本發(fā)明涉及放大器，具體涉及一種寬帶差分轉(zhuǎn)單端放大器。

背景技術(shù)：

在各類無線電發(fā)射機(jī)中，射頻前端的放大器一般為單端結(jié)構(gòu)，即射頻信號(hào)從單端輸入端進(jìn)入、從單端輸出端送出。但是單端結(jié)構(gòu)的放大器容易受到鍵合線的影響，導(dǎo)致增益衰減問題，因此無線電發(fā)射機(jī)會(huì)采用差分結(jié)構(gòu)解決上述問題。而發(fā)射機(jī)的輸出端連接的是單端天線，所以發(fā)射機(jī)的射頻前端需要有一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端放大器，并且希望該放大器有一定的增益、較寬的帶寬和較好的相位平衡度。

共柵結(jié)構(gòu)放大器廣泛應(yīng)用于寬帶放大器的設(shè)計(jì)中，主要原因是其具有寬帶輸入匹配特性，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器電路如圖1所示。信號(hào)由晶體管m1、m2源極輸入，通過調(diào)整m1和m2的寬長比及柵極偏置電壓，可以調(diào)整流經(jīng)m1和m2的電流大小，進(jìn)而改變m1和m2的跨導(dǎo)gm，使其輸入阻抗與50歐姆天線匹配。通過調(diào)整負(fù)載電阻r1和r2的阻值大小，可以獲得不同的電壓增益。該結(jié)構(gòu)具有較寬的輸入帶寬和增益帶寬。但是，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器具有以下缺點(diǎn)：

第一是功耗大，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的輸入阻抗近似為1/(gm+gmb)，其中g(shù)m為輸入晶體管跨導(dǎo)，gmb為輸入晶體管襯底到源極電位差帶來的體效應(yīng)對(duì)應(yīng)的等效跨導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)輸入阻抗與50歐姆天線的匹配，必須通過增加工作電流以提高輸入管的跨導(dǎo)，使上式近似等于50歐姆。

第二是增益低，傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的增益很大程度上取決于負(fù)載阻抗大小，但是大電阻負(fù)載會(huì)帶來過多的壓降，降低電壓余度及線性度；而大感值負(fù)載電感既增加了芯片面積又會(huì)導(dǎo)致電路呈現(xiàn)窄帶增益特性。

第三是隔離度差，由于傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器的隔離度較差，這將導(dǎo)致輸出端信號(hào)返回到輸入端，難以滿足系統(tǒng)對(duì)隔離度指標(biāo)的要求。

在共柵結(jié)構(gòu)放大器的基礎(chǔ)上，一般會(huì)采用將負(fù)載電阻替換成lc巴倫實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端的功能，但是lc巴倫具有選頻濾波特性，會(huì)造成帶寬變窄、相位平衡度變差，此外lc巴倫的衰減較大，因此該結(jié)構(gòu)的差分轉(zhuǎn)單端放大器的性能較差，不適用于無線電發(fā)射機(jī)射頻前端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器以及l(fā)c巴倫的不足，提供一種低功耗高增益寬帶差分轉(zhuǎn)單端放大器，能在保證寬帶特性基礎(chǔ)上，降低放大器的功耗，提高放大器的增益、隔離度和相位平衡度。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種低功耗高增益寬帶差分轉(zhuǎn)單端放大器，包括輸入單元、扼流單元、濾波單元、放大單元以及巴倫單元，差分射頻輸入信號(hào)的正負(fù)兩端分別連接輸入單元的正輸入端vin+及負(fù)輸入端vin-，輸入單元的輸入端連接扼流單元，輸入單元的輸出端連接濾波單元的輸入端，濾波單元的輸出端連接放大單元的輸入端，放大單元的輸出端連接巴倫單元，巴倫單元輸出單端射頻輸出信號(hào)；其中：

輸入單元包括nmos管m1、nmos管m2、第一、第二兩個(gè)電阻、第一、第二、第三、第四四個(gè)電容，nmos管m1及nmos管m2的柵極分別串聯(lián)第一電阻及第二電阻后均連接第一偏置電壓，nmos管m1的柵極串聯(lián)第二電容后連接nmos管m2的源極，并經(jīng)過第四電容與差分射頻輸入信號(hào)的負(fù)輸入端連接，nmos管m2的柵極串聯(lián)第一電容后連接nmos管m1的源極，并經(jīng)過第三電容與差分射頻輸入信號(hào)的正輸入端連接；

扼流單元包括第一、第二兩個(gè)電感，第一、第二電感的一端分別連接輸入單元中的nmos管m1和nmos管m2的源級(jí)，第一、第二電感的另一端均接地。

進(jìn)一步的，濾波單元包括第五、第六兩個(gè)電容和第三、第四兩個(gè)電感，第五、第六電容的一端分別連接輸入單元中的nmos管m1和nmos管m2的漏極，第五、第六電容的另一端分別連接放大單元中的nmos管m3和nmos管m4的柵級(jí)，第三、第四電感的一端分別連接輸入單元中的nmos管m1和nmos管m2的漏極，第三、第四電感的另一端分別連接放大單元中的nmos管m3和nmos管m4的源級(jí)。

進(jìn)一步的，放大單元包括nmos管m3、nmos管m4、第三、第四兩個(gè)電阻、第七、第八兩個(gè)電容，nmos管m3及nmos管m4的柵極分別串聯(lián)第三電阻及第四電阻后均連接第二偏置電壓，nmos管m3及nmos管m4的源極分別經(jīng)過第七、第八電容連接到地。

進(jìn)一步的，巴倫單元包括初級(jí)線圈lp和次級(jí)線圈ls，初級(jí)線圈lp的一端連接放大單元中的nmos管m3的漏極，初級(jí)線圈lp的另一端連接放大單元中的nmos管m4的漏極，初級(jí)線圈lp的中心抽頭連接電源，次級(jí)線圈ls的一端連接地，次級(jí)線圈ls的另一端為放大器的輸出端，輸出單端射頻信號(hào)，初級(jí)線圈lp和次級(jí)線圈ls通過對(duì)稱互繞構(gòu)成變壓器巴倫。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果：

(1)低功耗。在實(shí)現(xiàn)50歐姆輸入阻抗匹配要求下，采用本發(fā)明可以大幅度降低功耗，通過晶體管交叉耦合和電流復(fù)用技術(shù)可以將工作電流降低至6.8ma(電源電壓3.3v)，而采用傳統(tǒng)的共柵結(jié)構(gòu)放大器，需要約13.5ma的工作電流(電源電壓3.3v)。

(2)高增益。本發(fā)明的工作電流較低，且使用變壓器巴倫作為放大器的負(fù)載，從而不會(huì)產(chǎn)生過大的壓降。同時(shí)交叉耦合技術(shù)可以提高mos管等效的跨導(dǎo)gm和gmb，也能使電壓增益增加。

(3)高隔離度。本發(fā)明采用電流復(fù)用技術(shù)，相當(dāng)于兩級(jí)放大電路，可以大大提高放大器的隔離度，相比于單級(jí)放大電路，電路隔離度可從原先30db提高至65db。

(4)高相位平衡度。本發(fā)明采用變壓器巴倫實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端功能，變壓器巴倫相比于lc巴倫具有更寬的帶寬和更好的相位平衡度，在本發(fā)明中將變壓器巴倫作為共柵放大器的負(fù)載，既可以得到較寬的增益帶寬和輸入匹配帶寬，也可以得到較高的相位平衡度。

(5)本發(fā)明提出的電流復(fù)用交叉耦合共柵差分轉(zhuǎn)單端放大器，可以大幅降低功耗，提高電壓增益、隔離度和相位平衡度，可以應(yīng)用于寬帶射頻前端中。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器的電路原理圖；

圖2是本發(fā)明差分轉(zhuǎn)單端放大器的電路方框圖；

圖3是本發(fā)明差分轉(zhuǎn)單端放大器的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖2，本發(fā)明設(shè)有輸入單元1、扼流單元2、濾波單元3、放大單元4以及巴倫單元5；差分射頻輸入信號(hào)的正負(fù)兩端分別連接輸入單元1的正輸入端vin+及負(fù)輸入端vin-，輸入單元1的輸入端連接扼流單元2，輸入單元1的輸出端連接濾波單元3的輸入端，濾波單元3的輸出端連接放大單元4的輸入端，放大單元4的輸出端連接巴倫單元，巴倫單元輸出單端射頻輸出信號(hào)。

如圖3，輸入單元1采用共柵結(jié)構(gòu)，并在輸入級(jí)的mos管柵極和源級(jí)進(jìn)行了交叉耦合，差分輸入端通過輸入單元1實(shí)現(xiàn)50歐姆輸入阻抗。扼流單元2提供直流電流通路，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行扼流；輸入單元1產(chǎn)生的信號(hào)電流通過濾波單元3，經(jīng)電流復(fù)用的放大單元4的放大，再送至巴倫單元5，最終輸出放大的單端射頻信號(hào)。其中：輸入單元1設(shè)有nmos管m1、m2、電容c1、c2、c3、c4以及電阻r1、r2；扼流單元2設(shè)有電感l(wèi)1、l2；濾波單元3設(shè)有電容c5、c6和電感l(wèi)3、l4；放大單元設(shè)有nmos管m3、m4、電容c7、c8和電阻r3、r4；巴倫單元5設(shè)有初級(jí)線圈lp和次級(jí)線圈ls；電路的連接關(guān)系如下：

差分射頻vin+、vin-信號(hào)連接輸入單元1的nmos管m1、m2的源級(jí)，同時(shí)扼流單元2的電感l(wèi)1、l2也連接到輸入單元1的nmos管m1、m2的源級(jí)。nmos管m1、m2的柵極串聯(lián)電阻r1、r2后連接到偏置電壓vb1，nmos管m1、m2的柵極串聯(lián)電容c2、c1后分別連接到m2、m1的源級(jí)，該連接方式為交叉耦合連接。

nmos管m1、m2的漏極分別連接濾波單元3的電感l(wèi)3、l4到放大單元4的nmos管m3、m4的源級(jí)，同時(shí)nmos管m1、m2的漏極分別連接濾波單元3的電容c5、c6到放大單元4的nmos管m3、m4的柵極。放大單元4的nmos管m3、m4的源級(jí)分別連接電容c7、c8到地，nmos管m3、m4的柵極串聯(lián)電阻r3、r4后連接到偏置電壓vb2。放大單元4的nmos管m3、m4的漏極分別連接巴倫單元5的初級(jí)線圈lp的兩端，初級(jí)線圈lp的中心抽頭連接電源電壓vdd，次級(jí)線圈ls的一端連接地，次級(jí)線圈ls的另一端為放大器的輸出端，輸出單端射頻信號(hào)，初級(jí)線圈lp和次級(jí)線圈ls通過對(duì)稱互繞構(gòu)成變壓器巴倫。

差分射頻輸入信號(hào)通過輸入單元1輸入，對(duì)于共柵結(jié)構(gòu)的放大電路，其輸入阻抗約為1/(gm+gmb)，此處，gm為共柵極晶體管的跨導(dǎo)，gmb為共柵極晶體管襯底b到源極s的電位差帶來的等效跨導(dǎo)。

本實(shí)施例在輸入端進(jìn)行了交叉耦合連接，即nmos管m1、m2的柵極串聯(lián)電容c2、c1后分別連接m2、m1的源級(jí)，該連接方式為交叉耦合連接。此時(shí)，輸入單元1中的nmos管對(duì)應(yīng)的等效gm和gmb增加為2gm和2gmb。這種連接方式使得功耗降低一半。同時(shí)，由于采用了電流復(fù)用技術(shù)，在保持功耗不變的情況下，使得信號(hào)電流經(jīng)放大單元4再一次放大。綜上所述，相比傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器完成50歐姆輸入匹配，本專利需要的功耗為原先的二分之一。即在相同電源電壓下，工作電流降低為傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)放大器的二分之一。同時(shí)，交叉耦合連接方式和電流復(fù)用技術(shù)可以提高放大器的增益。

nmos管m1、m2的漏極分別連接濾波單元3的電感l(wèi)3、l4到放大單元4的nmos管m3、m4的源級(jí)，同時(shí)nmos管m1、m2的漏極分別連接濾波單元3的電容c5、c6到放大單元4的nmos管m3、m4的柵極。放大單元4的nmos管m3、m4的源級(jí)分別連接電容c7、c8到地。這種連接方法保證了輸入單元1產(chǎn)生的信號(hào)電流能經(jīng)過放大單元4進(jìn)行二次放大，因而兩級(jí)放大電路保證了輸出端對(duì)輸入端較好的隔離性能。二次放大后的信號(hào)電流通過巴倫單元5產(chǎn)生的放大的電壓信號(hào)即為射頻單端輸出信號(hào)。

本實(shí)施例的差分轉(zhuǎn)單端放大器在3.3v電源電壓下工作電流約為6.8ma。該差分轉(zhuǎn)單端放大器3db帶寬約為1.5ghz，電壓增益約為10db。通過對(duì)比，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)共柵結(jié)構(gòu)和lc巴倫實(shí)現(xiàn)的差分轉(zhuǎn)單端放大器。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。