一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器

本发明涉及毫米波集成电路及微电子技术，特别涉及一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器。

背景技术：

1、传统的低频段已经无法满足人们日益增长的对更高传输速率、更大传输容量的无线通信需求。毫米波频段具有丰富的频谱资源，可用带宽大的特点，可以满足高速无线通信的需求。为了解决毫米波频段大气对无线电波信号的传输衰减严重的问题，相控阵技术成为学术界和工业界公认的最佳解决方案，所以研究毫米波段相控阵技术的收发芯片具有重大意义。低噪声放大器作为相控阵接收通道的第一级有源放大电路，其对噪声的压制能力决定了整个接收通道输出信号的信噪比，同时，其增益和线性度等指标的优劣也会决定后续电路的设计指标。传统多级低噪声放大器存在功耗高、芯片尺寸面积较大的问题；平坦增益的电流复用稳定性加强低噪声放大器，功耗小，面积较小，增益较高，非常适用于大规模相控阵系统，同时通过多级级联实现增益平坦，在此基础上创新性得采用级间巴伦t2中的走线完成稳定性的提升，进一步降低芯片面积，以及采用电阻rg2实现巴伦的性能提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，不仅实现了低功耗、较高的增益、较低的噪声系数、较高的线性度和较小的面积，还具有低增益变化的特点。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，包括第一级单端放大器、级间巴伦t1、第二级差分放大器、输出巴伦t2，其中：第一级单端放大器用于实现输如信号的阻抗匹配、实现低噪声系数和提供高信号增益；级间巴伦t1用于实现单端转差分、实现级间阻抗匹配和提供直流复用通道；第二级差分放大器用于提高信号增益、提高电路隔离度和隔离外界干扰；输出巴伦t2用于实现输出信号的阻抗匹配。射频输入信号从第一级单端放大器输入端输入并在输出端输出电流信号，电流信号通过级间巴伦t1的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成差分电压信号，差分电压信号中的共模信号因级间巴伦t1的共模稳定电感而被遏制，差模电压信号送入第二级差分电路中进行放大形成输出差分电流信号，差分电流信号通过输出巴伦t2的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成射频输出信号。

3、进一步的，第一级单端放大器由输入无源网络和增益级1组成，其中：

4、输入无源网络包括隔直电容c1、串联匹配电感lg、偏置电阻rg、去耦电容c11、去耦电容c12和低q电阻r1，输入信号rf in接隔直电容c1左端，隔直电容c1右端接串联匹配电感lg的左端，电感lg的右端和偏置电阻rg的下端接输出信号vin，偏置电阻rg的上端接偏置电压vg1，去耦电容c11一端接偏置电压vg1，一端接地，去耦电容c12右端接低q电阻r1，左端接地，低q电阻r1右端接偏置电压vg1；

5、增益级1包括nmos晶体管nm0、源退化电感ls和匹配电容c2，nmos晶体管nm0源极接源退化电感ls上端，栅极接输入信号vin，漏极接输出信号vout；退化电感ls上端接mos晶体管nm0源极，下端接地；匹配电容c2上端接输出信号vout，下端接地。

6、进一步的，级间巴伦t1由第一级线圈l11、第二级线圈l12、去耦电容c0、共模稳定电感l0、偏置电阻rg2、去耦电容c21、去耦电容c22和低q电阻r2组成，第一级线圈l11上端接输入信号vout，下端接共模稳定电感l0左端；第二级线圈l12上端接输出信号vin+，下端接输出信号vin-，第二级线圈l12中心抽头直流电馈电vg2；去耦电容c0上端接共模稳定电感l0左端，下端接地，共模稳定电感l0右端接信号vs，偏置电阻rg2的上端接偏置电压vg2，下端接l12的中心抽头处，去耦电容c21一端接偏置电压vg2，一端接地，去耦电容c22右端接低q电阻r2，左端接地，低q电阻r2右端接偏置电压vg2。

7、进一步的，第二级差分放大器由nmos晶体管nm1、nmos晶体管nm2、中和电容cn1、中和电容cn2、匹配电容c3、匹配电容c4组成，nmos晶体管nm1源极接信号vs，栅极接输入信号vin+，漏极接输出信号vout+；nmos晶体管nm2源极接信号vs，栅极接输入信号vin-，漏极接输出信号vout-；中和电容cn1一端接nmos晶体管nm1栅极，一端接nmos晶体管nm2漏极；中和电容cn2一端接nmos晶体管nm2栅极，一端接nmos晶体管nm1漏极；匹配电容c3一端接nmos晶体管nm1栅极，一端接nmos晶体管nm2栅极；匹配电容c4一端接nmos晶体管nm1漏极，一端接nmos晶体管nm2漏极，nmos晶体管nm0、nmos晶体管nm1和nmos晶体管nm2的尺寸比例为1:1:1，中和电容可以通过金属电容或者mos电容实现。

8、进一步的，输出巴伦t2由第一级线圈l21、第二级线圈l22和匹配电容c5组成，第一级线圈l21上端接输入信号vout+，下端接输入信号vout-，第一级线圈l21中心抽头直流电馈电vdd；第二级线圈l22上端接输出信号rf out，下端接地，匹配电容c5上端接输出信号rfout，下端接地。

9、进一步的，级间巴伦t1的跨阻传递函数呈现一个在中心频率处有下凹的双极点频谱，输出巴伦t2的跨阻传递函数呈现一个在中心频率有峰值的单极点频谱，级间巴伦t1和输出巴伦t2级联的跨阻传递函数呈现一个在工作频段内平坦的频谱。

10、本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)采用并联匹配电容参与级间和输出巴伦的匹配，优化了巴伦的面积尺寸，降低了芯片面积，同时调节极点增益，保证较小增益变化。(2)采用级间巴伦作为直流通路，减小了直流通路引入的电阻损耗，减少了直流通路上的压降，提高了电压裕度。(3)第二级差分放大器采用差分结构，降低了外界干扰造成的影响，提高了电路的稳定性。(4)级间巴伦和输出巴伦的跨阻增益互补，保证了传输跨阻增益的平坦，降低了低噪声放大器增益的变化。

技术特征：

1.一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，包括第一级单端放大器、级间巴伦t1、第二级差分放大器和输出巴伦t2，射频输入信号从第一级单端放大器输入端输入并在输出端输出电流信号，电流信号通过级间巴伦t1的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成差分电压信号，差分电压信号中的共模信号因级间巴伦t1的共模稳定电感而被遏制，差模电压信号送入第二级差分电路中进行放大形成输出差分电流信号，差分电流信号通过输出巴伦t2的第一级线圈耦合到第二级线圈处形成射频输出信号。

2.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，第一级单端放大器由输入无源网络和增益级1组成，其中：

3.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，级间巴伦t1由第一级线圈l11、第二级线圈l12、去耦电容c0、共模稳定电感l0、偏置电阻rg2、去耦电容c21、去耦电容c22和低q电阻r2组成，第一级线圈l11上端接输入信号vout，下端接共模稳定电感l0左端；第二级线圈l12上端接输出信号vin+，下端接输出信号vin-，第二级线圈l12中心抽头直流电馈电vg2；去耦电容c0上端接共模稳定电感l0左端，下端接地，共模稳定电感l0右端接信号vs，偏置电阻rg2的上端接偏置电压vg2，下端接l12的中心抽头处，去耦电容c21一端接偏置电压vg2，一端接地，去耦电容c22右端接低q电阻r2，左端接地，低q电阻r2右端接偏置电压vg2。

4.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，第二级差分放大器由nmos晶体管nm1、nmos晶体管nm2、中和电容cn1、中和电容cn2、匹配电容c3、匹配电容c4组成，nmos晶体管nm1源极接信号vs，栅极接输入信号vin+，漏极接输出信号vout+；nmos晶体管nm2源极接信号vs，栅极接输入信号vin-，漏极接输出信号vout-；中和电容cn1一端接nmos晶体管nm1栅极，一端接nmos晶体管nm2漏极；中和电容cn2一端接nmos晶体管nm2栅极，一端接nmos晶体管nm1漏极；匹配电容c3一端接nmos晶体管nm1栅极，一端接nmos晶体管nm2栅极；匹配电容c4一端接nmos晶体管nm1漏极，一端接nmos晶体管nm2漏极，nmos晶体管nm0、nmos晶体管nm1和nmos晶体管nm2的尺寸比例为1:1:1，中和电容可以通过金属电容或者mos电容实现。

5.根据权利要求1所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，输出巴伦t2由第一级线圈l21、第二级线圈l22和匹配电容c5组成，第一级线圈l21上端接输入信号vout+，下端接输入信号vout-，第一级线圈l21中心抽头直流电馈电vdd；第二级线圈l22上端接输出信号rf out，下端接地，匹配电容c5上端接输出信号rf out，下端接地。

6.根据权利要求3和5所述的低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，其特征在于，级间巴伦t1的跨阻传递函数呈现一个在中心频率处有下凹的双极点频谱，输出巴伦t2的跨阻传递函数呈现一个在中心频率有峰值的单极点频谱，级间巴伦t1和输出巴伦t2级联的跨阻传递函数呈现一个在工作频段内平坦的频谱。

技术总结
本发明公开了一种低功耗低增益变化稳定性增强的低噪声放大器，依次包括第一级单端放大器、级间巴伦、第二级差分放大器、输出巴伦。第一级单端放大器用于实现输入匹配、低噪声系数和高增益；级间巴伦用于单端转差分、阻抗匹配和直流复用；第二级差分放大器用于提高增益、提高隔离度和隔离外界干扰；输出巴伦用于输出匹配。本发明提供的低噪声放大器在目标频段能够实现低噪声系数，同时具有低功耗、低增益变化和较高的增益。

技术研发人员：黄同德,胡子祎,王昊,曹瀚璋,吴文
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17