CN111211745B - 一种新型毫米波宽带高增益功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高频毫米波设备与技术领域，具体为一种新型毫米波宽带高增益功率放大器，主要包括：差分共源级放大器、以及交叉连接在差分共源级放大器的栅漏两端的两个LC谐振电路。本发明通过在差分共源电路的栅漏两端交叉连接谐振电路，通过谐振电路及其在高频时的等效中和电容作用，得到了双峰Gmax曲线，极大地拓展了放大器的带宽，并提高了高频增益；由于采用电感、电容并联构成的谐振电路代替了传统结构中的三段传输线，大大简化了电路结构，降低了设计复杂度；同时，本发明将传统的单端结构扩展为差分结构，增大了输出电压摆幅，从而提高了输出功率；使得该结构的功率放大器更有利于工程中的实际应用。
Description
技术领域
本发明属于高频毫米波设备与技术领域，涉及功率放大器，具体为一种新型毫米波宽带高增益功率放大器。
背景技术
近年来，随着高频毫米波设备与技术的发展，高频毫米波的各种应用诸如安全筛选、生物技术、用于材料分析的光谱学、医学成像和高数据速率通信等引起了广泛关注。更宽的带宽允许这些系统采用简单的调制方案，从而大大降低了前端的复杂性，并大大缩短了产品上市时间。放大器是各种毫米波系统中最重要的模块之一，因为弱信号的放大对于高频信号的产生和检测至关重要；然而，当放大器工作在接近截止频率的毫米波频率时，由于晶体管可用的低增益，通常将高增益和大带宽组合起来变得越来越困难。
为提高高频情况下功率放大器的增益和带宽，近年来已有了很多研究；双峰Gmax-core放大器为利用一个线性、无损及互易的网络对晶体管去嵌以获得高频双峰值Gmax结构的放大器；如图7(a)表示了将Gma(当输入和输出共轭匹配时，传递到负载的实际功率与源可用功率之比)提升至最大值Gmax(当输入输出为共轭匹配时，放大器可获得增益的最大值)的去嵌过程，晶体管通过一个线性、无损及互易的网络去嵌，整个晶体管及去嵌网络被称为Gmax-core；当放大器的稳定性因子μ＝1时，放大器在该频率点能够获得最大的增益，且增益随着稳定性因子μ的值增大而急剧下降。传统双峰Gmax-core放大器通过三段传输线TL1、TL2、TL3以及晶体管构成线性、无损及互易的网络，来调节放大器的稳定性，如图7(b)所示；利用传输线的频率特性选择合适的传输线组合，使放大器同时在两个频率点实现μ＝1，从而达到拓展带宽并取得较高增益的目的；但是，在实际的使用过程中，要实现指定带宽范围内的双Gmax峰，需要三段传输线组合，使得设计复杂度较高；同时，TL3的长度较长并且特征阻抗大，使得的TL3宽度很窄且对工艺变化很敏感，进一步增加了设计难度；除此之外该结构不能运用于差分电路，大大降低了该结构在工程中的实用性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统双峰Gmax-core放大器存在的缺陷，提出了一种新的宽带高增益功率放大器结构，该结构通过在差分共源电路的栅漏两端交叉连接由电感、电容并联构成的谐振电路，达到与传统双峰Gmax-core结构类似的效果；由于传统双峰Gmax-core结构的三段传输线被两对完全相同的电感、电容取代，大大简化了设计难度；除此之外，本发明结构还提升了功率放大器的相对带宽，并且适用于差分电路设计，使其具有很强的工程性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型毫米波宽带高增益功率放大器，包括：输入耦合器、差分共源级放大器、输出耦合器以及两个相同的谐振电路；其中，所述谐振电路由电感L与电容C并联构成，所述差分共源级放大器由晶体管M1和晶体管M2构成，所述晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极之间、晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极之间分别连接所述谐振电路，所述晶体管M1与晶体管M2的源极相连、并接地，所述输入耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的栅极之间，所述输出耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的漏极之间。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种新型毫米波宽带高增益功率放大器，具有如下优点：
1.本发明通过在差分共源电路的栅漏两端交叉连接谐振电路，通过谐振电路及其在高频时的等效中和电容作用，得到了双峰Gmax曲线，极大地拓展了放大器的带宽，并提高了高频增益；同时，由于采用电感、电容并联构成的谐振电路代替了传统结构中的三段传输线，大大简化了电路结构，降低了设计复杂度；
2.本发明将传统的单端结构扩展为差分结构，增大了输出电压摆幅，从而提高了输出功率；使得该结构的功率放大器更有利于工程中的实际应用；同时，本发明相较于原来的单端结构，相对带宽有了极大地提升，在同样带宽条件下，本发明具有最大的单级增益。
附图说明
图1为本发明毫米波宽带高增益功率放大器的原理示意图。
图2为本发明毫米波宽带高增益功率放大器的小信号模型及其等效谐振网络；其中，(a)为小信号模型，(b)为等效谐振网络。
图3为当工作频率大于谐振频率时，本发明毫米波宽带高增益功率放大器的小信号模型。
图4为本发明毫米波宽带高增益功率放大器的MaxGain曲线、稳定性因子μ、传统单峰MaxGain曲线的仿真结果图。
图5为采用本发明毫米波宽带高增益功率放大器在不同频率范围内实现双峰Gmax波形图。
图6为本发明毫米波宽带高增益功率放大器的小信号仿真结果，其中，(a)为S11与S22参数，(b)为S21参数。
图7为传统双峰Gmax-core放大器的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出了一种新的宽带高增益功率放大器结构，该结构将原来的单端电路变为差分电路，并采用电容、电感代替了传统结构的三段传输线；在达到类似的双峰Gmax效果的同时，简化了设计复杂度并提高了放大器的工作带宽，增强了实用性。
本发明的电路原理图如图1所示：包括：输入耦合器、差分共源级放大器、第一谐振电路、第二谐振电路及输出耦合器；其中，所述差分共源级放大器由晶体管M1和晶体管M2构成，晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极之间连接第一谐振电路、晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极之间连接第二谐振电路，晶体管M1与晶体管M2的源极相连、并接地，所述输入耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的栅极之间，所述输出耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的漏极之间；差分信号Vin1、Vin2通过输入耦合器输入到晶体管M1与晶体管M2的栅极，晶体管M1与晶体管M2的漏极通过输出耦合器输出差分信号Vout1、Vout2；所述谐振电路由电感L与电容C并联构成，通过改变电感L和电容C的值，实现有效调整Gmax双峰出现的频率点以及带宽范围。
本发明的工作原理在于：
(1)双峰Gmax的产生
由背景技术可知，当放大器的稳定性因子μ＝1时，放大器在该频率点能够获得最大的增益，且增益随着稳定性因子μ的值增大而急剧下降。如图2(a)所示为本发明提出的宽带高增益功率放大器的小信号模型，图中电感L和电容C并联，并与晶体管寄生电容Cgs和Cgd一起构成了一个谐振网络；Cg和Cd分别代表晶体管栅极和漏极的对地电容并简化谐振网络，简化等效谐振网络如图2(b)所示。随着放大器工作频率不断增加，放大器的稳定性也不断增加；当工作频率增加至谐振频率时，稳定性因子μ＝1，为放大器第一个稳定与不稳定的分界点；因此，在谐振网络的谐振频率会出现第一个Gmax峰。
当放大器的工作频率大于谐振频率时，电感L和电容C组成的谐振网络呈容性；此时，LC谐振网络可由一个电容Cn等效，等效的小信号电路如图3所示；这恰好等效于带有中和电容的差分共源电路，中和电容的加入给电路提供了反馈电流In补偿了经过寄生电容Cgd由栅极流向漏极的电流Ifb，从而形成了第二个Gmax峰。
由上述分析可知，MOS管的寄生电容也影响着Gmax双峰出现的频率；因此，在进行电路设计时，通过选择合适的MOS管以及电感L、电容C，即能够实现宽带高增益放大器。
(2)双峰Gmax波形及带宽调整
如图4所示为本发明提出的宽带高增益功率放大器的MaxGain曲线、稳定性因子μ、传统单峰MaxGain曲线的仿真结果，从图中可以看出，尽管本发明在第一个Gmax处的增益比传统单峰Gmax低约0.5dB，但是在极宽的频率范围内显示出比传统单峰Gmax更高的增益；正如背景技术所述，当稳定性因子μ等于1时，放大器的MaxGain曲线有最大值Gmax，分别位于72GHz和119GHz，带宽范围高达47GHz；且在72-119GHz的带宽范围内，稳定性因子大于等于1并且变化幅度很小；因此增益下降并不明显，整个范围内增益波动幅度小于3dB，同时保证了工作频段内的稳定性。而传统结构中双峰Gmax的带宽范围仅为230-260GHz，本发明相较于传统结构，相对带宽有了极大地提升。
传统双峰Gmax-core结构使用三段传输线作为去嵌网络，只有当放大器工作频率较高(太赫兹)，传输线的物理尺寸才会较小；当放大器工作在更低频率时，由于电磁波的波长更长，使用三段传输线结构将占用大量版图面积；而本发明通过集总式电感、电容实现带宽调节，有利于节省芯片面积，并且增强了双峰结构在更低的工作频率的应用；如图5所示为采用本发明提出的结构在不同频率范围内实现双峰Gmax波形图。
(3)本发明的小信号仿真
对本发明提出的功率放大器结构进行小信号仿真，采用TSMC 65nm工艺；晶体管总栅宽为2×20×1.8um＝72um，栅长为工艺默认60nm，电感取值100pH，电容取值为51fF；进行后仿真；源阻抗为6.9+j*21.6Ω，负载阻抗为13+j*23.7Ω。
小信号仿真结果如图6所示，本发明能在较宽范围内实现匹配；得益于平缓变化的输入输出阻抗，S11在81-117GHz范围内小于-10dB，S22在65-117GHz范围内小于-10dB；功率放大器的3dB带宽为45.9-118GHz，峰值增益为7.3dB。
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)
1.一种新型毫米波宽带高增益功率放大器，包括：输入耦合器、差分共源级放大器、输出耦合器以及两个相同的谐振电路；其中，所述谐振电路由电感L与电容C并联构成，所述差分共源级放大器由晶体管M1和晶体管M2构成，所述晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极之间、晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极之间分别连接所述谐振电路，所述晶体管M1与晶体管M2的源极相连、并接地，所述输入耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的栅极之间，所述输出耦合器连接于晶体管M1与晶体管M2的漏极之间。
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