CN100481714C - 使用多路选通晶体管具有改良线性和频带的放大器电路 - Google Patents

使用多路选通晶体管具有改良线性和频带的放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种使用MGTR具有改良线性和频带的放大器电路。该放大器电路包括一个放大单元，它包括主晶体管和辅助晶体管；一个衰减单元，它包括分别连接到主晶体管的源极和辅助晶体管的源极的电感器；一个电容器，它的一端连接到主晶体管和辅助晶体管的源极，它的另一端连接到主晶体管和辅助晶体管的栅极；和一个输出单元，它连接到主晶体管和辅助晶体管的漏极。

Description

使用多路选通晶体管具有改良线性和频带的放大器电路
发明领城
[01]本发明涉及一种使用多路选通晶体管(MGTR)的放大器电路，更具体而言涉及一种使用MGTR具有改良线性和改良频带的放大器电路。
相关背景技术
[02]图1是一种使用多路选通晶体管(MGTR)的常规放大器电路的电路图。
[03]参照图1，常规的放大器电路包括晶体管MN11，一个由主晶体管MN12和辅助晶体管MN13组成的MGTR，电阻器R11和电感器L11。
[04]主晶体管MN12的栅极、漏极和源极分别连接到辅助晶体管MN13的栅极、漏极和源极，从而构造一个放大单元。
[05]主晶体管MN12和辅助晶体管MN13的源极被连接到电感器L11，以便形成一个衰减单元。主晶体管MN12和辅助晶体管MN13的栅极共同地连接到输入端子。
[06]晶体管MN11的源极连接到放大单元的晶体管MN12和MN13的漏极。晶体管MN11的漏极被连接到电阻器R11和输出单元的输出端子。
[07]现在叙述使用MGTR的常规放大器电路的操作。
[08]输入信号被施加到主晶体管MN12和辅助晶体管MN13的栅极进行放大。这里，当主晶体管MN12放大输入信号时，就控制辅助晶体管MN13的操作特性来消除三阶互调失真IMD3。
[09]晶体管MN12的操作特性与晶体管MN13的不同，以便使放大器的线性得到改善。然而，当电感器连接到晶体管MN12和MN13的源极时，就减少了线性改善，特别是减少了在高频的线性改善。
[10]电感器不可避免地加入到放大器电路，用于封装集成电路(IC)芯片或连接到输入阻抗匹配的电路。
[11]当设计一种低噪声放大器时，具体地说，电感器被加入到放大器电路进行输入阻抗匹配。在这种情况下，当电感元件连接到晶体管的源极用于串联负反馈时，电感元件对应于来自晶体管栅极的输入阻抗的实分量，这样电感元件呈现为电阻器。
[12]这里，电阻器的电阻是gm*Ls/(Cgs)，其中gm是晶体管的跨导，Ls是电感元件的电感，Cgs是晶体管的栅极-源极的电容。
[13]在低噪声放大器的情况下，该方法被用来同时实现噪声系数的最优化匹配和输入功率匹配。
[14]然而，根据这种方法，在MGTR的情况下gm”的偏移效应并不能在高频中呈现。当电感器连接到晶体管的源极时，产生了gm”阻抗的虚分量，该虚分量成为确定非线性的分量。即，gm”的实分量被MGTR有效地消除，但是由于连接到晶体管源极的电感器而新产生了gm”的虚分量。因此，就去除了MGTR的线性改善效果(参照IEEE RFIC Symposium 2004 FortWorth，TX USA 6-8 June，2004’)。
[15]图2是一个使用MGTR来避免图1中所示放大器电路的缺陷的常规放大器电路的电路图。图2的放大器电路在“IEEE RFIC Symposium 2004Fort Worth，TX USB 6-8 June，2004’”中公开，并且是由Qualcomm(高通)提出。
[16]参照图2，该放大器电路包括晶体管MN21至MN25，电容器C21，C22和C23，电感器L21，L22，L23和L24，电流源Is21和Is22，和电阻器R21和R22。
[17]主晶体管MN21的漏极被连接到辅助晶体管MN22的漏极，主晶体管MN21的源极被连接到电感器L21，辅助晶体管MN22的源极被连接到电感器L22，从而构造一个放大单元。这里，电感器L21和L22具有不同的特性。
[18]输入端子IN串行地连接电容器C21和电感器L23，并耦合到主晶体管MN21的栅极，以便放大输入信号，其中电容器C21和电感器L23是串行连接。电容器C22被插入在主晶体管MN21的栅极与辅助晶体管MN22的栅极之间，以便使用辅助晶体管MN22放大输入信号。
[19]电流源Is21的输出被施加到晶体管MN23的漏极和栅极用于加偏压，电流源Is22的输出被施加到晶体管MN24的漏极和栅极用于加偏压，电流源Is21和Is22接收电源电压Vdd。
[20]电阻器R21串行地连接在晶体管MN23的栅极与主晶体管MN21的栅极之间，电阻器R22串行地连接在晶体管MN24的栅极与辅助晶体管MN22的栅极之间，用于向晶体管MN21和MN22加偏压。晶体管MN25的漏极被连接到电容器C23，以便构造一个输入端子，晶体管MN25的源极被连接到晶体管MN21和MN22的漏极，以便输出信号。
[21]在图2的放大器电路中，具有不同特性的电感器L21和L22被分别连接到主晶体管MN21和辅助晶体管MN22，以便改善线性。然而，在这种情况下，该放大器电路需要更多的图1放大器电路中的电感器。此外，确定辅助晶体管MN22的电感器L22的电感以及仅仅将放大器电路施加到窄带上是非常困难的。而且，还没有方法能够处理在辅助晶体管中产生的感应栅极噪声(参见IEEE RFIC Symposium 2004 Fort Worth，TX USA 6-8June，2004’)。
发明概述
[22]相应地，本发明已经解决了上述的问题，本发明的一个目的在于提供一种改善频带同时增强线性的放大器电路。
[23]本发明的另一个目的在于提供一种放大器电路，该放大器电路能够减少MGTR的退化(degeneration)电感器的影响，并减少在辅助晶体管中产生的感应栅极噪声的影响，从而改善噪声系数。
[24]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种使用多路选通晶体管具有改良线性和频带的放大器电路，该放大器电路包括：一个放大单元，它包括主晶体管和辅助晶体管，主晶体管的栅极、漏极和源极分别连接到辅助晶体管的栅极、漏极和源极；一个衰减单元，它包括分别连接到主晶体管的源极和辅助晶体管的源极的电感器，电感器的另一端接地；一个电容器，它的一端连接到主晶体管和辅助晶体管的源极，它的另一端连接到主晶体管和辅助晶体管的栅极；和一个输出单元，它连接到主晶体管和辅助晶体管的漏极。
[25]优选的，主晶体管和辅助晶体管具有不同的特性。输出单元可以包括晶体管。
[26]本发明的另一个方面，还提供了一种使用MGTR具有改良线性和频带的放大器电路，该放大器电路包括：一个放大单元，它包括主晶体管和辅助晶体管；一个衰减单元，它包括分别连接到主晶体管的源极和辅助晶体管的源极的电感器；一个电容器，它的一端连接到主晶体管和辅助晶体管的源极，它的另一端连接到主晶体管和辅助晶体管的栅极；一个输出单元，它连接到主晶体管和辅助晶体管的漏极，该输出单元包括晶体管；和一个反馈放大器，它连接在输出单元的晶体管的栅极和源极之间，输出单元的晶体管的漏极连接到电阻器。
附图简述
[27]本发明的上述和其他目的、特征和优点将从下文结合附图详细叙述的本发明的优选实施例中显现出来。
[28]图1是一个使用MGTR的常规放大器电路的电路图；
[29]图2是在“IEEE RFIC Symposium 2004 Fort Worth，TX USA 6-8June，2004””中公开并由Qualcomm提出的一个常规放大器电路的电路图；
[30]图3是根据本发明的第一个实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的共用源极放大器电路的电路图；
[31]图4是根据本发明的第二实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的共射-共基放大器电路的电路图；
[32]图5是根据本发明的第三实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的放大器电路的电路图；
[33]图6是显示根据本发明一个实施例的放大器电路的模拟效果的增益图；
[34]图7是显示根据本发明一个实施例的放大器电路的模拟效果的IIP3图；
[35]图8是显示根据本发明一个实施例的模拟效果的噪声系数图；
[36]图9是显示根据本发明一个实施例的模拟效果的史密斯(Smith)圆图。
优选实施例的详细叙述
[37]现在将详细地参考本发明的优选实施例，本发明的实例在附图中进行了说明。
[38]图3是根据本发明的第一个实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的共用源极放大器电路的电路图；图4是根据本发明的第二实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的共射-共基放大器电路的电路图。由于图3和图4的放大器电路的放大单元具有相同的配置，因此现在将仅叙述图4的共射-共基放大器电路。
[39]参照图4，放大器电路包括一个由主晶体管MN41和辅助晶体管MN42组成的MGTR，晶体管MN43，电感器L41，电容器C41和电阻器R41。主晶体管MN41的栅极、漏极和源极分别连接到辅助晶体管MN42的栅极、漏极和源极，主晶体管MN41和辅助晶体管MN42的源极彼此相连，以使主晶体管MN41和辅助晶体管MN42彼此相连，从而构造一个放大单元。
[40]主晶体管MN41的源极、辅助晶体管MN42的源极和电感器L41的一端被共同的连接，以便构成一个衰减单元。电容器C41的一端被连接到主晶体管MN41和辅助晶体管MN42的栅极，它的另一端被连接到主晶体管MN41和辅助晶体管MN42的源极。
[41]晶体管MN43的漏极被连接到电阻器R41的一端和输入端子OUT，以便构成一个输出单元，晶体管MN43的源极被连接到主晶体管MN41和辅助晶体管MN42的漏极。这里，当主晶体管MN41放大信号时，就确定产生的用于减少IMD3的辅助晶体管MN42的特性。然而，由于组件(package)或电感器被加入到放大器电路进行输入匹配，当电感器不可避免地连接到晶体管的源极时，在晶体管至电感器的栅极和源极之间产生了二次谐波分量2f1，2f2和f1+f2的反馈。通过这个反馈，产生了gm”的虚分量，这样在高频就不能获得根据MGTR的线性改善。
[42]相应地，本发明将电容器C41的一端连接到输入端子IN和晶体管MN41和MN42的栅极，并将电容器C41的另一端连接到晶体管MN41和MN42的源极，以便减少二次谐波分量的放大量，从而减少了反馈的影响。因此，即使在高频也可以获得根据MGTR的线性改善。
[43]特别地，由于当放大器电路放大信号时不存在频率谐振，因此当图4的放大器电路被匹配到窄带时，它可以应用于窄带。
[44]图5是根据本发明的第三个实施例，使用MGTR具有改良线性和频带的放大器电路的电路图。参照图5，该放大器电路包括晶体管MN51，MN52和MN53，电感器L51，电容器C51，电阻器R51和反馈放大器501。由于图4的放大器电路的基本配置与图3的放大器电路相似，而区别仅在于反馈放大器部分与图3的放大器电路不同，因此现在将仅仅叙述反馈放大器501。
[45]反馈放大器501的输出端连接到晶体管MN53的栅极，反馈放大器501的输入端连接到与晶体管MN53的源极和MGTR MN51和MN52的漏极相耦合的节点。即，反馈放大器501被加入在晶体管MN53的栅极和源极之间，以便通过在共射-共基放大器电路中的反馈环路增益来增加共同栅极输入(晶体管MN53的输入)的阻抗。在这种情况下，减少了共同栅极输入阻抗，这样可以减少在栅极和漏极之间的反馈，这通常被称为Miller效应。即，减少了在MGTR MN51和MN52的漏极中产生的谐波反馈效应，从而改善近似2到3dB的线性。
[46]图6是显示根据本发明一个实施例的放大器电路的模拟效果的增益图。参照图6，当输入频率是906.1MHz时获得了最大增益。这里，增益点m5的dB(S(2，1))是14.222dB，这是最大的增益。
[47]图7是显示根据本发明一个实施例的放大器电路的模拟效果的IIP3图。参照图7，当indep(m1)是0.166时，IIP3是8.240dBm，当indep(m2)是0.193时，IIP3是7.449dBm，当indep(m3)是0.221时，IIP3是7.470dBm，当indep(m4)是0.000时，IIP3是-2.286dBm。这里，在不使用MGTR的常规共射-共基放大器电路的情况下indep(m4)是0.000。即，最大的IIP3是8.2409dBm，这样根据MGTR IIP3就近似改进了10dB。
[48]图8是显示根据本发明一个实施例的模拟效果的噪声系数(NF)图。如图8中所示，当频率是906.1MHz时噪声系数是0.983dB。
[49]图9是显示根据本发明一个实施例的模拟效果的史密斯(Smith)圆图。参照图9，当输入频率是906.1MHz时，S(1，1)是0.054/68.915，阻抗是Zo*(1.034+j0.104)。当输入频率是886.9MHz时，S(2，2)是0.216/81.239，阻抗是Zo*(0.972+j0.435)。
[50]表格1表示图6，7，8和9的模拟结果。
表格1
 
频率(GHz) S21(dB) NF(dB) IIP3(dBm) Pdc(mA@V) FOM
本发明 0.9 14.2 0.98 +8.0 1.6@1.8 230.0
Qualcomm 0.9 15.5 1.60 +17.2 9.0@2.6 179.0
[51]在表格1中，FOM(质量因数)是对特性比较的指数，它是根据参考文件(IEEE RFIC Symposium 2004 Fort Worth，TX USA 6-8 June，2004’)的计算方法[OIF3/{噪声系数-1}*Pdc]进行计算。
[52]本发明显著的减少了使用MGTR的放大器电路的退化电感器的影响，并减少了在辅助晶体管中产生的感应栅极噪声的影响。此外，本发明在进行匹配之后改进了噪声系数和特性。而且，根据本发明的放大器电路可以应用于宽带。而且，本发明还能够很容易地确定放大器电路的电容器C31的电容，并使用少量的元件构造放大器电路，从而减少功率消耗。相应地，本发明的放大器电路可以应用于需要低功率消耗的电路。
[53]本发明将电容器插入到放大器电路，以便减少退化电感器的影响，并减少在放大器电路的辅助晶体管中产生的感应栅极噪声，增强了放大器电路的线性，从而改进噪声系数，并能够使放大器电路应用到宽带。而且，为了改善线性，本发明通过将电容器插入到放大器电路，能够最小化加入到放大器电路的元件数量。相应地，减少了放大器电路的功率消耗，以便可以容易地构造使用该放大器电路的各种电路。
[54]尽管本发明已经参照特定的示例性实施例进行了叙述，但是本发明并不是由实施例来限定，而是仅由附加的权利要求来限定。应当认识到本领域的熟练技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以对实施例进行修改或变化。

Claims (5)

1.一种使用多路选通晶体管具有改良线性和频带的放大器电路，该放大器电路包括：
一个放大单元，它包括主晶体管和辅助晶体管，主晶体管的栅极、漏极和源极分别连接到辅助晶体管的栅极、漏极和源极；
一个衰减单元，它包括分别连接到主晶体管的源极和辅助晶体管的源极的电感器，电感器的另一端接地；
一个电容器，它的一端连接到主晶体管和辅助晶体管的源极，它的另一端连接到主晶体管和辅助晶体管的栅极；
一个输出单元，它连接到主晶体管和辅助晶体管的漏极。
2.如权利要求1的放大器电路，其中主晶体管和辅助晶体管具有不同的特性。
3.如权利要求1的放大器电路，其中输出单元包括晶体管。
4.如权利要求3的放大器电路，其中输出单元包括一个反馈放大器，它连接在输出单元的晶体管的栅极和源极之间，输出单元的漏极连接到电阻器。
5.如权利要求4的放大器电路，其中主晶体管和辅助晶体管具有不同的特性。
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