CN211209671U - 一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，采用共源共栅结构和电流复用结构相结合的方式，并通过匹配网络连接两种结构，不仅有效提高了毫米波放大器的工作带宽，也可以让信号多次放大提高增益的同时，实现了低功耗，特别是在毫米波频段，有效的解决了增益陡降和噪声恶化的问题，且可实现在放大器中功率输出的同时，具有较低的功耗；本实用新型可使放大器在超宽带毫米波频段集高增益、低噪声、中功率输出、低功耗和良好的驻波等各项优异性能于一体，从而有望提高电子对抗设备、宽带高速通信系统、毫米波高端测量仪器等应用领域的性能。

Description

一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路

技术领域

本实用新型属于微波单片集成电路技术领域，具体涉及一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的设计。

背景技术

毫米波低噪放电路是毫米波接收机的前级电路，其性能直接关系着整机的噪声性能，并影响整个系统的灵敏度。宽频带、低噪声、高增益且同时具有低功耗的毫米波放大器是制约高性能毫米波接收机系统的难点。

为了提高增益，传统的电路设计方法是将多个晶体管直接级联，但是多个晶体管级联的工作电流是几个晶体管的总和，因此功耗较大；且多个晶体管直接级联的工作带宽有限，高频增益较难提高。

此外，设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益-带宽乘积的制约。任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特性，特别是在毫米波频段，增益下降明显。除了正向增益S21降低之外，反向增益S12增加，这将使放大器的整体增益进一步降低，并使器件进入振荡状态的可能性增加。同时，在高频下晶体管的输出功率会降低，为了提高输出功率，往往会采用较大的晶体管，而大尺寸晶体管的工作电流较大。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有毫米波放大器无法兼具宽频带、低噪声、高增益和低功耗的问题，提出了一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路。

本实用新型的技术方案为：一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4；晶体管M1的源极与M1管自偏网络连接，其栅极与输入匹配网络的输出端连接，输入匹配网络的输入端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输入端RFIN；晶体管M2的源极与晶体管M1的漏极连接，其栅极分别与电阻Rg3的一端以及M2管栅极射频到地网络连接，电阻Rg3的另一端通过M2管栅极分压网络与电源VDD连接，晶体管M2的漏极与微带线TL4的一端连接，并通过负反馈网络与晶体管M1的栅极连接，微带线TL4的另一端通过共源共栅结构滤波网络与电源VDD连接；晶体管M3的源极与M3管自偏网络连接，其栅极通过级间匹配网络与微带线TL4的另一端连接，其漏极与电流复用网络连接；晶体管M4的源极分别与M4管源极射频到地网络以及电流复用网络连接，其栅极分别与电阻Rg6的一端以及电流复用网络连接，电阻Rg6的另一端通过M4管栅极分压网络与电源VDD连接，晶体管M4的漏极与输出匹配网络的输入端连接，并通过电流复用结构滤波网络与电源VDD连接，输出匹配网络的输出端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输出端RFOUT。

进一步地，输入匹配网络包括电容C1、微带线TL1和接地微带线TL2，电容C1的一端为输入匹配网络的输入端，其另一端与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端与接地微带线TL2连接，并作为输入匹配网络的输出端。

进一步地，M1管自偏网络包括接地电阻Rs1和接地电容Cs1，接地电阻Rs1和接地电容Cs1均与晶体管M1的源极连接。

M2管栅极射频到地网络包括电阻R2和接地电容C2，电阻R2的一端和接地电容C2连接，其另一端与晶体管M2的栅极连接。

M2管栅极分压网络包括电阻Rg1和接地电阻Rg2，电阻Rg1的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg2以及电阻Rg3的另一端连接。

进一步地，负反馈网络包括电阻R1、微带线TL3以及电容C3，电阻R1的一端与晶体管M1的栅极连接，其另一端与微带线TL3的一端连接，微带线TL3的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与晶体管M2的漏极连接。

进一步地，共源共栅结构滤波网络包括微带线TL5和接地电容C7，微带线TL5的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与接地电容C7以及电源VDD连接。

进一步地，级间匹配网络包括电容C4、电阻R3以及接地微带线TL6，电容C4的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与电阻R3的一端以及晶体管M3的栅极连接，电阻R3的另一端与接地微带线TL6连接。

进一步地，M3管自偏网络包括接地电阻Rs2和接地电容Cs2，接地电阻Rs2和接地电容Cs2均与晶体管M3的源极连接。

M4管源极射频到地网络包括接地电容Cs3，接地电容Cs3与晶体管M4的源极连接。

M4管栅极分压网络包括电阻Rg4和接地电阻Rg5，电阻Rg4的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg5以及电阻Rg6的另一端连接。

进一步地，电流复用网络包括电容C5、微带线TL7和微带线TL8，电容C5的一端与晶体管M4的栅极连接，其另一端与微带线TL7的一端连接，微带线TL7的另一端分别与晶体管M3的漏极以及微带线TL8的一端连接，微带线TL8的另一端与晶体管M4的源极连接。

电流复用结构滤波网络包括微带线TL9和接地电容C8，微带线TL9的一端与晶体管M4的漏极连接，其另一端分别与接地电容C8以及电源VDD连接。

进一步地，输出匹配网络包括电容C6和微带线TL10，微带线TL10的一端为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端为输出匹配网络的输出端。

进一步地，晶体管M1和晶体管M2的尺寸相同，晶体管M3和晶体管M4的尺寸相同。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用共源共栅结构和电流复用结构相结合的方式，不仅有效提高了毫米波放大器的工作带宽，也可以让信号多次放大提高增益的同时，实现了低功耗。特别是在毫米波频段，有效的解决了增益陡降和噪声恶化的问题，且可实现在放大器中功率输出的同时，具有较低的功耗。本实用新型可使放大器在超宽带毫米波频段集高增益、低噪声、中功率输出、低功耗和良好的驻波等各项优异性能于一体，从而有望提高电子对抗设备、宽带高速通信系统、毫米波高端测量仪器等应用领域的性能。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，如图1所示，包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4；晶体管M1的源极与M1管自偏网络连接，其栅极与输入匹配网络的输出端连接，输入匹配网络的输入端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输入端RFIN；晶体管M2的源极与晶体管M1的漏极连接，其栅极分别与电阻Rg3的一端以及M2管栅极射频到地网络连接，电阻Rg3的另一端通过M2管栅极分压网络与电源VDD连接，晶体管M2的漏极与微带线TL4的一端连接，并通过负反馈网络与晶体管M1的栅极连接，微带线TL4的另一端通过共源共栅结构滤波网络与电源VDD连接；晶体管M3的源极与M3管自偏网络连接，其栅极通过级间匹配网络与微带线TL4的另一端连接，其漏极与电流复用网络连接；晶体管M4的源极分别与M4管源极射频到地网络以及电流复用网络连接，其栅极分别与电阻Rg6的一端以及电流复用网络连接，电阻Rg6的另一端通过M4管栅极分压网络与电源VDD连接，晶体管M4的漏极与输出匹配网络的输入端连接，并通过电流复用结构滤波网络与电源VDD连接，输出匹配网络的输出端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输出端RFOUT。

本实用新型实施例中，输入匹配网络包括电容C1、微带线TL1和接地微带线TL2，电容C1的一端为输入匹配网络的输入端，其另一端与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端与接地微带线TL2连接，并作为输入匹配网络的输出端。

本实用新型实施例中，M1管自偏网络包括接地电阻Rs1和接地电容Cs1，接地电阻Rs1和接地电容Cs1均与晶体管M1的源极连接。

本实用新型实施例中，M2管栅极射频到地网络包括电阻R2和接地电容C2，电阻R2的一端和接地电容C2连接，其另一端与晶体管M2的栅极连接。

本实用新型实施例中，M2管栅极分压网络包括电阻Rg1和接地电阻Rg2，电阻Rg1的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg2以及电阻Rg3的另一端连接。

本实用新型实施例中，负反馈网络包括电阻R1、微带线TL3以及电容C3，电阻R1的一端与晶体管M1的栅极连接，其另一端与微带线TL3的一端连接，微带线TL3的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与晶体管M2的漏极连接。

本实用新型实施例中，共源共栅结构滤波网络包括微带线TL5和接地电容C7，微带线TL5的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与接地电容C7以及电源VDD连接。

本实用新型实施例中，级间匹配网络包括电容C4、电阻R3以及接地微带线TL6，电容C4的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与电阻R3的一端以及晶体管M3的栅极连接，电阻R3的另一端与接地微带线TL6连接。

本实用新型实施例中，M3管自偏网络包括接地电阻Rs2和接地电容Cs2，接地电阻Rs2和接地电容Cs2均与晶体管M3的源极连接。

本实用新型实施例中，M4管源极射频到地网络包括接地电容Cs3，接地电容Cs3与晶体管M4的源极连接。

本实用新型实施例中，M4管栅极分压网络包括电阻Rg4和接地电阻Rg5，电阻Rg4的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg5以及电阻Rg6的另一端连接。

本实用新型实施例中，电流复用网络包括电容C5、微带线TL7和微带线TL8，电容C5的一端与晶体管M4的栅极连接，其另一端与微带线TL7的一端连接，微带线TL7的另一端分别与晶体管M3的漏极以及微带线TL8的一端连接，微带线TL8的另一端与晶体管M4的源极连接。

本实用新型实施例中，电流复用结构滤波网络包括微带线TL9和接地电容C8，微带线TL9的一端与晶体管M4的漏极连接，其另一端分别与接地电容C8以及电源VDD连接。

本实用新型实施例中，输出匹配网络包括电容C6和微带线TL10，微带线TL10的一端为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C6的一端连接，电容C6的另一端为输出匹配网络的输出端。

本实用新型实施例中，毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路工作频段为20～43GHz，采用GaAs工艺，应用上述技术，将晶体管M1和晶体管M2的尺寸选择为4*25μm，将晶体管M3和晶体管M4的尺寸选择为4*35μm，使得整个毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的增益可达24dB，噪声系数为2.5dB@33GHz，输出功率全频段大于14dBm，功耗仅有330mW。

下面结合图1对本实用新型的工作原理及过程作详细描述：

图1中，晶体管M1和晶体管M2构成共源共栅结构，其中晶体管M1为放大管，晶体管M2为共源共栅管，晶体管M1和晶体管M2采用尺寸相同的管子。相比传统的共源结构，共源共栅结构提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，能够在较宽的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度，同时由于晶体管M1和晶体管M2共用一路电流，相比传统结构具有较低的功耗。将共源共栅结构置于电流复用结构之前，可以在晶体管M1和晶体管M2尺寸选择上尽可能满足最优噪声匹配。

为了实现更好的带宽特性，在共源共栅结构输出端引入负反馈网络结构。晶体管M2的输出通过反馈环路连接晶体管M1的栅极，反馈电阻将部分晶体管M2漏极输出信号耦合到晶体管M1栅极，从而使低频端增益减小，扩展了工作带宽，反馈电阻R1和隔直电容C3参数决定了带内增益平坦度。同时负反馈网络结构可以简化端口匹配电路结构，降低电路输入端的匹配敏感度，使得在电路设计上可以兼顾端口驻波和噪声系数，同时可以提高电路稳定性。

图1中，晶体管M3和晶体管M4构成电流复用结构，晶体管M3和晶体管M4采用尺寸相同的管子。射频信号从晶体管M3的栅极进入，经电容C5进入晶体管M4的栅极，最后从晶体管M4的漏极流出，这样从交流信号来讲，电路仍然保持级联的结构，而直流功耗相对于单级共源电路没有发生改变。换句话说，也就是电路在直流功耗相同的情况下，增益可变为原来的两倍。为了输出较大的功率，可以使用尺寸较大的晶体管，而电流复用结构的工作电流仅为一路电流，可以实现低功耗。

将以上两种结构结合，并通过匹配网络连接两种结构，不仅有效提高了毫米波放大器的工作带宽，也可以让信号多次放大提高增益的同时，实现了低功耗。特别是在毫米波频段，有效的解决了增益陡降和噪声恶化的问题，且可实现在放大器中功率输出的同时，具有较低的功耗。本实用新型可使放大器在超宽带毫米波频段集高增益、低噪声、中功率输出、低功耗和良好的驻波等各项优异性能于一体，从而有望提高电子对抗设备、宽带高速通信系统、毫米波高端测量仪器等应用领域的性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4；所述晶体管M1的源极与M1管自偏网络连接，其栅极与输入匹配网络的输出端连接，所述输入匹配网络的输入端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输入端RFIN；所述晶体管M2的源极与晶体管M1的漏极连接，其栅极分别与电阻Rg3的一端以及M2管栅极射频到地网络连接，所述电阻Rg3的另一端通过M2管栅极分压网络与电源VDD连接，所述晶体管M2的漏极与微带线TL4的一端连接，并通过负反馈网络与晶体管M1的栅极连接，所述微带线TL4的另一端通过共源共栅结构滤波网络与电源VDD连接；所述晶体管M3的源极与M3管自偏网络连接，其栅极通过级间匹配网络与微带线TL4的另一端连接，其漏极与电流复用网络连接；所述晶体管M4的源极分别与M4管源极射频到地网络以及电流复用网络连接，其栅极分别与电阻Rg6的一端以及电流复用网络连接，所述电阻Rg6的另一端通过M4管栅极分压网络与电源VDD连接，所述晶体管M4的漏极与输出匹配网络的输入端连接，并通过电流复用结构滤波网络与电源VDD连接，所述输出匹配网络的输出端为毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路的射频输出端RFOUT。

2.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述输入匹配网络包括电容C1、微带线TL1和接地微带线TL2，所述电容C1的一端为输入匹配网络的输入端，其另一端与微带线TL1的一端连接，所述微带线TL1的另一端与接地微带线TL2连接，并作为输入匹配网络的输出端。

3.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述M1管自偏网络包括接地电阻Rs1和接地电容Cs1，所述接地电阻Rs1和接地电容Cs1均与晶体管M1的源极连接；

所述M2管栅极射频到地网络包括电阻R2和接地电容C2，所述电阻R2的一端和接地电容C2连接，其另一端与晶体管M2的栅极连接；

所述M2管栅极分压网络包括电阻Rg1和接地电阻Rg2，所述电阻Rg1的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg2以及电阻Rg3的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述负反馈网络包括电阻R1、微带线TL3以及电容C3，所述电阻R1的一端与晶体管M1的栅极连接，其另一端与微带线TL3的一端连接，所述微带线TL3的另一端与电容C3的一端连接，所述电容C3的另一端与晶体管M2的漏极连接。

5.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述共源共栅结构滤波网络包括微带线TL5和接地电容C7，所述微带线TL5的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与接地电容C7以及电源VDD连接。

6.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述级间匹配网络包括电容C4、电阻R3以及接地微带线TL6，所述电容C4的一端与微带线TL4的另一端连接，其另一端分别与电阻R3的一端以及晶体管M3的栅极连接，所述电阻R3的另一端与接地微带线TL6连接。

7.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述M3管自偏网络包括接地电阻Rs2和接地电容Cs2，所述接地电阻Rs2和接地电容Cs2均与晶体管M3的源极连接；

所述M4管源极射频到地网络包括接地电容Cs3，所述接地电容Cs3与晶体管M4的源极连接；

所述M4管栅极分压网络包括电阻Rg4和接地电阻Rg5，所述电阻Rg4的一端与电源VDD连接，其另一端分别与接地电阻Rg5以及电阻Rg6的另一端连接。

8.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述电流复用网络包括电容C5、微带线TL7和微带线TL8，所述电容C5的一端与晶体管M4的栅极连接，其另一端与微带线TL7的一端连接，所述微带线TL7的另一端分别与晶体管M3的漏极以及微带线TL8的一端连接，所述微带线TL8的另一端与晶体管M4的源极连接；

所述电流复用结构滤波网络包括微带线TL9和接地电容C8，所述微带线TL9的一端与晶体管M4的漏极连接，其另一端分别与接地电容C8以及电源VDD连接。

9.根据权利要求1所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述输出匹配网络包括电容C6和微带线TL10，所述微带线TL10的一端为输出匹配网络的输入端，其另一端与电容C6的一端连接，所述电容C6的另一端为输出匹配网络的输出端。

10.根据权利要求1-9任一所述的毫米波超宽带高增益低功耗低噪放芯片电路，其特征在于，所述晶体管M1和晶体管M2的尺寸相同，所述晶体管M3和晶体管M4的尺寸相同。

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