CN115765637A - 应用于W波段的单级差分cascode放大器模块 - Google Patents

应用于W波段的单级差分cascode放大器模块 Download PDF

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王科平
谢克南
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Abstract

本发明公开一种应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，使用cascode结构并采用差分放大组态，包括共源极晶体管M1、M2，共栅极晶体管M3、M4，共栅极晶体管栅极偏置电阻RG，中和电容CM1、CM2，传输线TL1、TL2、TL3、TL4以及层间匹配电感L。本发明利用了差分电路对称点连线的中点为交流地的特性，层间匹配电路无需接地电容；在利用中和电容结构提高稳定性的同时加入了层间匹配电路，提高输出功率、效率和稳定性；同时电路结构简单，便于系统集成。

Description

应用于W波段的单级差分cascode放大器模块
技术领域
本发明涉及毫米波集成电路技术领域，特别是涉及一种应用于W波段的单级差分cascode放大器模块。
背景技术
毫米波是指频率范围在30-300GHz的电磁波，相较于微波频段，毫米波具有可用带宽宽、通信速率高、波束窄、器件尺寸小等优势。随着硅基工艺截止频率的提高，已可利用CMOS工艺制造毫米波电路，前人在硅基毫米波集成电路设计方面已经开展了大量的工作。位于94GHz(W波段)附近的毫米波频段在雷达、通信等领域有极高的应用前景。在毫米波射频前端电路中，功率放大器具有提高信号功率电平的作用，决定了射频前端电路的性能。
功率放大器的输出功率越高，信号的传输距离越远，因此功率放大器需要具备输出较大功率的能力；功率放大器的功率附加效率严重影响系统电池的寿命和系统的整体可靠性，因此需要提高功率放大器的功率附加效率；高频功率放大器容易振荡，因此需要保证放大器的稳定性。在W波段，信号线的寄生所引起的损耗相较于低频段明显增大，使得放大器的输出功率和效率显著下降，因此需要通过对信号线版图进行合理的设计来减小损耗，获得更高的输出功率；cascode结构相较于共源极结构有更大的电压摆幅，更高的输出阻抗及更优的隔离度，因此被广泛应用于毫米波功率放大器设计，但cascode结构中共源晶体管漏极对地寄生电容和共栅晶体管源极对地寄生电容在放大器内部形成了一条对地的信号通路，会导致功率的浪费和效率下降，因此需要在cascode结构的共源晶体管和共栅晶体管之间设置层间匹配电路，但大多数包含层间匹配电路的cascode结构没有考虑电路的稳定性；差分结构相较于单端结构具有对称性好、抗干扰能力强、自主产生虚拟交流地等优点，是毫米波电路中常见的设计，毫米波差分放大电路设计中经常使用中和电容技术，利用交叉耦合的电容提供正反馈，减小共源极晶体管栅-漏寄生电容的影响，提高电路的稳定性和增益，但没有层间匹配的差分cascode加中和电容结构无法补偿晶体管对地寄生电容带来的影响，且中和电容的交叉走线会增大共源极晶体管的漏极对地寄生电容，使得差分cascode结构的性能不能达到最优。
综上所述，设计出高输出功率，高功率附加效率，高稳定性的cascode放大器结构对设计毫米波功率放大器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，在较宽频带内，其可以实现较高的输出功率和效率，且可以在全频带保持稳定，具有良好的应用前景。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，使用cascode结构并采用差分放大组态，包括共源极晶体管M1、M2，共栅极晶体管M3、M4，共栅极晶体管栅极偏置电阻RG，中和电容CM1、CM2，传输线TL1、TL2、TL3、TL4以及层间匹配电感L；
共源极晶体管M1与共栅极晶体管M3构成差分对的一路，共源极晶体管M2与共栅极晶体管M4构成差分对的另一路，中和电容CM1的一端连接晶体管M1的栅极，另一端连接晶体管M2的漏极；中和电容CM2的一端连接晶体管M2的栅极，另一端连接晶体管M1的漏极；共源晶体管M1、M2的源极接地；
晶体管M1的漏极与传输线TL1的下端相连，晶体管M3的源极与传输线TL3的上端相连，传输线TL1的上端与传输线TL3的下端相连；晶体管M2的漏极与传输线TL2的下端相连，晶体管M4的源极与传输线TL4的上端相连，传输线TL2的上端与传输线TL4的下端相连；
层间匹配电感L的一端连接传输线TL2与传输线TL4的连接点，另一端连接传输线TL1与传输线TL3的连接点；共栅晶体管M3、M4的栅极相连并与偏置电阻RG的一端相连，RG的另一端连接直流偏置VCG；
共源晶体管M1、M2的栅极分别作为差分输入信号VIN+、VIN-的输入端；共栅晶体管M3、M4的漏极分别作为差分输出信号VOUT+、VOUT-的输出端。
其中，共源极晶体管M1、M2的栅极偏置由前级匹配电路提供，共栅极晶体管M3、M4的漏极偏置由后级匹配电路提供。
其中，共源晶体管M1、M2的栅极与前级匹配网络相连以接收前级匹配网络输出的差分输入信号VIN+、VIN-；共栅晶体管M3、M4的漏极与后级匹配网络相连以输出差分输出信号VOUT+、VOUT-到后级匹配网络。
本发明的应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，利用了差分电路对称点连线的中点为交流地的特性，层间匹配电路无需接地电容；在利用中和电容结构提高稳定性的同时加入了层间匹配电路，提高输出功率、效率和稳定性；同时电路结构简单，便于系统集成。
附图说明
图1是本发明的应用于W波段的单级差分cascode放大器模块电路示意图。
图2是本发明的应用于W波段的单级差分cascode放大器模块的稳定因子仿真结果图。
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1所示，图1是本发明的整体电路结构示意图，使用cascode结构并采用差分放大组态，其整体电路包括共源极晶体管M1、M2，共栅极晶体管M3、M4，共栅极晶体管栅极偏置电阻RG，中和电容CM1、CM2，传输线TL1、TL2、TL3、TL4及电感L。该差分放大器模块的共源极晶体管栅极偏置由前级匹配电路提供，共栅极晶体管漏极偏置由后级匹配电路提供。
共源极晶体管M1与共栅极晶体管M3构成差分对的一路，共源极晶体管M2与共栅极晶体管M4构成差分对的另一路，中和电容CM1的一端连接晶体管M1的栅极，另一端连接晶体管M2的漏极；中和电容CM2的一端连接晶体管M2的栅极，另一端连接晶体管M1的漏极。晶体管M1的漏极与传输线TL1的下端相连，晶体管M3的源极与传输线TL3的上端相连，传输线TL1的上端与传输线TL3的下端相连；晶体管M2的漏极与传输线TL2的下端相连，晶体管M4的源极与传输线TL4的上端相连，传输线TL2的上端与传输线TL4的下端相连；层间匹配电感L一端连接传输线TL2与传输线TL4的连接点，另一端连接传输线TL1与传输线TL3的连接点。共栅晶体管M3、M4的栅极相连并与偏置电阻RG的一端相连，RG的另一端连接直流偏置VCG。差分输入信号VIN+、VIN-分别连接共源晶体管M1、M2的栅极；差分输出信号VOUT+、VOUT-分别连接共栅晶体管M3、M4的漏极。
差分输入与前级匹配网络相连；差分输出与后级匹配网络相连。电路的稳定因子(K值)仿真结果，如图2所示，在全频带内，稳定因子(K值)均大于1，则放大器模块在全频带内绝对稳定。
由于差分结构的抗干扰性能、对称性优于单端结构，本发明实施例的放大器模块选择采用差分放大组态；为提高电压摆幅和功率增益，放大器模块选择使用cascode结构，为保证两层晶体管的压降相同，共源极晶体管和共栅极晶体管选择使用栅极宽度尺寸相同的晶体管。
另外，共栅晶体管的栅极连接采用栅极短接技术(差分电路中所有共栅晶体管的栅极直接相连)，既可以简化直流偏置的版图布局，又可以利用差分电路对称点连线中点即交流地的特点，提高电路的反向隔离度和稳定性。
由于共源晶体管的栅-漏寄生电容的存在，放大器中引入了负反馈，使得电路的稳定性降低，因此引入中和电容技术提高电路的稳定性和增益，通过交叉耦合的中和电容引入正反馈电流抵消共源晶体管栅-漏寄生电容带来的影响。
在毫米波大信号作用下，共栅晶体管的源极对地寄生电容、共源晶体管的漏极对地寄生电容、共源-共栅互连线对地寄生电容构成了一条对地的信号通路，在W波段会造成较大功率浪费，降低功率附加效率，因此在共源晶体管和共栅晶体管之间进行层间匹配。
由串联传输线-对地并联电感-串联传输线组成的T型层间匹配网络具有插入损耗较低，匹配带宽较宽的优点，且差分电路的对称点连线即为交流地的特性，使得对地并联电感无需使用接地电容，可以简化版图的布局。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，其特征在于，使用cascode结构并采用放大组态，包括共源极晶体管M1、M2，共栅极晶体管M3、M4，共栅极晶体管栅极偏置电阻RG，中和电容CM1、CM2，传输线TL1、TL2、TL3、TL4以及层间匹配电感L；
共源极晶体管M1与共栅极晶体管M3构成差分对的一路，共源极晶体管M2与共栅极晶体管M4构成差分对的另一路，中和电容CM1的一端连接晶体管M1的栅极，另一端连接晶体管M2的漏极；中和电容CM2的一端连接晶体管M2的栅极，另一端连接晶体管M1的漏极；共源晶体管M1、M2的源极接地；
晶体管M1的漏极与传输线TL1的下端相连，晶体管M3的源极与传输线TL3的上端相连，传输线TL1的上端与传输线TL3的下端相连；晶体管M2的漏极与传输线TL2的下端相连，晶体管M4的源极与传输线TL4的上端相连，传输线TL2的上端与传输线TL4的下端相连；
层间匹配电感L的一端连接传输线TL2与传输线TL4的连接点，另一端连接传输线TL1与传输线TL3的连接点；共栅晶体管M3、M4的栅极相连并与偏置电阻RG的一端相连，RG的另一端连接直流偏置VCG；
共源晶体管M1、M2的栅极分别作为差分输入信号VIN+、VIN-的输入端；共栅晶体管M3、M4的漏极分别作为差分输出信号VOUT+、VOUT-的输出端。
2.根据权利要求1所述应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，其特征在于，共源极晶体管M1、M2的栅极偏置由前级匹配电路提供，共栅极晶体管M3、M4的漏极偏置由后级匹配电路提供。
3.根据权利要求2所述应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，其特征在于，共源晶体管M1、M2的栅极与前级匹配网络相连以接收前级匹配网络输出的差分输入信号VIN+、VIN-；共栅晶体管M3、M4的漏极与后级匹配网络相连以输出差分输出信号VOUT+、VOUT-到后级匹配网络。
4.根据权利要求1所述应用于W波段的单级差分cascode放大器模块，其特征在于，共源极晶体管M1、M2和共栅极晶体管M3、M4使用栅极宽度尺寸相同的晶体管。
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