МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК H03F3/45 H03F1/22 

Настоящее изобретение относится к технике радиосвязи широкого применения, в том числе, мобильной связи, интернете вещей и медицине, более конкретно ко входным блокам интегральных схем радиоприемников, предназначенных для усиления и преобразования однофазного входного радиосигнала в парафазный.

Современные интегральные схемы приемников включают входной малошумящий усилитель (МШУ), преобразователь частоты (смеситель), понижающий высокую частоту (ВЧ) до промежуточной частоты (ПЧ), на которой происходит усиление и фильтрация сигнала для выделения нужного канала, усилитель ПЧ и аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Типовой преобразователь частоты использует схему Гильберта, в которой ВЧ сигнал подается в парафазной (дифференциальной) форме, что является принципиальным моментом для правильной работы смесителя /1/.

В связи с тем, что выходной сигнал с антенны, как правило, является однофазным необходимо преобразовать его в парафазный до подачи на вход смесителя. Существует несколько способов такого преобразования.

Известно использование расщепляющего трансформатора на входе интегральной схемы. Это - затратный способ, поскольку требует, кроме трансформатора, значительное число элементов согласования трансформатора с антенной и с дифференциальным входным МШУ.

Можно применять расщепляющий трансформатор между однофазным МШУ и смесителем. В этом случае трансформатор выполняется на кристалле и оккупирует значительную площадь, что заметно увеличивает стоимость приемника.

Более популярные решения проблемы основаны на использование МШУ с однофазным входом и парафазным выходом.

Схема МШУ, основанная на комбинации двух каскадов - с общим истоком и с общим затвором нашла широкое применение, благодаря, простоте согласования с источником сигнала, хорошей чувствительностью и способностью работать в широком диапазоне частот /2/.

Ее недостатком является низкая линейность, если в схеме отсутствуют линеаризующие элементы, включенные последовательно с истоками транзисторов. Однако при включение таких элементов, как резистор, увеличивается шум усилителя.

Малошумящий усилитель использует последовательное соединение двух инвертирующих каскадов /3/. В этой схеме сигнал на второй каскад подается с истока каскодного транзистора первого каскада через разделительный конденсатор, что обеспечивает относительную дифференциальность на выходах каскадов. Для улучшения дифференциальности предлагается использовать активную индуктивность в качестве нагрузки. Недостатками схемы являются - необходимость повышения напряжения питания, поскольку активная индуктивность образована двумя ярусами КМОП транзисторов, сложность перестройки резонансной частоты и недостаточная чувствительность, обусловленная вкладом второго каскада и нагрузки в общий шум на выходе усилителя.

Малошумящий усилитель, наиболее близкий по технической сути, предлагается в патенте США US 20190393844, который построен на основе двух инвертирующих каскодных усилителей, в котором сигнал на второй каскад подается с истока каскодного транзистора первого каскада через разделительный конденсатор /4/. Особенностью схемы усилителя является тот факт, что каскодные транзисторы охвачены обратной связью для улучшения дифференциальности на высоких частотах. Однако при этом появляются шумы каскодных транзисторов и в результате чувствительность ухудшается.

Задачей данного изобретения является повышение чувствительности усилителя-расщепителя входного сигнала, улучшение линейности и улучшение дифференциальности на высоких частотах.

Это достигается выполнением МШУ следующим образом. Малошумящий усилитель-расщепитель, состоящий из двух последовательно соединенных каскодных усилителей и имеющий однофазный вход и парафазный выход, при этом входной сигнал подается на входной транзистор первого каскада, сигнал на второй каскад подается со стока входного транзистора первого каскада, а выходы каскодных усилителей образуют парафазный выход усилителя расщепителя, отличающийся тем, что затворы обоих каскодных транзисторов последовательно соединенных каскодных усилителей соединены вместе и подключены к источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, или вход второго идентичного каскодного усилителя непосредственно подключен к стоку входного транзистора первого каскада, затворы обоих каскодных транзисторов соединены вместе и подключены ко второму источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, первое и второе напряжения смещения генерируются токовым зеркалом, которое состоит из первого и второго последовательно соединенных транзисторов в диодном включении, при этом исток первого транзистора подключен к нулевой шине по переменному сигналу, а сток второго транзистора к источнику тока, напряжение со стока первого транзистора токового зеркала является первым напряжением смещения и подается на затвор входного транзистора первого каскада через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал, напряжение со стока второго транзистора токового зеркала является вторым напряжением смещения, или каждый из каскодных усилителей выполнен по комплементарной схеме и состоит из двух входных усилительных КМОП транзисторов, причем исток КМОП усилительного транзистора n-типа подключен к нулевой шине, а исток КМОП усилительного транзистора р-типа - к шине питания, к стокам входных КМОП усилительных транзисторов n-типа и р-типа подключаются, соответственно, каскодные транзисторы n-типа и р-типа, соединенные стоки которых являются выходом комплементарного усилителя, а затворы входных усилительных транзисторов первого каскада подключены ко входу усилителя через разделительные конденсаторы, затворы входных усилительных КМОП транзисторов n-типа и р-типа второго каскада подключены, соответственно, к стокам входных усилительных КМОП транзисторов n-типа и р-типа первого каскада, затворы обоих каскодных транзисторов р-типа соединены вместе и подключены к первому источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, затвор входного усилительного КМОП транзистора р-типа первого каскада - к второму источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал, первое и второе напряжения смещения генерируются токовым зеркалом, которое состоит из первого и второго последовательно соединенных транзисторов р-типа в диодном включении, при этом к стоку первого транзистора в диодном включении подключен источник тока, а исток второго транзистора в диодном включении - к шине питания, напряжение со стока первого транзистора токового зеркала является первым напряжением смещения, напряжение со стока второго транзистора является вторым напряжением смещения, затворы обоих каскодных транзисторов n-типа соединены вместе и подключены к парафазным выходам через два резистора достаточно большой величины, чтобы не шунтировать выходной сигнал, затвор входного КМОП транзистора n-типа первого каскада соединен с его стоком через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал.

На фиг. 1 представлена схема МШУ с парафазным выходом и фильтрацией шума каскодными транзисторами, где:

R_н - нагрузочный резистор,

R - резистор для подачи напряжения смещения,

K1, К1 - усилительные транзисторы с каналом n-типа,

К3, К4 - каскодные транзисторы с каналом n-типа,

C1, С2 - разделительные конденсаторы,

U_см1, U_см2 - напряжения смещения.

На фиг. 2 дается схема для анализа входного импеданса каскодного транзистора, где:

Сзи - емкость затвор-исток.

На фиг. 3 показана схема фильтра для дифференциальных сигналов на основе каскодных транзисторов.

На фиг. 4 приводится схема МШУ с фильтрацией шума и непосредственным подключением второго каскада, где:

К5, К6 - транзисторы в диодном включении для задания смещения усилительным и каскодным транзистором n-типа.

На фиг. 5 дается схема МШУ с фильтрацией шума на основе комплементарных каскадов,где:

К1, К2 - усилительные транзисторы с каналом n-типа,

К3, К4 - каскодные транзисторы n-типа.

К5, К6 - каскодные транзисторы р-типа.

К7, К8 - усилительные транзисторы с каналом р-типа,

К9, К10 - транзисторы р-типа в диодном включении для задания смещения усилительным и каскодным транзисторам с каналом р-типа,

R - резистор для подачи смещения усилительным и каскодным транзисторам с каналом р-типа,

R1, R2, R3 - резисторы для задания смещения транзисторов в диодном включении.

На фиг. 6 - схема МШУ с фильтрацией шума и резонансной нагрузкой, где:

C1, L1, L2 - образуют резонансную нагрузку.

МШУ с однофазным входом и парафазным выходом с улучшенной чувствительностью показан на фиг.1. МШУ образован двумя последовательно включенными усилительными каскадами. Входной сигнал подается на вход первого каскада через разделительный конденсатор С1, усиливается входным транзистором и через каскодный транзистор К3 поступает в нагрузочный резистор R_н. Если представить транзистор как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток с крутизной Gm, то коэффициент усиления К1 на выходе первого каскада равен:

Сигнал на второй каскад подается со стока входного КМОП усилительного транзистора К2, который подключен к истоку каскодного транзистора К3, через разделительный конденсатор С2. В точке подключения коэффициент усиления первого каскада примерно равен 1, поскольку каскодный транзистор имеет импеданс Z=1/Gm на низкой частоте. Так как второй каскад идентичен первому на его выходе появляется сигнал, примерно равный сигналу на первом каскаде, но инвертированный относительно первого. В итоге, на выходе МШУ генерируется парафазный сигнал с общим коэффициентом усиления

Данный анализ справедлив для низкой частоты, так как затворы каскодных транзисторов подключены к напряжению смещения U_см1 через резистор R достаточно большой величины и поэтому его импеданс является частотно-зависимым. Это связано с тем, что в предлагаемой схеме емкость затвор-исток каскодного транзистора перезаряжается через внешние сопротивление R, которое замедляет изменение тока в каскодном транзисторе.

Импеданс каскодного транзистора, у которого затвор подключен к источнику смещения через резистор с сопротивлением R, анализируется на схеме на фиг. 2.

Используя представление транзистора как источника тока, управляемого напряжением затвор-исток с крутизной Gm, импеданс каскодного транзистора Z(w) можно выразить как

Здесь С - емкость затвор-исток, - циклическая частота входного сигнала. Величину R выбирают так, чтобы . В этом случае формула (1) упрощается

Здесь L=(R*C)/Gm - эффективная индуктивность каскодного транзистора с сопротивлением в цепи затвора. Индуктивный характер импеданса обусловлен задержкой изменения напряжения на емкости затвор-исток относительно входного сигнала. Поэтому и ток в транзисторе меняется с задержкой, как в индуктивности.

Для R=10 кОм, С=0.1 пФ, F=1 ГГц, Gm=3 мА/В индуктивность составляет 330 нГн, а импеданс около 2 кОм, в то время как без резистора Z=1/Gm=330 Ом.

Эффективная индуктивность в (4) зависит как от резистора, так и от затворной емкости. Последняя может также быть оптимизирована для конкретного применения с учетом частотного диапазона работы усилителя.

Приведенные расчеты носят оценочный характер, так как транзистор не является идеальным регулируемым источником тока и кроме емкости затвор-исток имеется емкость затвор-сток, при этом точное моделирование схемы показывает, что резистор в цепи затвора дает многократное увеличение входного импеданса.

На фиг. 3 показан часть схемы усилителя, выполняющая функцию фильтра. Когда на истоки каскодных транзисторов подаются парафазные сигналы, то затворные токи транзисторов имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга, обеспечивая малые входные сопротивления каскодов и свободное прохождение дифференциальных сигналов через каскодные транзисторы. В то время, как для недифференциальных (синфазных) сигналов входные сопротивления каскодов велики из-за зарядки затворов через большое сопротивление. Если сигнал подается на исток одного из каскодных транзисторов, то его затворная емкость перезаряжается также через резистор, в связи с тем, что входное сопротивление второго каскодного транзистора со стороны затвора очень велико.

Наличие фильтрации недифференциальных (синфазных) сигналов в предлагаемом изобретение оказывает положительное влияние на шумовые свойства усилителя (фиг. 1).

Сигнал со второго каскада содержит инвертированный полезный сигнал, инвертированный шумовой сигнал входного транзистора, а также шум второго транзистора, который не присутствует в первом каскаде. Полезный сигнал и инвертированный шумовой сигнал входного транзистора свободно проходят через каскоды а поскольку шумовой сигнал второго транзистора не является дифференциальным, то он фильтруется и появляется на выходе усилителя-расщепителя в значительно ослабленном виде. Это заметно повышает чувствительность. В схеме прототипа затворы каскодных транзисторов непосредственно подключены к источнику напряжения смещения без дополнительного резистора и шум второго транзистора свободно проходит на выход, внося одинаковый вклад в шум наравне со входным транзистором.

Ослабление синфазных сигналов приводит также к улучшению линейности и улучшает дифференциальность сигналов на выходе из-за того, что сигнал становится более сбалансированным как по амплитуде, так и по частотному спектру. Четные гармоники, генерируемые нелинейностью входных транзисторов, не являются дифференциальными и потому частично фильтруются.

Это было подтверждено сравнительным моделированием схем усилителя с резистором и без резистора. Для конкретной схемы усилителя-расщепителя улучшение чувствительности составило 0,9 дБ на частоте 1 ГГц (коэффициент шума уменьшился с 3 до 2,1 дБ), а линейности - на 1,2 дБ только за счет добавления резистора.

Схема на фиг. 1, выполненная на КМОП транзисторах n-типа может быть реализована на КМОП транзисторах р-типа. В этом случае истоки входных транзисторов подключаются к питанию, а нагрузки - к нулевой.

Предложенная схема усилителя-расщепителя может быть дополнительно улучшена, как это показано на фиг. 4.

Приведенная схема задания смещения по постоянному току обеспечивает идентичное смещение по постоянному току обоих каскадов и позволяет избавиться от разделительного конденсатора. За счет этого дополнительно улучшается чувствительность, полоса пропускания и линейность. Это связано с тем, что конденсатор на кристалле, занимая значительную площадь, вносит дополнительные паразитные емкости, снижающие дифференциальность сигналов с первого и второго каскадов.

В случае достаточного напряжения питания усилитель-расщепитель выполняется на комплементарных транзисторах для увеличения коэффициента усиления и улучшения линейности (фиг. 5). В комплементарном МШУ входной сигнал параллельно подается на входные КМОП транзисторы: К1 n-типа и К7 р-типа, которые одновременно усиливают сигнал, используя тот же самый ток, что приводит к удвоению коэффициента усиления.

Подключения затворов всех каскодных транзисторов через сопротивления достаточно большой величины обеспечивает фильтрацию шума усилительных транзисторов второго каскада и улучшение чувствительности. Для PMOS транзисторов К5, К6 в обоих каскадах это достигается применением токового зеркала для генерации напряжения смещения U_см2 и подключением его через резистор R достаточно большой величины, как показано на фиг. 4.

Используемая схема задания смещения по постоянному току обеспечивает идентичный режим по постоянному току КМОП транзисторов р-типа в обоих каскадах и исключает использование разделительных конденсаторов.

Задание режима по постоянному току для каскодных транзисторов n-типа К3 и К4 осуществляется с помощью двух резисторов R2 и R3, которые реализуют диодное включение транзисторов и обеспечивают фильтрацию шума. Диодное включение для входного транзистора К1 осуществляется с помощью резистора R1.

Все резисторы в схеме, кроме R_н, имеют сопротивление порядка 10 кОм и выше, в то время как R_н может быть меньшей величины. В описанном усилителе-расщепителе все транзисторы, кроме каскодных КМОП транзисторов р-типа, имеют фиксированное напряжение сток-исток по постоянному току из-за их диодного включения. Однако, для переменного сигнала эти напряжения не являются постоянными, поскольку емкости затвор-исток не успевают перезаряжаться из-за большой величины резисторов, задающих напряжения смещения. Каскодные КМОП транзисторы р-типа К5, К6 имеют напряжение сток-исток, которое зависит от напряжения питания, поэтому последнее должно быть больше, чем 4 напряжения затвор-исток, чтобы обеспечить активный режим каскодных транзисторов К5, К6.

Преимущество комплементарной схемы заключается в увеличении коэффициента усиления за счет сложения крутизны КМОП транзисторов, использующих один и тот же ток смещения, а также значительное улучшение линейности за счет эффекта компенсирования нелинейности КМОП транзисторов n-типа и р-типа /5/. В предложенном усилителе задание тока осуществляется с помощью токового зеркала на КМОП транзисторах р-типа, что улучшает помехозащищенность по питанию, однако возможно использование токового зеркала на КМОП транзисторах n-типа. В этом случае в диодном включении должны быть КМОП транзисторы р-типа.

При использовании усилителя-расщепителя на высоких частотах применяется резонансная нагрузка, как это показано на фиг. 6. Она позволяет компенсировать паразитные емкости компонентов и емкость нагрузки. Исполнение индуктивностей L1, L2 на кристалле в виде симметричной спиральной индуктивности с отводом для подачи питания дополнительно улучшает дифференциальность выходных сигналов за счет взаимной индуктивности между плечами нагрузки, а также уменьшает требуемое напряжение питания. Недостатком такой нагрузки является большая площадь на кристалле.

В комплементарном МШУ также возможно использование резонансной нагрузки, реализуемой с помощью конденсатора и симметричной индуктивности, включенных между выходами МШУ вместо сопротивления.

Во всех трех схемах выполнения усилителя-расщепителя используется один и тот же способ улучшения чувствительности, а именно, фильтрация шума второго каскада каскодными транзисторами, затворы которых соединены и подключены к источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины.

Источники информации.

1) Li, S., Wu, Y., Shi, С, Ismail, M. (2000). Optimizing Mixer Noise Performance: a 2.4 GHz Gilbert Downconversion Mixer for W-CDMA Application. In: Silveira, L.M., Devadas, S., Reis, R. (eds) VLSI: Systems on a Chip. IFIP - The International Federation for Information Processing, vol 34. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-0-387-35498-9 1

2) Chen, Long & Wang, Yixiao & Wang, Chuan & Wang, Jiayi & Shi, Congyin & Weng, Xuankai & Ye, Le & Liu, Junhua & Liao, Huailin & Wang, Y. (2014). A 4.2 mm2 72 mW multistandard direct-conversion DTV tuner in 65 nm CMOS. Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on. 61. 280-292. 10.1109/TCSI.2013.2268198.

3) Babaei Kia, Hojjat and Abu Khari A'ain. "A Single-To-Differential LNA using Differential Active Inductor for GPS Applications." Frequenz 67 (2013): 27 - 34.

4) Патент США US 20180198422 A1 - прототип.

5) Heng Zhang et al, Linearization Techniques for CMOS Low Noise Amplifiers: A Tutorial. IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I: REGULAR PAPERS, VOL. 58, NO. 1, JANUARY 2011.

Изобретение относится к технике радиосвязи широкого применения, в том числе, мобильной связи, интернете вещей и медицине, более конкретно к входным блокам интегральных схем радиоприемников, предназначенных для усиления и преобразования однофазного входного радиосигнала в парафазный. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности усилителя-расщепителя входного сигнала, улучшение линейности и улучшение дифференциальности на высоких частотах. Малошумящий усилитель-расщепитель состоит из двух каскодных усилителей, соединенных последовательно. При этом по одному из вариантов исполнения входной сигнал на второй усилитель подается с истока входного транзистора первого каскада через разделительный конденсатор, а затворы каскодных транзисторов соединены вместе и подключены к источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал. В малошумящем усилителе-расщепителе по другому варианту второй каскад непосредственно подключен к стоку входного транзистора первого каскада за счет применения токового зеркала, обеспечивающего идентичный режим обоих каскадов. В третьем варианте исполнения малошумящего усилителя-расщепителя используются комплементарные усилительные каскады. 6 ил.

Малошумящий усилитель-расщепитель, состоящий из двух последовательно соединенных каскодных усилителей и имеющий однофазный вход и парафазный выход, при этом входной сигнал подается на входной транзистор первого каскада, сигнал на второй каскад подается со стока входного транзистора первого каскада, а выходы каскодных усилителей образуют парафазный выход усилителя расщепителя, отличающийся тем, что затворы обоих каскодных транзисторов последовательно соединенных каскодных усилителей соединены вместе и подключены к источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, или вход второго идентичного каскодного усилителя непосредственно подключен к стоку входного транзистора первого каскада, затворы обоих каскодных транзисторов соединены вместе и подключены ко второму источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, первое и второе напряжения смещения генерируются токовым зеркалом, которое состоит из первого и второго последовательно соединенных транзисторов в диодном включении, при этом исток первого транзистора подключен к нулевой шине по переменному сигналу, а сток второго транзистора к источнику тока, напряжение со стока первого транзистора токового зеркала является первым напряжением смещения и подается на затвор входного транзистора первого каскада через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал, напряжение со стока второго транзистора токового зеркала является вторым напряжением смещения, или каждый из каскодных усилителей выполнен по комплементарной схеме и состоит из двух входных усилительных КМОП транзисторов, причем исток КМОП усилительного транзистора n-типа подключен к нулевой шине, а исток КМОП усилительного транзистора р-типа - к шине питания, к стокам входных КМОП усилительных транзисторов n-типа и р-типа подключаются, соответственно, каскодные транзисторы n-типа и р-типа, соединенные стоки которых являются выходом комплементарного усилителя, а затворы входных усилительных транзисторов первого каскада подключены к входу усилителя через разделительные конденсаторы, затворы входных усилительных КМОП транзисторов n-типа и р-типа второго каскада подключены, соответственно, к стокам входных усилительных КМОП транзисторов n-типа и р-типа первого каскада, затворы обоих каскодных транзисторов р-типа соединены вместе и подключены к первому источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать усиленный сигнал, затвор входного усилительного КМОП транзистора р-типа первого каскада - к второму источнику напряжения смещения через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал, первое и второе напряжения смещения генерируются токовым зеркалом, которое состоит из первого и второго последовательно соединенных транзисторов р-типа в диодном включении, при этом к стоку первого транзистора в диодном включении подключен источник тока, а исток второго транзистора в диодном включении - к шине питания, напряжение со стока первого транзистора токового зеркала является первым напряжением смещения, напряжение со стока второго транзистора является вторым напряжением смещения, затворы обоих каскодных транзисторов n-типа соединены вместе и подключены к парафазным выходам через два резистора достаточно большой величины, чтобы не шунтировать выходной сигнал, затвор входного КМОП транзистора n-типа первого каскада соединен с его стоком через резистор достаточно большой величины, чтобы не шунтировать входной сигнал.