CN109257022A - 一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，本发明采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的技术方案，提升了增益单元的高频增益，同时拓展了增益单元的低频带宽，进而，在趋近于fT/2处实现了高增益、宽频带的效果；本发明的匹配电路均由片上无源器件构成，并且在设计匹配网络时，考虑到信号输入、输出Pad在F波段内的寄生效应，确保了电路的稳定性和可行性；本发明中的增益单元由带隙基准电路提供电流偏置，可以通过控制偏置电压精确调整偏置电流的大小，以达到放大器的最优性能。

Description

一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器。
背景技术
由于亚毫米波和太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置，与微波和光波相比，它具有许多特殊的性质，如穿透性、低能性、瞬态性、宽带性、相干性、方向性和吸水性等，使得它在生物医学、物理化学、天文学、军事、国家安全、反恐等诸多领域具有不可替代的重要应用价值。然而，在设计此频段的收发机时，由于制作工艺的限制，存在很多挑战和困难，特别是信号放大作用的放大器设计。
首先，收发机电路中存在很多无源器件，如电感、电容、传输线等，在亚毫米波和太赫兹波频段内，由于趋肤效应的存在以及工作频率趋近于器件的自谐振频率，所以这些无源器件的损耗非常大。另外，当工作频率达到甚至超过硅基工艺机制频率fT的一半时，晶体管自身的寄生电容效应会明显增加，严重恶化晶体管的放大能力。因此，在此频段内，普通放大器拓扑的增益将会趋近于甚至小于1。
另一方面，放大器作为无线通信系统中至关重要的射频部件之一。如果放大器的增益较低，会直接恶化系统的噪声系数，降低系统的灵敏度和动态范围等。目前，为了获得足够的高频增益，亚毫米波和太赫兹波频段的放大器通常采用高频特性良好、击穿电压高的砷化镓、磷化铟等工艺。但是相比硅基，以上工艺的制作成本非常高，且集成度较低，所以极大地限制了亚毫米波和太赫兹波频段的集成电路的发展。
为了在硅基工艺下实现太赫兹放大器，增益提升技术成为了科学研究的热点。其中最有效的增益提升方法就是单向增益最大化技术(即，H.Bameri and O.Momeni,“Ahigh-gain mm-wave amplifier design:An analytical approach to power gainboosting,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.52,no.2,pp.357–370,Feb.2017.)，在共源结构中嵌入合适的线性、无耗、倒相四端口网络，可以在保证放大器稳定的前提下，提升放大器的单向功率增益。遗憾的是，这种单向增益最大化技术实现的是一种窄带效果，并不能应用到宽带无线通信系统中。
在众多宽带放大器结构中，并联电阻反馈实现带宽拓展最为简单方便(即，C.-W.Kim et al.,“An Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier for 3–5-GHz UWBSystem,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.40,no.2,pp.544–547,February 2005.),这种反馈结构中的电阻和电容取值较大，对拓展低频带宽非常有效。但是，反馈结构中的大电阻会恶化放大器的噪声系数，同时还会降低放大器的功率增益，另外，反馈结构中的大电容仅仅起到隔绝直流的作用，一般来说，硅基工艺下制作的大电容，其Q值较低，这又会降低放大器的功率增益，恶化放大器的噪声系数，以上两种原因大大限制了这种带宽拓展技术的应用。
发明内容
鉴于以上所述亚毫米波和太赫兹波应用的限制，本发明所要解决的技术问题在于克服传统硅基工艺的极限，提供一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，在很高的频带内(F波段)得到足够的功率增益，并实现良好的增益平坦度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，包括多级放大器和电流偏置电路；
各级放大器的增益单元结构完全相同，均采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的结构，在工作频率趋近于fT/2处实现高增益、宽频带；所述电流偏置电路采用带隙基准结构，为各级放大器提供稳定的电流偏置。
优选的，所述增益单元结构包括两个晶体管Q1和晶体管Q2，两个电容C1和电容C2，两个电感L1和电感L2；晶体管Q1的发射极与晶体管Q2的集电极相连，组成共源共栅结构；电容C2一端与晶体管Q1的基极相连，另一端接地；电感L1、电感L2与电容C1构成LC串联谐振电路，其一端连接晶体管Q1的集电极，另一端连接晶体管Q2的基极，与晶体管Q1、晶体管Q2组成的共源共栅结构并联；晶体管Q2的基极为增益单元的输入端，电感L1与电感L2之间的抽头X为增益单元的输出端。
优选的，所述电流偏置电路包括两个PMOS晶体管M1和PMOS晶体管M3，一个NMOS晶体管M2和一个电阻R0；其中晶体管M1的源极与晶体管M3的源极相连，晶体管M1的栅极分别与晶体管M1的漏极和晶体管M3的栅极相连后，再连接至晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极连接偏置电阻R0的一端，晶体管M2的源极接GND，偏置电阻R0的另一端连接偏置电压输入Pad，M3的漏极为电流偏置电路的电流输出端口，为增益单元中共源共栅结构共射级的基极提供电流偏置。
优选的，所述增益单元结构中共源共栅结构的共基极采用串联电阻分压的结构为基极提供电压偏置。
优选的，所述增益单元中共源共栅结构的共射级采用电流偏置电路为基极提供电流偏置，且在共射级的基极与电流偏置电路的输出端之间串联一个大电阻，防止增益单元中的射频信号泄漏到电流偏置电路中。
优选的，所述多级放大器的输入端口实现输入阻抗匹配，所述多级放大器的输出端口实现输出阻抗匹配；所述多级放大器的输入匹配、级间匹配以及输出匹配均采用片上无源器件实现。
优选的，所述多级放大器的输入匹配中，电感Lm1、电容Cm1、电感Lm2串联之后，一端连接增益单元结构的输入端，另一端连接至输入GSG Pad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad1代替。
优选的，所述多级放大器的级间匹配采用L型匹配单元，以减少无源器件带来的损耗。
优选的，所述多级放大器的输出匹配中，所述多级放大器的输出端通过电感连接输出GSG Pad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad2代替。
优选的，所述多级放大器包括第一放大器、第二级放大器和第三级放大器。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1)本发明创新地结合了背景内容中提到的增益提升技术和带宽拓展技术，采用简单的LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的技术方案，提升了增益单元的高频增益，同时拓展了增益单元的低频带宽，进而，在趋近于fT/2处实现了高增益、宽频带的效果。
2)本发明的匹配电路均由片上无源器件构成，并且在设计匹配网络时，考虑到信号输入、输出Pad在F波段内的寄生效应，确保了电路的稳定性和可行性。
3)本发明中的异质结双极性晶体管由带隙基准电路提供电流偏置，可以通过控制偏置电压精确调整偏置电流的大小，以达到放大器的最优性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为增益单元电路图；
图2为电流偏置电路图；
图3为放大器的整体原理图；
图4为放大器S参数和噪声系数的版图仿真结果；
图5为放大器稳定系数的版图仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供了一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器和电流偏置电路。所述各级放大器的增益单元的结构完全相同，如图1所示，其包括两个异质结双极性晶体管Q1、Q2，两个电容C1、C2，两个电感L1、L2。其中Q1的发射极与Q2的集电极相连，组成共源共栅结构，减小晶体管Q2的集电极与基极之间的Miller效应，进而提高放大器电路的反向隔离度；电容C2一端与晶体管Q1的基极相连，另一端接GND，为共基级提供射频地，保证共源共栅结构正常工作；电感L1、L2与电容C1构成LC串联谐振电路，其一端连接Q1的漏极，另一端连接Q2的基极，与Q1、Q2组成的共源共栅结构并联，根据单向增益最大化技术可知，并联的LC串联谐振支路可以提升传统共源共栅结构在高频处的Gmax，以提升增益单元在较高频率处的功率增益；另外由于电感L和电容C在F波段内的Q值相对较低，根据并联电阻反馈拓展带宽的原理可知，也可以达到拓展低频带宽的效果；晶体管Q2的基极为增益单元的输入端，电感L1与电感L2之间的抽头X为增益单元的输出端。
所述电流偏置电路如图2所示，其具体结构包括两个PMOS晶体管M1、M3，一个NMOS晶体管M2和一个偏置电阻R0。其中晶体管M1的源极与晶体管M3的源极相连，晶体管M1的栅极分别与晶体管M1的漏极和晶体管M3的栅极相连后，再连接至晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极连接偏置电阻R0的一端，晶体管M2的源极接GND，偏置电阻R0的另一端连接偏置电压输入Pad，M3的漏极为电流偏置电路的电流输出端口，为增益单元中的共射级的基极提供电流偏置。从连接方式上可以看出，晶体管M2为共源组态，可以看作是一个随栅极电压变化的恒流源；晶体管M1为二极管方式连接，始终工作在饱和状态，其漏极电流与晶体管M2的漏极电流相等，另外，晶体管M3的栅极电压与晶体管M1的栅极电压相等，假设晶体管M3工作在饱和状态，根据MOS管漏极电流与栅极电压之间的关系：
其中μn为平均电子迁移率，Cox为单位面积氧化物层的电容。
则晶体管M1的漏极电流与晶体管M3的漏极电流之比与(W/L)M1/(W/L)M3成正比。总的来说，可以通过控制晶体管M2的栅极电压精确控制晶体管M3的漏极电流。
图3给出了一种放大器的整体原理图，其主要由三个结构完全相同的增益单元，以及增益单元所需的偏置电路和匹配电路构成。其中电阻R1、R2串联分压为共源共栅结构中的共基级提供电压偏置，共源共栅结构中的共射级采用电流偏置，偏置电流由上述电流偏置电路提供，在电流偏置电路输出端与共射级的基极之间串联一个大电阻RBlock，防止增益单元中的射频信号泄漏到电流偏置电路中。所述放大器的输入匹配、级间匹配以及输出匹配均采用片上无源器件实现。当工作频率趋近于太赫兹时，信号输入、输出Pad的寄生电容非常大，为保证电路的可行性，在设计输入、输出匹配时需要考虑到这种寄生效应，在本发明中采用并联的电容Cpad1、Cpad2代替。在输入匹配中，电感Lm1、电容Cm1、电感Lm2串联之后，一端连接增益单元的输入端，另一端连接至输入GSG Pad的S Pad(输入信号Pad)上，该Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad1代替。为减少无源器件带来的损耗，级间匹配采用简单、高效的L型匹配单元，电感Lm3一端连接第一级增益单元的输出端X，另一端连接VCC Pad，电容Cm2一端连接第一级增益单元的输出端X，另一端连接第二级增益单元的输入端；电感Lm4一端连接第二级增益单元的输出端X，另一端连接VCC Pad，电容Cm2一端连接第二级增益单元的输出端X，另一端连接第三级增益单元的输入端。在输出匹配中，电感Lm5一端连接第三级增益单元的输出端X，另一端连接VCC Pad，电容Cm4一端连接第三级增益单元的输出端X，另一端连接电感Lm6，电感Lm6的另一端连接输出GSG Pad的S Pad(输出信号Pad)上，该Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad2代替。
基于IBM0.13-μm SiGe BiCMOS(8HP)工艺(fT＝200GHz)，本发明对上述放大器电路进行了版图仿真，图4给出了放大器S参数和噪声系数的版图仿真结果，由图可见，放大器在90GHz到115GHz频带内的增益为13.1±0.5dB，平坦度非常高，且其工作频率趋近于所选用工艺的fT/2。噪声系数在85GHz到105GHz频带内始终低于10dB，同种工艺下相比其他F波段放大器来说，其噪声系数非常低。图5给出了放大器稳定系数的版图仿真结果，由图可见，在整个工作频带内，稳定系数都大于1，即所设计的放大器处于绝对稳定状态。
综上所述，本发明基于IBM0.13-μm SiGe BiCMOS(8HP)工艺(fT＝200GHz)设计了一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其创新地结合了增益提升技术和带宽拓展技术，采用简单的LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的技术方案，在趋近于fT/2处实现了高增益、宽频带的效果。所设计的放大器在F波段内具有高增益、宽频带、高增益平坦度、低噪声等优点，满足在亚毫米波和太赫兹波段的应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，包括多级放大器和电流偏置电路；
各级放大器的增益单元结构完全相同，均采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的结构，以在工作频率趋近于fT/2处实现高增益、宽频带；所述电流偏置电路采用带隙基准结构，为各级放大器提供稳定的电流偏置。
2.根据权利要求1所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述增益单元结构包括两个晶体管Q1和晶体管Q2，两个电容C1和电容C2，两个电感L1和电感L2；晶体管Q1的发射极与晶体管Q2的集电极相连，组成共源共栅结构；电容C2一端与晶体管Q1的基极相连，另一端接地；电感L1、电感L2与电容C1构成LC串联谐振电路，其一端连接晶体管Q1的集电极，另一端连接晶体管Q2的基极，与晶体管Q1、晶体管Q2组成的共源共栅结构并联；晶体管Q2的基极为增益单元的输入端，电感L1与电感L2之间的抽头X为增益单元的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述电流偏置电路包括两个PMOS晶体管M1和PMOS晶体管M3，一个NMOS晶体管M2和一个电阻R0；其中晶体管M1的源极与晶体管M3的源极相连，晶体管M1的栅极分别与晶体管M1的漏极和晶体管M3的栅极相连后，再连接至晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极连接偏置电阻R0的一端，晶体管M2的源极接GND，偏置电阻R0的另一端连接偏置电压输入Pad，M3的漏极为电流偏置电路的电流输出端口，为增益单元中共源共栅结构共射级的基极提供电流偏置。
4.根据权利要求1-3所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述增益单元结构中共源共栅结构的共基极采用串联电阻分压的结构为基极提供电压偏置。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述增益单元中共源共栅结构的共射级采用电流偏置电路为基极提供电流偏置，且在共射级的基极与电流偏置电路的输出端之间串联一个大电阻，防止增益单元中的射频信号泄漏到电流偏置电路中。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述多级放大器的输入端口实现输入阻抗匹配，所述多级放大器的输出端口实现输出阻抗匹配；所述多级放大器的输入匹配、级间匹配以及输出匹配均采用片上无源器件实现。
7.根据权利要求6任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述多级放大器的输入匹配中，电感Lm1、电容Cm1、电感Lm2串联之后，一端连接增益单元结构的输入端，另一端连接至输入GSG Pad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad1代替。
8.根据权利要求6任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述多级放大器的级间匹配采用L型匹配单元，以减少无源器件带来的损耗。
9.根据权利要求6任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述多级放大器的输出匹配中，所述多级放大器的输出端通过电感连接输出GSG Pad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad2代替。
10.根据权利要求1-3任一项所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述多级放大器包括第一放大器、第二级放大器和第三级放大器。
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