CN215186655U

CN215186655U - 一种Ka波段低噪声放大器

Info

Publication number: CN215186655U
Application number: CN202121456541.7U
Authority: CN
Inventors: 朱进宇; 王艳峰; 吕咸耀; 邹光南
Original assignee: Dongfanghong Satellite Mobile Communication Co Ltd
Current assignee: China Star Network Application Co Ltd
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2031-06-29

Abstract

本发明涉及一种Ka波段低噪声放大器，属于电子通信、雷达、集成电路技术领域。所述Ka波段低噪声放大器包括四级放大器结构，第一级放大器和第二级放大器采用单端结构，第三极放大器和第四级放大器采用差分结构；每一级放大器均连接有偏置电压；每一级放大器之间连接有对应的匹配电路，在第一级放大器前连接有输入匹配电路，在第四级放大器后连接有输出匹配电路，第一级放大器与第二级放大器之间连接有第一级间匹配电路，第二级放大器与第三级放大器之间连接有第二级间匹配电路，第三级放大器与第四级放大器之间连接有第三级间匹配电路。本发明低噪声放大器具有结构紧凑特点以及更强的鲁棒性等特点。

Description

一种Ka波段低噪声放大器

技术领域

本发明涉及一种Ka波段高集成度宽带低噪声放大器，该放大器可应用于各类微波、毫米波通信、雷达领域无线接收系统芯片中，属于电子通信、雷达、集成电路技术领域。

背景技术

低噪声放大器位于无线接收机系统最前级，功能是在尽可能低的产生噪声前提下实现对有用信号的放大，并降低后级电路产生的噪声对信号的影响，是各类微波、毫米波通信、雷达、相控阵等领域不可或缺的关键电路。随着宽带通信技术的不断发展，Sub-6GHz频谱资源越来越难以满足宽带、高速率通信需求，Ka波段及以上毫米波频段将在5G、卫星通信、车载雷达等领域得到迅猛发展，低噪声放大器作为接收机系统最核心的功能单元必将扮演更重要的角色和拥有更广阔的市场空间。

毫米波段电磁信号的特点，决定了以波束赋形为特征的相控阵技术是最具竞争力的无线通信技术路线。实现波束赋形的大规模相控阵要求各单元电路具有小型化、集成化、高性能、低功耗特点，然而传统上以砷化镓工艺为代表的三-五族低噪声放大器均难以满足上述要求，现有基于互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)设计的低噪声放大器，囿于工艺本身衬底损耗大、寄生电容大、沟道电阻高等因素，仍然存在噪声系数大的问题，所以无法较好地实现面积、功耗、噪声特性平衡的问题，因此亟需在设计方法、器件建模、电路创新等方面突破。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明提供了一种Ka波段高集成度宽带低噪声放大器，能够有效用于Ka波段毫米波相控阵接收等系统中用于信号放大，该放大器主要通过片上无源器件的巧妙设计，达到了噪声系数、增益、带宽、功耗与面积的良好平衡。通过设计片上变压器、电感的形态，将场路特性灵活结合，解决了传统设计中指标难以平衡的问题。采用的技术方案如下：

一种Ka波段低噪声放大器，包括四级放大器结构，第一级放大器和第二级放大器采用单端结构，第三极放大器和第四级放大器采用差分结构；每一级放大器均连接有偏置电压；每一级放大器之间连接有对应的匹配电路，在第一级放大器前连接有输入匹配电路，在第四级放大器后连接有输出匹配电路，第一级放大器与第二级放大器之间连接有第一级间匹配电路，第二级放大器与第三级放大器之间连接有第二级间匹配电路，第三级放大器与第四级放大器之间连接有第三级间匹配电路。

进一步的，每一级放大器均采用有源晶体管放大器，其栅极连接有对应的偏置电压。

进一步的，所述有源晶体管放大器为65nm互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)中N型场效应晶体管(NMOS)，且所述N型场效应晶体管的衬底串入有电阻接地来抑制衬底泄露。

进一步的，在所述第一级放大器的有源晶体管放大器中，其栅极通过栅极电感Lg1接入偏置电压，其源极通过源极电感Ls1接地，栅极电感Lg1与源极电感Ls1构成第一高耦合系数变压器，源极电感Ls1连接源极的一端与Lg1连接栅极偏置的一端构成同名端；其漏极通过漏级电感Ld1接入电源；其中，输入信号从源极输入，通过所述第一高耦合系数变压器反向耦合到栅极。

进一步的，所述第一级间匹配电路包括漏级电感Ld1和匹配电容C1，所述漏级电感Ld1通过交叉环绕的方式置于所述第一高耦合系数变压器上方。

进一步的，在所述第二级放大器的有源晶体管放大器中，其栅极通过栅极电阻R1接入偏置电压，其源极接地，其漏级通过漏级电感Ld2接入电源；该漏级电感Ld2将与第三级放大器的有源晶体管放大器中的栅极电感Lg3构成第一低耦合系数变压器，所述第一低耦合系数变压器将漏级电感Ld2的一部分以长走线方式实现，另一部分以环绕的方式与栅极电感Lg3耦合。

进一步的，在所述第三极放大器的两个有源晶体管放大器构成的第一差分对管中，其栅极通过栅极电感Lg3接入偏置电压，第一差分对管的源极均直接接地，第一差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld3，漏级电感Ld3与第四极放大器的两个有源晶体管放大器的栅极电感Lg4构成第二高耦合系数变压器，在第一差分对管之间通过中和电容C2交叉连接栅极和漏级，其中，偏置电压和电源从栅极电感Lg3中心抽头接入。

进一步的，在所述第四级放大器的两个有源晶体管放大器构成的第二差分对管中，其栅极通过栅极电感Lg4接入偏置电压，第二差分对管的源极均直接接地，第二差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld4，漏级电感Ld4与输出匹配电路的输出匹配电感L5构成第三高耦合系数变压器，在第二差分对管之间通过中和电容C3交叉连接栅极和漏级，其中，偏置电压和电源从栅极电感Lg4中心抽头接入。

进一步的，所述中和电容交叉耦合金属-绝缘体-金属(MIM)电容来补偿栅漏电容的耦合。

进一步的，各个匹配电路采用N-bit的开关电容阵列控制，N为2～4中任意整数。

本发明的有益效果：

本发明选择高耦合系数的变压器能够使得该变压器的面积等同于单个电感；将级间匹配电感交叉环绕并放在栅源级之间的变压器上方，等效于该电感不占面积；选择低耦合系数的变压器时，将漏级电感的一部分以长走线方式实现，另一部分用于和栅极匹配电感进行耦合，规避两个电感拉开间距降低耦合系数的做法，达到节省面积目的；使得本发明低噪声放大器具有结构紧凑特点。

本发明还在电感、变压器的单端走线两侧加入从次底层到顶层的“地墙”来减弱其和附近线圈的耦合；各级N型场效应晶体管(NMOS)衬底通过串入大电阻接地，减小衬底泄漏；除MIM电容、电阻为标准工艺库元件外，其余无源器件(电感、变压器、微带线等)均主要基于顶层厚金属建模实现，损耗更低；采用双层金属实现大面积无缝铺地，限定无源器件电磁场区域严禁填充等方式，保障良好的电磁回路。

本发明各级基于变压器形式的匹配电路，均加入N-bit的开关电容阵列，N一般取2-4，便于实现频率调谐，以获得更优的带宽和增益特性，因此本发明所述低噪声放大器具有很强的抗工艺、电压、温度波动的调谐能力。

本发明放大器各级偏置均采用电流偏置形式，且偏置电流大小相同，由带隙基准源电路统一提供。采用电流偏置，避免了电压偏置时走线电压降等问题，因此本发明低噪声放大器的电路具有更强的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明一种Ka波段低噪声放大器的组成示意图；

图2是本发明一种Ka波段低噪声放大器的原理图；

图3是本发明一种Ka波段低噪声放大器输入匹配电路结构图；

图4是本发明一种Ka波段低噪声放大器级间匹配电路结构图；

图5是本发明一种Ka波段低噪声放大器输出匹配电路结构图；

图6是本发明一种Ka波段低噪声放大器主要性能指标结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一种Ka波段低噪声放大器的组成示意图，如图1所示，一种Ka波段低噪声放大器，包括四级放大器结构，第一级放大器1和第二级放大器2采用单端结构，第三极放大器3和第四级放大器4采用差分结构；每一级放大器均连接有偏置电压11,22,33,44；其中，第一级放大器1连接偏置电压11，第二级放大器2连接偏置电压22，第三级放大器3连接偏置电压33，第四级放大器4连接偏置电压44；每一级放大器之间连接有对应的匹配电路，在第一级放大器1前连接有输入匹配电路10，在第四级放大器4后连接有输出匹配电路40，第一级放大器1与第二级放大器2之间连接有第一级间匹配电路12，第二级放大器2与第三级放大器3之间连接有第二级间匹配电路23，第三级放大器3与第四级放大器4之间连接有第三级间匹配电路34。

图2是本发明一种Ka波段低噪声放大器输入匹配电路结构图，如图2所示，所述

在本发明实施例中，每一级放大器均采用了有源晶体管放大器，其栅极连接有对应的偏置电压。

在一些优选实施例中，所述有源晶体管放大器管芯为65nm互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)中N型场效应晶体管(NMOS)。栅极和漏级的偏置电压由外部提供，一般通过电感引入，电感还可以兼做匹配应用。本发明匹配电路主要由顶层金属为主绕制的变压器或者电感实现，顶层金属相对较厚，因此具有更低的损耗。

在一些实施例中，所述N型场效应晶体管(NMOS)，均采用低阈值的晶体管管芯，因此其可以具有更高的噪声特性。

在一些优选实施例中，所述N型场效应晶体管的衬底可以通过串入大电阻接地，减小衬底泄漏，进一步改善噪声特性。

在一些实施例中，所述低噪声放大器所设计的电感、变压器基于65nm射频(RF)标准互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)建模与实现，可以无需新增额外掩膜板，因此本发明可以与标准CMOS工艺具有良好兼容性。

图2是本发明一种Ka波段低噪声放大器的原理图，如图2所示，所述低噪声放大器被分为四个Stage，每个Stage可以对应代表一级放大器，下来结合图2，分别说明各级放大器结构：

所述第一级放大器采用单端结构，避免最前端实现单转差带来的插损直接折算到噪声系数中。该第一级放大器既非传统共栅放大，也非传统共源放大，而是采用源级输入，再通过变压器将输入信号反向耦合到栅端，兼顾增益和带宽性能。

具体的，在第一级放大器中，该第一级放大器采用一个NMOS管，该NMOS管的栅极通过栅极电感Lg1接入偏置电压，该NMOS管的源极接栅极电感Ls1到地，栅极电感Lg1与源极电感Ls1构成第一高耦合系数变压器，栅极电感Ls1连接源极的一端与栅极电感Ls1连接栅极偏置的一端构成同名端；漏极通过漏级电感Ld1接入电源，这里的电源可以为1V电压；另外，体端可以通过串联大电阻接地。栅极电感Lg1与源极电感Ls1构成第一高耦合系数变压器，该第一高耦合系数变压器可以和NMOS栅电容、寄生电容通过形成如图3所示的输入匹配电路。漏极电感Ld1、级间匹配电容C1及栅漏电容Cgs等可以构成如图4所示的第一级间匹配电路；信号由源极输入，通过第一高耦合系数变压器反向耦合到栅极输入，所以能够兼顾增益和带宽性能。

在一个优选实施例中，第一级放大器使用的N型场效应晶体管(NMOS)的管芯尺寸为宽度16um，长度为管芯最小尺寸60nm。栅极电感Lg1为148pH，源极电感Ls1为135pH，变压器耦合系数为0.64；漏极电感Ld1为180pH，级间匹配电容C1为300pF。

在一些实施例中，所述第二级放大器采用单端共源级放大结构，相比于差分结构，能够减小功耗，同时共源放大形式也能提供较高增益。

具体的，在第二级放大器中，该第二级放大器采用一个NMOS管，该NMOS管的栅极通过栅极电阻R1接入偏置电压，其源极直接到地，漏级连接漏级电感Ld2到电源，这里的电源电压1V；该漏级电感将与下一级栅极电感即第三级放大器的NMOS管的栅极电感Lg3构成用于实现级间匹配的低耦合系数变压器。第一级放大器漏极输出的信号经级间匹配电路滤选后经C1输入到第二级放大器栅极，经过共源级放大后漏极输出，漏级电感与下一级栅极电感Lg3构成第一低耦合系数变压器，所述第一低耦合系数变压器还充当单端转换成差分电路功能，进而将有用信号传输至第三级放大器中；第二级放大器与第三级放大器之间可以通过如图4所示的第二级间匹配电路连接。

在一个优选实施例中，第二级放大器使用的N型场效应晶体管(NMOS)的管芯尺寸为宽度32um，长度为管芯最小尺寸60nm。漏极电感Ld2为154pH，下一级栅极电感Lg3为147pH，变压器耦合系数为0.22。

在一些实施例中，所述第三级放大器采用全差分共源放大结构，其输入、输出利用变压器构成的平衡-不平衡(Bulun)实现，变压器具有的多极点特性，易于实现宽带匹配且能发挥变压器参数多而设计灵活的特点。从变压器的中心抽头处提供偏置或者电源，易于栅极偏置和漏极偏置。在差分放大对管的栅极和漏级之间使用交叉耦合金属-绝缘体-金属(MIM)电容来补偿栅漏电容(Cgd)的耦合，能增加反向隔离度同时提高电路增益和共模抑制。

具体的，所述第三级放大器使用两个相同的N型场效应晶体管(NMOS)作为差分对管，差分对管的源极均直接接地，栅极的偏置从栅极电感Lg3中心抽头接入，差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld3，漏级电感Ld3与下一级栅极电感Lg4构成高第二耦合系数变压器，在差分对管之间通过中和电容C2交叉连接栅漏级，电源电压从漏级电感Ld3的中心抽头引入，电源电压1V。有用信号通过变压器次级电感Lg3变成差分信号，输入差分对管，经共源差分放大，有漏级的第二高耦合系数变压器输出至第四级放大器，第三级放大器与第四级放大器之间可以通过如图4所示的第三级间匹配电路连接。

在一个优选实施例中，第三级放大器采用全差分共源放大结构，使用两个相同的N型场效应晶体管(NMOS)作为差分对管，管芯尺寸为宽度32um，长度为管芯最小尺寸60nm；本实施例中漏极电感Ld3为189pH，下一级栅极电感Lg4为185pH，变压器耦合系数为0.68；交叉耦合电容C2为30fH。

在一些实施例中，所述第四级放大器采用全差分共源级放大结构，输入为变压器匹配，偏置与供电由变压器中心抽头引出；输出为变压器构成的Bulun电路，实现差转单输出，可用于驱动标准50欧姆负载。采用交叉耦合电容来提高增益和共模抑制，增加反向隔离度。

具体的，所述第四级放大器使用两个相同的N型场效应晶体管(NMOS)作为差分对管，差分对管的源极均直接接地，栅极的偏置从栅极电感Lg4中心抽头接入，差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld4，漏级电感Ld4与输出匹配电感L5构成第三高耦合系数变压器，在差分对管之间通过中和电容C3交叉连接栅漏级，电源电压从漏级电感Ld4的中心抽头引入，电源电压1V。

在一个优选实施例中，第四级放大器使用的两个N型场效应晶体管(NMOS)的管芯尺寸均为宽度32um，长度为管芯最小尺寸60nm。本实施例中漏极电感Ld4为195pH，输出匹配电感L5为186pH，变压器耦合系数为0.71；交叉耦合电容C3为30fH。有用信号通过变压器次级电感Lg4变成差分信号，输入差分对管，经共源差分放大，由漏级的第三高耦合系数变压器至如图5所示的输出匹配电路。

本发明的低噪声放大器版图具有小型化、结构紧凑特点，这方面的创新工作包括：第一级源极电感和栅极电感之间的变压器，选择高耦合系数，使得变压器面积基本等同于单个电感；第一级和第二级之间的级间匹配电感，绕成8字形形状，放在栅源级之间的变压器上方，等效于该电感不占面积；第二级和第三级之间的匹配网络变压器，选择低耦合系数，从而将第二级漏级匹配电感的一部分以长走线方式实现，另一部分用于和第三级栅极匹配电感进行耦合，规避两个电感拉开间距降低耦合系数的做法，达到节省面积目的；第三级和第四级级间匹配变压器、输出级匹配的差转单变压器，均选择高耦合系数，具有等同于单个电感的面积。

将上述所设计一种Ka波段低噪声放大器，应用到实际当中，其输入回波损耗、小信号增益、噪声系数、线性度指标如图6所示。从图6中可知，该Ka波段高集成度宽带低噪声放大器性能良好；本Ka波段低噪声放大器工作频段为27.8-30.2GHz，各工艺角和工作温度范围内，实验结果显示带内噪声系数优于3dB，增益32dB，输入1dB压缩功率为-18.7dBm，信号带宽内增益平坦度小于0.5dB，功耗小于40mW，回波损耗优于-13dB，含输入焊盘面积为0.77mm*0.37mm。此Ka波段低噪声放大器结构紧凑，具有面积小、噪声系数低、增益高、功耗低和带宽大的优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，包括四级放大器结构，第一级放大器和第二级放大器采用单端结构，第三极放大器和第四级放大器采用差分结构；每一级放大器均连接有偏置电压；每一级放大器之间连接有对应的匹配电路，在第一级放大器前连接有输入匹配电路，在第四级放大器后连接有输出匹配电路，第一级放大器与第二级放大器之间连接有第一级间匹配电路，第二级放大器与第三级放大器之间连接有第二级间匹配电路，第三级放大器与第四级放大器之间连接有第三级间匹配电路。

2.根据权利要求1所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，每一级放大器均采用有源晶体管放大器，其栅极连接有对应的偏置电压。

3.根据权利要求2所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，所述有源晶体管放大器为65nm互补金属氧化物场效应晶体管(CMOS)中N型场效应晶体管(NMOS)，且所述N型场效应晶体管的衬底串入有电阻接地来抑制衬底泄露。

4.根据权利要求2所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，在所述第一级放大器的有源晶体管放大器中，其栅极通过栅极电感Lg1接入偏置电压，其源极通过源极电感Ls1接地，栅极电感Lg1与源极电感Ls1构成第一高耦合系数变压器，源极电感Ls1连接源极的一端与Lg1连接栅极偏置的一端构成同名端；其漏极通过漏级电感Ld1接入电源；其中，输入信号从源极输入，通过所述第一高耦合系数变压器反向耦合到栅极。

5.根据权利要求4所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，所述第一级间匹配电路包括漏级电感Ld1和匹配电容C1，所述漏级电感Ld1通过交叉环绕的方式置于所述第一高耦合系数变压器上方。

6.根据权利要求2所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，在所述第二级放大器的有源晶体管放大器中，其栅极通过栅极电阻R1接入偏置电压，其源极接地，其漏级通过漏级电感Ld2接入电源；该漏级电感Ld2将与第三级放大器的有源晶体管放大器中的栅极电感Lg3构成第一低耦合系数变压器，所述第一低耦合系数变压器将漏级电感Ld2的一部分以长走线方式实现，另一部分以环绕的方式与栅极电感Lg3耦合。

7.根据权利要求2所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，在所述第三极放大器的两个有源晶体管放大器构成的第一差分对管中，其栅极通过栅极电感Lg3接入偏置电压，第一差分对管的源极均直接接地，第一差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld3，漏级电感Ld3与第四极放大器的两个有源晶体管放大器的栅极电感Lg4构成第二高耦合系数变压器，在第一差分对管之间通过中和电容C2交叉连接栅极和漏级，其中，偏置电压和电源从栅极电感Lg3中心抽头接入。

8.根据权利要求2所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，在所述第四级放大器的两个有源晶体管放大器构成的第二差分对管中，其栅极通过栅极电感Lg4接入偏置电压，第二差分对管的源极均直接接地，第二差分对管的漏极交叉连接漏级电感Ld4，漏级电感Ld4与输出匹配电路的输出匹配电感L5构成第三高耦合系数变压器，在第二差分对管之间通过中和电容C3交叉连接栅极和漏级，其中，偏置电压和电源从栅极电感Lg4中心抽头接入。

9.根据权利要求7或8所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，所述中和电容交叉耦合金属-绝缘体-金属(MIM)电容来补偿栅漏电容的耦合。

10.根据权利要求1所述的一种Ka波段低噪声放大器，其特征在于，各个匹配电路采用N-bit的开关电容阵列控制，N为2～4中任意整数。