CN113098404B - 一种高增益超宽带低噪声放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高增益超宽带低噪声放大器，包括第一级共源放大电路、第二级共源放大电路和第三级共源共栅放大电路，其中第一级共源放大电路设有输入匹配电路，第一级共源放大电路和第二级共源放大电路之间设有第一级间匹配电路，第二级共源放大电路与第三级共源共栅放大电路之间设有第二级间匹配电路，第三级共源共栅放大电路设有输出匹配电路，每一级放大电路均设有负载；通过本发明设计的输入输出匹配电路、级间匹配电路，提高了低噪声放大器的带宽，同时保证低噪声放大器具有足够高的增益和增益平坦度。

Description

一种高增益超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，具体涉及一种高增益超宽带低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器电路具有十分广泛的应用，其作为无线通信接收机的首级电路，对接收机链路的整体性能起着至关重要的作用。低噪声放大器是射频接收前端的一个重要组成部分。透过第四代移动通信技术的发展历程和第五代移动通信技术的发展趋势可以发现，不同通信标准不断涌现，业界朝着高性能、低成本、低功耗和功能集成等方面不断前进。未来移动通信技术发展的一个重要趋势是通信终端可以兼容多个通信标准。为了满足人们对更高速、更大容量的通信需求，能够兼容多个通信标准的宽带通信技术逐渐成为重要的研究方向，与同时采用单个标准的窄带器件方案相比，宽带器件的集成度大大提高且降低了成本，更能获得消费市场的青睐。适用于100M-10GHz频段的低噪声放大器设计主要面临增益低、输入输出匹配差、增益平坦度差等问题等问题。因此，设计高增益、匹配良好的宽带低噪声放大器尤为重要。
发明内容
基于业内的迫切需求，本发明提出了一种高增益超宽带低噪声放大器，包括输入匹配电路、三级放大电路(包括两级共源放大电路和一级共源共栅放大电路)、级间匹配电路。所述低噪声放大器采用三级放大电路直接级联的方案，通过合理设计输入匹配电路和级间匹配电路，使低噪声放大器的带宽覆盖100M到10GHz，同时解决了传统超宽带低噪声放大器增益低、频带内增益平坦度低的问题；通过设计第三级共源共栅放大电路，进一步抬高高频段增益；通过在第三级放大管与共源共栅管之间级联电感，改善输出匹配。
附图说明
图1为本发明提出的高增益超宽带低噪声放大器的电路原理图。
图2为本发明提出的高增益超宽带低噪声放大器增益电磁仿真结果。
图3为本发明提出的高增益超宽带低噪声放大器回波损耗电磁仿真结果。
图4为本发明提出的高增益超宽带低噪声放大器噪声系数电磁仿真结果。
具体实施方式
本发明提出的一种高增益超宽带低噪声放大器的电路原理图如图1所示。所述高增益超宽带低噪声放大器采用三级放大结构，包括第一级共源放大电路、第二级共源放大电路和第三级共源共栅放大电路，其中第一级共源放大电路由PMOS晶体管M1构成，第二级共源放大电路由PMOS晶体M2构成，第三级共源共栅放大电路由PMOS晶体管M3和M4构成。其中第一级共源放大电路设有输入匹配电路，第一级共源放大电路和第二级共源放大电路之间设有第一级间匹配电路，第二级共源放大电路与第三级共源共栅放大电路之间设有第二级间匹配电路，第三级共源共栅放大电路还设有输出匹配电路。进一步地，每一级放大电路均设有负载。通过本发明设计输入输出匹配电路、级间匹配电路，提高了低噪声放大器的带宽，同时保证低噪声放大器具有足够高的增益和增益平坦度。
下面对本发明的具体实施方案进行详细的描述。
本发明提出的一种高增益超宽带低噪声放大器的电路原理图如图1所示，所述高增益超宽带低噪声放大器采用三级放大结构，包括第一级共源放大电路、第二级共源放大电路和第三级共源共栅放大电路，其中，第一级共源放大电路由PMOS晶体管M1构成，第二级共源放大电路由PMOS晶体M2构成，第三级共源共栅放大电路由PMOS晶体管M3和M4构成。第一级共源放大电路设有输入匹配电路，该输入匹配电路包括电感Ld1、电感Ls1和电阻Rf，第一级共源放大电路的PMOS晶体管M1和第二级共源放大电路之间设有第一级间匹配电路，该第一级间匹配电路由电感Lg2构成；第二级共源放大电路与第三级共源共栅放大电路之间设有第二级间匹配电路，该第二级间匹配电路由电感Lg3构成；第三级共源共栅放大电路设有输出匹配电路，该输出匹配电路由电感Ld3构成；此外，每一级放大电路均设有负载，其中，第一级共源放大电路的负载由电阻R1和键合线寄生电感L1构成，第二级共源放大电路的负载由电阻R2和键合线寄生电感L2构成，第三级共源共栅放大电路的负载由电阻R3和键合线寄生电感L3构成。
第一级共源放大电路的PMOS晶体管M1的栅极为信号输入端Vin，PMOS晶体管M1的漏极连接电感Ld1的第一端，电感Ld1的第二端连接电阻R1后再连接键合线寄生电感L1的一端，键合线电感L1的另一端接入电源端VDD，电阻Rf的两端分别连接信号输入端Vin和电感Ld1的第二端，PMOS晶体管M1的源极连接电感Ls1后接入接地端GND。PMOS晶体管M1的漏极通过电感Lg2与第二级共源放大电路的PMOS晶体管M2的栅极连接，PMOS晶体管M2的漏极连接电阻R2后再连接键合线寄生电感L2的一端，键合线电感L2的另一端接入电源端VDD；PMOS晶体管M2的漏极通过电感Lg3与第三级共源共栅放大电路的PMOS晶体管M3的栅极连接，PMOS晶体管M2的源极接地；PMOS晶体管M3的源极接地，其漏极通过电感Ld3与第三级共源共栅放大电路的PMOS晶体管M4的源极连接，PMOS晶体管M4的漏极作为信号输出端Vout，并且该漏极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与键合线寄生电感L3连接后接入电源端VDD，PMOS晶体管M4的栅极接入电源端VDD。
本电路利用芯片健合线寄生电感为负载电感，旨在节省芯片面积；电感Ls1改善高频处输入匹配；反馈环路中添加Ld1提高高频增益；电感Lg2、Lg3与前级寄生电容和后级栅源寄生电容构成π型匹配电路，进一步拓展带宽；电感Ld3改善电路输出匹配。
传统低噪声放大器中，源极退化电感的应用比较广泛，但该传统低噪声放大器的结构增益低、带宽小的缺点限制了其在超宽带放大器中的应用。而在本发明中的低噪声放大器结构中，通过在反馈环路中引入电感Ld1，减小了经过PMOS晶体管M1的栅漏寄生电容Cgd的电流变化，即减小了前馈通路导致的高频信号衰减。并且引入电感Ld1后，仅需适当加大源极退化电感Ls1的尺寸，就能改善高增益超宽带低噪声放大器的输入匹配。仿真结果显示，引入Ld1和Ls1后，低噪声放大器的带宽提高约2GHz。为了获得更高单级放大单元的增益，第三级采用共源共栅放大电路的设计，相较于传统低噪声放大器所采用的共源级结构能获得更好的输出匹配，在获得更高增益的同时，提高了放大电路的反向隔离度。在PMOS晶体管M3漏极与PMOS晶体管M4源极之间用电感Ld3连接，Ld3补偿了PMOS晶体管M3漏极的寄生电容和PMOS晶体管M4的源极寄生电容引起的增益降低，并形成π型匹配，改善高频处放大电路的输出匹配性能，仿真结果显示，引入电感Ld3后，输出匹配的带宽提高了约1GHz。
图2为所述低噪声放大器增益仿真结果，横轴(Frequency)表示工作频率，纵轴(S21)表示低噪声放大器的增益。由图2可见，在100M-10GHz范围内，最高增益达到23.4dB。图3为所述低噪声放大器输入输出匹配仿真结果，横轴(Frequency)表示工作频率，纵轴(S11、S22)表示低噪声放大器的匹配性能，其中S11体现输入匹配性能，S22体现输出匹配性能，S11在100M-10GHz范围内低于-11dB，S22低于-13dB，可见输入输出匹配情况良好。图4为所述低噪声放大器噪声系数(NF)的仿真结果，噪声系数在5.5GHz的频率下达到最低值，此时的噪声系数低至3.5dB，而在所述整个频段内，噪声系数均低于5dB。
以上阐述了本发明的技术方案,一切不脱离本发明的技术方案之实质的替代，都应在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种高增益超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述高增益超宽带低噪声放大器采用三级放大结构，包括第一级共源放大电路、第二级共源放大电路和第三级共源共栅放大电路，其中第一级共源放大电路设有输入匹配电路，第一级共源放大电路和第二级共源放大电路之间设有第一级间匹配电路，第二级共源放大电路与第三级共源共栅放大电路之间设有第二级间匹配电路，第三级共源共栅放大电路设有输出匹配电路；
其中，所述输入匹配电路包括电感Ld1、电感Ls1和电阻Rf；所述第一级间匹配电路由电感Lg2构成；所述第二级间匹配电路由电感Lg3构成；所述输出匹配电路由电感Ld3构成；第一级共源放大电路的负载由电阻R1和键合线寄生电感L1构成，第二级共源放大电路的负载由电阻R2和键合线寄生电感L2构成，第三级共源共栅放大电路的负载由电阻R3和键合线寄生电感L3构成；
其中，第一级共源放大电路由PMOS晶体管M1构成，第二级共源放大电路由PMOS晶体管M2构成，第三级共源共栅放大电路由PMOS晶体管M3和M4构成；第一级共源放大电路的PMOS晶体管M1的栅极为信号输入端Vin，PMOS晶体管M1的漏极连接电感Ld1的第一端，电感Ld1的第二端连接电阻R1后再连接键合线寄生电感L1的一端，键合线寄生电感L1的另一端接入电源端VDD，电阻Rf的两端分别连接信号输入端Vin和电感Ld1的第二端，PMOS晶体管M1的源极连接电感Ls1后接入接地端GND，PMOS晶体管M1的漏极通过电感Lg2与PMOS晶体管M2的栅极连接，PMOS晶体管M2的漏极连接电阻R2后再连接键合线寄生电感L2的一端，键合线寄生电感L2的另一端接入电源端VDD；PMOS晶体管M2的漏极通过电感Lg3与PMOS晶体管M3的栅极连接，PMOS晶体管M2的源极接地；PMOS晶体管M3的源极接地，其漏极通过电感Ld3与PMOS晶体管M4的源极连接，PMOS晶体管M4的漏极作为信号输出端Vout，并且该漏极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与键合线寄生电感L3连接后接入电源端VDD，PMOS晶体管M4的栅极接入电源端VDD；
所述的高增益超宽带低噪声放大器在工作频率为100M-10GHz范围内，输入匹配低于-11dB，输出匹配低于-13dB。
2.如权利要求1所述的一种高增益超宽带低噪声放大器，其特征在于：所述的高增益超宽带低噪声放大器的噪声系数NF满足：3.5dB≤NF＜5dB。
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