CN112187191A - 一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器，属于射频集成电路领域，包括共源共栅结构、栅极增益提升电感、Z嵌入网络电感、直流旁路电容；共源管的栅极连接信号输入端和偏置电压Vb2，共源管的源极通过Z嵌入网络电感接地，共源管的漏极连接共栅管的源极，共栅管的漏极连接信号输出端和电源电压，共栅管的栅极通过栅极增益提升电感连接偏置电压Vb1，同时在栅极增益提升电感连接偏置电压Vb1的一端，通过直流旁路电容与共源管的源极相连。本发明通过在传统共源共栅放大器中设置栅极增益提升电感、Z嵌入网络电感和直流旁路电容，在增大单向增益的同时引入线性互易网络，进而大大提升在接近晶体管最大工作频率处的增益。

Description

一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器。
背景技术
太赫兹波段(0.1～3THz)具有丰富的频谱资源、强穿透力和良好的方向性，在太空、医疗、通信领域具有很大的应用潜力，然而对于太赫兹放大器，由于其工作频率接近晶体管的最大频率fmax，导致最大可实现功率增益Gmax快速下降，因此在接近fmax的工作频率处实现高增益放大器一直是一个挑战。
对于共源共栅结构，由于相较于共源结构，其在接近fmax的频段，Gmax下降的更快，所以在接近fmax的工作频率处更难实现高增益性能。在传统共源共栅结构的基础上，在共栅管的栅极加上一个栅极增益提升电感，通过小信号分析可知该电感能够通过提供一个正反馈来增加峰值增益，如文献“A190-GHz Amplifier with Gain-Boosting Technique in65-nm CMOS”(D.S.Siao,J.C.Kao,2014IEEE MTT-S International Microwave SymposiumDigest,pp.1-3,2014)中已有应用，但若只用该方式，单级提升的增益仍无法满足应用需求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器，通过同时引入栅极增益提升电感和Z嵌入电感，实现增益性能的提高。
本发明具体技术方案如下：
一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器，包括由共源管M1和共栅管M2组成的共源共栅结构，其特征在于，还包括栅极增益提升电感Lg、Z嵌入(Z-embed)网络电感Lz、直流旁路电容Cdcap；
共源管M1的栅极连接信号输入端Vin和偏置电压Vb2，共源管M1的源极通过Z嵌入网络电感Lz接地，共源管M1的漏极连接共栅管M2的源极，共栅管M2的漏极连接信号输出端Vout和电源电压Vcc，共栅管M2的栅极通过栅极增益提升电感Lg连接偏置电压Vb1，同时在栅极增益提升电感Lg连接偏置电压Vb1的一端，通过直流旁路电容Cdcap与共源管M1的源极相连。
进一步地，所述栅极增益提升电感Lg的电感值范围为10fH～10nH，Z嵌入网络电感Lz的电感值范围为10fH～10nH，直流旁路电容Cdcap的电容值在10fF以上。
进一步地，所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器还包括输入匹配网络和输出匹配网络，所述输入匹配网络设置于共源管M1的栅极和信号输入端Vin之间，并通过隔直电容Cdc1与共源管M1的栅极隔开；所述输出匹配网络设置于共栅管M2的漏极和信号输出端Vout之间，并通过隔直电容Cdc2与共栅管M2的漏极隔开。
进一步地，所述共源管M1和共栅管M2均为N管。
工作原理为：输入信号经信号输入端Vin进入共源管M1的栅极，被由共源管M1和共栅管M2组成的共源共栅结构放大后，从共栅管M2的漏极输出；本发明通过栅极增益提升电感Lg实现共源共栅放大器在工作频率处单向增益U的增大，进而提高最大可实现功率增益Gmax，同时设置Z嵌入电感Lz，并通过设置直流旁路电容Cdcap以保证栅极增益提升电感Lg与Z嵌入网络电感Lz交流短路连接，进而实现引入线性互易网络的效果，以进一步提高最大可实现功率增益Gmax。
本发明的有益效果为：
本发明通过在传统共源共栅放大器中设置栅极增益提升电感Lg、Z嵌入网络电感Lz和直流旁路电容Cdcap，在增大单向增益U的同时引入线性互易网络，进而大大提升在接近晶体管最大工作频率fmax处的增益；在180GHz的工作频率处，相比传统的共源共栅放大器仅有1dB左右的增益，本发明提出的采用双增益提升电感的共源共栅放大器能实现7dB左右的增益，即具有显著的增益提升效果。
附图说明
图1为本发明提出的采用双增益提升电感的共源共栅放大器的电路图；
图2为本发明实施例1所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器的电路图；
图3为现有技术中的共源共栅放大器的电路图，其中，图(a)为传统共源共栅放大器，图(b)为设置有增益提升电感Lg的共源共栅放大器；
图4为本发明实施例1在传统共源共栅放大器中设置栅极增益提升电感Lg和Z嵌入网络电感Lz后，对增益平面中单向增益U及增益状态点的影响图；
图5为本发明实施例1所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器的最大可实现功率增益Gmax和稳定性因子Kf随Z嵌入网络电感Lz的变化曲线；
图6为传统共源共栅放大器(cascode amplifier，CA)、设置有增益提升电感Lg的共源共栅放大器(gain boosting inductor cascode amplifier，GBI CA)及本实施例1所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器(double gain boosting inductor cascodeamplifier，DGBI CA)的单向增益U、最大可实现功率增益Gmax性能的对比图；
图7为本实施例1所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器(DGBI CA)与传统共源共栅放大器(CA)的仿真结果对比图，其中，S11 CA代表CA的输入阻抗匹配性能，S22 CA代表CA的输出阻抗匹配性能，S21 CA代表CA的增益性能，S11 DGBI CA代表DGBI CA的输入阻抗匹配性能，S22 DGBI CA代表DGBI CA的输出阻抗匹配性能，S21 DGBI CA代表DGBI CA的增益性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器，如图2所示，包括由共源管M1和共栅管M2组成的共源共栅结构、栅极增益提升电感Lg、Z嵌入网络电感Lz、直流旁路电容Cdcap、电感RFchoke、偏置电阻R1、偏置电阻R2、输入匹配网络、输出匹配网络、隔直电容Cdc1和隔直电容Cdc2；
共源管M1的栅极通过输入匹配网络连接信号输入端Vin，共源管M1的栅极还通过偏置电阻R2连接偏置电压Vb2，共源管M1的源极通过Z嵌入网络电感Lz接地，共源管M1的漏极连接共栅管M2的源极；共栅管M2的漏极通过输出匹配网络连接信号输出端Vout，共栅管M2的漏极还通过电感RFchoke连接电源电压Vcc，共栅管M2的栅极依次通过栅极增益提升电感Lg、偏置电阻R1连接偏置电压Vb1，同时在栅极增益提升电感Lg连接偏置电阻R1的一端，通过直流旁路电容Cdcap与共源管M1的源极相连；
所述输入匹配网络包括传输线电感TL1和传输线电感TL2，传输线电感TL1的一端连接信号输入端Vin，同时还通过传输线电感TL2接地，传输线电感TL1的另一端通过隔直电容Cdc1连接共源管M1的栅极，所述隔直电容Cdc1用于隔开输入匹配网络和共源管M1的栅极；
所述输出匹配网络包括传输线电感TL3和传输线电感TL4，传输线电感TL3的一端连接信号输出端Vout，同时还通过传输线电感TL4接地，传输线电感TL3的另一端通过隔直电容Cdc2连接共栅管M2的漏极，所述隔直电容Cdc2用于隔开输出匹配网络和共栅管M2的漏极；
所述共源管M1和共栅管M2均为NMOS管，其中栅长L为60nm，栅宽W为8μm,栅极增益提升电感Lg的电感值为26pH，Z嵌入网络电感Lz的电感值为6pH，直流旁路电容Cdcap的电容值为50pF，输入匹配网络中传输线电感TL1和传输线电感TL2的电感值分别为29pH和12pH，输出匹配网络中传输线电感TL3和传输线电感TL4的电感值分别为38pH和4.7pH，隔直电容Cdc1和隔直电容Cdc2的电容值均为10pF，电感RFchoke的电感值为10nH，偏置电阻R1和R2的电阻值均为10kΩ。
本实施例在传统共源共栅放大器中设置栅极增益提升电感Lg和Z嵌入网络电感Lz后，对增益平面中增益状态点的影响如图4所示，可知加入栅极增益提升电感Lg后，随着Lg电感值的增加，稳定性区域在不断扩展，梅森U即单向增益U在不断增加，但是此时增益平面中的增益状态点离稳定性区域的左边界仍有一段距离，通过设置Z嵌入网络电感Lz和直流旁路电容Cdcap引入线性互易网络后，使得增益状态点向左侧移动，逐渐靠近稳定性区域的左边界，以提升最大可实现功率增益Gmax，从而提升共源共栅放大器的增益性能。
由如图5所示的最大可实现功率增益Gmax和稳定性因子Kf随Z嵌入网络电感Lz的变化曲线可知，随Z嵌入网络电感Lz的增大，最大可实现功率增益Gmax先增大后减小，并在9pH处达到最大值；此时，在9pH处稳定性因子Kf仍能保持在1以上，即放大器能稳定工作，由此可以表明，通过引入Z嵌入电感Lz，Gmax能有效提升。
图6是如图3(a)所示传统共源共栅放大器(CA)、如图3(b)所示设置有增益提升电感Lg的共源共栅放大器(GBI CA)及本实施例所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器(DGBI CA)的单向增益U和最大可实现功率增益Gmax性能的对比图，其中GBI CA与DGBI CA的单向增益U曲线重合，由图6可知GBI CA相比于CA，在晶体管最大工作频率180GHz处，其单向增益U和最大可实现功率增益Gmax性能均有所提高；在GBI CA的基础上引入Z嵌入网络电感Lz和直流旁路电容Cdcap后所得DGBI CA的单向增益U在保持不变的情况下，其最大可实现功率增益Gmax性能得到进一步提升。
图7是本实施例所得采用双增益提升电感的共源共栅放大器(DGBI CA)与传统共源共栅放大器(CA)的仿真结果对比图，其中，S11 CA代表CA的输入阻抗匹配性能，S22 CA代表CA的输出阻抗匹配性能，S21 CA代表CA的增益性能，S11 DGBI CA代表DGBI CA的输入阻抗匹配性能，S22 DGBI CA代表DGBI CA的输出阻抗匹配性能，S21 DGBI CA代表DGBI CA的增益性能；从图7可知，DGBI CA与CA均具有良好的输入阻抗匹配性能及输出阻抗匹配性能，但是CA在180GHz的工作频率处，仅具有1dB左右的增益，远不能满足太赫兹放大器的应用需求，而本发明所得DGBI CA在180GHz的工作频率处，具有7dB左右的增益，即具有显著的增益提升效果。

Claims (6)

1.一种采用双增益提升电感的共源共栅放大器，包括由共源管M1和共栅管M2组成的共源共栅结构，其特征在于，还包括栅极增益提升电感Lg、Z嵌入网络电感Lz、直流旁路电容Cdcap；
共源管M1的栅极连接信号输入端Vin和偏置电压Vb2，共源管M1的源极通过Z嵌入网络电感Lz接地，共源管M1的漏极连接共栅管M2的源极，共栅管M2的漏极连接信号输出端Vout和电源电压Vcc，共栅管M2的栅极通过栅极增益提升电感Lg连接偏置电压Vb1，同时在栅极增益提升电感Lg连接偏置电压Vb1的一端，通过直流旁路电容Cdcap与共源管M1的源极相连。
2.根据权利要求1所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器，其特征在于，所述栅极增益提升电感Lg的电感值范围为10fH～10nH。
3.根据权利要求1所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器，其特征在于，所述Z嵌入网络电感Lz的电感值范围为10fH～10nH。
4.根据权利要求1所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器，其特征在于，所述直流旁路电容Cdcap的电容值在10fF以上。
5.根据权利要求1所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器，其特征在于，所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器还包括输入匹配网络和输出匹配网络，所述输入匹配网络设置于共源管M1的栅极和信号输入端Vin之间，并通过隔直电容Cdc1与共源管M1的栅极隔开；所述输出匹配网络设置于共栅管M2的漏极和信号输出端Vout之间，并通过隔直电容Cdc2与共栅管M2的漏极隔开。
6.根据权利要求1所述采用双增益提升电感的共源共栅放大器，其特征在于，所述共源管M1和共栅管M2均为N管。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020084855A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-04 Kwon Ick Jin Low power low noise amplifier
US20020196086A1 (en) * 2001-06-26 2002-12-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Self-biased cascode rf power amplifier in sub-micron technical field
US20120032743A1 (en) * 2010-08-06 2012-02-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Low-noise amplifier with gain enhancement
CN102355200A (zh) * 2011-08-01 2012-02-15 北京航空航天大学 一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器及设计方法
US20130082779A1 (en) * 2011-09-29 2013-04-04 Renesas Electronics Corporation Amplifier
CN104716905A (zh) * 2015-04-01 2015-06-17 宜确半导体（苏州）有限公司 一种效率提高的共源共栅射频功率放大器
CN104821793A (zh) * 2014-02-04 2015-08-05 马维尔国际有限公司 信号放大器、电子装置及其形成方法
CN106059505A (zh) * 2016-06-20 2016-10-26 东南大学 一种低噪声高输出电阻的跨导放大器
CN109980015A (zh) * 2019-04-01 2019-07-05 电子科技大学 一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020084855A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-04 Kwon Ick Jin Low power low noise amplifier
US20020196086A1 (en) * 2001-06-26 2002-12-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Self-biased cascode rf power amplifier in sub-micron technical field
US20120032743A1 (en) * 2010-08-06 2012-02-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Low-noise amplifier with gain enhancement
CN102355200A (zh) * 2011-08-01 2012-02-15 北京航空航天大学 一种单端输入差分输出的并行双频低噪声放大器及设计方法
US20130082779A1 (en) * 2011-09-29 2013-04-04 Renesas Electronics Corporation Amplifier
CN104821793A (zh) * 2014-02-04 2015-08-05 马维尔国际有限公司 信号放大器、电子装置及其形成方法
CN104716905A (zh) * 2015-04-01 2015-06-17 宜确半导体（苏州）有限公司 一种效率提高的共源共栅射频功率放大器
CN106059505A (zh) * 2016-06-20 2016-10-26 东南大学 一种低噪声高输出电阻的跨导放大器
CN109980015A (zh) * 2019-04-01 2019-07-05 电子科技大学 一种有效增大开态电流的隧穿场效应晶体管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
倪梦虎: "硅基太赫兹低噪声放大器的研究", no. 1, pages 005 - 883 *

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