本發(fā)明涉及射頻電路設(shè)計領(lǐng)域，特別是涉及一種低成本射頻差分放大器。

背景技術(shù)：

隨著iot(internetofthings，物聯(lián)網(wǎng))無線通信技術(shù)發(fā)展，電路與版圖緊湊設(shè)計成為降低rfic芯片成本的關(guān)鍵技術(shù)。差分射頻放大器輸入輸出通常采用巴倫(balun)進行匹配設(shè)計，巴倫占用主要的芯片面積。

圖1為傳統(tǒng)射頻差分放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，傳統(tǒng)射頻差分放大器由輸入巴倫(balun-in)、差分射頻電路和輸出巴倫(balun-out)組成，輸入巴倫(balun-in)完成輸入單端信號rfin從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換以得到差分射頻電路所需要的差分信號，差分射頻電路由兩級差分放大電路組成，nmos管m1、m2及其偏置電阻r1、r2組成第一級差分放大電路，nmos管m3、m4及其偏置電阻r3、r4組成第一級差分放大電路，電容cc1、cc2為隔直電容，單端信號rfin由輸入巴倫變換為差分信號后分別經(jīng)隔直電容cc1、cc2連接至nmos管m1、m2的柵極，放大后的信號從nmos管m1、m2的漏極分別連接至nmos管m3、m4的源極，射頻信號經(jīng)nmos管m3、m4二次放大后從nmos管m3、m4的漏極輸出至輸出巴倫的平衡端，經(jīng)過輸出巴倫的平衡-不平衡變換得到最終輸出信號rfout。

由于輸入巴倫和輸出巴倫的工作原理以及電路結(jié)構(gòu)限制，通常輸入巴倫和輸出巴倫的寬度和高度近似為方形，且輸入輸出巴倫的感值不一樣(nmos管輸入和輸出阻抗不一樣)，輸入巴倫和輸出巴倫通常為平面結(jié)構(gòu)的一組相互耦合的對稱金屬線，在交叉處用過孔連接至另一層后再通過過孔回到起始平面(圖中虛線部分即為過孔和排設(shè)在其他層的金屬線)，其金屬線寬度和金屬線間的間距由電路特性決定，通常射頻電路輸入和輸出為直線連接，很少進行彎曲走線以避免不必要的射頻耦合，因此走線上通常如圖2所示形式，輸入射頻信號rfin依次經(jīng)過輸入巴倫、射頻放大單元、輸出巴倫，三者沿同一軸線排列，而射頻管雖然比一般邏輯電路的管子大很多，但相對輸入巴倫、輸出巴倫還是小很多，從而導(dǎo)致版圖上看起來就是兩頭大(輸入巴倫、輸出巴倫)中間小(射頻放大單元)的結(jié)構(gòu)，考慮到電路性能，射頻電路周圍不合適放其他電路，從而造成周圍面積浪費嚴重。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種低成本射頻差分放大器，其通過采用子巴倫優(yōu)化設(shè)計輸入輸出巴倫電路，在保證電路射頻性能的同時且版圖布局緊湊，其充分利用有源單位周圍芯片面積，有效降低了成本。

為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種低成本射頻差分放大器，包括：

輸入巴倫，用于利用兩個子巴倫將輸入的射頻單端信號rfin從不平衡方式轉(zhuǎn)換為平衡方式輸出以得到差分射頻電路所需的差分信號；

差分射頻電路，用于將輸入巴倫輸出的平衡射頻信號進行放大；

輸出巴倫，用于通過兩個子巴倫將該差分射頻電路輸出的平衡射頻信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為不平衡輸出。

進一步地，該單端信號rfin由該輸入巴倫的第一子巴倫不平衡輸入側(cè)的一端輸入，經(jīng)過該第一子巴倫不平衡側(cè)輸入線圈后從第一子巴倫不平衡輸入側(cè)的另一端輸出，該輸出再從輸入巴倫的第二子巴倫不平衡側(cè)的一端進入第二子巴倫不平衡側(cè)輸入線圈后接地。

進一步地，該射頻單端信號rfin經(jīng)該輸入巴倫的不平衡側(cè)電感耦合至該輸入巴倫的平衡側(cè)電感，該第一子巴倫的平衡輸出側(cè)的一端和第二子巴倫的平衡輸出側(cè)的一端接地，該第一子巴倫與第二子巴倫的平衡輸出側(cè)的另一端連接至該差分射頻電路。

進一步地，該差分射頻電路包括第一級差分放大電路、第二級差分放大電路以及第一隔直電容、第二隔直電容。

進一步地，該第一子巴倫的平衡輸出側(cè)的另一端連接至該第一隔直電容的一端，該第二子巴倫的平衡輸出側(cè)的另一端連接至該第二隔直電容的一端。

進一步地，該第一差分放大電路包括第一nmos管、第二nmos管、第一電阻、第二電阻，該第一隔直電容、第二隔直電容的另一端分別連接至該第一nmos管、第二nmos管柵極，該第一nmos管、第二nmos管的柵極分別通過第一偏置電阻、第二偏置電阻連接至第一偏置電壓，該第一nmos管、第二nmos管源極接地，該第一nmos管、第二nmos管的漏極分別連接至該第二級差分放大電路。

進一步地，該第二級差分放大電路包括第三nnos管、第四nmos管、第三偏置電阻、第四偏置電阻，該第一nmos管、第二nmos管的漏極分別連接至該第三nnos管、第四nmos管的源極，該第三nmos管、第四nmos管的柵極分別通過第三偏置電阻、第四偏置電阻連接至第二偏置電壓，該第三nmos管、第四nmos管的漏極分別連接至輸出巴倫的兩個子巴倫的一端。

進一步地，該輸出巴倫的第三、第四子巴倫平衡側(cè)的另一端連接至電源，射頻信號經(jīng)該輸出巴倫的平衡側(cè)電感耦合至輸出巴倫的不平衡側(cè)電感，并從輸出巴倫的不平衡側(cè)的一端輸出放大后的射頻信號，該輸出巴倫的不平衡側(cè)的另一端接地。

進一步地，布局布線時，該輸入巴倫的第一、第二子巴倫平行放置且兩個子巴倫間的凹槽向上，該輸出巴倫的第三、第四子巴倫也平行放置且兩個子巴倫間的凹槽向下，且第一、第二子巴倫的對稱軸與且第三、第四子巴倫的對稱軸重疊。

進一步地，該差分射頻電路置于該第一子巴倫、第二子巴倫向上的凹槽與該第三子巴倫、第四子巴倫向下的凹槽圍成的中間區(qū)域，該第一子巴倫、第二子巴倫的上緣與第三、第四子巴倫的下緣充分靠近。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種低成本射頻差分放大器通過采用子巴倫優(yōu)化設(shè)計輸入輸出巴倫電路，在保證電路射頻性能的同時且版圖布局緊湊，其充分利用有源單位周圍芯片面積，有效降低了成本，其降低芯片面積可達1/3。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)射頻差分放大器的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為傳統(tǒng)射頻差分放大器版圖布局示意圖；

圖3為本發(fā)明一種低成本射頻差分放大器的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明具體實施例中輸入輸出巴倫的優(yōu)化設(shè)計示意圖；

圖5為本發(fā)明具體實施例中低成本射頻差分放大器的版圖設(shè)計示意圖；

圖6與圖7為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的仿真對比示意圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例并結(jié)合附圖說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾與變更。

圖3為本發(fā)明一種低成本射頻差分放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，本發(fā)明一種低成本射頻差分放大器包括輸入巴倫(輸入不平衡-平衡變換器，balun-in)10、差分射頻電路(ampcell)20以及輸出巴倫(輸出平衡-不平衡變換器，balun-out)30。

其中，輸入巴倫(balun-in)10由第一子巴倫和第二子巴倫這兩個子巴倫組成，用于將輸入單端信號rfin從不平衡方式轉(zhuǎn)換為平衡方式輸出以得到差分射頻電路20所需要的差分信號；差分射頻電路20由第一級差分放大電路和第二差分放大電路兩級差分放大電路組成，nmos管m1、m2(可稱之為第一nmos管m1、第二nmos管m2)及其偏置電阻r1、r2(可稱之為第一電阻r1、第二電阻r2)組成第一級差分放大電路，nmos管m3、m4(可稱之為第三nmos管m3、第四nmos管m4)及其偏置電阻r3、r4(可稱之為第三電阻r3、第四電阻r4)組成第一級差分放大電路，電容cc1、cc2為隔直電容，用于將輸入巴倫10輸出的平衡射頻信號進行放大；輸出巴倫(balun-out)30由第三子巴倫和第四子巴倫兩個子巴倫組成，用于將差分射頻電路20輸出的平衡射頻信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為不平衡輸出rfout以用于后續(xù)電路；

單端信號rfin由輸入巴倫的第一子巴倫不平衡輸入側(cè)的一端輸入，經(jīng)過第一子巴倫不平衡側(cè)輸入線圈后從第一子巴倫不平衡輸入側(cè)的另一端輸出，該輸出再從輸入巴倫的第二子巴倫不平衡側(cè)的一端進入第二子巴倫不平衡側(cè)輸入線圈后接地，輸入射頻單端信號rfin經(jīng)輸入巴倫的不平衡側(cè)電感耦合至輸入巴倫的平衡側(cè)電感，第一子巴倫的平衡輸出側(cè)的一端和第二子巴倫的平衡輸出側(cè)的一端接地，第一子巴倫的平衡輸出側(cè)的另一端連接至隔直電容cc1的一端，第二子巴倫的平衡輸出側(cè)的另一端連接至隔直電容cc2的一端，隔直電容cc1、cc2的另一端分別連接至nmos管m1、m2的柵極，nmos管m1、m2的柵極分別通過偏置電阻r1、r2連接至第一偏置電壓v1，nmos管m1、m2的源極接地，nmos管m1、m2的漏極分別連接至nmos管m3、m4的源極，nmos管m3、m4的柵極分別通過偏置電阻r3、r4連接至第二偏置電壓v2，nmos管m3、m4的漏極分別連接至輸出巴倫的第三、第四子巴倫平衡側(cè)的一端，輸出巴倫的第三、第四子巴倫平衡側(cè)的另一端連接至電源vdd，射頻信號經(jīng)輸出巴倫的平衡側(cè)電感耦合至輸出巴倫的不平衡側(cè)電感，并從輸出巴倫的不平衡側(cè)的一端輸出放大后的射頻信號rfout，輸出巴倫的不平衡側(cè)的另一端接地。

圖4為本發(fā)明具體實施例中輸入輸出巴倫的優(yōu)化設(shè)計示意圖。在本發(fā)明中，輸入輸出巴倫由兩個子巴倫構(gòu)成可以優(yōu)化性能，子巴倫的設(shè)計便于rfic低成本緊湊設(shè)計。

圖5為本發(fā)明具體實施例中低成本射頻差分放大器的版圖設(shè)計示意圖。布局布線時，輸入巴倫的第一、第二子巴倫平行放置且兩個子巴倫間的凹槽向上，輸出巴倫的第三、第四子巴倫也平行放置且兩個子巴倫間的凹槽向下，且第一、第二子巴倫的對稱軸與且第三、第四子巴倫的對稱軸重疊，差分射頻電路20置于第一、第二子巴倫向上的凹槽與第三、第四子巴倫向下的凹槽圍成的中間區(qū)域，在保證電路性能的情況下，第一、第二子巴倫的上緣與第三、第四子巴倫的下緣充分靠近，從而減少了輸入巴倫和輸出巴倫間的大片空白面積。

圖6與圖7為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的仿真對比示意圖。如圖6所示為小信號增益對比，上面曲線為現(xiàn)有技術(shù)之小信號增益-頻率曲線，最高增益18.4db，下面為發(fā)明之小信號增益-頻率曲線，最高增益17.43db，最大增益僅惡化1.0db。如圖7所示為大信號增益及功率能力對比，上面曲線為現(xiàn)有技術(shù)之大信號p1db-輸入功率(1db壓縮點)曲線，增益減小1db(18.5db—>17.5db)時輸入功率為6.959dbm，下面為發(fā)明之大信號大信號p1db-輸入功率(1db壓縮點)曲線，增益減小1db(17.4db—>16.4db)時輸入功率為7.477dbm，大信號功率能力保持不變(未顯著惡化)。

綜上所述，本發(fā)明一種低成本射頻差分放大器通過采用子巴倫優(yōu)化設(shè)計輸入輸出巴倫電路，在保證電路射頻性能的同時且版圖布局緊湊，其充分利用有源單位周圍芯片面積，有效降低了成本，其降低芯片面積可達1/3。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。