CN114513176B - 基于共源共栅结构的电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域,提供一种基于共源共栅结构的改进的电容交叉耦合型跨导增强低噪声放大器,用以解决现有基于共源共栅结构的低噪声放大器存在的高频增益衰减和低频稳定性差的问题。本发明由差分共源共栅结构电路与改进的电容交叉耦合型跨导增强结构构成,通过在差分共源共栅结构的共栅管栅极和源极添加串联电感,调节交叉耦合电容反馈通路的阻抗,以及共栅管和共源管之间的匹配,使电容交叉耦合型跨导增强共源共栅结构在毫米波频端的增益显著提升;同时使用大的反馈电容,用电容引起的信号泄露提高共源共栅结构的稳定性。综上,本发明提供的改进的电容交叉耦合型跨导增强低噪声放大器具有更高的高频增益和更优的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,涉及通信系统发射机中的低噪声放大器,具体提供一种基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展,人们对射频收发机提出了更高频率、更小尺寸、更低功耗、更高可靠性等一系列要求;作为射频接收机中的的核心模块,低噪声放大器(LNA)的性能直接影响到信号接收的质量,而低噪声放大器(LNA)的性能中最重要的两个指标为噪声系数和增益,因为根据级联噪声公式,低噪声放大器作为接收机的第一个有源器件,必须有足够高的增益来抵消后级对噪声系数的影响。
目前,共源共栅(cascode)结构凭借其高增益、高输出功率的特性成为了放大器中最常用的结构之一,传统共源共栅结构的功率放大器如图1所示;在此基础上,各种跨导增强技术也被用于进一步提高增益;跨导增强技术的基本原理在于引入负反馈,在栅极引入一个和源极相反的信号,增大晶体管栅源的电压摆幅,从而增大等效的跨导,提高增益。跨导增强技术主要包括变压器耦合和电容交叉耦合两种形式,分别如图2、3所示;变压器耦合通过共栅管栅源电感的耦合引入负反馈,适用于单端和差分结构,但是在低频变压器面积较大;电容交叉耦合通过在共栅管栅极与另一侧共栅管源极间加入电容引入另一侧的反向信号,适用于差分结构,但是在高频因为电容阻抗较小,会导致共源管漏极输出近似短路,增益迅速衰减,因此极少用于毫米波频段。
然而,上述基于跨导增强技术的共源共栅结构的功率放大器能够提高增益,但是,该结构中同时提供了反馈通路,寄生电容的反馈导致晶体管很难实现低频的稳定。针对该问题,研究者改进了传统的变压器耦合型跨导增强共源共栅结构,通过在共栅管栅极添加一个串联电容,隔断低频信号的耦合,提高低频稳定性;但是,变压器耦合设计变得更加复杂,对稳定性的提升也有限。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统及改进型共源共栅结构低噪声放大器存在的诸多问题,提供一种新型的共源共栅结构低噪声放大器;本发明采用一种改进的电容交叉耦合型跨导增强共源共栅结构,通过在共栅管栅极添加串联电感,调节电容耦合通路阻抗,从而使得低噪声放大器能够在高频实现更高的增益,在低频拥有更好的稳定性,让电容交叉耦合技术在毫米波频段能够实现良好性能。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
基于共源共栅结构的电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器,包括:差分共源共栅结构电路,所述差分共源共栅结构电路包括:共源管M11、M12和共栅管M21、M22;其特征在于,所述低噪声放大器还包括:跨导增强结构,所述跨导增强结构由电容C1、C2和电感Lg1、Lg2、Ls1、Ls2组成;其中,所述电容C1连接于共栅管M21的栅极与共栅管M22的源极之间、电容C2连接于共栅管M22的栅极与共栅管M21的源极之间,所述电感Lg1与Lg2串联后连接于共栅管M21与M22的栅极之间,所述电感Ls1、Ls2分别连接于共源管M11的漏极与共栅管M21的源极之间、共源管M12的漏极与共栅管M22的源极之间。
进一步的,所述电容C1与C2的容值相同。
进一步的,所述电感Lg1与Lg2的感值相同,所述电感Ls1与Ls2的感值相同。
进一步的,所述差分共源共栅结构中,所述共源管M11与M12的源极均接地,共源管M11、M12的漏极分别与共栅管M21、M22的源极通过电感Ls1、Ls2相连,电源电压VDD通过变压器抽头连接共栅管M21、M22的漏极,输入信号从共源管M11、M12的栅极输入、经共源管M11、M12和共栅管M21、M22放大后从共栅管M21、M22的漏极输出。
需要说明的是,所述电容C1与C2的容值、电感Lg1与Lg2的感值、电感Ls1与Ls2的感值均需要根据器件工作频率进行匹配调节;以工作频率为60GHz为例,电容C1与C2容值范围大概为150fF至300fF(远大于常规交叉耦合电容的容值、大概为50fF),电感Lg1与Lg2的感值大概为40pH至70pH,电感Ls1与Ls2的感值小于20pH。
本发明的有益效果在于:
本发明提供一种新型的共源共栅结构低噪声放大器,采用一种改进的电容交叉耦合型跨导增强共源共栅结构,通过在共栅管栅极添加串联电感,调节电容耦合通路阻抗,让电容交叉耦合结构在使用大电容提高跨导增强效果的同时,不会在高频产生因近似短路引起的增益下降,而较低频段由近似短路引起的的增益下降又提高了稳定性,从而使得低噪声放大器能够在高频实现更高的增益,在低频拥有更好的稳定性,让电容交叉耦合技术在毫米波频段能够实现良好性能。综上所述,相较于传统基于共源共栅结构的低噪声放大器,本发明提供的基于共源共栅结构的改进型跨导增强低噪声放大器具有更高的高频增益和更优的低频稳定性。
附图说明
图1为传统基于共源共栅结构的低噪声放大器的电路示意图。
图2为基于变压器耦合跨导增强共源共栅结构的低噪声放大器的电路示意图。
图3为基于电容交叉耦合跨导增强共源共栅结构的功率放大器的电路示意图。
图4为本发明中基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器的电路示意图。
图5为本发明实施例中基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器与传统电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器(反馈电容为300fF)的Gmax比较图。
图6为本发明实施例中基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器与传统电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器(反馈电容为50fF)的Gmax比较图。
图7为本发明实施例中基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器与传统共源共栅低噪声放大器的稳定性比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于共源共栅结构的改进型电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器,其电路结构如图4所示,通过改进的电容交叉耦合型跨导增强结构,不仅有效提升了传统共源共栅结构的高频增益,而且在低频拥有更好的稳定性。
本发明主要由两部分组成,包括差分共源共栅结构电路与跨导增强结构;其中,所述差分共源共栅结构电路包括:共源管M11、M12和共栅管M21、M22,所述共源管M11与M12的源极均接地,共源管M11、M12的漏极分别与共栅管M21、M22的源极通过电感Ls1、Ls2相连,电源电压VDD通过变压器抽头连接共栅管M21、M22的漏极,输入信号从共源管M11、M12的栅极输入、经共源管M11、M12和共栅管M21、M22放大后从共栅管M21、M22的漏极输出;
所述跨导增强结构由电容C1、C2和电感Lg1、Lg2、Ls1、Ls2组成;所述电容C1连接于共栅管M21的栅极与共栅管M22的源极之间、电容C2连接于共栅管M22的栅极与共栅管M21的源极之间,所述电感Lg1与Lg2串联后连接于共栅管M21与M22的栅极之间,所述电感Ls1、Ls2分别连接于共源管M11的漏极与共栅管M21的源极之间、共源管M12的漏极与共栅管M22的源极之间;
所述电容C1与C2的容值相同,并且以工作频率为60GHz为例,常规交叉耦合电容的容值大概为50fF,本发明所述电容C1与C2容值范围大概为150fF至300fF;所述电感Lg1与Lg2的感值相同,并且以工作频率为60GHz为例,取值大概在40pH至70pH;所述Ls1与Ls2的感值相同,并且以工作频率为60GHz为例,取值小于20pH。
本发明的工作原理在于:
1、针对低噪声放大器增益的改善;
传统的电容交叉耦合结构中,反馈电容和共栅管栅极的共地连线构成共源管漏极之间的一条回路,电容的阻抗公式为1/jωC、C为容值、ω为角频率;可以看出,电容的阻抗随频率升高和容值增大而减小,因此传统的电容交叉耦合结构在毫米波频段工作时,共源管的漏极之间会形成近似短路,从而使增益迅速下降,因此电容交叉耦合结构难以用于毫米波频段;因此,本发明在反馈通路上添加了电感Lg1、Lg2,电感的阻抗为jωL、L为感值、ω为角频率,随频率升高而增大,在毫米波频段,反馈回路的阻抗逐渐提升,在保留了电容耦合的反馈效果的前提下,避免了由于短路产生的增益衰减,从而显著提升了高频增益;而且,由于有调节阻抗的电感,电容可以使用较大的值,从而增强了耦合能力,更加提升了增益。
另一方面,共源共栅结构的增益还受共源管和共栅管之间的失配限制,因为共源管的输出阻抗有较大的容性,因此和共栅管的输入阻抗有较大失配;因此,本发明在共源管和共栅管之间加入小电感Ls1、Ls2;一方面,Ls1、Ls2也在反馈回路上,和栅极串联电感有相同调节阻抗作用;另一方面,Ls1、Ls2抵消了共源管输出阻抗的虚部,减小了失配,进一步提高了增益;
调节电容和电感值可以控制峰值增益和所在频率,因此,本发明相比于传统的共源共栅结构具有更好的高频增益。
2、针对低噪声放大器稳定性的改善;
对于单个晶体管,频率越低稳定性越差,因此很难实现放大单元在低频的绝对稳定;电容交叉耦合结构通过两个反馈电容和共栅管栅极之间的共地连线在共源管输出端,也就是共栅管输入端形成了一条通路,如上文所说,电容的阻抗公式为1/jωC,如果反馈电容过大导致该通路上的阻抗过小,信号就会从这条通路泄露,从而让增益衰减,参与振荡环路的信号减小,稳定性得到提升;一般的电容交叉耦合结构如果使用能让低频也绝对稳定的大电容,在毫米波的性能将衰减到无法使用,而本发明在共栅管栅极的共地连线上串联了电感,提升了毫米波频段的阻抗,使大电容的使用成为可能,既保证了毫米波的性能,又保留了较低频段良好的稳定性;
如图5所示为本实施例与采用相同容值的电容交叉耦合结构的仿真对比,容值均为300fF;可以看出一般的电容交叉耦合结构如果使用大电容,虽然有良好的稳定性,但高频的增益会衰减到无法使用;而在本实施例中,由于使用了较大的反馈电容,如上文所说,在电感占据阻抗主导前会在共源管漏极间形成近似短路,产生较大信号泄露,使增益在10GHz频段迅速下降,稳定性提升,实现了10GHz以上的绝对稳定,有效改善了低频稳定性;
因此,本发明相较于传统的共源共栅结构提升了低频稳定性。
综上所述,本发明通过采用改进的电容交叉耦合型跨导增强技术,相较于传统共源共栅结构的低噪声放大器,其增益和稳定性都得到了显著提升;在保持主体电路参数相同的条件下,对本实施例中基于共源共栅结构的改进的电容交叉耦合型跨导增强低噪声放大器与传统电容交叉耦合型跨导增强低噪声放大器(图3)和传统共源共栅结构低噪声放大器(图1)进行仿真测试,测试结果分别如图6、图7所示;图6中传统电容交叉耦合结构反馈电容容值为50fF,使其兼顾稳定性与增益,本发明的改进型结构反馈电容容值为300fF,如图6所示,相较于传统电容交叉耦合型跨导增强低噪声放大器,本实施例提供的低噪声放大器的最大增益在60GHz以上均提升4dB以上;如图7所示,相较于传统共源共栅结构低噪声放大器,本实施例提供的低噪声放大器的稳定点向低频移动到了10GHz;由此可见,本发明相较于传统共源共栅结构低噪声放大器,具有更高的高频增益和更好的低频稳定性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.基于共源共栅结构的电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器,包括:差分共源共栅结构电路,所述差分共源共栅结构电路包括:共源管M11、M12和共栅管M21、M22;其特征在于,所述低噪声放大器还包括:跨导增强结构,所述跨导增强结构由电容C1、C2和电感Lg1、Lg2、Ls1、Ls2组成;其中,所述电容C1连接于共栅管M21的栅极与共栅管M22的源极之间、电容C2连接于共栅管M22的栅极与共栅管M21的源极之间,所述电感Lg1与Lg2串联后连接于共栅管M21与M22的栅极之间,所述电感Ls1、Ls2分别连接于共源管M11的漏极与共栅管M21的源极之间、共源管M12的漏极与共栅管M22的源极之间;
所述电容C1与C2的容值相同,所述电感Lg1与Lg2的感值相同,所述电感Ls1与Ls2的感值相同;所述电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器工作在毫米波频段。
2.按权利要求1所述基于共源共栅结构的电容交叉耦合跨导增强低噪声放大器,其特征在于,所述差分共源共栅结构中,所述共源管M11与M12的源极均接地,共源管M11、M12的漏极分别与共栅管M21、M22的源极通过电感Ls1、Ls2相连,电源电压VDD通过变压器抽头连接共栅管M21、M22的漏极,输入信号从共源管M11、M12的栅极输入、经共源管M11、M12和共栅管M21、M22放大后从共栅管M21、M22的漏极输出。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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