有电感l1、l2；滤波单元3设有电容c5、c6和电感l3、l4；放大单元设有nmos管m3、m4、电容c7、c8和电阻r3、r4；巴伦单元5设有初级线圈lp和次级线圈ls；电路的连接关系如下：

差分射频vin+、vin-信号连接输入单元1的nmos管m1、m2的源级，同时扼流单元2的电感l1、l2也连接到输入单元1的nmos管m1、m2的源级。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，该连接方式为交叉耦合连接。

nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电感l3、l4到放大单元4的nmos管m3、m4的源级，同时nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电容c5、c6到放大单元4的nmos管m3、m4的栅极。放大单元4的nmos管m3、m4的源级分别连接电容c7、c8到地，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4的nmos管m3、m4的漏极分别连接巴伦单元5的初级线圈lp的两端，初级线圈lp的中心抽头连接电源电压vdd，次级线圈ls的一端连接地，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，初级线圈lp和次级线圈ls通过对称互绕构成变压器巴伦。

差分射频输入信号通过输入单元1输入，对于共栅结构的放大电路，其输入阻抗约为1/(gm+gmb)，此处，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1中的nmos管对应的等效gm和gmb增加为2gm和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4再一次放大。综上所述，相比传统共栅结构放大器完成50欧姆输入匹配，本专利需要的功耗为原先的二分之一。即在相同电源电压下，工作电流降低为传统共栅结构放大器的二分之一。同时，交叉耦合连接方式和电流复用技术可以提高放大器的增益。

nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电感l3、l4到放大单元4的nmos管m3、m4的源级，同时nmos管m1、m2的漏极分别连接滤波单元3的电容c5、c6到放大单元4的nmos管m3、m4的栅极。放大单元4的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1产生的信号电流能经过放大单元4进行二次放大，因而两级放大电路保证了输出端对输入端较好的隔离性能。二次放大后的信号电流通过巴伦单元5产生的放大的电压信号即为射频单端输出信号。

本实施例的差分转单端放大器在3.3v电源电压下工作电流约为6.8ma。该差分转单端放大器3db带宽约为1.5ghz，电压增益约为10db。通过对比，其性能远远优于采用传统共栅结构和lc巴伦实现的差分转单端放大器。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。