CN116032221A - 一种低噪声共源共栅放大器及微波系统 - Google Patents

一种低噪声共源共栅放大器及微波系统 Download PDF

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CN116032221A CN202310314993.9A CN202310314993A CN116032221A CN 116032221 A CN116032221 A CN 116032221A CN 202310314993 A CN202310314993 A CN 202310314993A CN 116032221 A CN116032221 A CN 116032221A
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龚海波
文熙勇
甘志
毋茜
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Abstract

本申请提出一种低噪声共源共栅放大器及微波系统，其中，共源晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共栅晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共源晶体管的源极通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共源晶体管的栅极后连接在一起，共栅晶体管的漏极通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管的栅极后连接在一起，共源晶体管的漏极与共栅晶体管的源极共用一块有源区域，使二者之间的金属连线距离尽可能的减小到最短，使寄生电容尽可能的小，从而使低噪声共源共栅放大器得到更低的噪声系数。

Description

一种低噪声共源共栅放大器及微波系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种低噪声共源共栅放大器及微波系统。
背景技术
低噪声放大器是微波系统中的一种应用非常广泛的器件，低噪声放大器位于移动通讯、电子对抗等接收装置的前端，紧连天线，位于接收机的第一级，它主要功能是将来自天线的微小信号进行放大，从而获得可供系统处理的有用信息。低噪声放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响，所以低噪声放大器是整个收发系统接收端的核心元器件。
因此，本领域技术人员需要持续关注如何优化完善低噪声放大器。
发明内容
本申请的目的在于提供一种低噪声共源共栅放大器及微波系统，以至少部分改善低噪声放大器。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种低噪声共源共栅放大器，所述低噪声共源共栅放大器包括共源晶体管和共栅晶体管；
所述共源晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，所述共栅晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，所述共源晶体管的源极通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的所述共源晶体管的栅极后连接在一起，所述共栅晶体管的漏极通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的所述共栅晶体管的栅极后连接在一起，所述共源晶体管的漏极与所述共栅晶体管的源极共用一块有源区域。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括输入匹配网络和输出匹配网络；
所述输入匹配网络的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输入端，所述输入匹配网络的另一端连接于所述共源晶体管的栅极，所述共源晶体管的源极接地，所述共源晶体管的漏极连接于所述共栅晶体管的源极，所述共栅晶体管的漏极连接于所述输出匹配网络，所述输出匹配网络的另一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输出端。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括第一电容和第三电容；
所述第一电容的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输入端，所述第一电容的另一端连接于所述输入匹配网络的一端；
所述第三电容的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输出端，所述第三电容的另一端连接于所述输出匹配网络的另一端。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括扼流电感，所述扼流电感的一端连接于第一驱动电源，所述扼流电感的另一端连接于所述共栅晶体管的漏极。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的一端连接于所述第一驱动电源，所述第六电阻的另一端接地，所述第五电阻的另一端和所述第六电阻的另一端连接，所述共栅晶体管的栅极连接于所述第五电阻和所述第六电阻之间。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括第二电容，所述第二电容的一端接地，所述第二电容的另一端连接于所述共栅晶体管的栅极。
可选地，所述低噪声共源共栅放大器还包括直流偏置单元，所述直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源，所述直流偏置单元的输出端连接于所述输入匹配网络和所述共源晶体管的栅极之间。
可选地，所述直流偏置单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及第三晶体管；
所述第一电阻的一端作为所述直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源，所述第一电阻的另一端连接于所述第三晶体管的漏极，所述第三晶体管的源极接地，所述第二电阻的一端连接于所述第一电阻和所述第三晶体管之间，所述第三电阻的一端连接于所述第三晶体管的栅极，所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端作为所述直流偏置单元的输出端连接于所述输入匹配网络和所述共源晶体管的栅极之间。
可选地，所述输入匹配网络和所述输出匹配网络用于对信号进行阻抗变换。
第二方面，本申请实施例提供一种微波系统，所述微波系统包括上述的低噪声共源共栅放大器。
相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种低噪声共源共栅放大器及微波系统，包括共源晶体管和共栅晶体管；共源晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共栅晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共源晶体管的源极通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共源晶体管的栅极后连接在一起，共栅晶体管的漏极通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管的栅极后连接在一起，共源晶体管的漏极与共栅晶体管的源极共用一块有源区域。使共源晶体管的漏极在与共栅晶体管的源极之间的金属连线距离尽可能的减小到最短，使寄生电容尽可能的小，从而使低噪声共源共栅放大器得到更低的噪声系数。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器中共源晶体管与共栅晶体管布局示意图之一；
图2为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器中共源晶体管与共栅晶体管布局示意图之二；
图3为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器的连接示意图；
图4为本申请实施例提供的共源晶体管与共栅晶体管布局噪声系数对比示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
低噪声共源共栅放大器包括一个共源级放大器和一个共栅级放大器，共源级放大器和共栅级放大器为级联关系，共源共栅放大器综合了共源级电路和共栅级电路的优势，不仅可以提高放大器增益、减小芯片功耗，还由于共源共栅结构中的共栅晶体管和共源晶体管级联，减小了晶体管密勒效应，更有利于扩展工作带宽、并且输入输出端具有很高的隔离度，从而提高了系统的稳定性。同时共源共栅放大器还具有电压摆幅大，输出功率能力强等优点。
可选地，共源共栅放大器通过合适的偏置电路设计、器件尺寸选择和反馈回路设计实现高性能指标的低噪声放大器。
请参考图1，图1为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器中共源晶体管与共栅晶体管布局示意图之一。如图1所示，低噪声共源共栅放大器的优势在于共源级放大器和共栅级放大器级联版减小了晶体管密勒效应，版图布局时，一般将共源晶体管与共栅晶体管紧密排布在一起（如图1所示），共源晶体管与共栅晶体管采用相同的栅指数，共源晶体管的漏极（D1端）采用第一层金属走线引出，共栅晶体管的源极（S2端）通过通孔将第一层金属与第二层金属相连，采用第二层金属走线引出，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管栅极（G2端）后，与共源晶体管的漏极（D1端）连接在一起。
由于共源晶体管和共栅晶体管一般为多栅结构，且共源晶体管和共栅晶体管处于同一平面，所以共源晶体管的漏极在与共栅晶体管的源极连接时，不可避免的需要引入额外的金属连线，而金属线的引入带来了额外的寄生效应。Cpar为金属线带来的寄生电容，Cpar的值会影响低噪声共源共栅放大器的噪声和线性度，Cpar越大，低噪声共源共栅放大器的噪声和线性度越差。
鉴于此，本申请实施例提出一种低噪声共源共栅放大器，在传统低噪声共源共栅放大器布局基础上，对晶体管结构进行拆分组合，尽可能减小共源晶体管的漏极与共栅晶体管的源极连接时引入的寄生电容。
具体地，请参考图2，图2为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器中共源晶体管与共栅晶体管布局示意图之二。如图2所示，低噪声共源共栅放大器包括共源晶体管和共栅晶体管。
共源晶体管的栅极（G3）通过第一层金属连接在一起，共栅晶体管的栅极（G4）通过第一层金属连接在一起。
应理解，共源晶体管的栅极（G3）与共栅晶体管的栅极（G4）处于同一层面，且彼此不连接。
共源晶体管的源极（S3）通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共源晶体管的栅极（G3）后连接在一起。
如图2所示，S3位于第二层金属。需要说明的是，共源晶体管的源极引出一个通孔，连接于第一层金属的一个区域，该区域不与共源晶体管的栅极（G3）和共栅晶体管的栅极（G4）连接，在该区域引出第一通孔，连接于第二金属层。进而在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共源晶体管的栅极（G3）后连接在一起，连接于图2中S3所处位置。
共栅晶体管的漏极（D4）通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管的栅极（G4）后连接在一起。
如图2所示，D4位于第二层金属。需要说明的是共栅晶体管的漏极引出一个通孔，连接于第一层金属的一个区域，该区域不与共源晶体管的栅极（G3）和共栅晶体管的栅极（G4）连接，在该区域引出第一通孔，连接于第二金属层。进而在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管的栅极（G4）后连接在一起，连接于图2中D4所处位置。
应理解，共栅晶体管的漏极（D4）与共源晶体管的源极（S3）处于同一层面，且彼此不连接。
共源晶体管的漏极（D3）与共栅晶体管的源极（S4）共用一块有源区域。
如图2所示，在版图上体现为完全重合的同一块区域。
应理解，将共源晶体管的漏极（D3）与共栅晶体管的源极（S4）共用一块有源区域，在版图上体现为完全重合的同一块区域。从而使共源晶体管的漏极在与共栅晶体管的源极之间的金属连线距离尽可能的减小到最短，使寄生电容Cpar尽可能的小，从而使低噪声共源共栅放大器得到更低的噪声系数。
关于低噪声共源共栅放大器的结构和其工作原理，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图3，图3为本申请实施例提供的低噪声共源共栅放大器的连接示意图。如图3所示，低噪声共源共栅放大器还包括输入匹配网络和输出匹配网络。
输入匹配网络的一端连接于低噪声共源共栅放大器的信号输入端，输入匹配网络的另一端连接于共源晶体管的栅极，共源晶体管的源极接地，共源晶体管的漏极连接于共栅晶体管的源极，共栅晶体管的漏极连接于输出匹配网络，输出匹配网络的另一端连接于低噪声共源共栅放大器的信号输出端。
可选地，输入匹配网络和输出匹配网络用于对信号进行阻抗变换。
低噪声共源共栅放大器还包括第一电容C1b和第三电容C3b。
第一电容C1b的一端连接于低噪声共源共栅放大器的信号输入端，第一电容C1b的另一端连接于输入匹配网络的一端；
第三电容C3b的一端连接于低噪声共源共栅放大器的信号输出端，第三电容C3b的另一端连接于输出匹配网络的另一端。
射频信号通过信号输入端IN1b进入低噪声共源共栅放大器，通过第一电容C1b后，进入输入匹配网络对信号进行阻抗变化，然后依次通过共源晶体管M2b、共栅晶体管M1b将信号进行放大，经过输出匹配网络将信号进行阻抗变化后，经过第三电容C3b，由信号输出端OUT1b输出。
请继续参考图3，在一种可选的实施方式中，低噪声共源共栅放大器还包括扼流电感L1b，扼流电感L1b的一端连接于第一驱动电源VCC1b，扼流电感L1b的另一端连接于共栅晶体管M1b的漏极。
可选地，扼流电感L1b用于为共源共栅放大器单元供电，共源共栅放大器单元包括共源晶体管M2b和共栅晶体管M1b。
请继续参考图3，在一种可选的实施方式中，低噪声共源共栅放大器还包括第五电阻R5b和第六电阻R6b，第五电阻R5b的一端连接于第一驱动电源，第六电阻R6b的另一端接地，第五电阻R5b的另一端和第六电阻R6b的另一端连接，共栅晶体管M1b的栅极连接于第五电阻R5b和第六电阻R6b之间。
可选地，第五电阻R5b和第六电阻R6b用于对电源电压进行分压，为共栅晶体管M1b提供静态工作点。
请继续参考图3，在一种可选的实施方式中，低噪声共源共栅放大器还包括第二电容C2b，第二电容C2b的一端接地，第二电容C2b的另一端连接于共栅晶体管M1b的栅极。
可选地，第二电容C2b可以补偿共源共栅放大器在高频时的增益损耗。
请继续参考图3，在一种可选的实施方式中，低噪声共源共栅放大器还包括直流偏置单元，直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源VCC2b，直流偏置单元的输出端连接于输入匹配网络和共源晶体管M2b的栅极之间。
请继续参考图3，在一种可选的实施方式中，直流偏置单元包括第一电阻R1b、第二电阻R2b、第三电阻R3b、第四电阻R4b以及第三晶体管M3b。
第一电阻R1b的一端作为直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源，第一电阻R1b的另一端连接于第三晶体管的漏极，第三晶体管的源极接地，第二电阻R2b的一端连接于第一电阻R1b和第三晶体管之间，第三电阻R3b的一端连接于第三晶体管的栅极，第二电阻R2b的另一端和第三电阻R3b的另一端均连接于第四电阻R4b的一端，第四电阻R4b的另一端作为直流偏置单元的输出端连接于输入匹配网络和共源晶体管的栅极之间。
可选地，直流偏置单元，可以在全温（-55°C至125°C）范围内，为共源晶体管M2b提供稳定的静态工作点。
低噪声共源共栅放大器中，共源晶体管M2b的漏极在与共栅晶体管M1b的源极连接时，由于额外引入的金属连线，版图布局造成的互感等寄生效应，由电容Cpar表示。电容Cpar一端与共源晶体管M2b的漏极和共栅晶体管M1b的源极连接在一起，电容Cpar另一端可与共源晶体管M2b的栅极，共栅晶体管M1b的栅极等部分相互影响。
请参考图4，图4为本申请实施例提供的共源晶体管与共栅晶体管布局噪声系数对比示意图。▽为低噪声共源共栅放大器传统共源晶体管与共栅晶体管布局噪声系数与频率之间的关系曲线，○为本申请的噪声系数与频率之间的关系曲线。从图4可以看出，本申请与传统共源晶体管与共栅晶体管布局相比较，本申请提供的一种低噪声共源共栅放大器具备更低的噪声系数表现。
综上所述，本申请实施例提供了一种低噪声共源共栅放大器，包括共源晶体管和共栅晶体管；共源晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共栅晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，共源晶体管的源极通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的共源晶体管的栅极后连接在一起，共栅晶体管的漏极通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的共栅晶体管的栅极后连接在一起，共源晶体管的漏极与共栅晶体管的源极共用一块有源区域。使共源晶体管的漏极在与共栅晶体管的源极之间的金属连线距离尽可能的减小到最短，使寄生电容尽可能的小，从而使低噪声共源共栅放大器得到更低的噪声系数。
本申请实施例还提供了一种微波系统，微波系统包括上述的低噪声共源共栅放大器。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。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，本申请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申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器包括共源晶体管和共栅晶体管；
所述共源晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，所述共栅晶体管的栅极通过第一层金属连接在一起，所述共源晶体管的源极通过第一通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第一走线，跨过采用第一层金属引出的所述共源晶体管的栅极后连接在一起，所述共栅晶体管的漏极通过第二通孔和第一层金属与第二层金属相连，在第二层金属引出第二走线，跨过采用第一层金属引出的所述共栅晶体管的栅极后连接在一起，所述共源晶体管的漏极与所述共栅晶体管的源极共用一块有源区域。
2.如权利要求1所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括输入匹配网络和输出匹配网络；
所述输入匹配网络的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输入端，所述输入匹配网络的另一端连接于所述共源晶体管的栅极，所述共源晶体管的源极接地，所述共源晶体管的漏极连接于所述共栅晶体管的源极，所述共栅晶体管的漏极连接于所述输出匹配网络，所述输出匹配网络的另一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输出端。
3.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括第一电容和第三电容；
所述第一电容的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输入端，所述第一电容的另一端连接于所述输入匹配网络的一端；
所述第三电容的一端连接于所述低噪声共源共栅放大器的信号输出端，所述第三电容的另一端连接于所述输出匹配网络的另一端。
4.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括扼流电感，所述扼流电感的一端连接于第一驱动电源，所述扼流电感的另一端连接于所述共栅晶体管的漏极。
5.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的一端连接于第一驱动电源，所述第六电阻的另一端接地，所述第五电阻的另一端和所述第六电阻的另一端连接，所述共栅晶体管的栅极连接于所述第五电阻和所述第六电阻之间。
6.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括第二电容，所述第二电容的一端接地，所述第二电容的另一端连接于所述共栅晶体管的栅极。
7.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述低噪声共源共栅放大器还包括直流偏置单元，所述直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源，所述直流偏置单元的输出端连接于所述输入匹配网络和所述共源晶体管的栅极之间。
8.如权利要求7所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述直流偏置单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及第三晶体管；
所述第一电阻的一端作为所述直流偏置单元的输入端连接于第二驱动电源，所述第一电阻的另一端连接于所述第三晶体管的漏极，所述第三晶体管的源极接地，所述第二电阻的一端连接于所述第一电阻和所述第三晶体管之间，所述第三电阻的一端连接于所述第三晶体管的栅极，所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端作为所述直流偏置单元的输出端连接于所述输入匹配网络和所述共源晶体管的栅极之间。
9.如权利要求2所述的低噪声共源共栅放大器，其特征在于，所述输入匹配网络和所述输出匹配网络用于对信号进行阻抗变换。
10.一种微波系统，其特征在于，所述微波系统包括权利要求1-9中任意一项所述的低噪声共源共栅放大器。
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