CN102176657A

CN102176657A - 应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器

Info

Publication number: CN102176657A
Application number: CN2011100558315A
Authority: CN
Inventors: 王志功; 杨格亮; 李芹; 李智群
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: CN102176657B

Abstract

一种应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器，包括：共栅输入级、中间级以及源极跟随器输出级，共栅输入级的输入端为所述放大器的总输入端、源极跟随器输出级的输出端为总输出端，各级之间依次连接，所述的中间级包括由第二和第三晶体管构成的共源-共栅结构，信号由第二晶体管的栅极输入从第三晶体管的漏极输出，输出级包括第四晶体管与第四晶体管的源极连接的第五晶体管、栅极与第五晶体管的栅极相连的第六晶体管以及一端与第六晶体管的漏极和栅极相连且另一端与总电源相连的偏置电阻，信号由第四晶体管的栅极输入源极输出，在中间级与输出级之间设有反馈电感，其一端与总电源相连，另一端连接于第三晶体管的栅极和第四晶体管的漏极。

Description

应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器

技术领域

本发明提出一种宽带LNA在高频率点的增益提升与频带拓展电路，特别涉及在毫米波频段的宽带LNA设计，能够在高频率处提升放大器增益以及拓展高频带宽。

背景技术

LNA通常为接收机前端的第一级电路，一般不同的应用背景决定了它的不同实现方式。回顾以往的LNA设计多应用于2.4GHz的GSM通信、WLAN和美国联邦通信委员会提出的商用3.1～10.6GHz超宽带无线通信。本发明的研究背景是设计一个工作频率要覆盖ALMA-band1即31.3～45GHz的宽带LNA，并且其放大增益要达到20dB以上。图1提出了一种LNA的电路结构以初步满足设计指标要求，它包括：共栅输入级，Cascode结构中间级和源极随器输入级。图1所示LNA的各级所实现的功能如下：共栅输入级用来实现宽带输入匹配性能，Cascode结构中间级用来实现LNA的宽带放大功能，源极跟随器输出级用来实现宽带输出匹配性能。

由普通放大器的频率响应特性可知，在高频处随着频率的升高放大器的增益呈现滚降的趋势，毫米波频段LNA的设计同样遵循这种规律，但对宽带LNA来说，在所感兴趣的频率范围内这是需要被克服的。基于此，在不增加额外功率消耗的前提下，本发明运用正反馈的方法提出一种毫米波频段宽带LNA在高频率点的增益提升与频带拓展技术，并且设计出具体的实现电路。就发明者目前所知，此种增益提升与频带拓展技术的实现电路尚未被发现。

发明内容

本发明提供一种能够有效提升高频率点增益并拓展带宽的应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器，包括：用于实现输入阻抗匹配与信号预放大功能的共栅输入级、用于信号放大功能的共源-共栅中间级及用于实现输出阻抗匹配功能的源极跟随器输出级，共栅输入级的输入端为宽带低噪声正反馈放大器的输入端，共栅输入级的输出端与中间级的输入端连接，中间级的输出端与源极跟随器输出级的输入端连接，源极跟随器输出级的输出端作为宽带低噪声正反馈放大器的输出端，所述的中间级包括由第二晶体管和第三晶体管构成的共源-共栅结构，所述第二晶体管的栅极作为中间级的输入端，第三晶体管的漏极作为中间级的输出端，源极跟随器输出级包括第四晶体管及与第四晶体管源极连接的电流镜电路，所述的电流镜电路包括漏极与第四晶体管的源极连接的第五晶体管、栅极与第五晶体管的栅极相连的第六晶体管以及一端与第六晶体管的漏极和栅极相连且另一端与总电源VDD相连的偏置电阻，所述第四晶体管的栅极作为源极跟随器输出级的输入端，第四晶体管的源极作为宽带低噪声正反馈放大器的输出端，在中间级与源极跟随器输出级之间设有反馈电感，所述的反馈电感的一端与总电源VDD相连，另一端连接于第三晶体管的栅极和第四晶体管的漏极。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.不额外增加电路的功耗。由于本发明只在图1所示电路结构的基础上引入正反馈，而且仅通过一个无源电感来实现，因而不会增加电路的功耗。

2.简单容易实现。实践证明反馈电感的感值不需要设计的很大，引入正反馈后，仅需对其他电路参数做微小的调整，因而可以大大减小毫米波频段宽带LNA的设计周期。

3.本发明的电路元件少，易于单片电路集成。

附图说明

图1是一种宽带LNA的构架图。

图2是正反馈高频增益提升与带宽拓展电路的结构框架。

图3是正反馈高频增益提升与带宽拓展技术的实现电路细节。

图4是图3的理论分析等效电路。

图5是M4漏极不接反馈点时的试验电路。

图6是M3栅极直接接VDD时的试验电路。

图7是电感L_f不同连接方式下对应的仿真结果。

具体实施方式

一种应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器，包括：用于实现输入阻抗匹配与信号预放大功能的共栅输入级1、用于信号放大功能的共源-共栅中间级2及用于实现输出阻抗匹配功能的源极跟随器输出级3，共栅输入级1的输入端为宽带低噪声正反馈放大器的输入端，共栅输入级1的输出端与中间级2的输入端连接，中间级2的输出端与源极跟随器输出级3的输入端连接，源极跟随器输出级3的输出端作为宽带低噪声正反馈放大器的输出端，所述的中间级2包括由第二晶体管M2和第三晶体管M3构成的共源-共栅结构，所述第二晶体管M2的栅极作为中间级2的输入端，第三晶体管M3的漏极作为中间级2的输出端，源极跟随器输出级3包括第四晶体管M4及与第四晶体管M4源极连接的电流镜电路，所述的电流镜电路包括漏极与第四晶体管M4的源极连接的第五晶体管M5、栅极与第五晶体管M5的栅极相连的第六晶体管M6以及一端与第六晶体管M6的漏极和栅极相连且另一端与总电源VDD相连的偏置电阻R2，所述第四晶体管M4的栅极作为源极跟随器输出级3的输入端，第四晶体管M4的源极作为宽带低噪声正反馈放大器的输出端，在中间级2与源极跟随器输出级3之间设有反馈电感L_f，所述的反馈电感L_f的一端与总电源VDD相连，另一端连接于第三晶体管M3的栅极和第四晶体管M4的漏极，共栅输入级1包括：第一晶体管M1、一端连接于第一晶体管M1的栅极且另一端连接于偏置电源Vbias的第一电感L_G、一端连接于第一晶体管M1的漏极且另一端连接于总电源VDD的第二电感L_D1和一端连接于第一晶体管M1的源极且另一端连接于全局地的第三电感L_S，所述第一晶体管M1的源极作为共栅输入级1的输入端，第一晶体管M1的漏极作为共栅输入级1的输出端，为了实现信号的级间耦合，本发明的共栅输入级1输出端通过电容C1与中间级2的输入端连接。

下面参照附图，对本发明做出更为详细的说明：

在图1所示LNA结构的基础上通过设计反馈电感L_f，使其达到一定感值，在所感兴趣的频率范围内高频处增益被提升、高频带宽被扩展。

先按照图1搭建出LNA的基本结构，调整晶体管及其他无源源器件的尺寸，使电路工作在感兴趣的频段，匹配和噪声系数调节到满足设计指标要求。然后按图3所示的结构搭建反馈电路。反馈电路的核心由M2、M3、M4、M5、M6连接M3漏极和VDD的电感L_D、连接M3栅极M4漏极和VDD的电感L_f以及连接M6漏极和VDD的电阻R组成。

电路搭好后需要对L_f的感值进行调节，使高频增益增加的幅度能够满足需要。在Q带内Lf的典型值为75fF。

本发明注意到输出级与中间级之间的关联，在不增加额外功耗的前提下，通过引入正反馈的方法有效的提升了毫米波频段宽带LNA的高频点增益同时拓展了其高频带宽，电路的实现细节如图3所示。

图4为图3的理论分析等效电路，将M3及其前面的电路以一个二端口网络替代，网络参数用ABCD矩阵表示，LNA的最后一级等效为一放大增益为-AV的放大器，信号从M4的漏极通过电感L_f反馈到前一级晶体管M3的栅极并且对M3的输入信号起加强作用，该反馈为正反馈。

由图2推导出电路的环路增益为：

\frac{U_{2}}{U_{1}} |_{I_{2} = 0} = \frac{1 + \frac{U_{L}}{V_{2}}}{A + \frac{U_{L}}{V_{2}}} - - - (1)

其中A为M3及其前面电路的原始前向增益，其表达式为：

A = \frac{V_{1}}{V_{2}} |_{I_{2} = 0} - - - (2)

式(3)给出了U_L与V₂的关系：

- A_{V} (V_{2} + U_{L}) = U_{L}

&DoubleRightArrow; - A_{V} = (1 + A_{V}) \frac{U_{L}}{V_{2}} - - - (3)

&DoubleRightArrow; \frac{U_{L}}{V_{2}} = - \frac{A_{V}}{1 + A_{V}}

令A_V/(1+A_V)＝Δx，则式(2)可化简为：

f (Δx) = \frac{U_{2}}{U_{1}} |_{I_{2} = 0} = \frac{1 - Δx}{A - Δx} - - - (4)

由式(4)可以看出，正反馈的引入，相当于在晶体管原始增益的表达式中引入了一个极点，当Δx的取值接近A时将会使环路增益激增，而且若假设A与Δx皆为实数可以很容易证明出f(Δx)＞1/A。

上述理论已经被本发明提出的电路的仿真结果所验证。对图1所示的电路及基于图1在相同偏置下添加反馈电感(如图3)、M4的漏极不接在反馈点而直接接VDD(如图5)以及M3栅极直接接VDD，L_f接在M4漏极和VDD之间(如图6)这四种情况在Cadence下进行了仿真。图7为4种情况下仿真结果的比较，Line.1为图1对应的仿真结果，Line.2为图5对应的仿真结果，Line.3为图6对应的仿真结果，Line.4为图3对应的仿真结果。可以看出只有本发明提出的方案，即存在反馈电感的电路，所感兴趣频段内的高频增益才会被显著提高、高频带宽才会被显著拓宽。利用该技术实现的宽带LNA电路中，频率在45GHz时的功率增益从19.5dB提高到了28.5dB，功率增益为20dB时对应的带宽从13.7GHz拓展到16.5GHz。

Claims

1.一种应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器，包括：用于实现输入阻抗匹配与信号预放大功能的共栅输入级（1）、用于信号放大功能的共源-共栅中间级（2）及用于实现输出阻抗匹配功能的源极跟随器输出级（3），共栅输入级（1）的输入端为正反馈宽带低噪声放大器的输入端，共栅输入级（1）的输出端与中间级（2）的输入端连接，中间级（2）的输出端与源极跟随器输出级（3）的输入端连接，源极跟随器输出级（3）的输出端作为正反馈宽带低噪声放大器的输出端，所述的中间级（2）包括由第二晶体管（M2）和第三晶体管（M3）构成的共源-共栅结构，所述第二晶体管（M2）的栅极作为中间级（2）的输入端，第三晶体管（M3）的漏极作为中间级（2）的输出端，源极跟随器输出级（3）包括第四晶体管（M4）及与第四晶体管（M4）源极连接的电流镜电路，所述的电流镜电路包括漏极与第四晶体管（M4）的源极连接的第五晶体管（M5）、栅极与第五晶体管（M5）的栅极相连的第六晶体管（M6）以及一端与第六晶体管（M6）的漏极和栅极相连且另一端与总电源VDD相连的偏置电阻（R2），所述第四晶体管（M4）的栅极作为源极跟随器输出级（3）的输入端，第四晶体管（M4）的源极作为正反馈宽带低噪声放大器的输出端，其特征在于，在中间级（2）与源极跟随器输出级（3）之间设有反馈电感（L_f），所述的反馈电感（L_f）的一端与总电源VDD相连，另一端连接于第三晶体管（M3）的栅极和第四晶体管（M4）的漏极。

2.根据权利要求1所述的应用于毫米波频段的正反馈宽带低噪声放大器，其特征在于，共栅输入级（1）包括：第一晶体管（M1）、一端连接于第一晶体管（M1）的栅极且另一端连接于偏置电源Vbias的第一电感（L_G）、一端连接于第一晶体管（M1）的漏极且另一端连接于总电源VDD的第二电感（L_D1）和一端连接于第一晶体管（M1）的源极且另一端连接于全局地的第三电感（L_S），所述第一晶体管（M1）的源极作为共栅输入级（1）的输入端，第一晶体管（M1）的漏极作为共栅输入级（1）的输出端。