CN114430256A - 提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法，其中三耦合低噪声放大器三耦合低噪声放大器包括晶体管MS、晶体管MG、电源端VDD、三耦合结构；本发明提出的三耦合低噪声放大器结构提高了增益，改善了噪声。

Description

提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法。
背景技术
随着通信技术的极速发展，工业界与学术界都对雷达系统与通信系统提出了更高的要求。低噪声放大器作为射频前端一个关键模块，其性能将影响整个接收机的噪声性能与灵敏度，因此高增益，低噪声系数的LNA面临极大的挑战。尤其随着频率的升高，晶体管的增益下降以及寄生效应愈发明显，因此增益以及噪声性能也会得到恶化。
传统结构在高频应用时的缺点有以下几点：
1)在W波段的设计中，该电路的输出阻抗虚部虽然比传统的共源共栅结构小，但仍然接近100的值，这将导致在匹配上的损耗比较大。
2)由于晶体管的特性，单管不包含匹配电路时，低频处的增益一定是大于在高频处增益，所以该电路在频率跨度大的情况下，低频的增益将非常高，极度恶化其稳定性。
3)在晶体管尺寸方面，由于要兼顾输出阻抗，只能选择更大尺寸的，这就会导致增益更低，功耗更高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种提升增益的三耦合低噪声放大器及其计算方法解决了增益恶化的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种提升增益的三耦合低噪声放大器，其包括晶体管MS、晶体管MG、电源端VDD、三耦合结构；
三耦合结构的第一同名端正极与电源端VDD相连，三耦合结构的第一同名端负极与晶体管MS的漏极相连；晶体管MS的栅极作为三耦合低噪声放大器的输入端；晶体管MS的源极接地；三耦合结构的第二同名端正极与晶体管MG的源极相连，三耦合结构的第二同名端负极接地；晶体管MG的漏极与电源端VDD相连，作为三耦合低噪声放大器的输出端；晶体管MG的栅极与三耦合结构的异名端正极相连，三耦合结构的异名端负极包括接地。
进一步地：
三耦合结构的第一同名端的正极与负极之间接线圈Ld，三耦合结构的第二同名端的正极与负极之间接线圈Ls，三耦合结构的异名端的正极与负极之间接线圈Lg。
进一步地：
线圈Lg设置于外围M9金属层之中，外围M9金属层宽度为80μm×80μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ld设置于内围M9金属层之中，内围M9金属层宽度小于76.6μm×76.6μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ls设置于M8金属层之中，内围M9金属层包围M8金属层，M8金属层横截面高度为0.9μm。
提供一种提升增益的三耦合低噪声放大系统，包括三耦合低噪声放大器，其包括：输入匹配网络和输出匹配网络；
三耦合低噪声放大器的输入端分别与输入匹配网络的输出端和接电压VA电阻RA相连，输入匹配网络的输入端作为三耦合低噪声放大系统的输入端；
三耦合低噪声放大器的输出端还接输出匹配网络的第一输入端，输出匹配网络的第二输入端接电源端VDD，输出匹配网络的输出端作为三耦合低噪声放大系统的输出端；三耦合低噪声放大器的三耦合结构的异名端负极还接电阻RB的一端，电阻RB的另一端接电压VB。
进一步地：
输入匹配网络包括电感L2，电感L2的一端作为输入匹配网络的输出端；电感L2的另一端分别与接地电感L1和接地电容C1相连；
输出匹配网络包括电感L3，电感L3的一端与晶体管MG的漏极相连；电感L3的另一端分别与电容C2的一端和接电压VDD电感L3相连，电容C2的另一端作为三耦合低噪声放大系统的输出端。
提供一种提升增益的三耦合低噪声放大器参数计算方法，其包括以下步骤：
S1、将三耦合低噪声放大器进行简化，并用戴维南等效简化后的模型，得到戴维南等效简化模型；
S2、求解戴维南等效简化模型下三耦合低噪声放大器的等效电压源、等效跨导和总电压增益，完成三耦合低噪声放大器的参数计算。
进一步地，戴维南等效简化模型包括接电压阻抗ZL，接电压阻抗ZL分别与晶体管MG的漏极和电阻ro2的一端相连，作为戴维南等效简化模型的输出端；晶体管MG的源极分别与电阻ro2的另一端、阻抗Zout1的一端和放大器的负极相连；阻抗Zout1的另一端与接地等效电压源正极相连；放大器的正极接地；放大器的输出端与接地线圈Lg相连；其中放大器的负极与放大器的输出端之间接一个加载电容Cgs。
进一步地，步骤S2的具体方法包括：
S2-1、根据公式：
Vin,eq＝gmro1Vin
得到等效电压源Vin,eq，其中gm为晶体管MS的跨导，ro1为晶体管MS的沟道调制电阻，Vin为晶体管输入端电压；
S2-2、根据公式：
Figure BDA0003497759450000041
Figure BDA0003497759450000042
得到等效跨导Gm2；其中gm2为晶体管MG的跨导，ro2为晶体管MG沟道调制电阻，Zout1为戴维南等效输出电阻，A为放大倍数，k3为线圈LD和LG之间的耦合系数，k2为线圈LS和LG之间的耦合系数，k1为是线圈LD和LS之间的耦合系数，Ls为变压器的初级线圈，Lg为变压器的第三级线圈；
S2-3、根据公式：
Gm2＝(A+1)gm2
得到等效跨导的简化式；
S2-4、根据公式：
Figure BDA0003497759450000043
得到总电压增益AV(s)；其中Ld为变压器的次级线圈，ZL为电路的负载阻抗，s为拉普拉斯变换中的复频率，Cds1为晶体管MS的漏源寄生电容，Cds2为晶体管MG的漏源寄生电容。
本发明的有益效果为：
针对毫米波电路应用，传统的跨导增强型结构在较高频率时增益较低，通过采用三耦合变压器结构，为射频信号从共源管MS到共栅管MG的传输提供了另外的一条路径，从而等效增大共栅管的跨导，最终使得共源共栅结构的放大器增益得到提升。
附图说明
图1为本发明三耦合低噪声放大器结构图；
图2为三耦合低噪声放大器接线圈基础结构图；
图3为三耦合低噪声放大器整体电路图；
图4为三耦合低噪声放大器的简化模型；
图5为三耦合低噪声放大器的戴维南等效简化模型；
图6为传统方法与本声明的最大增益对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，该提升增益的三耦合低噪声放大器，包括晶体管MS、晶体管MG、电源端VDD、三耦合结构；
三耦合结构的第一同名端正极与电源端VDD相连，三耦合结构的第一同名端负极与晶体管MS的漏极相连；晶体管MS的栅极作为三耦合低噪声放大器的输入端；晶体管MS的源极接地；三耦合结构的第二同名端正极与晶体管MG的源极相连，三耦合结构的第二同名端负极接地；晶体管MG的漏极与电源端VDD相连，作为三耦合低噪声放大器的输出端；晶体管MG的栅极与三耦合结构的异名端正极相连，三耦合结构的异名端负极包括接地。
三耦合结构的第一同名端的正极与负极之间接线圈Ld，三耦合结构的第二同名端的正极与负极之间接线圈Ls，三耦合结构的异名端的正极与负极之间接线圈Lg。
线圈Lg设置于外围M9金属层之中，外围M9金属层宽度为80μm×80μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ld设置于内围M9金属层之中，内围M9金属层宽度小于76.6μm×76.6μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ls设置于M8金属层之中，内围M9金属层包围M8金属层，M8金属层横截面高度为0.9μm。
如图3所示，该提升增益的三耦合低噪声放大系统，包括三耦合低噪声放大器，包括：输入匹配网络和输出匹配网络；
三耦合低噪声放大器的输入端分别与输入匹配网络的输出端和接电压VA电阻RA相连，输入匹配网络的输入端作为三耦合低噪声放大系统的输入端；
三耦合低噪声放大器的输出端还接输出匹配网络的第一输入端，输出匹配网络的第二输入端接电源端VDD，输出匹配网络的输出端作为三耦合低噪声放大系统的输出端；三耦合低噪声放大器的三耦合结构的异名端负极还接电阻RB的一端，电阻RB的另一端接电压VB。
输入匹配网络包括电感L2，电感L2的一端作为输入匹配网络的输出端；电感L2的另一端分别与接地电感L1和接地电容C1相连；
输出匹配网络包括电感L3，电感L3的一端与晶体管MG的漏极相连；电感L3的另一端分别与电容C2的一端和接电压VDD电感L3相连，电容C2的另一端作为三耦合低噪声放大系统的输出端。
如图4和图5所示，该提升增益的三耦合低噪声放大器参数计算方法，包括以下步骤：
S1、将三耦合低噪声放大器进行简化，并用戴维南等效简化后的模型，得到戴维南等效简化模型；
S2、求解戴维南等效简化模型下三耦合低噪声放大器的等效电压源、等效跨导和总电压增益，完成三耦合低噪声放大器的参数计算。
戴维南等效简化模型包括接电压阻抗ZL，接电压阻抗ZL分别与晶体管MG的漏极和电阻ro2的一端相连，作为戴维南等效简化模型的输出端；晶体管MG的源极分别与电阻ro2的另一端、阻抗Zout1的一端和放大器的负极相连；阻抗Zout1的另一端与接地等效电压源正极相连；放大器的正极接地；放大器的输出端与接地线圈Lg相连；其中放大器的负极与放大器的输出端之间接一个加载电容Cgs。
步骤S2的具体方法包括：
S2-1、根据公式：
Vin,eq＝gmro1Vin
得到等效电压源Vin,eq，其中gm为晶体管MS的跨导，ro1为晶体管MS的沟道调制电阻，Vin为晶体管输入端电压；
S2-2、根据公式：
Figure BDA0003497759450000071
Figure BDA0003497759450000072
得到等效跨导Gm2；其中gm2为晶体管MG的跨导，ro2为晶体管MG沟道调制电阻，Zout1为戴维南等效输出电阻，A为放大倍数，k3为线圈LD和LG之间的耦合系数，k2为线圈LS和LG之间的耦合系数，k1为是线圈LD和LS之间的耦合系数，Ls为变压器的初级线圈，Lg为变压器的第三级线圈；
S2-3、根据公式：
Gm2＝(A+1)gm2
得到等效跨导的简化式；
S2-4、根据公式：
Figure BDA0003497759450000081
得到总电压增益AV(s)；其中Ld为变压器的次级线圈，ZL为电路的负载阻抗，s为拉普拉斯变换中的复频率，Cds1为晶体管MS的漏源寄生电容，Cds2为晶体管MG的漏源寄生电容。
当Gm2得到提升以后，整个电路总的电压增益AV(S)可以得到提高，从而达到提高电路增益的目的。
如图6所示，通过仿真对比可以看出，三耦合变压器结构的低噪声放大器的最大增益(Maxmim gain，MAG)比传统跨导增强型结构在毫米波频段提升了5-10dB。其中MSG为最大增益的稳定，Frequency为频率。
本发明针对毫米波电路应用，传统的跨导增强型结构在较高频率时增益较低，通过采用三耦合变压器结构，为射频信号从共源管MS到共栅管MG的传输提供了另外的一条路径，从而等效增大共栅管的跨导，最终使得共源共栅结构的放大器增益得到提升。

Claims (8)

1.一种提升增益的三耦合低噪声放大器，其特征在于，包括：晶体管MS、晶体管MG、电源端VDD、三耦合结构；
所述三耦合结构的第一同名端正极与电源端VDD相连，三耦合结构的第一同名端负极与晶体管MS的漏极相连；晶体管MS的栅极作为三耦合低噪声放大器的输入端；晶体管MS的源极接地；三耦合结构的第二同名端正极与晶体管MG的源极相连，三耦合结构的第二同名端负极接地；晶体管MG的漏极与电源端VDD相连，作为三耦合低噪声放大器的输出端；晶体管MG的栅极与三耦合结构的异名端正极相连，三耦合结构的异名端负极包括接地。
2.根据权利要求1所述的提升增益的三耦合低噪声放大器，其特征在于：
所述三耦合结构的第一同名端的正极与负极之间接线圈Ld，三耦合结构的第二同名端的正极与负极之间接线圈Ls，三耦合结构的异名端的正极与负极之间接线圈Lg。
3.根据权利要求2所述的提升增益的三耦合低噪声放大器，其特征在于：
线圈Lg设置于外围M9金属层之中，外围M9金属层宽度为80μm×80μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ld设置于内围M9金属层之中，内围M9金属层宽度小于76.6μm×76.6μm，其横截面高度为3.4μm；
线圈Ls设置于M8金属层之中，内围M9金属层包围M8金属层，M8金属层横截面高度为0.9μm。
4.一种提升增益的三耦合低噪声放大系统，包括如权利要求1-3任一所述的三耦合低噪声放大器，其特征在于，包括：输入匹配网络和输出匹配网络；
三耦合低噪声放大器的输入端分别与输入匹配网络的输出端和接电压VA电阻RA相连，输入匹配网络的输入端作为三耦合低噪声放大系统的输入端；
三耦合低噪声放大器的输出端还接输出匹配网络的第一输入端，输出匹配网络的第二输入端接电源端VDD，输出匹配网络的输出端作为三耦合低噪声放大系统的输出端；三耦合低噪声放大器的三耦合结构的异名端负极还接电阻RB的一端，电阻RB的另一端接电压VB。
5.根据权利要求4所述的提升增益的三耦合低噪声放大系统，其特征在于：
所述输入匹配网络包括电感L2，电感L2的一端作为输入匹配网络的输出端；电感L2的另一端分别与接地电感L1和接地电容C1相连；
所述输出匹配网络包括电感L3，电感L3的一端与晶体管MG的漏极相连；电感L3的另一端分别与电容C2的一端和接电压VDD电感L3相连，电容C2的另一端作为三耦合低噪声放大系统的输出端。
6.一种提升增益的三耦合低噪声放大器参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将三耦合低噪声放大器进行简化，并用戴维南等效简化后的模型，得到戴维南等效简化模型；
S2、求解戴维南等效简化模型下三耦合低噪声放大器的等效电压源、等效跨导和总电压增益，完成三耦合低噪声放大器的参数计算。
7.根据权利要求5所述的提升增益的三耦合低噪声放大器参数计算方法，其特征在于，戴维南等效简化模型包括接电压阻抗ZL，接电压阻抗ZL分别与晶体管MG的漏极和电阻ro2的一端相连，作为戴维南等效简化模型的输出端；晶体管MG的源极分别与电阻ro2的另一端、阻抗Zout1的一端和放大器的负极相连；阻抗Zout1的另一端与接地等效电压源正极相连；放大器的正极接地；放大器的输出端与接地线圈Lg相连；其中放大器的负极与放大器的输出端之间接一个加载电容Cgs。
8.根据权利要求6所述的提升增益的三耦合低噪声放大器参数计算方法，其特征在于，步骤S2的具体方法包括：
S2-1、根据公式：
Vin,eq＝gmro1Vin
得到等效电压源Vin,eq，其中gm为晶体管MS的跨导，ro1为晶体管MS的沟道调制电阻，Vin为晶体管输入端电压；
S2-2、根据公式：
Figure FDA0003497759440000031
Figure FDA0003497759440000032
得到等效跨导Gm2；其中gm2为晶体管MG的跨导，ro2为晶体管MG沟道调制电阻，Zout1为戴维南等效输出电阻，A为放大倍数，k3为线圈LD和LG之间的耦合系数，k2为线圈LS和LG之间的耦合系数，k1为是线圈LD和LS之间的耦合系数，Ls为变压器的初级线圈，Lg为变压器的第三级线圈；
S2-3、根据公式：
Gm2＝(A+1)gm2
得到等效跨导的简化式；
S2-4、根据公式：
Figure FDA0003497759440000033
得到总电压增益AV(s)；其中Ld为变压器的次级线圈，ZL为电路的负载阻抗，s为拉普拉斯变换中的复频率，Cds1为晶体管MS的漏源寄生电容，Cds2为晶体管MG的漏源寄生电容。
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