CN112290894A - 一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器，涉及通信技术设备。针对现有技术中放大器片外干扰大、增益平坦度低等问题提出本方案。包括两个串联设置且结构相同的共源共栅放大单元，前端的共源共栅放大单元输入级通过电容C1连接输入焊盘GSG1，后端的共源共栅放大单元输出级通过电容C5连接输出焊盘GSG2；两共源共栅放大单元之间串接电容C4。优点在于，两级共源共栅放大单元辅以对应的输入匹配电路、输出匹配电路以及共源共栅匹配电路，综合设计提高了毫米波低噪声放大器的增益、带宽和增益平坦度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术设备，尤其涉及一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器。
背景技术
毫米波低噪声放大器是5G通信射频芯片中的重要模块，广泛应用于汽车雷达、精确制导和卫星通信等等，在未来还将进入民用通信领域。目前，毫米波通信集成电路已经成为各国高科技产业的重点研究内容，其数据吞吐量大、通信延时短的特点能够极大地提升国防高科技武器的作战能力，且在智能交通领域能促进无人驾驶汽车的可靠实现，在民用通信领域能够提高用户的工作效率。毫米波的频率范围是26.5～300GHz，在该频段所设计的射频芯片主要面临自激振荡、片外干扰大、增益低、带宽不足和增益平坦度低等问题，并进一步造成芯片成品性能不足，稳定性差等问题。因此，设计高性能的毫米波放大器是提高通信芯片稳定性的关键。
发明内容
本发明目的在于提供一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述的一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器，包括两个串联设置且结构相同的共源共栅放大单元，前端的共源共栅放大单元输入级通过电容C1连接输入焊盘GSG1，后端的共源共栅放大单元输出级通过电容C5连接输出焊盘GSG2；两共源共栅放大单元之间串接电容C4；
所述共源共栅放大单元主要包括级联设置的MOS管M1和MOS管M2：MOS管M1栅极前置输入匹配电路作为输入级，所述输入匹配电路的电压端通过前级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg1；MOS管M1源极通过微带线TLs接地；MOS管M2栅极通过后级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg2；MOS管M2漏极后置输出匹配电路作为输出级，所述输出匹配电路的电压端通过漏极偏置电路连接直流焊盘Vd；MOS管M1的漏极和MOS管M2的源极之间串接共源共栅匹配电路。
所述的前级栅极偏置电路包括电容Cd3和电阻Rd2；所述的电容Cd3一端接地，另一端连接直流焊盘Vg1和通过电阻Rd2连接所述输入匹配电路的电压端。
所述输入匹配电路包括电容Cd1、电容Cd2、电阻Rd1、微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2；所述的电阻Rd1一端作为电压端连接所述前级栅极偏置电路，另一端通过电容Cd2接地；电压端还通过电容Cd1接地；所述的微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2共点组成T型结构，微带线TLd1的非共点端连接电压端，微带线TL1的非共点端为输入匹配电路的输入端，微带线TL2的非共点端连接MOS管M1栅极。
所述的共源共栅匹配电路包括电容C2、微带线TL3和微带线TL4；所述MOS管M1漏极依次串联微带线TL3、微带线TL4后连接MOS管M2源极，微带线TL3和微带线TL4的连接点通过电容C2接地。
所述的后级栅极偏置电路包括电容Cd4和电阻Rd3；所述的电容Cd4一端接地，另一端连接直流焊盘Vg2和通过电阻Rd3连接所述MOS管M2栅极。
所述漏极偏置电路包括电容Cd5和电感L1；所述的电容Cd5一端接地，另一端连接直流焊盘Vd和通过电感L1连接所述输出匹配电路的电压端。
所述输出匹配电路包括电容Cd7、电容Cd6、电阻Rd4、微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7；所述的电阻Rd4一端作为电压端连接所述漏极偏置电路，另一端通过电容Cd6接地；电压端还通过电容Cd7接地；所述的微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7共点组成T型结构，微带线TLd2的非共点端连接电压端，微带线TL6的非共点端连接MOS管M2的漏极，微带线TL7的非共点端为输出匹配电路的输出端。
前端的共源共栅放大单元的输出匹配电路依次串接所述电容C4、后端的共源共栅放大单元的输入匹配电路，组成级两共源共栅放大单元之间的级间匹配电路。
本发明所述的一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其优点在于，两级共源共栅放大单元辅以对应的输入匹配电路、输出匹配电路以及共源共栅匹配电路，综合设计提高了毫米波低噪声放大器的增益、带宽和增益平坦度。进一步地，共源共栅匹配电路内部的T型设计提高了共源共栅放大单元的高频稳定性。漏极偏置电路中设计的LC隔离网络屏蔽了片外电源噪声，防止键合线恶化性能，同时便于电源线的布线。
附图说明
图1是本发明所述复合式放大器的原理框图；
图2是所述共源共栅放大单元的结构框图；
图3是本发明所述复合式放大器的结构示意图。
图4是本发明所述复合式放大器的增益电磁仿真结果曲线图；
图5是本发明所述复合式放大器的回波损耗电磁仿真结果曲线图；
图6是本发明所述复合式放大器的噪声系数电磁仿真结果曲线图；
图7是本发明所述复合式放大器的稳定性电磁仿真结果曲线图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所述的一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器包括两个串联设置且结构相同的共源共栅放大单元，前端的共源共栅放大单元输入级通过电容C1连接输入焊盘GSG1，后端的共源共栅放大单元输出级通过电容C5连接输出焊盘GSG2。前端的共源共栅放大单元输出级通过电容C4连接后端的共源共栅放大单元输入级。
所述共源共栅放大单元主要包括级联设置的MOS管M1和MOS管M2：MOS管M1栅极前置输入匹配电路作为输入级，所述输入匹配电路的电压端通过前级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg1。MOS管M1源极通过微带线TLs接地。MOS管M2栅极通过后级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg2。MOS管M2漏极后置输出匹配电路作为输出级，所述输出匹配电路的电压端通过漏极偏置电路连接直流焊盘Vd。MOS管M1的漏极和MOS管M2的源极之间串接共源共栅匹配电路。
所述的前级栅极偏置电路包括电容Cd3和电阻Rd2。所述的电容Cd3一端接地，另一端连接直流焊盘Vg1和通过电阻Rd2连接所述输入匹配电路的电压端。
所述输入匹配电路包括电容Cd1、电容Cd2、电阻Rd1、微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2。所述的电阻Rd1一端作为电压端连接所述前级栅极偏置电路，另一端通过电容Cd2接地。电压端还通过电容Cd1接地。所述的微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2共点组成T型结构，微带线TLd1的非共点端连接电压端，微带线TL1的非共点端为输入匹配电路的输入端，微带线TL2的非共点端连接MOS管M1栅极。
所述的共源共栅匹配电路包括电容C2、微带线TL3和微带线TL4。所述MOS管M1漏极一次串联微带线TL3、微带线TL4后连接MOS管M2源极，微带线TL3和微带线TL4的连接点通过电容C2接地。
所述的后级栅极偏置电路包括电容Cd4和电阻Rd3。所述的电容Cd4一端接地，另一端连接直流焊盘Vg2和通过电阻Rd3连接所述MOS管M2栅极。
所述漏极偏置电路包括电容Cd5和电感L1。所述的电容Cd5一端接地，另一端连接直流焊盘Vd和通过电感L1连接所述输出匹配电路的电压端。
所述输出匹配电路包括电容Cd7、电容Cd6、电阻Rd4、微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7。所述的电阻Rd4一端作为电压端连接所述漏极偏置电路，另一端通过电容Cd6接地。电压端还通过电容Cd7接地。所述的微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7共点组成T型结构，微带线TLd2的非共点端连接电压端，微带线TL6的非共点端连接MOS管M2的漏极，微带线TL7的非共点端为输出匹配电路的输出端。
前端的共源共栅放大单元的输出匹配电路依次串接所述电容C4、后端的共源共栅放大单元的输入匹配电路，组成级两共源共栅放大单元之间的级间匹配电路。
本发明所述的一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器优化原理如下：
提高增益、带宽和增益平坦度：通过输入匹配电路、输出匹配电路以及共源共栅匹配电路设计，两级共源共栅放大单元各端口的信号反射得到抑制，提高了放大器带宽。相同设计共源共栅放大单元提高了单级放大单元的增益，从而减少了放大器级数，减少了匹配电路的设计，进而降低了芯片面积。每一路偏置上的微带线TLd1和电容Cd1构成LC带通滤波网络，谐振点附近提供低阻抗到地的路径，可将低频信号通过该路径进行泄露到地，以此抑制复合式放大器低频段增益来提高带内增益平坦度。复合式放大器的增益电磁仿真结果如图4所示，回波损耗电磁仿真结果如图5所示，噪声系数电磁仿真结果如图6所示。
提高稳定性:在共源共栅放大单元内部设计T型匹配电路，微带线TL3、TL4能够提高输出阻抗，以优化共源共栅放大单元的输出匹配，减少反射，最终抑制自激振荡。电容C2提供了工作频带外高频信号短路到地的低阻抗通路，该电容主要将40～100GHz的高频噪声短路到地，以防止频带外的高频噪声被放大而形成自激振荡，造成不稳定。复合式放大器在引入共源共栅内部T型匹配网络后的稳定性电磁仿真结果如图7所示。
屏蔽片外电源噪声干扰，防止键合线恶化性能，简化电源线布线：在漏极偏置电路引入LC隔离网络，其中串联电感L1作为高阻抗扼流圈，防止外部噪声电流进入匹配电路，同时防止匹配电路的电流信号泄露至片外，从而恶化匹配。并联到地的电容Cd5利用其自谐振效应，在谐振频率附近形成低阻抗接地的通路，能够将片外噪声电压短路到地，提高抗干扰能力。LC隔离网络切断了片内外射频信号的耦合途径。由于输出匹配电路中的信号已经被LC网络隔离，射频信号不会流入电源线，因此电源线可自由布线，而不会导致匹配网络失配。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，包括两个串联设置且结构相同的共源共栅放大单元，前端的共源共栅放大单元输入级通过电容C1连接输入焊盘GSG1，后端的共源共栅放大单元输出级通过电容C5连接输出焊盘GSG2；两共源共栅放大单元之间串接电容C4；
所述共源共栅放大单元主要包括级联设置的MOS管M1和MOS管M2：
MOS管M1栅极前置输入匹配电路作为输入级，所述输入匹配电路的电压端通过前级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg1；MOS管M1源极通过微带线TLs接地；
MOS管M2栅极通过后级栅极偏置电路连接直流焊盘Vg2；MOS管M2漏极后置输出匹配电路作为输出级，所述输出匹配电路的电压端通过漏极偏置电路连接直流焊盘Vd；
MOS管M1的漏极和MOS管M2的源极之间串接共源共栅匹配电路。
2.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述的前级栅极偏置电路包括电容Cd3和电阻Rd2；所述的电容Cd3一端接地，另一端连接直流焊盘Vg1和通过电阻Rd2连接所述输入匹配电路的电压端。
3.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括电容Cd1、电容Cd2、电阻Rd1、微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2；所述的电阻Rd1一端作为电压端连接所述前级栅极偏置电路，另一端通过电容Cd2接地；电压端还通过电容Cd1接地；所述的微带线TLd1、微带线TL1和微带线TL2共点组成T型结构，微带线TLd1的非共点端连接电压端，微带线TL1的非共点端为输入匹配电路的输入端，微带线TL2的非共点端连接MOS管M1栅极。
4.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述的共源共栅匹配电路包括电容C2、微带线TL3和微带线TL4；所述MOS管M1漏极一次串联微带线TL3、微带线TL4后连接MOS管M2源极，微带线TL3和微带线TL4的连接点通过电容C2接地。
5.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述的后级栅极偏置电路包括电容Cd4和电阻Rd3；所述的电容Cd4一端接地，另一端连接直流焊盘Vg2和通过电阻Rd3连接所述MOS管M2栅极。
6.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述漏极偏置电路包括电容Cd5和电感L1；所述的电容Cd5一端接地，另一端连接直流焊盘Vd和通过电感L1连接所述输出匹配电路的电压端。
7.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，所述输出匹配电路包括电容Cd7、电容Cd6、电阻Rd4、微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7；所述的电阻Rd4一端作为电压端连接所述漏极偏置电路，另一端通过电容Cd6接地；电压端还通过电容Cd7接地；所述的微带线TLd2、微带线TL6和微带线TL7共点组成T型结构，微带线TLd2的非共点端连接电压端，微带线TL6的非共点端连接MOS管M2的漏极，微带线TL7的非共点端为输出匹配电路的输出端。
8.根据权利要求1所述高性能毫米波低噪声的复合式放大器，其特征在于，前端的共源共栅放大单元的输出匹配电路依次串接所述电容C4、后端的共源共栅放大单元的输入匹配电路，组成级两共源共栅放大单元之间的级间匹配电路。
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