CN113067554B - 一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器 - Google Patents
一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器，由补偿型场效应晶体管M2组成的放大级；电感L1、电感L2以及电感L3通过电磁耦合形成的无源器件变压器P1组成的匹配级；电流源Ibias和晶体管M0组成的给共源晶体管M1提供栅极电压的电流偏置级以及由二极管D0、二极管D1与二极管D2组成静电保护级构成；静电保护级用于提供正向和负向的电荷泄放通路。本发明在实现射频信号放大的同时，通过内嵌静电防护电路，避免大的寄生电容对射频性能的影响，易于降低成本，实现大规模量产。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器。
背景技术
下一代无线通信网络期望是随时随地都可以获取的非陆基网络。Ka频段上行和下行频率分别是26.5-31GHz以及17.3-21.2GHz，其带宽近4GHz非常适合大数据传输，加之无线载波高天线尺寸比较小，特别适合非陆基卫星通讯。
由于卫星距离远，载波高衰减大，卫星信号较弱，要求接收前端系统增益大噪声小。低噪声放大器是接收前端系统天线后的第一个模块，它决定了整个系统的噪声。低噪声放大器要连接上外部的天线，这样需要具有静电保护电路，静电防护电路寄生大会严重影响射频电路性能。
因此，在Ka频段设计一个既保证性能，又具有静电保护的低噪声放大器是非常困难的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器，用于射频微波系统中低噪声放大和Ka频段卫星通信中接收通道中射频信号放大。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器，包括：
由补偿型场效应晶体管M2组成的放大级；电感L1、电感L2以及电感L3通过电磁耦合形成的无源器件变压器P1组成的匹配级，电流源Ibias和晶体管M0组成的给共源晶体管M1提供栅极电压的电流偏置级以及由二极管D0、二极管D1与二极管D2组成静电保护级构成；静电保护级用于提供正向和负向的电荷泄放通路；
节点N1分别与晶体管M0的栅漏端、电流源Ibias的一端、二极管D0正极、二极管D2负极、电感L2的正端相连接，二极管D0负极连接二极管D1正极，射频输入端口RFIN通过电感L1和L2分别连接到晶体管M1的栅端与节点N1，晶体管M1的源端通过电感L3连接到地，晶体管M1的漏端与补偿型场效晶体管M2的源端连接，补偿型场效晶体管M2的栅端和漏端分别连接到流源Ibias的另一端和负载阻抗ZL的一端；射频输出端口RFOUT与补偿型场效晶体管M2的漏端连接。
本发明在实现射频信号放大的同时，通过内嵌静电防护电路，避免大的寄生电容对射频性能的影响，易于降低成本，实现大规模量产。
附图说明
图1是现有技术中有线收发机常用的带宽扩展技术Tcoil线圈原理示意图。
图2是图1的基础上改进型Tcoil线圈原理示意图。
图3本发明实现的低噪声射频放大器电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，本发明的一种基于CMOS实现的Ka频段放大器，由补偿型场效应晶体管组成的放大级、无源器件组成的匹配级、电流偏置级以及静电保护级四个部分构成，包括：
电流源Ibias、偏置晶体管M0、二极管D0、二极管D1、二极管D2、无源器件变压器P1、晶体管M1、晶体管M2以及负载阻抗ZL；其中，偏置级由电流源Ibias和晶体管M0组成，给共源晶体管M1提供栅极电压，二极管D0、D1与D2组成的静电保护级，提供了正向和负向的电荷泄放通路；匹配级由电感L1、电感L2以及电感L3通过电磁耦合形成的无源器件变压器P1组成；
其中，节点N1分别与晶体管M0的栅漏端、电流源一端、二极管D0正极、二极管D2负极、无源器件变压器P1中电感L2的正端相连接，二极管D0负极连接于二极管D1正极，射频输入端口RFIN通过无源器件变压器P1中电感L1和L2分别连接到晶体管M1的栅端与节点N1，晶体管M1的源端通过无源器件变压器P1中电感L3连接到地，晶体管M1的漏端与晶体管的M2源端相连接，晶体管M2的栅端和漏端分别连接到电流源的另一端和负载阻抗ZL的一端。
为了更进一步地说明本发明技术，做如下分析：
当无源器件P1中k12和k23都等于0时，晶体管M1栅端的阻抗等于：
Zgate＝s·L3+1/s/Cgs1+gm1/Cgs1·L3 (1)
式中，gm1/Cgs1·L3是实数，提供天线所需要匹配的50Ω电阻。
当k12不等于0，k23等于0时，L1和L2组成如图2的改进型Tcoil线圈，将静电防护电路的寄生阻抗从负载阻抗中去除，从而使得静电防护电路对电路性能不产生影响，同时将式(1)中的实数阻抗与天线阻抗相匹配。
当k12等于0，k23不等于0时，通过变压器耦合产生负反馈，扩展匹配网络的带宽。
当k12和k23都不等于0时，通过无源器件P1，隔离ESD阻抗对电路性能的影响，同时增大匹配网络的带宽。
本发明中，由N型补偿型场效应晶体管构成的共源共栅放大级提高输入出阻抗，增大了增益，具有更好的输入输出隔离度和高的稳定性。
本发明中，其中的无源器件的电感L2与电感L3组成的变压器形成负反馈，增大工作带宽同时提供匹配级需要的实数阻抗；其中电感L1与电感L2形成改进的Tcoil结构变压器，扩大了S11带宽，并且避免静电防护电路引入大的寄生电容对电路性能的影响。
本发明由于电路是单端形式，相对差分形式节省了功耗降低了噪声系数。这种电路结构特别适用于Ka频段相关产品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于CMOS实现的Ka频段低噪声放大器，其特征在于，由补偿型场效应晶体管M2组成的放大级；电感L1、电感L2以及电感L3通过电磁耦合形成的无源器件变压器P1组成的匹配级；电流源Ibias和晶体管M0组成的给共源晶体管M1提供栅极电压的电流偏置级以及由二极管D0、二极管D1与二极管D2组成静电保护级构成；静电保护级用于提供正向和负向的电荷泄放通路；
节点N1分别与晶体管M0的栅漏端、电流源Ibias的一端、二极管D0正极、二极管D2负极、电感L2的正端相连接，晶体管MO的源端接地，二极管D2的正极接地；二极管D0负极连接二极管D1正极，二极管D1的负极接地，射频输入端口RFIN通过电感L1和L2分别连接到晶体管M1的栅端与节点N1，晶体管M1的源端通过电感L3连接到地，晶体管M1的漏端与补偿型场效晶体管M2的源端连接，补偿型场效晶体管M2的栅端和漏端分别连接到电 流源Ibias的另一端和负载阻抗ZL的一端，负载阻抗ZL的另一端与电流源Ibias的另一端连接；射频输出端口RFOUT与补偿型场效晶体管M2的漏端连接。
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