RU2831083C1

RU2831083C1 - Low-noise amplifier

Info

Publication number: RU2831083C1
Application number: RU2023129544A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Игоревич Суэтинов; Валерий Викторович Полевиков; Далер Парвизович Шомахмадов
Original assignee: Акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр"
Filing date: 2023-11-15
Publication date: 2024-12-02

Abstract

FIELD: radio communication equipment.

SUBSTANCE: invention relates to radio communication equipment of wide application, including mobile communication, Internet of things and medicine, more specifically to input units of integrated circuits of radio receivers intended for amplification and conversion of a single-phase input radio signal into a paraphase one. Low-noise splitter amplifier consists of two cascode amplifiers connected in series. According to one of the versions, the input signal to the second amplifier is supplied from the source of the input transistor of the first stage through a coupling capacitor, and gates of cascode transistors are connected together and connected to a source of bias voltage through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal. In the low-noise splitter amplifier according to another version, the second stage is directly connected to the drain of the input transistor of the first stage by using a current mirror providing identical mode of both stages. In the third version of the low-noise splitter amplifier, complementary amplification stages are used.

EFFECT: high sensitivity of the splitter amplifier of the input signal, improved linearity and improved differentiation at high frequencies.

1 cl, 6 dwg

Description

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.The present invention relates to radio communication technology of wide application, including mobile communications, the Internet of things and medicine, and more specifically to input blocks of integrated circuits of radio receivers intended for amplification and conversion of a single-phase input radio signal into a paraphase one.

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).Modern integrated circuits of receivers include an input low-noise amplifier (LNA), a frequency converter (mixer) that reduces the high frequency (HF) to an intermediate frequency (IF), at which the signal is amplified and filtered to select the desired channel, an IF amplifier and an analog-to-digital converter (ADC).

Типовой преобразователь частоты использует схему Гильберта, в которой ВЧ сигнал подается в парафазной (дифференциальной) форме, что является принципиальным моментом для правильной работы смесителя /1/.A typical frequency converter uses a Gilbert scheme, in which the RF signal is supplied in paraphase (differential) form, which is a fundamental point for the correct operation of the mixer /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.Since the output signal from the antenna is usually single-phase, it is necessary to convert it into a paraphase signal before feeding it to the mixer input. There are several ways to do this conversion.

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.It is known to use a splitting transformer at the input of an integrated circuit. This is an expensive method, since it requires, in addition to the transformer, a significant number of elements for matching the transformer with the antenna and with the differential input LNA.

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.A splitting transformer can be used between the single-phase LNA and the mixer. In this case, the transformer is made on the crystal and occupies a significant area, which significantly increases the cost of the receiver.

Более популярные решения проблемы основаны на использование МШУ с однофазным входом и парафазным выходом.More popular solutions to the problem are based on the use of LNAs with single-phase input and paraphase output.

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/.The LNA circuit, based on a combination of two cascades - with a common source and with a common gate, has found wide application due to the simplicity of matching with the signal source, good sensitivity and the ability to operate in a wide frequency range /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.Its disadvantage is low linearity if the circuit does not have linearizing elements connected in series with the sources of the transistors. However, when such elements as a resistor are included, the amplifier noise increases.

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.The low-noise amplifier uses a series connection of two inverting stages /3/. In this circuit, the signal to the second stage is fed from the source of the cascode transistor of the first stage through a separating capacitor, which ensures relative differential at the outputs of the stages. To improve differential, it is proposed to use an active inductance as a load. The disadvantages of the circuit are the need to increase the supply voltage, since the active inductance is formed by two tiers of CMOS transistors, the complexity of resonant frequency tuning, and insufficient sensitivity due to the contribution of the second stage and the load to the overall noise at the amplifier output.

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.The closest low-noise amplifier in technical essence is proposed in US patent US 20190393844, which is based on two inverting cascode amplifiers, in which the signal to the second stage is fed from the source of the cascode transistor of the first stage through a separating capacitor /4/. A feature of the amplifier circuit is the fact that the cascode transistors are covered by feedback to improve differential at high frequencies. However, this causes noise from the cascode transistors and, as a result, sensitivity deteriorates.

Задачей данного изобретения является повышение чувствительности усилителя-расщепителя входного сигнала, улучшение линейности и улучшение дифференциальности на высоких частотах.The objective of this invention is to increase the sensitivity of the input signal splitter amplifier, improve linearity and improve differential performance at high frequencies.

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.This is achieved by implementing the LNA as follows. A low-noise amplifier-splitter consisting of two series-connected cascode amplifiers and having a single-phase input and a paraphase output, wherein the input signal is fed to the input transistor of the first stage, the signal to the second stage is fed from the drain of the input transistor of the first stage, and the outputs of the cascode amplifiers form a paraphase output of the amplifier-splitter, characterized in that the gates of both cascode transistors of the series-connected cascode amplifiers are connected together and connected to a bias voltage source through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, or the input of a second identical cascode amplifier is directly connected to the drain of the input transistor of the first stage, the gates of both cascode transistors are connected together and connected to a second bias voltage source through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, the first and second bias voltages are generated by a current mirror which consists of the first and second series-connected transistors in a diode connection, wherein the source of the first transistor is connected to the zero bus by an alternating signal, and the drain of the second transistor to the current source, the voltage from the drain of the first transistor of the current mirror is the first bias voltage and is applied to the gate of the input transistor of the first stage through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the input signal, the voltage from the drain of the second transistor of the current mirror is the second bias voltage, or each of the cascode amplifiers is implemented according to a complementary circuit and consists of two input amplifying CMOS transistors, wherein the source of the n-type CMOS amplifying transistor is connected to the zero bus, and the source of the p-type CMOS amplifying transistor is connected to the power supply bus, cascode transistors of n-type and p-type are connected to the drains of the n-type and p-type input CMOS amplifying transistors, respectively, the connected drains of which are the output of the complementary amplifier, and the gates of the input amplifying transistors of the first stage are connected to the input of the amplifier through decoupling capacitors, the gates the n-type and p-type input amplifying CMOS transistors of the second stage are connected, respectively, to the drains of the n-type and p-type input amplifying CMOS transistors of the first stage, the gates of both cascode p-type transistors are connected together and connected to a first bias voltage source through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, the gate of the p-type input amplifying CMOS transistor of the first stage is connected to a second bias voltage source through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the input signal, the first and second bias voltages are generated by a current mirror, which consists of first and second series-connected p-type transistors in diode connection, wherein a current source is connected to the drain of the first transistor in diode connection, and the source of the second transistor in diode connection is connected to the power supply bus, the voltage from the drain of the first transistor of the current mirror is the first bias voltage, the voltage from the drain of the second transistor is the second bias voltage, the gates of both cascode n-type transistors are connected together and connected to the paraphase outputs through two resistors of sufficiently large value so as not to shunt the output signal, the gate of the input n-type CMOS transistor of the first stage is connected to its drain through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the input signal.

На фиг. 1 представлена схема МШУ с парафазным выходом и фильтрацией шума каскодными транзисторами, где:Fig. 1 shows the circuit diagram of an LNA with a paraphase output and noise filtering by cascode transistors, where:

R_н - нагрузочный резистор,R _n - load resistor,

R - резистор для подачи напряжения смещения,R - resistor for supplying bias voltage,

K1, К1 - усилительные транзисторы с каналом n-типа,K1, K1 - amplifying transistors with n-type channel,

К3, К4 - каскодные транзисторы с каналом n-типа,K3, K4 - cascode transistors with n-type channel,

C1, С2 - разделительные конденсаторы,C1, C2 - decoupling capacitors,

U_см1, U_см2 - напряжения смещения.U _cm1 , U _cm2 - bias voltages.

На фиг. 2 дается схема для анализа входного импеданса каскодного транзистора, где:Fig. 2 shows a circuit for analyzing the input impedance of a cascode transistor, where:

Сзи - емкость затвор-исток.Сзи - gate-source capacitance.

На фиг. 3 показана схема фильтра для дифференциальных сигналов на основе каскодных транзисторов.Fig. 3 shows the circuit diagram of a filter for differential signals based on cascode transistors.

На фиг. 4 приводится схема МШУ с фильтрацией шума и непосредственным подключением второго каскада, где:Fig. 4 shows a diagram of an LNA with noise filtering and direct connection of the second stage, where:

К5, К6 - транзисторы в диодном включении для задания смещения усилительным и каскодным транзистором n-типа.K5, K6 - transistors in diode connection for setting the bias by the amplifying and cascode n-type transistor.

На фиг. 5 дается схема МШУ с фильтрацией шума на основе комплементарных каскадов,где:Fig. 5 shows a diagram of an LNA with noise filtering based on complementary cascades, where:

К1, К2 - усилительные транзисторы с каналом n-типа,K1, K2 - amplifying transistors with n-type channel,

К3, К4 - каскодные транзисторы n-типа.K3, K4 - n-type cascode transistors.

К5, К6 - каскодные транзисторы р-типа.K5, K6 - cascode p-type transistors.

К7, К8 - усилительные транзисторы с каналом р-типа,K7, K8 - amplifying transistors with p-type channel,

К9, К10 - транзисторы р-типа в диодном включении для задания смещения усилительным и каскодным транзисторам с каналом р-типа,K9, K10 - p-type transistors in diode connection for setting the bias for amplifying and cascode transistors with a p-type channel,

R - резистор для подачи смещения усилительным и каскодным транзисторам с каналом р-типа,R - resistor for supplying bias to the amplifying and cascode transistors with a p-type channel,

R1, R2, R3 - резисторы для задания смещения транзисторов в диодном включении.R1, R2, R3 - resistors for setting the bias of transistors in diode connection.

На фиг. 6 - схема МШУ с фильтрацией шума и резонансной нагрузкой, где:Fig. 6 shows a diagram of an LNA with noise filtering and a resonant load, where:

C1, L1, L2 - образуют резонансную нагрузку.C1, L1, L2 - form a resonant load.

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:The LNA with a single-phase input and a paraphase output with improved sensitivity is shown in Fig. 1. The LNA is formed by two series-connected amplifying stages. The input signal is fed to the input of the first stage through the separating capacitor C1, amplified by the input transistor and fed to the load resistor R _n through the cascode transistor K3. If we imagine the transistor as a current source controlled by the gate-source voltage with a slope of Gm, then the gain coefficient of K1 at the output of the first stage is equal to:

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 усиленияThe signal is fed to the second stage from the drain of the input CMOS amplifying transistor K2, which is connected to the source of the cascode transistor K3, through the separating capacitor C2. At the connection point, the gain of the first stage is approximately equal to 1, since the cascode transistor has an impedance of Z = 1/Gm at a low frequency. Since the second stage is identical to the first, a signal appears at its output, approximately equal to the signal at the first stage, but inverted relative to the first. As a result, a paraphase signal with a common gain is generated at the LNA output

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.This analysis is valid for low frequency, since the gates of the cascode transistors are connected to the bias voltage U _cm1 through a resistor R of a sufficiently large value, and therefore its impedance is frequency-dependent. This is due to the fact that in the proposed circuit, the gate-source capacitance of the cascode transistor is recharged through the external resistance R, which slows down the change in current in the cascode transistor.

Импеданс каскодного транзистора, у которого затвор подключен к источнику смещения через резистор с сопротивлением R, анализируется на схеме на фиг. 2.The impedance of a cascode transistor, whose gate is connected to the bias source through a resistor with resistance R, is analyzed in the circuit in Fig. 2.

Используя представление транзистора как источника тока, управляемого напряжением затвор-исток с крутизной Gm, импеданс каскодного транзистора Z(w) можно выразить какUsing the representation of the transistor as a current source controlled by the gate-source voltage with transconductance Gm, the impedance of the cascode transistor Z(w) can be expressed as

Здесь С - емкость затвор-исток, - циклическая частота входного сигнала. Величину R выбирают так, чтобы . В этом случае формула (1) упрощаетсяHere C is the gate-source capacitance, - the cyclic frequency of the input signal. The value of R is chosen so that In this case, formula (1) is simplified

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.Here L=(R*C)/Gm is the effective inductance of the cascode transistor with resistance in the gate circuit. The inductive nature of the impedance is due to the delay in changing the voltage on the gate-source capacitance relative to the input signal. Therefore, the current in the transistor changes with a delay, as in an inductance.

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.For R=10 kOhm, C=0.1 pF, F=1 GHz, Gm=3 mA/V the inductance is 330 nH and the impedance is about 2 kOhm, while without a resistor Z=1/Gm=330 Ohm.

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.The effective inductance in (4) depends on both the resistor and the gate capacitance. The latter can also be optimized for a specific application, taking into account the frequency range of the amplifier.

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.The calculations given are of an estimated nature, since the transistor is not an ideal regulated current source and in addition to the gate-source capacitance there is a gate-drain capacitance, while accurate circuit modeling shows that the resistor in the gate circuit gives a multiple increase in the input impedance.

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.Fig. 3 shows a part of the amplifier circuit that functions as a filter. When paraphase signals are fed to the sources of the cascode transistors, the gate currents of the transistors have opposite signs and compensate each other, providing low input resistances of the cascodes and free passage of differential signals through the cascode transistors. At the same time, for non-differential (in-phase) signals, the input resistances of the cascodes are high due to the gates being charged through a large resistance. If a signal is fed to the source of one of the cascode transistors, its gate capacitance is also recharged through a resistor, due to the fact that the input resistance of the second cascode transistor from the gate side is very high.

Наличие фильтрации недифференциальных (синфазных) сигналов в предлагаемом изобретение оказывает положительное влияние на шумовые свойства усилителя (фиг. 1).The presence of filtering of non-differential (in-phase) signals in the proposed invention has a positive effect on the noise properties of the amplifier (Fig. 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.The signal from the second stage contains the inverted useful signal, the inverted noise signal of the input transistor, and the noise of the second transistor, which is not present in the first stage. The useful signal and the inverted noise signal of the input transistor freely pass through the cascodes, and since the noise signal of the second transistor is not differential, it is filtered and appears at the output of the amplifier-splitter in a significantly weakened form. This significantly increases sensitivity. In the prototype circuit, the gates of the cascode transistors are directly connected to the bias voltage source without an additional resistor, and the noise of the second transistor freely passes to the output, making an equal contribution to the noise along with the input transistor.

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.The reduction of common mode signals also improves the linearity and improves the differentiality of the output signals because the signal becomes more balanced in both amplitude and frequency spectrum. Even harmonics generated by the nonlinearity of the input transistors are not differential and are therefore partially filtered.

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.This was confirmed by comparative modeling of the amplifier circuits with and without a resistor. For a specific amplifier-splitter circuit, the sensitivity improvement was 0.9 dB at 1 GHz (the noise figure decreased from 3 to 2.1 dB), and the linearity was 1.2 dB, just by adding a resistor.

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.The circuit in Fig. 1, implemented on n-type CMOS transistors, can be implemented on p-type CMOS transistors. In this case, the sources of the input transistors are connected to the power supply, and the loads are connected to zero.

Предложенная схема усилителя-расщепителя может быть дополнительно улучшена, как это показано на фиг. 4.The proposed amplifier-splitter circuit can be further improved as shown in Fig. 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.The given DC offset setting scheme provides identical DC offset of both stages and allows to get rid of the separating capacitor. Due to this, sensitivity, bandwidth and linearity are additionally improved. This is due to the fact that the capacitor on the crystal, occupying a significant area, introduces additional parasitic capacitances, reducing the differential signals from the first and second stages.

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.In case of sufficient supply voltage, the amplifier-splitter is implemented on complementary transistors to increase the gain and improve linearity (Fig. 5). In the complementary LNA, the input signal is fed in parallel to the input CMOS transistors: K1 n-type and K7 p-type, which simultaneously amplify the signal using the same current, which leads to a doubling of the gain.

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.Connecting the gates of all cascode transistors via resistances of a sufficiently large value ensures filtering of the noise of the amplifying transistors of the second stage and improving sensitivity. For PMOS transistors K5, K6 in both stages this is achieved by using a current mirror to generate a bias voltage U _cm2 and connecting it via a resistor R of a sufficiently large value, as shown in Fig. 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.The DC biasing scheme used ensures identical DC operation of the p-type CMOS transistors in both stages and eliminates the use of decoupling capacitors.

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.The DC mode for the n-type cascode transistors K3 and K4 is set using two resistors R2 and R3, which implement the diode connection of the transistors and provide noise filtering. The diode connection for the input transistor K1 is set using resistor 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.All resistors in the circuit, except R _n , have a resistance of about 10 kOhm and higher, while R _n can be smaller. In the described amplifier-splitter, all transistors, except for the cascode p-type CMOS transistors, have a fixed drain-source voltage for direct current due to their diode connection. However, for an alternating signal, these voltages are not constant, since the gate-source capacitances do not have time to recharge due to the large value of the resistors that set the bias voltage. Cascode p-type CMOS transistors K5, K6 have a drain-source voltage that depends on the supply voltage, so the latter must be greater than 4 gate-source voltages to ensure the active mode of cascode transistors K5, K6.

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.The advantage of the complementary circuit is the increase in the gain due to the addition of the slope of the CMOS transistors using the same bias current, as well as a significant improvement in linearity due to the effect of compensating the nonlinearity of n-type and p-type CMOS transistors /5/. In the proposed amplifier, the current is set using a current mirror on p-type CMOS transistors, which improves noise immunity in the power supply, but it is possible to use a current mirror on n-type CMOS transistors. In this case, the diode connection should include p-type CMOS transistors.

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.When using a high-frequency splitter amplifier, a resonant load is used, as shown in Fig. 6. It allows for compensation of the parasitic component capacitances and the load capacitance. The implementation of inductances L1, L2 on the crystal in the form of a symmetrical spiral inductance with a tap for supplying power additionally improves the differential nature of the output signals due to the mutual inductance between the load arms, and also reduces the required supply voltage. The disadvantage of such a load is the large area on the crystal.

В комплементарном МШУ также возможно использование резонансной нагрузки, реализуемой с помощью конденсатора и симметричной индуктивности, включенных между выходами МШУ вместо сопротивления.In a complementary LNA, it is also possible to use a resonant load, implemented using a capacitor and a symmetrical inductance connected between the LNA outputs instead of resistance.

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.All three amplifier-splitter circuits use the same method of improving sensitivity, namely, filtering the noise of the second stage with cascode transistors, the gates of which are connected and connected to a bias voltage source through a resistor of a sufficiently large value.

Источники информации.Sources of information.

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 11) Li, S., Wu, Y., Shi, S., 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.2013.2268198.2) 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 - 34.3) 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.4) US Patent US 20180198422 A1 - prototype.

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 2011.5) 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.

Claims

A low-noise amplifier-splitter consisting of two series-connected cascode amplifiers and having a single-phase input and a paraphase output, wherein the input signal is fed to the input transistor of the first stage, the signal to the second stage is fed from the drain of the input transistor of the first stage, and the outputs of the cascode amplifiers form a paraphase output of the amplifier-splitter, characterized in that the gates of both cascode transistors of the series-connected cascode amplifiers are connected together and connected to a bias voltage source through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, or the input of a second identical cascode amplifier is directly connected to the drain of the input transistor of the first stage, the gates of both cascode transistors are connected together and connected to a second bias voltage source through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, the first and second bias voltages are generated by a current mirror which consists of the first and second series-connected transistors in a diode connection, wherein the source of the first transistor is connected to the zero bus by an alternating signal, and the drain of the second transistor to the current source, the voltage from the drain of the first transistor of the current mirror is the first bias voltage and is applied to the gate of the input transistor of the first stage through a resistor of a sufficiently large value so as not to shunt the input signal, the voltage from the drain of the second transistor of the current mirror is the second bias voltage, or each of the cascode amplifiers is implemented according to a complementary circuit and consists of two input amplifying CMOS transistors, wherein the source of the n-type CMOS amplifying transistor is connected to the zero bus, and the source of the p-type CMOS amplifying transistor is connected to the power supply bus, cascode transistors of n-type and p-type are connected to the drains of the n-type and p-type input CMOS amplifying transistors, respectively, the connected drains of which are the output of the complementary amplifier, and the gates of the input amplifying transistors of the first stage are connected to the input of the amplifier through decoupling capacitors, the gates the n-type and p-type input amplifying CMOS transistors of the second stage are connected, respectively, to the drains of the n-type and p-type input amplifying CMOS transistors of the first stage, the gates of both cascode p-type transistors are connected together and connected to a first bias voltage source through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the amplified signal, the gate of the p-type input amplifying CMOS transistor of the first stage is connected to a second bias voltage source through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the input signal, the first and second bias voltages are generated by a current mirror, which consists of first and second series-connected p-type transistors in diode connection, wherein a current source is connected to the drain of the first transistor in diode connection, and the source of the second transistor in diode connection is connected to the power supply bus, the voltage from the drain of the first transistor of the current mirror is the first bias voltage, the voltage from the drain of the second transistor is the second bias voltage, the gates of both cascode n-type transistors are connected together and connected to the paraphase outputs through two resistors of sufficiently large value so as not to shunt the output signal, the gate of the input n-type CMOS transistor of the first stage is connected to its drain through a resistor of sufficiently large value so as not to shunt the input signal.