CN111030614B - 一种跨导增强型毫米波低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及低噪声放大器(LNA)，具体为一种跨导增强型毫米波低噪声放大器。本发明采用基于变压器的跨导增强性差分共源共栅极结构，具有更好的可拓展性，通过调谐Lg、Ls、Cg与晶体管M1、M2、M3、M4的参数，能够实现各个毫米波频段的应用；同时，在共源共栅级上管的栅极引入电容Cg，降低了跨导增强变压器的反馈作用，以极大改善低频稳定性；另外，在匹配方面由于变压器的电感特性，改善了阻抗的虚部特性，其结果更有利于阻抗匹配，降低了匹配电路的损耗。综上，本发明巧妙地降低了低频时的反馈效应，极大地提升了低频稳定性，并且阻抗值适中，对级间匹配影响小，能够较好得应用于V波段、W波段等高频段。

Description

一种跨导增强型毫米波低噪声放大器
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及低噪声放大器(LNA)，具体为一种跨导增强型毫米波低噪声放大器。
背景技术
随着通信技术的极速发展，工业界与学术界都对雷达系统与通信系统提出了更高的要求；低噪声放大器作为射频前端一个关键模块，其性能将影响整个接收机的噪声性能与灵敏度，因此高增益、低噪声系数的LNA面临极大的挑战；尤其随着频率的升高，晶体管的增益下降以及寄生效应愈发明显，增益及噪声性能也会得到恶化。
为了提升毫米波LNA的性能，研究者提出了一些新结构。常用的基于变压器的跨导增强型共源共栅结构，如图4所示，M1、M2组成共源共栅结构，其中，变压器的一个线圈Ls连接M1的漏极与M2的源极，变压器的另一个线圈Lg连接M2的栅极以及偏置电压Vbias2；对于此电路，M2噪声性能将与等效跨导(Bx/Gm)2成正比关系，由于Ls与Lg的耦合产生的反馈作用，等效跨导Gm得到了较大的提升，因此放大器的增益得到了显著提升，噪声系数得到了改善；其中Gm的增大程度与变压器的耦合系数相关。
在上述所提到的基于变压器的跨导增强型结构中，Ls与Lg将M1的输出信号直接耦合到M2的栅极，由于实际的电感值、Q值以及变压器的耦合系数都与频率相关，特别是频率跨度加大的情况下，变压器参数改变较大，并且相同变压器的耦合系数在低频耦合系数更高；因此，导致该结构在高频应用时存在如下缺点：
(1)例如在W波段的设计中，该电路的输出阻抗虚部虽然比传统的共源共栅结构小，但仍然接近100的值，这将导致在匹配上的损耗比较大；
(2)由于晶体管的特性，单管不包含匹配电路时，低频处的增益一定是大于在高频处增益，所以该电路在频率跨度大的情况下，低频的增益将非常高，极度恶化其稳定性；
(3)在晶体管尺寸方面，由于要兼顾输出阻抗，只能选择更大尺寸的，这就会导致增益更低，功耗更高。
综上，传统的毫米波低噪声放大器通常采用共源级、共栅级和共源共栅结构，这些结构适用于频率较低的频段，例如Ku波段(12-18GHz)，K波段(18-27Hz)等，而频率上升到了V波段(60-80GHz)以及W波段(80-100GHz)时，晶体管的截止频率ft将会对增益产生非常明显的负面影响，以65nmCMOS工艺为例，在W波段，除去匹配电路，单管的最大增益只有7dB，而共源共栅极增益也不到10dB，但传统结构在匹配时，其阻抗虚部非常大，匹配电路将会带来巨大损耗，同时为了兼顾高频增益，其低频稳定性非常不理想。基于此，本发明提出改进的跨导增强型结构，用以提升稳定性、提高增益、改善噪声。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题提供一种跨导增强型低噪声放大器，本发明结构对传统架构进行了改进，巧妙地降低了低频时的反馈效应，极大地提升了低频稳定性，并且阻抗值适中，对级间匹配影响小，能够较好得应用于V波段、W波段等高频段。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种跨导增强型毫米波低噪声放大器，所述低噪声放大器呈镜像结构，包括：共源管M1、共栅管M2、共源管M3、共栅管M4、输入匹配变压器TF1、输出匹配变压器TF2及两个变压器；其特征在于，共源管M1与共栅管M2构成基本的共源共栅极结构，共源管M3与共栅管M4为其镜像，构成差分对结构；共源管M1的漏极与共栅管M2的源极之间连接变压器的初级线圈Ls，同名端位于共栅管M2的源极处；共栅管M2的栅极连接电容Cg，Cg的另一端连接变压器的次级线圈Lg，Lg的另一端为同名端、且为交流地；输入信号通过输入匹配变压器TF1耦合到共源管M1与共源管M3的栅极，输出信号通过输出匹配变压器TF2从共栅管M2与共栅管M4的漏极耦合输出。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种跨导增强型低噪声放大器，用以提升稳定性、提高增益、改善噪声；具体为：
1)本发明相对于传统结构的共源共栅结构具有更好的可拓展性，通过调谐Lg、Ls、Cg与晶体管M1、M2、M3、M4的参数，能够实现各个毫米波频段的应用；
2)本发明在共源共栅级上管的栅极引入电容Cg，降低了跨导增强变压器的反馈作用，以极大改善低频稳定性；对于毫米波电路应用，尤其是在低频段，有效克服了传统结构的增益过高导致低频稳定性不佳的问题；
3)本发明提出的结构采用基于变压器的跨导增强性差分共源共栅极结构，相比于单端结构更贴合于工程应用，对于各种封装适应性更好，可在片完成匹配节省外部分立器件成本；在匹配方面由于变压器的电感特性，改善了阻抗的虚部特性，其结果更有利于阻抗匹配，降低了匹配电路的损耗。
附图说明
图1为本发明跨导增强型毫米波低噪声放大器的电路原理图。
图2为本发明跨导增强型毫米波低噪声放大器等效电路图。
图3为本发明实施例中有无栅极电容的稳定性对比图。
图4为基于变压器的跨导增强型结构低噪声放大器的电路原理图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提出一种用于提升稳定性的跨导增强型毫米波低噪声放大器，该结构在原有的基于变压器的跨导增强型毫米波低噪声放大器上进行了改进，整体采用差分结构，稳定性更好，封装影响更小，前后级可采用巴伦变换器进行匹配，可优化带宽性能。
本实施例中提升稳定性的跨导增强型毫米波低噪声放大器的电路原理图如图1所示，所述低噪声放大器呈镜像结构，包括：共源管M1、共栅管M2、共源管M3、共栅管M4、输入匹配变压器TF1、输出匹配变压器TF2及两个变压器；其中，共源管M1与共栅管M2构成基本的共源共栅极结构，共源管M3与共栅管M4为其镜像，构成差分对结构；共源管M1的漏极与共栅管M2的源极之间连接变压器的初级线圈Ls，同名端位于共栅管M2的源极处；共栅管M2的栅极连接电容Cg，Cg的另一端连接变压器的次级线圈Lg，Lg的另一端为同名端、且为交流地；共源管M3与共栅管M4的连接方式为共源管M1与共栅管M2的相同；输入信号通过输入匹配变压器TF1耦合到共源管M1与共源管M3的栅极，输出信号通过输出匹配变压器TF2从共栅管M2与共栅管M4的漏极耦合输出；Vbias1、Vbias2分别为共源共栅结构的下管偏置电压和上管偏置电压。
本发明的工作原理在于：
(1)跨导增强原理与噪声抑制
本发明基于变压器实现跨导增强的功能，其等效电路图如图3所示；在该等效电路中，Gm为上管M’2的等效跨导，Bx为往M’1的漏极看得到的电纳，L’g与L’s分别为变压器去耦后的等效器件；通过选择合适值的L’g与L’s，就能够谐振掉寄生电容Cgs2、Cdb1和Csb2在工作频段中的影响，使得Bx趋于0；
M’2的沟道噪声可由公式F2,ch＝4Rsγ2gd02(ω0Bx/ωT1Gm)2推导出，其中，ωT1＝gm1/Cgs1为晶体管M’1的截止角频率、gm1为晶体管M’1的本征跨导、Cgs1为栅源寄生电容，Rs为输入的源电阻，gd02为M’2的漏源电压为0时的跨导，γ2为剩余噪声系数、其值与工艺有关；ω0为X点导纳YX为0的一个解：
其中，C’g＝CgCgs2/(Cg+Cgs2)，ω为傅里叶变换中的角频率；
输出端噪声其中，/>为输出端噪声电压，/>为M’2栅极的噪声电压，ZL,eq为等效负载阻抗，gm2为上管M’2的本征跨导；
推导之后，其虚线框中的等效跨Gm＝{1+A·jωL’s/[jωL’s+(jωCdb1)]}gm2；其中，A为变压器等效的增益传递系数，是一个0-1的正值。当频率上升，Cdb1将呈现一个对地的负低阻，将会提升负反馈-A的输入电压，又由于L’g与Cgs2组成谐振腔(高频时可忽略Cg的影响)，在低于谐振频率时，M’2的栅极将会得到一个与M’2源级的反相电压，当电压通过Cgs2时将会得到增强，所以M’2的等效跨导提升，故增益提升；在噪声抑制方面，公式F2,ch＝4Rsγ2gd02(ω0Bx/ωT1Gm)2中的Bx趋于0，Gm也得到了提升，故M’2的沟道噪声得到了良好的控制。
(2)稳定性的提升
在稳定性方面，由于引入了共源共栅结构上管栅极的电容Cg，能够与传统的跨导增强型结构进行对比；如图3所示，在相同参数的电路下，对于90GHz附近的电路设计，左图为无栅极电容，而右图增加了栅极电容Cg，对比后发现在加入栅极电容Cg后，不稳定点从99GHz处下降到33GHz，虽然增益有所下降，但可靠性对于产品而言可以与其他性能进折中考虑的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种跨导增强型毫米波低噪声放大器，所述低噪声放大器呈镜像结构，包括：共源管M1、共栅管M2、共源管M3、共栅管M4、输入匹配变压器TF1、输出匹配变压器TF2及两个变压器；其特征在于，共源管M1与共栅管M2构成共源共栅极结构，共源管M3与共栅管M4为其镜像，构成差分对结构；共源管M1的漏极与共栅管M2的源极之间连接变压器的初级线圈Ls，同名端位于共栅管M2的源极处；共栅管M2的栅极连接电容Cg，Cg的另一端连接变压器的次级线圈Lg，Lg的另一端为同名端、且为交流地；输入信号通过输入匹配变压器TF1耦合到共源管M1与共源管M3的栅极，输出信号通过输出匹配变压器TF2从共栅管M2与共栅管M4的漏极耦合输出。
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