一种低成本射频差分放大器[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1070408 A(43)申请公布日 2017.08.15

(21)申请号 2017102418.6(22)申请日 2017.04.14

(71)申请人 上海华虹宏力半导造有限公司

地址 201203 上海市浦东新区张江高科技

园区祖冲之路1399号(72)发明人 戴若凡　

(74)专利代理机构 上海思微知识产权代理事务

所(普通合伙) 31237

代理人 屈蘅(51)Int.Cl.

H03F 3/193(2006.01)H03F 3/45(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图5页

()发明名称

一种低成本射频差分放大器(57)摘要

本发明公开了一种低成本射频差分放大器，包括：输入巴伦，用于利用两个子巴伦将输入的射频单端信号从不平衡方式转换为平衡方式输出以得到差分射频电路所需的差分信号；差分射频电路，用于将输入巴伦输出的平衡射频信号进行放大；输出巴伦，用于通过两个子巴伦将该差分射频电路输出的平衡射频信号转换为转换为不平衡输出,本发明在保证电路射频性能的同时且版图布局紧凑，充分利用了有源器件周围芯片面积，有效降低了成本。

CN 1070408 ACN 1070408 A

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1.一种低成本射频差分放大器，包括：输入巴伦，用于利用两个子巴伦将输入的射频单端信号RFIN从不平衡方式转换为平衡方式输出以得到差分射频电路所需的差分信号；

差分射频电路，用于将输入巴伦输出的平衡射频信号进行放大；输出巴伦，用于通过两个子巴伦将该差分射频电路输出的平衡射频信号转换为转换为不平衡输出。

2.如权利要求1所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该单端信号RFIN由该输入巴伦的第一子巴伦不平衡输入侧的一端输入，经过该第一子巴伦不平衡侧输入线圈后从第一子巴伦不平衡输入侧的另一端输出，该输出再从输入巴伦的第二子巴伦不平衡侧的一端进入第二子巴伦不平衡侧输入线圈后接地。

3.如权利要求2所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该射频单端信号RFIN经该输入巴伦的不平衡侧电感耦合至该输入巴伦的平衡侧电感，该第一子巴伦的平衡输出侧的一端和第二子巴伦的平衡输出侧的一端接地，该第一子巴伦与第二子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该差分射频电路。

4.如权利要求3所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该差分射频电路包括第一级差分放大电路、第二级差分放大电路以及第一隔直电容、第二隔直电容。

5.如权利要求4所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该第一子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该第一隔直电容的一端，该第二子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该第二隔直电容的一端。

6.如权利要求5所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该第一差分放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻，该第一隔直电容、第二隔直电容的另一端分别连接至该第一NMOS管、第二NMOS管栅极，该第一NMOS管、第二NMOS管的栅极分别通过第一偏置电阻、第二偏置电阻连接至第一偏置电压，该第一NMOS管、第二NMOS管源极接地，该第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别连接至该第二级差分放大电路。

7.如权利要求6所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该第二级差分放大电路包括第三NNOS管、第四NMOS管、第三偏置电阻、第四偏置电阻，该第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别连接至该第三NNOS管、第四NMOS管的源极，该第三NMOS管、第四NMOS管的栅极分别通过第三偏置电阻、第四偏置电阻连接至第二偏置电压，该第三NMOS管、第四NMOS管的漏极分别连接至输出巴伦的两个子巴伦的一端。

8.如权利要求7所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该输出巴伦的第三、第四子巴伦平衡侧的另一端连接至电源，射频信号经该输出巴伦的平衡侧电感耦合至输出巴伦的不平衡侧电感，并从输出巴伦的不平衡侧的一端输出放大后的射频信号，该输出巴伦的不平衡侧的另一端接地。

9.如权利要求1所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：布局布线时，该输入巴伦的第一、第二子巴伦平行放置且两个子巴伦间的凹槽向上，该输出巴伦的第三、第四子巴伦也平行放置且两个子巴伦间的凹槽向下，且第一、第二子巴伦的对称轴与且第三、第四子巴伦的对称轴重叠。

10.如权利要求9所述的一种低成本射频差分放大器，其特征在于：该差分射频电路置于该第一子巴伦、第二子巴伦向上的凹槽与该第三子巴伦、第四子巴伦向下的凹槽围成的

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中间区域，该第一子巴伦、第二子巴伦的上缘与第三、第四子巴伦的下缘充分靠近。

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一种低成本射频差分放大器

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技术领域

[0001]本发明涉及射频电路设计领域，特别是涉及一种低成本射频差分放大器。背景技术

[0002]随着IoT(Internet Of Things，物联网)无线通信技术发展，电路与版图紧凑设计成为降低RFIC芯片成本的关键技术。差分射频放大器输入输出通常采用巴伦(balun)进行匹配设计，巴伦占用主要的芯片面积。

[0003]图1为传统射频差分放大器的电路结构图。如图1所示，传统射频差分放大器由输入巴伦(Balun-in)、差分射频电路和输出巴伦(Balun-out)组成，输入巴伦(Balun-in)完成输入单端信号RFIN从不平衡到平衡的转换以得到差分射频电路所需要的差分信号，差分射频电路由两级差分放大电路组成，NMOS管M1、M2及其偏置电阻R1、R2组成第一级差分放大电路，NMOS管M3、M4及其偏置电阻R3、R4组成第一级差分放大电路，电容CC1、CC2为隔直电容，单端信号RFIN由输入巴伦变换为差分信号后分别经隔直电容CC1、CC2连接至NMOS管M1、M2的栅极，放大后的信号从NMOS管M1、M2的漏极分别连接至NMOS管M3、M4的源极，射频信号经NMOS管M3、M4二次放大后从NMOS管M3、M4的漏极输出至输出巴伦的平衡端，经过输出巴伦的平衡-不平衡变换得到最终输出信号RFOUT。

[0004]由于输入巴伦和输出巴伦的工作原理以及电路结构，通常输入巴伦和输出巴伦的宽度和高度近似为方形，且输入输出巴伦的感值不一样(NMOS管输入和输出阻抗不一样)，输入巴伦和输出巴伦通常为平面结构的一组相互耦合的对称金属线，在交叉处用过孔连接至另一层后再通过过孔回到起始平面(图中虚线部分即为过孔和排设在其他层的金属线)，其金属线宽度和金属线间的间距由电路特性决定，通常射频电路输入和输出为直线连接，很少进行弯曲走线以避免不必要的射频耦合，因此走线上通常如图2所示形式，输入射频信号RFin依次经过输入巴伦、射频放大单元、输出巴伦，三者沿同一轴线排列，而射频管虽然比一般逻辑电路的管子大很多，但相对输入巴伦、输出巴伦还是小很多，从而导致版图上看起来就是两头大(输入巴伦、输出巴伦)中间小(射频放大单元)的结构，考虑到电路性能，射频电路周围不合适放其他电路，从而造成周围面积浪费严重。发明内容

[0005]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种低成本射频差分放大器，其通过采用子巴伦优化设计输入输出巴伦电路，在保证电路射频性能的同时且版图布局紧凑，其充分利用有源单位周围芯片面积，有效降低了成本。[0006]为达上述及其它目的，本发明提出一种低成本射频差分放大器，包括：[0007]输入巴伦，用于利用两个子巴伦将输入的射频单端信号RFIN从不平衡方式转换为平衡方式输出以得到差分射频电路所需的差分信号；[0008]差分射频电路，用于将输入巴伦输出的平衡射频信号进行放大；[0009]输出巴伦，用于通过两个子巴伦将该差分射频电路输出的平衡射频信号转换为转

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换为不平衡输出。[0010]进一步地，该单端信号RFIN由该输入巴伦的第一子巴伦不平衡输入侧的一端输入，经过该第一子巴伦不平衡侧输入线圈后从第一子巴伦不平衡输入侧的另一端输出，该输出再从输入巴伦的第二子巴伦不平衡侧的一端进入第二子巴伦不平衡侧输入线圈后接地。[0011]进一步地，该射频单端信号RFIN经该输入巴伦的不平衡侧电感耦合至该输入巴伦的平衡侧电感，该第一子巴伦的平衡输出侧的一端和第二子巴伦的平衡输出侧的一端接地，该第一子巴伦与第二子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该差分射频电路。[0012]进一步地，该差分射频电路包括第一级差分放大电路、第二级差分放大电路以及第一隔直电容、第二隔直电容。[0013]进一步地，该第一子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该第一隔直电容的一端，该第二子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至该第二隔直电容的一端。[0014]进一步地，该第一差分放大电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻，该第一隔直电容、第二隔直电容的另一端分别连接至该第一NMOS管、第二NMOS管栅极，该第一NMOS管、第二NMOS管的栅极分别通过第一偏置电阻、第二偏置电阻连接至第一偏置电压，该第一NMOS管、第二NMOS管源极接地，该第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别连接至该第二级差分放大电路。[0015]进一步地，该第二级差分放大电路包括第三NNOS管、第四NMOS管、第三偏置电阻、第四偏置电阻，该第一NMOS管、第二NMOS管的漏极分别连接至该第三NNOS管、第四NMOS管的源极，该第三NMOS管、第四NMOS管的栅极分别通过第三偏置电阻、第四偏置电阻连接至第二偏置电压，该第三NMOS管、第四NMOS管的漏极分别连接至输出巴伦的两个子巴伦的一端。[0016]进一步地，该输出巴伦的第三、第四子巴伦平衡侧的另一端连接至电源，射频信号经该输出巴伦的平衡侧电感耦合至输出巴伦的不平衡侧电感，并从输出巴伦的不平衡侧的一端输出放大后的射频信号，该输出巴伦的不平衡侧的另一端接地。[0017]进一步地，布局布线时，该输入巴伦的第一、第二子巴伦平行放置且两个子巴伦间的凹槽向上，该输出巴伦的第三、第四子巴伦也平行放置且两个子巴伦间的凹槽向下，且第一、第二子巴伦的对称轴与且第三、第四子巴伦的对称轴重叠。[0018]进一步地，该差分射频电路置于该第一子巴伦、第二子巴伦向上的凹槽与该第三子巴伦、第四子巴伦向下的凹槽围成的中间区域，该第一子巴伦、第二子巴伦的上缘与第三、第四子巴伦的下缘充分靠近。[0019]与现有技术相比，本发明一种低成本射频差分放大器通过采用子巴伦优化设计输入输出巴伦电路，在保证电路射频性能的同时且版图布局紧凑，其充分利用有源单位周围芯片面积，有效降低了成本，其降低芯片面积可达1/3。附图说明

[0020]图1为传统射频差分放大器的电路结构图；[0021]图2为传统射频差分放大器版图布局示意图；

[0022]图3为本发明一种低成本射频差分放大器的电路结构图；

[0023]图4为本发明具体实施例中输入输出巴伦的优化设计示意图；

[0024]图5为本发明具体实施例中低成本射频差分放大器的版图设计示意图；

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图6与图7为本发明与现有技术的仿真对比示意图。

具体实施方式

[0026]以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

[0027]图3为本发明一种低成本射频差分放大器的电路结构图。如图3所示，本发明一种低成本射频差分放大器包括输入巴伦(输入不平衡-平衡变换器，Balun-in)10、差分射频电路(Amp cell)20以及输出巴伦(输出平衡-不平衡变换器，Balun-out)30。[0028]其中，输入巴伦(Balun-in)10由第一子巴伦和第二子巴伦这两个子巴伦组成，用于将输入单端信号RFIN从不平衡方式转换为平衡方式输出以得到差分射频电路20所需要的差分信号；差分射频电路20由第一级差分放大电路和第二差分放大电路两级差分放大电路组成，NMOS管M1、M2(可称之为第一NMOS管M1、第二NMOS管M2)及其偏置电阻R1、R2(可称之为第一电阻R1、第二电阻R2)组成第一级差分放大电路，NMOS管M3、M4(可称之为第三NMOS管M3、第四NMOS管M4)及其偏置电阻R3、R4(可称之为第三电阻R3、第四电阻R4)组成第一级差分放大电路，电容CC1、CC2为隔直电容，用于将输入巴伦10输出的平衡射频信号进行放大；输出巴伦(Balun-out)30由第三子巴伦和第四子巴伦两个子巴伦组成，用于将差分射频电路20输出的平衡射频信号转换为转换为不平衡输出RFOUT以用于后续电路；[0029]单端信号RFIN由输入巴伦的第一子巴伦不平衡输入侧的一端输入，经过第一子巴伦不平衡侧输入线圈后从第一子巴伦不平衡输入侧的另一端输出，该输出再从输入巴伦的第二子巴伦不平衡侧的一端进入第二子巴伦不平衡侧输入线圈后接地，输入射频单端信号RFIN经输入巴伦的不平衡侧电感耦合至输入巴伦的平衡侧电感，第一子巴伦的平衡输出侧的一端和第二子巴伦的平衡输出侧的一端接地，第一子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至隔直电容CC1的一端，第二子巴伦的平衡输出侧的另一端连接至隔直电容CC2的一端，隔直电容CC1、CC2的另一端分别连接至NMOS管M1、M2的栅极，NMOS管M1、M2的栅极分别通过偏置电阻R1、R2连接至第一偏置电压V1，NMOS管M1、M2的源极接地，NMOS管M1、M2的漏极分别连接至NMOS管M3、M4的源极，NMOS管M3、M4的栅极分别通过偏置电阻R3、R4连接至第二偏置电压V2，NMOS管M3、M4的漏极分别连接至输出巴伦的第三、第四子巴伦平衡侧的一端，输出巴伦的第三、第四子巴伦平衡侧的另一端连接至电源Vdd，射频信号经输出巴伦的平衡侧电感耦合至输出巴伦的不平衡侧电感，并从输出巴伦的不平衡侧的一端输出放大后的射频信号RFOUT，输出巴伦的不平衡侧的另一端接地。

[0030]图4为本发明具体实施例中输入输出巴伦的优化设计示意图。在本发明中，输入输出巴伦由两个子巴伦构成可以优化性能，子巴伦的设计便于RFIC低成本紧凑设计。[0031]图5为本发明具体实施例中低成本射频差分放大器的版图设计示意图。布局布线时，输入巴伦的第一、第二子巴伦平行放置且两个子巴伦间的凹槽向上，输出巴伦的第三、第四子巴伦也平行放置且两个子巴伦间的凹槽向下，且第一、第二子巴伦的对称轴与且第三、第四子巴伦的对称轴重叠，差分射频电路20置于第一、第二子巴伦向上的凹槽与第三、第四子巴伦向下的凹槽围成的中间区域，在保证电路性能的情况下，第一、第二子巴伦的上

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缘与第三、第四子巴伦的下缘充分靠近，从而减少了输入巴伦和输出巴伦间的大片空白面积。

[0032]图6与图7为本发明与现有技术的仿真对比示意图。如图6所示为小信号增益对比，上面曲线为现有技术之小信号增益-频率曲线，最高增益18.4dB，下面为发明之小信号增益-频率曲线，最高增益17.43dB，最大增益仅恶化1.0dB。如图7所示为大信号增益及功率能力对比，上面曲线为现有技术之大信号P1dB-输入功率(1dB压缩点)曲线，增益减小1dB(18.5dB—>17.5dB)时输入功率为6.959dBm，下面为发明之大信号大信号P1dB-输入功率(1dB压缩点)曲线，增益减小1dB(17.4dB—>16.4dB)时输入功率为7.477dBm，大信号功率能力保持不变(未显著恶化)。[0033]综上所述，本发明一种低成本射频差分放大器通过采用子巴伦优化设计输入输出巴伦电路，在保证电路射频性能的同时且版图布局紧凑，其充分利用有源单位周围芯片面积，有效降低了成本，其降低芯片面积可达1/3。

[0034]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

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图1

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图2

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图3

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图4

图5

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图6

图7

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