CN117439556B - 一种共源共栅放大器电路及电路版图 - Google Patents

一种共源共栅放大器电路及电路版图 Download PDF

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Abstract

本申请涉及放大器电路技术领域，尤其涉及一种共源共栅放大器电路及电路版图，共源共栅放大器电路，包括：共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；共源场效应晶体管的栅极连接信号输入端，漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，源极接地；共栅场效应晶体管的源极连接信号输出端，栅极通过栅极旁路电容接地。本申请中的技术方案利用了场效应晶体管的漏极和源极可以互换的原理，采用了和现有共源共栅放大器电路不同的设计方法，本申请中将共源场效应晶体管的漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，同样实现了共源共栅架构。通过本申请中的共源共栅放大器电路实现的版图不仅设计更为紧凑，同时也能提高共源共栅放大器电路在高频段的增益和稳定性。

Description

一种共源共栅放大器电路及电路版图
技术领域
本申请涉及放大器电路技术领域，尤其涉及一种共源共栅放大器电路及电路版图。
背景技术
现有技术中，基于化合物半导体工艺的放大器广泛应用在各个领域。放大器的常见架构包括共源放大器，共栅放大器，共源共栅放大器等。其中，共源共栅放大器能够提供更大的增益，耐受更高的电源电压，被经常采用。
共源共栅架构由一个共源晶体管和一个共栅晶体管级联组成，信号经共源晶体管的栅极输入，从其漏极输出后再输入到共栅管的源级，最后经共栅管的漏极输出。对于GaAsPHEMT（gallium arsenide pseudomorphic high electron mobility transistor，砷化镓率电晶体）工艺而言，其晶体管模型已根据其版图结构确定了漏极、栅极和源级的接口定义。同时，在GaAs PHEMT等化合物半导体工艺设计规则中，要求同一晶圆上晶体管的栅极方向一致，使得晶体管不能随意旋转。因此，现有共源共栅架构在版图布局的时候由于共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级需要相连接，但是晶体管栅极方向需保持一致（如同为水平方向），因此在现有的共源共栅放大器电路的实现版图中，共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级之间需要一根额外的拐角金属走线（约长100um）连接，同时共栅晶体管的栅极旁路电容往往也不能就近共栅晶体管的栅极放置，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容之间也需要一定长度的金属走线（约长40um）连接。
这就导致现有的共源共栅电路的实现版图在水平和竖直方向上均占用面积大，不利于版图紧凑设计，且金属走线会降低共源共栅电路高频段的增益和稳定性。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中的共源共栅电路的实现版图在水平和竖直方向上均占用面积大，不利于版图紧凑设计，且金属走线会降低共源共栅电路高频段的增益和稳定性的问题，本申请提供一种共源共栅放大器电路及电路版图。
本申请的方案如下：
根据本申请实施例的第一方面，提供一种共源共栅放大器电路，包括：
共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；
所述共源场效应晶体管的栅极连接信号输入端，漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，源极接地；
所述共栅场效应晶体管的源极连接信号输出端，栅极通过所述栅极旁路电容接地。
优选地，所述共源场效应晶体管包括两个源极；
所述共源场效应晶体管的一个源极进行接地，或两个源极均进行接地。
优选地，所述共栅场效应晶体管包括两个源极；
所述共栅场效应晶体管的一个源极连接信号输出端，或两个源极均连接信号输出端。
优选地，所述共源场效应晶体管的漏极和所述共栅场效应晶体管的漏极进行引脚直连。
优选地，所述共栅场效应晶体管的栅极与所述栅极旁路电容进行引脚直连。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种共源共栅放大器电路版图，由如以上任一项所述的共源共栅放大器电路实现，包括：
共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；
所述共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容在同一方向上依次排列；
所述共源场效应晶体管和所述共栅场效应晶体管为方形结构；
所述共源场效应晶体管的栅极、漏极和源极设置在方形结构的不同侧面，且所述共源场效应晶体管的栅极和漏极设置在方形结构的相对侧面；
所述共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极设置在方形结构的不同侧面，且所述共栅场效应晶体管的栅极和漏极设置在方形结构的相对侧面；
所述共源场效应晶体管的漏极和所述共栅场效应晶体管的漏极贴合设置；
所述共栅场效应晶体管的栅极和所述栅极旁路电容贴合设置。
优选地，所述共源场效应晶体管的两个源极设置在方形结构的相对侧面。
优选地，所述共栅场效应晶体管的两个源极设置在方形结构的相对侧面。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请中的共源共栅放大器电路，包括：共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；共源场效应晶体管的栅极连接信号输入端，漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，源极接地；共栅场效应晶体管的源极连接信号输出端，栅极通过栅极旁路电容接地。本申请中的技术方案利用了场效应晶体管的漏极和源极可以互换的原理，采用了和现有共源共栅放大器电路不同的设计方法，本申请中将共源场效应晶体管的漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，同样实现了共源共栅架构。通过本申请中的共源共栅放大器电路实现的版图，共源场效应晶体管的漏极和共栅场效应晶体管的漏极可以引脚直连，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级之间的拐角金属走线。同时本申请中的共源共栅放大器电路实现的版图，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容之间也可以进行引脚直连，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容之间的金属走线连接。通过本申请中的共源共栅放大器电路实现的版图不仅设计更为紧凑，同时也能提高共源共栅放大器电路在高频段的增益和稳定性，改善共源共栅放大器电路的射频性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种共源共栅放大器电路的电路结构示意图；
图2是本申请一个实施例提供的一种共源共栅放大器电路版图示意图；
图3是现有的一种共源共栅放大器电路版图示意图。
附图标记：共源场效应晶体管-Q1；共源场效应晶体管的栅极-G1；共源场效应晶体管的漏极-D1；共源场效应晶体管的源极-S1；共栅场效应晶体管-Q2；共栅场效应晶体管的栅极-G2；共栅场效应晶体管的漏极-D2；共栅场效应晶体管的源极-S2；栅极旁路电容-CG2。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一
图1是本申请一个实施例提供的一种共源共栅放大器电路的电路结构示意图，参照图1，一种共源共栅放大器电路，包括：
共源场效应晶体管Q1、共栅场效应晶体管Q2和栅极旁路电容CG2；
共源场效应晶体管Q1的栅极G1连接信号输入端，漏极D1连接共栅场效应晶体管Q2的漏极D2，源极S1接地；
共栅场效应晶体管Q2的源极S2连接信号输出端，栅极G1通过栅极旁路电容CG2接地。
需要说明的是，场效应晶体管也简称场效应管，是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，场效应晶体管有三个电极，分别为栅极(Gate)漏极(Drain) 和源极(Source)。在具体实践中，本实施例中的共源场效应晶体管Q1和共栅场效应晶体管Q2均选用HEMT（High electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管）晶体管。具体的，共源场效应晶体管Q1选用4x100um的MS管芯，共栅场效应晶体管Q2选用4x100um的CPW管芯。
共源是场效应管的一种基本工作方式，其接法的形式为场效应晶体管的栅极充当输入端，漏极充当输出端，源极则为公共端。栅极和源极之间的电压是公共的，即它们之间没有直接的电流连接。共栅也是场效应管的一种基本工作方式，其接法的形式为场效应晶体管的源极充当输入端，漏极充当输出端，栅极则为公共端。
栅极旁路电容CG2的作用是使共栅场效应晶体管的栅极G2进行接地。
图1中采用通用的电路图符号对共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容CG2，以及共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极进行标注。具体的，用Q1表示共源场效应晶体管，用G1、D1、S1分别表示共源场效应晶体管的栅极、漏极和源极；用Q2表示共栅场效应晶体管，用G2、D2、S2分别表示共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极；用CG2表示栅极旁路电容。
本实施例中的技术方案利用了场效应晶体管的漏极和源极可以互换的原理，采用了和现有共源共栅放大器电路不同的设计方法，本实施例中将共源场效应晶体管Q1的漏极D1连接共栅场效应晶体管Q2的漏极D2，同样实现了共源共栅架构。通过本实施例中的共源共栅放大器电路实现的版图，共源场效应晶体管Q1的漏极D1和共栅场效应晶体管Q2的漏极D2可以引脚直连，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级之间的拐角金属走线。同时本实施例中的共源共栅放大器电路实现的版图，共栅晶体管的栅极G2和其栅极旁路电容CG2之间也可以进行引脚直连，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容之间的金属走线连接。通过本实施例中的共源共栅放大器电路实现的版图不仅设计更为紧凑，同时也能提高共源共栅放大器电路在高频段的增益和稳定性，改善共源共栅放大器电路的射频性能。
需要说明的是，共源场效应晶体管Q1包括两个源极S1；
共源场效应晶体管Q1的一个源极S1进行接地，或两个源极S1均进行接地。
可以理解的是，共源场效应晶体管Q1包括两个源极S1，在具体实践中可根据电路设计灵活采用其中的1个或2个源极进行接地。
需要说明的是，共栅场效应晶体管Q2包括两个源极S2；
共栅场效应晶体管Q2的一个源极S2连接信号输出端，或两个源极S2均连接信号输出端。
可以理解的是，共栅场效应晶体管Q2包括两个源极S2，在具体实践中可根据电路设计灵活采用其中的1个或2个源极S2作为电路输出端口。
需要说明的是，共源场效应晶体管Q1的漏极D1和共栅场效应晶体管Q2的漏极D2进行引脚直连。
可以理解的是，本实施例中的共源场效应晶体管Q1的漏极D1和共栅场效应晶体管Q2的漏极D2可以引脚直连，如此实现的电路版图，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级之间的拐角金属走线。从而提高共源共栅放大器电路在高频段的增益，改善共源共栅放大器电路的射频性能。
需要说明的是，共栅场效应晶体管Q2的栅极G2与栅极旁路电容CG2进行引脚直连。
可以理解的是，本实施例中的共栅场效应晶体管Q2的栅极G2与栅极旁路电容CG2进行引脚直连，如此实现的电路版图，避免了现有共源共栅放大器电路设计中，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容CG2之间的金属走线连接。从而提高共源共栅放大器电路在高频段的稳定性，改善共源共栅放大器电路的射频性能。
实施例二
图2是本申请一个实施例提供的一种共源共栅放大器电路版图示意图，参照图2，一种共源共栅放大器电路版图，由以上实施例中的共源共栅放大器电路实现，包括：
共源场效应晶体管Q1、共栅场效应晶体管Q2和栅极旁路电容CG2；
共源场效应晶体管Q1、共栅场效应晶体管Q2和栅极旁路电容CG2在同一方向上依次排列；
共源场效应晶体管Q1和共栅场效应晶体管Q2为方形结构；
共源场效应晶体管Q1的栅极G1、漏极D1和源极S1设置在方形结构的不同侧面，且共源场效应晶体管Q1的栅极G1和漏极D1设置在方形结构的相对侧面；
共栅场效应晶体管Q2的栅极G2、漏极D2和源极S2设置在方形结构的不同侧面，且共栅场效应晶体管Q2的栅极G2和漏极D2设置在方形结构的相对侧面；
共源场效应晶体管Q1的漏极D1和共栅场效应晶体管Q2的漏极D2贴合设置；
共栅场效应晶体管Q2的栅极G2和栅极旁路电容CG2贴合设置。
需要说明的是，电路版图，也称集成电路版图，是真实集成电路物理情况的平面几何形状描述。如图2所示，图2中采用通用的电路图符号对共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容，以及共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极进行标注。具体的，用Q1表示共源场效应晶体管，用G1、D1、S1分别表示共源场效应晶体管的栅极、漏极和源极；用Q2表示共栅场效应晶体管，用G2、D2、S2分别表示共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极；用CG2表示栅极旁路电容CG2。
如图2所示的电路版图中，共源场效应晶体管Q1、共栅场效应晶体管Q2和栅极旁路电容CG2在水平方向上依次排列，在具体实践中，共源场效应晶体管Q1、共栅场效应晶体管Q2和栅极旁路电容CG2也可以在竖直方向上依次排列，本实施例中不做限定。
需要说明的是，共源场效应晶体管Q1和共栅场效应晶体管Q2的主体在图2中为方形结构，且共源场效应晶体管Q1和共栅场效应晶体管Q2的栅极、漏极和源极也均用方型结构表示，如此更方便电路板图的排版设计。
需要说明的是，如图2所示，共源场效应晶体管Q1的栅极G1、漏极D1和源极S1设置在方形结构的不同侧面，且共源场效应晶体管Q1的栅极G1和漏极D1设置在方形结构的相对侧面，且共源场效应晶体管Q1的两个源极S1设置在方形结构的相对侧面。图2中，共源场效应晶体管Q1的栅极G1和漏极D1分别设置在方形结构的左侧面和右侧面，共源场效应晶体管Q1的两个源极S1设置在方形结构的上侧面和下侧面。
需要说明的是，如图2所示，共栅场效应晶体管Q2的栅极G2、漏极D2和源极S2设置在方形结构的不同侧面，且共栅场效应晶体管Q2的栅极G2和漏极D2设置在方形结构的相对侧面，且共栅场效应晶体管Q2的两个源极S2设置在方形结构的相对侧面。图2中，共栅场效应晶体管Q2的栅极G2和漏极D2分别设置在方形结构的右侧面和左侧面，共源场效应晶体管Q1的两个源极S2设置在方形结构的上侧面和下侧面。
需要说明的是，本实施例中对场效应晶体管的电极的上、下、左、右侧面的说明均为示例性说明。
需要说明的是，图3是现有的一种共源共栅放大器电路版图示意图，如图3所示，现有的共源共栅放大器电路的实现版图中，共源晶体管的漏极和共栅晶体管的源级之间需要一根额外的拐角金属走线连接，同时共栅晶体管的栅极旁路电容往往也不能就近共栅晶体管的栅极放置，共栅晶体管的栅极和其栅极旁路电容之间也需要一定长度的金属走线连接。这就导致现有的共源共栅电路的实现版图在水平和竖直方向上均占用面积大，不利于版图紧凑设计，且金属走线会降低共源共栅电路高频段的增益和稳定性。
在具体实践中，图3中的共源共栅放大器电路版图其尺寸约为310um*310um，而本申请中的共源共栅放大器电路版图，通过如上设计，使得其面积为385um*180um，总面积缩小了28%，纵向尺寸缩小了42%。
需要说明的是，依照本实施例中的共源共栅放大器电路版图设计的共源共栅放大器电路，在30-45GHz的最大增益大于14 dB,同时实现了30-45GHz全频带的稳定性因子大于1。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种共源共栅放大器电路，其特征在于，包括：
共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；
所述共源场效应晶体管的栅极连接信号输入端，漏极连接共栅场效应晶体管的漏极，源极接地；
所述共栅场效应晶体管的源极连接信号输出端，栅极通过所述栅极旁路电容接地。
2.根据权利要求1所述的共源共栅放大器电路，其特征在于，所述共源场效应晶体管包括两个源极；
所述共源场效应晶体管的一个源极进行接地，或两个源极均进行接地。
3.根据权利要求1所述的共源共栅放大器电路，其特征在于，所述共栅场效应晶体管包括两个源极；
所述共栅场效应晶体管的一个源极连接信号输出端，或两个源极均连接信号输出端。
4.根据权利要求1所述的共源共栅放大器电路，其特征在于，所述共源场效应晶体管的漏极和所述共栅场效应晶体管的漏极进行引脚直连。
5.根据权利要求1所述的共源共栅放大器电路，其特征在于，所述共栅场效应晶体管的栅极与所述栅极旁路电容进行引脚直连。
6.一种共源共栅放大器电路版图，由权利要求1-5任一项所述的共源共栅放大器电路实现，其特征在于，包括：
共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容；
所述共源场效应晶体管、共栅场效应晶体管和栅极旁路电容在同一方向上依次排列；
所述共源场效应晶体管和所述共栅场效应晶体管的主体为方形结构；
所述共源场效应晶体管的栅极、漏极和源极设置在方形结构的不同侧面，且所述共源场效应晶体管的栅极和漏极设置在方形结构的相对侧面；
所述共栅场效应晶体管的栅极、漏极和源极设置在方形结构的不同侧面，且所述共栅场效应晶体管的栅极和漏极设置在方形结构的相对侧面；
所述共源场效应晶体管的漏极和所述共栅场效应晶体管的漏极贴合设置；
所述共栅场效应晶体管的栅极和所述栅极旁路电容贴合设置。
7.根据权利要求6所述的共源共栅放大器电路版图，其特征在于，所述共源场效应晶体管的两个源极设置在方形结构的相对侧面。
8.根据权利要求6所述的共源共栅放大器电路版图，其特征在于，所述共栅场效应晶体管的两个源极设置在方形结构的相对侧面。
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