本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种宽带匹配的可变增益低噪声放大器。本发明能通过电信号进行控制，灵活调整低噪声放大器的增益。相比于传统低噪声放大器，本发明所述的低噪声放大器具有输入端和输出端的宽带阻抗匹配性能，适用于需要处理宽带射频接收信号的场合。
1.一种宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的低噪声放大器包括一
个输入端集总朗格耦合器，两个单通道低噪声放大器和两个输出端集总朗格耦合器，其中，输入端集总朗格耦合器的输入端接输入信号INPUT，直通端接第一个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INI，耦合端接第二个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INQ；第一个单通道低噪声放大器输出差分信号（OUTIP，OUTIN），第二个单通道低噪声放大器输出差分信号（OUTQP，OUTQN）；第一个输出端集总朗格耦合器的耦合端接OUTIN，直通端接OUTQN，输入端产生输出信号OUTPUTN；第二个输出端集总朗格耦合器的耦合端接OUTIP，直通端接OUTQP，输入端产生输出信号OUTPUTP；
所述的单通道低噪声放大器包括片上电感LB、LS，片上电容CB，片上电阻RB，晶体管M11、M12、M13、M14、M21、M22，晶体管阵列M23、M24、M25、M26以及片上变压器X1、X2；所述的单通道低噪声放大器的射频信号输入端口为IN，射频信号输出端口为OUTP、OUTN，控制信号包括EN1、EN2，EN1、EN2各是一组控制信号；片上电感LB的一端接输入端口IN，电感LB的另一端与片上电容CB的一端相连，电容CB的另一端与片上电阻RB的一端、晶体管M11的栅极相连，晶体管M11的源极接电感LS的一端，晶体管M12的源极接电感LS的另一端，电感LS的中间抽头接地，晶体管M12的栅极和电阻RB的另一端接固定电平VB1，其中0≤VB1≤VDD，晶体管M11的漏极接晶体管M13的源极，晶体管M12的漏极接晶体管M14的源极，晶体管M13、M14的栅极接固定电平VG1，其中0≤VG1≤VDD，晶体管M13的漏极接变压器X1初级线圈的一端，晶体管M14的漏极接变压器X1初级线圈的另一端，变压器X1初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，晶体管M21的栅极接变压器X1次级线圈的一端，晶体管M22的栅极接变压器X1次级线圈的另一端，变压器X1次级线圈的中间抽头接固定电平VB2，其中0≤VB2≤VDD，晶体管M21、M22的源极接地，晶体管阵列M23、M24的源极与晶体管M21的漏极相连，晶体管阵列M25、M26的源极与晶体管M22的漏极相连，晶体管阵列M23、M26的栅极接控制信号EN1，晶体管阵列M24、M25的栅极接控制信号EN2，晶体管阵列M24、M25的漏极接芯片电源VDD，晶体管阵列M23的漏极接变压器X2初级线圈的一端，晶体管阵列M26的漏极接变压器X2初级线圈的另一端，变压器X2初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，变压器X2次级线圈的中间抽头接固定电平VB3，其中0≤VB3≤VDD，变压器X2次级线圈的两端记为OUTP和OUTN。
2.根据权利要求1所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的M23、
M24、M25、M26各是一个晶体管阵列，其中M23、M24是一个晶体管阵列组，M25、M26是一个晶体管阵列组；一个晶体管阵列组包括晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n，其中n表示晶体管阵列的支路个数，n≥1；MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的漏极接到一起，记为OP；MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的漏极接到一起，与芯片电源VDD相连；MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的源极接到一起，记为IP；MA11的栅极接控制信号EN11，MA12的栅极接控制信号EN12，依次类推，MA1n的栅极接控制信号EN1n；MA21的栅极接控制信号EN21，MA22的栅极接控制信号EN22，依次类推，MA2n的栅极接控制信号EN2n；M23、M26结构相同，均为包括晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的晶体管阵列；M24、M25结构相同，均为包括晶体管MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的晶体管阵列；EN1是一组控制信号，包括EN11、EN12、EN13、……、EN1(n-1)、EN1n；EN2是一组控制信号，包括EN21、EN22、EN23、……、EN2(n-1)、EN2n。
3.根据权利要求1所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的晶体
管M11、M12、M13、M14、M21、M22为N型金属氧化物半导体场效应晶体管；所述的晶体管阵列M23、M24、M25、M26为N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列，其中的晶体管也为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的N型
金属氧化物半导体场效应晶体管阵列，其每个支路的晶体管管长都相等，管宽也相等。
5.根据权利要求3所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的N型
金属氧化物半导体场效应晶体管阵列，其每个支路的晶体管管长都相等，管宽呈公比为2的等比数列排列。
一种宽带匹配的可变增益低噪声放大器
技术领域
[0001] 本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及低噪声放大器。
背景技术
[0002] 低噪声放大器是指噪声系数很低的放大器。在射频集成电路领域中，低噪声放大器一般放在射频接收机的前端，用作射频信号的前置放大级。低噪声放大器在放大射频信号的同时，尽量少引入放大器自身引入的额外噪声，以尽量提高放大器输出端的信噪比。传统的低噪声放大器在设计输入和输出的阻抗匹配时，针对射频信号的中心频点进行单频点匹配，适用于窄带接收机。在宽带射频接收机中，单频点匹配的低噪声放大器会在远离中心频点的位置产生信号反射，恶化信号传输性能。
发明内容
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提出一种宽带匹配的可变增益低噪声放大器。本发明能通过电信号进行控制，灵活调整低噪声放大器的增益。相比于传统低噪声放大器，本发明所述的低噪声放大器具有输入端和输出端的宽带阻抗匹配性能，适用于需要处理宽带射频接收信号的场合。实现本发明目的的技术解决方案如下：
[0004] 一种宽带匹配的可变增益低噪声放大器，其特征在于，所述的低噪声放大器包括一个输入端集总朗格耦合器，两个单通道低噪声放大器和两个输出端集总朗格耦合器，其中，输入端集总朗格耦合器的输入端接输入信号INPUT，直通端接第一个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INI，耦合端接第二个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INQ；第一个单通道低噪声放大器输出差分信号(OUTIP，OUTIN)，第二个单通道低噪声放大器输出差分信号(OUTQP，OUTQN)；第一个输出端集总朗格耦合器的耦合端接OUTIN，直通端接OUTQN，输入端产生输出信号OUTPUTN；第二个输出端集总朗格耦合器的耦合端接OUTIP，直通端接OUTQP，输入端产生输出信号OUTPUTP。
[0005] 进一步地，所述的单通道低噪声放大器包括片上电感LB、LS，片上电容CB，片上电阻RB，晶体管M11、M12、M13、M14、M21、M22，晶体管阵列M23、M24、M25、M26以及片上变压器X1、X2；所述的单通道低噪声放大器的射频信号输入端口为IN，射频信号输出端口为OUTP、OUTN，控制信号输入端口包括EN1、EN2，EN1、EN2各是一组控制信号；片上电感LB的一端接输入信号IN，电感LB的另一端与片上电容CB的一端相连，电容CB的另一端与片上电阻RB的一端、晶体管M11的栅极相连，晶体管M11的源极接电感LS的一端，晶体管M12的源极接电感LS的另一端，电感LS的中间抽头接地，晶体管M12的栅极和电阻RB的另一端接固定电平VB1，其中0≤VB1≤VDD，晶体管M11的漏极接晶体管M13的源极，晶体管M12的漏极接晶体管M14的源极，晶体管M13、M14的栅极接固定电平VG1，其中0≤VG1≤VDD，晶体管M13的漏极接变压器X1初级线圈的一端，晶体管M14的漏极接变压器X1初级线圈的另一端，变压器X1初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，晶体管M21的栅极接变压器X1次级线圈的一端，晶体管M22的栅极接变压器X1次级线圈的另一端，变压器X1次级线圈的中间抽头接固定电平VB2，其中0≤VB2≤VDD，晶体管M21、M22的源极接地，晶体管阵列M23、M24的源极与晶体管M21的漏极相连，晶体管阵列M25、M26的源极与晶体管M22的漏极相连，晶体管阵列M23、M26的栅极接控制信号EN1，晶体管阵列M24、M25的栅极接控制信号EN2，晶体管阵列M24、M25的漏极接芯片电源VDD，晶体管阵列M23的漏极接变压器X2初级线圈的一端，晶体管阵列M26的漏极接变压器X2初级线圈的另一端，变压器X2初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，变压器X2次级线圈的中间抽头接固定电平VB3，其中0≤VB3≤VDD，变压器X2次级线圈的两端记为OUTP和OUTN。
[0006] 进一步地，所述的M23、M24、M25、M26各是一个晶体管阵列，其中M23、M24是一个晶体管阵列组，M25、M26是一个晶体管阵列组；一个晶体管阵列组包括晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n，其中n表示晶体管阵列的支路个数，n≥1；MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的漏极接到一起，记为OP；MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的漏极接到一起，与芯片电源VDD相连；MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的源极接到一起，记为IP；MA11的栅极接控制信号EN11，MA12的栅极接控制信号EN12，依次类推，MA1n的栅极接控制信号EN1n；MA21的栅极接控制信号EN21，MA22的栅极接控制信号EN22，依次类推，MA2n的栅极接控制信号EN2n；M23、M26结构相同，均为包括晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的晶体管阵列；M24、M25结构相同，均为包括晶体管MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的晶体管阵列；EN1是一组控制信号，包括EN11、EN12、EN13、……、EN1(n-1)、EN1n；EN2是一组控制信号，包括EN21、EN22、EN23、……、EN2(n-1)、EN2n。
[0007] 进一步地，所述的晶体管M11、M12、M13、M14、M21、M22为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，所述的晶体管阵列M23、M24、M25、M26中的晶体管也为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0008] 进一步地，所述的N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列，其每个支路的晶体管管长都相等，管宽也相等。
[0009] 进一步地，所述的N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列，其每个支路的晶体管管长都相等，管宽呈公比为2的等比数列排列。
[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)本发明所述的低噪声放大器在输入端采用单端集总朗格耦合器，在输出端采用差分集总朗格耦合器，为低噪声放大器的输入输出端提供宽带阻抗匹配性能，分数带宽达到60％以上；(2)本发明提供了单端-差分信号转换功能，输入端可直接置于射频接收芯片前端与天线相接，输出端可以为后级电路提供差分信号。
附图说明
[0011] 图1是本发明宽带匹配的可变增益低噪声放大器的结构示意图；
[0012] 图2(a)是本发明的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的集总朗格耦合器的电路原理图；
[0013] 图2(b)是本发明的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的集总朗格耦合器的耦合电感L1、L2的版图实施例；
[0014] 图3是本发明的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的单通道低噪声放大器的电路原理图；
[0015] 图4是本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的单通道低噪声放大器的N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列的电路原理图。
具体实施方式
[0016] 下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0017] 图1是本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的结构示意图。本发明提出的低噪声放大器包括一个输入端集总朗格耦合器，两个单通道低噪声放大器和两个输出端集总朗格耦合器。其中，输入端集总朗格耦合器将输入信号INPUT分解为正交的两路INI和INQ，第一个单通道低噪声放大器将输入信号INI转为差分信号，调整增益后输出差分信号OUTIP和OUTIN，第二个单通道低噪声放大器将输入信号INQ转为差分信号，调整增益后输出差分信号OUTQP和OUTQN，两组差分信号(OUTIP，OUTIN)、(OUTQP，OUTQN)与两个输出端集总朗格耦合器连接，两个输出端集总朗格耦合器输出差分信号(OUTPUTP，OUTPUTN)。具体连接关系为：输入端集总朗格耦合器的输入端即a端接输入信号INPUT，直通端即b端接第一个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INI，耦合端即d端接第二个单通道低噪声放大器的输入端，产生信号INQ；第一个单通道低噪声放大器输出差分信号(OUTIP，OUTIN)，第二个单通道低噪声放大器输出差分信号(OUTQP，OUTQN)；第一个输出端集总朗格耦合器的耦合端即d端接OUTIN，直通端即b端接OUTQN，输入端即a端产生输出信号OUTPUTN；第二个输出端集总朗格耦合器的耦合端即d端接OUTIP，直通端即b端接OUTQP，输入端即a端产生输出信号OUTPUTP。
[0018] 图2(a)是本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的集总朗格耦合器的电路原理图。本发明提出的集总朗格耦合器包括片上对地电容CG1、CG2、CG3、CG4，片上耦合电容CC1、CC2，电感L1、L2，电阻R0，输入端为a，直通端为b，隔离端为c，耦合端为d。a端连接电容CG1、CC1和电感L1的一端，c端连接电容CG3、CC2、电阻R0和电感L2的一端，b端连接电容CG2的一端、CC2和电感L1的另一端，d端连接电容CG4的一端、CC1和电感L2的另一端，电容CG1、CG2、CG3、CG4、电阻R0的另一端接地。在特征阻抗为50Ω的集总朗格耦合器实施例中，R0电阻等于
50Ω。一般情况下，集总朗格耦合器的电感L1、L2电感值相等，记为L，耦合电容CC1、CC2电容值相等，记为Cc，对地电容CG1、CG2、CG3、CG4电容值相等，记为Cg，三者的理论计算公式如下：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中，k是L1、L2之间的耦合系数，k＝0.707，Z0是集总朗格耦合器的特征阻抗，一般为50Ω，ω0＝2πf0是中心频率f0对应的角频率。
[0023] 图2(b)是本发明所述的低功耗片上矢量调制移相器的集总朗格耦合器的耦合电感L1、L2的版图实施例。如图所示，L1对应端口a和b，L2对应端口c和d，电感耦合系数约等于
0.707。L1、L2的主体布线使用生产工艺中电阻率最低的厚金属，以提高Q值，减小插入损耗和噪声系数，桥接部分使用上层或下层金属连接起来。为达到设计目标，所述的集总朗格耦合器的电感L1、L2的版图不限于实施例2(b)所示的形状、匝数、端口位置等，还可能有其他多样的形式。
[0024] 图3是本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的单通道低噪声放大器的电路原理图。本发明提出的单通道低噪声放大器包括片上电感LB、LS，片上电容CB，片上电阻RB，N型金属氧化物半导体场效应晶体管M11、M12、M13、M14、M21、M22，N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列M23、M24、M25、M26以及片上变压器X1、X2。所述的单通道低噪声放大器的射频信号输入端口为IN，射频信号输出端口为OUTP、OUTN，控制信号输入端口包括EN1、EN2，EN1、EN2各是一组控制信号。片上电感LB的一端接输入信号IN，电感LB的另一端与片上电容CB的一端相连，电容CB的另一端与片上电阻RB的一端、NMOS晶体管M11的栅极相连，晶体管M11的源极接电感LS的一端，晶体管M12的源极接电感LS的另一端，电感LS的中间抽头接地，晶体管M12的栅极和电阻RB的另一端接固定电平VB1，其中0≤VB1≤VDD，晶体管M11的漏极接晶体管M13的源极，晶体管M12的漏极接晶体管M14的源极，晶体管M13、M14的栅极接固定电平VG1，其中0≤VG1≤VDD，晶体管M13的漏极接变压器X1初级线圈的一端，晶体管M14的漏极接变压器X1初级线圈的另一端，变压器X1初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，晶体管M21的栅极接变压器X1次级线圈的一端，晶体管M22的栅极接变压器X1次级线圈的另一端，变压器X1次级线圈的中间抽头接固定电平VB2，其中0≤VB2≤VDD，晶体管M21、M22的源极接地，晶体管阵列M23、M24的源极与晶体管M21的漏极相连，晶体管阵列M25、M26的源极与晶体管M22的漏极相连，晶体管阵列M23、M26的栅极接控制信号EN1，晶体管阵列M24、M25的栅极接控制信号EN2，晶体管阵列M24、M25的漏极接芯片电源VDD，晶体管阵列M23的漏极接变压器X2初级线圈的一端，晶体管阵列M26的漏极接变压器X2初级线圈的另一端，变压器X2初级线圈的中间抽头接芯片电源VDD，变压器X2次级线圈的中间抽头接固定电平VB3，其中0≤VB3≤VDD，变压器X2次级线圈的两端记为OUTP和OUTN。
[0025] 图4是本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的单通道低噪声放大器的N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列的电路原理图。本发明提出的单通道低噪声放大器的N型金属氧化物半导体场效应晶体管阵列包括M23、M24、M25、M26，其中M23、M24是一个晶体管阵列组，M25、M26是一个晶体管阵列组，用虚线框标出。一个晶体管阵列组包括NMOS晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n，其中n表示晶体管阵列的支路个数，n≥1。MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的漏极接到一起，记为OP；MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的漏极接到一起，与芯片电源VDD相连；MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的源极接到一起，记为IP。MA11的栅极接控制信号EN11，MA12的栅极接控制信号EN12，依次类推，MA1n的栅极接控制信号EN1n；MA21的栅极接控制信号EN21，MA22的栅极接控制信号EN22，依次类推，MA2n的栅极接控制信号EN2n。M23、M26结构相同，均为包括晶体管MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n的晶体管阵列；M24、M25结构相同，均为包括晶体管MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n的晶体管阵列；EN1是一组控制信号，包括EN11、EN12、EN13、……、EN1(n-1)、EN1n；EN2是一组控制信号，包括EN21、EN22、EN23、……、EN2(n-1)、EN2n。
[0026] 本发明所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器通过调整单通道低噪声放大器的晶体管阵列组的控制信号EN1、EN2，可以实现精确地控制单通道低噪声放大器的增益，从而精确地控制所述的宽带匹配的可变增益低噪声放大器的增益。所述的单通道低噪声放大器使用的晶体管阵列组，其每个支路的晶体管都相同，即MA11、MA12、MA13、……、MA1(n-1)、MA1n、MA21、MA22、MA23、……、MA2(n-1)、MA2n是相同的晶体管。在一种可能的设计中，每个支路的晶体管管长相同，管宽呈公比为2的等比数列排列，例如MA12管宽为MA11的两倍，MA13管宽为MA12的两倍，依次类推；MA22管宽为MA21的两倍，MA23管宽为MA22的两倍，依次类推。
[0027] 本发明所述的单通道低噪声放大器使用的晶体管阵列组的控制信号间存在对应关系。MA11与MA21同时只有一个导通，MA12与MA22同时只有一个导通，MA13与MA23同时只有一个导通，依次类推，MA1n与MA2n同时只有一个导通。当EN11接芯片电源VDD时，MA11导通，此时EN21接芯片地，MA21关断；当EN21接芯片电源VDD时，MA21导通，此时EN11接芯片地，MA11关断。当EN12接芯片电源VDD时，MA12导通，此时EN22接芯片地，MA22关断；当EN22接芯片电源VDD时，MA22导通，此时EN12接芯片地，MA12关断。依次类推，当EN1n接芯片电源VDD时，MA1n导通，此时EN2n接芯片地，MA2n关断；当EN2n接芯片电源VDD时，MA2n导通，此时EN1n接芯片地，MA1n关断。
[0028] 本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
