專利名稱：應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提出一種寬帶LNA在高頻率點(diǎn)的增益提升與頻帶拓展電路，特別涉及在毫米波頻段的寬帶LNA設(shè)計(jì)，能夠在高頻率處提升放大器增益以及拓展高頻帶寬。
背景技術(shù)：
LNA通常為接收機(jī)前端的第一級(jí)電路，一般不同的應(yīng)用背景決定了它的不同實(shí)現(xiàn)方式?；仡櫼酝腖NA設(shè)計(jì)多應(yīng)用于2. 4GHz的GSM通信、WLAN和美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提出的商用3. 1 10. 6GHz超寬帶無線通信。本實(shí)用新型的研究背景是設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率要覆蓋ALMA-bandl即31. 3 45GHz的寬帶LNA，并且其放大增益要達(dá)到20dB以上。圖1提出了一種LNA的電路結(jié)構(gòu)以初步滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，它包括共柵輸入級(jí)，Cascode結(jié)構(gòu)中間級(jí)和源極隨器輸入級(jí)。圖1所示LNA的各級(jí)所實(shí)現(xiàn)的功能如下共柵輸入級(jí)用來實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配性能，Cascode結(jié)構(gòu)中間級(jí)用來實(shí)現(xiàn)LNA的寬帶放大功能，源極跟隨器輸出級(jí)用來實(shí)現(xiàn)寬帶輸出匹配性能。由普通放大器的頻率響應(yīng)特性可知，在高頻處隨著頻率的升高放大器的增益呈現(xiàn)滾降的趨勢(shì)，毫米波頻段LNA的設(shè)計(jì)同樣遵循這種規(guī)律，但對(duì)寬帶LNA來說，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)這是需要被克服的。基于此，在不增加額外功率消耗的前提下，本實(shí)用新型運(yùn)用正反饋的方法提出一種毫米波頻段寬帶LNA在高頻率點(diǎn)的增益提升與頻帶拓展技術(shù)，并且設(shè)計(jì)出具體的實(shí)現(xiàn)電路。就實(shí)用新型者目前所知，此種增益提升與頻帶拓展技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路尚未被發(fā)現(xiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種能夠有效提升高頻率點(diǎn)增益并拓展帶寬的應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號(hào)預(yù)放大功能的共柵輸入級(jí)、用于信號(hào)放大功能的共源-共柵中間級(jí)及用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級(jí)，共柵輸入級(jí)的輸入端為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸入端，共柵輸入級(jí)的輸出端與中間級(jí)的輸入端連接，中間級(jí)的輸出端與源極跟隨器輸出級(jí)的輸入端連接，源極跟隨器輸出級(jí)的輸出端作為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸出端，所述的中間級(jí)包括由第二晶體管和第三晶體管構(gòu)成的共源-共柵結(jié)構(gòu)，所述第二晶體管的柵極作為中間級(jí)的輸入端，第三晶體管的漏極作為中間級(jí)的輸出端，源極跟隨器輸出級(jí)包括第四晶體管及與第四晶體管源極連接的電流鏡電路，所述的電流鏡電路包括漏極與第四晶體管的源極連接的第五晶體管、柵極與第五晶體管的柵極相連的第六晶體管以及一端與第六晶體管的漏極和柵極相連且另一端與總電源VDD相連的偏置電阻，所述第四晶體管的柵極作為源極跟隨器輸出級(jí)的輸入端，第四晶體管的源極作為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸出端，在中間級(jí)與源極跟隨器輸出級(jí)之間設(shè)有反饋電感，所述的反饋電感的一端與總電源VDD相連，另一端連接于第三晶體管的柵極和第四晶體管的漏極。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.不額外增加電路的功耗。由于本實(shí)用新型只在圖1所示電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入正反饋，而且僅通過一個(gè)無源電感來實(shí)現(xiàn)，因而不會(huì)增加電路的功耗。2.簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明反饋電感的感值不需要設(shè)計(jì)的很大，引入正反饋后，僅需對(duì)其他電路參數(shù)做微小的調(diào)整，因而可以大大減小毫米波頻段寬帶LNA的設(shè)計(jì)周期。3.本實(shí)用新型的電路元件少，易于單片電路集成。

圖1是一種寬帶LNA的構(gòu)架圖。圖2是正反饋高頻增益提升與帶寬拓展電路的結(jié)構(gòu)框架。圖3是正反饋高頻增益提升與帶寬拓展技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路細(xì)節(jié)。圖4是圖3的理論分析等效電路。圖5是M4漏極不接反饋點(diǎn)時(shí)的試驗(yàn)電路。圖6是M3柵極直接接VDD時(shí)的試驗(yàn)電路。圖7是電感Lf不同連接方式下對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施方式
一種應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號(hào)預(yù)放大功能的共柵輸入級(jí)1、用于信號(hào)放大功能的共源-共柵中間級(jí)2及用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級(jí)3，共柵輸入級(jí)1的輸入端為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸入端，共柵輸入級(jí)1的輸出端與中間級(jí)2的輸入端連接，中間級(jí)2的輸出端與源極跟隨器輸出級(jí)3的輸入端連接，源極跟隨器輸出級(jí)3的輸出端作為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸出端，所述的中間級(jí)2包括由第二晶體管M2和第三晶體管M3構(gòu)成的共源-共柵結(jié)構(gòu)，所述第二晶體管M2的柵極作為中間級(jí)2的輸入端，第三晶體管M3的漏極作為中間級(jí)2 的輸出端，源極跟隨器輸出級(jí)3包括第四晶體管M4及與第四晶體管M4源極連接的電流鏡電路，所述的電流鏡電路包括漏極與第四晶體管M4的源極連接的第五晶體管M5、柵極與第五晶體管M5的柵極相連的第六晶體管M6以及一端與第六晶體管M6的漏極和柵極相連且另一端與總電源VDD相連的偏置電阻R2，所述第四晶體管M4的柵極作為源極跟隨器輸出級(jí) 3的輸入端，第四晶體管M4的源極作為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸出端，在中間級(jí)2與源極跟隨器輸出級(jí)3之間設(shè)有反饋電感Lf，所述的反饋電感Lf的一端與總電源VDD相連，另一端連接于第三晶體管M3的柵極和第四晶體管M4的漏極，共柵輸入級(jí)1包括第一晶體管 Ml、一端連接于第一晶體管Ml的柵極且另一端連接于偏置電源Vbias的第一電感Le、一端連接于第一晶體管Ml的漏極且另一端連接于總電源VDD的第二電感Ldi和一端連接于第一晶體管Ml的源極且另一端連接于全局地的第三電感Ls，所述第一晶體管Ml的源極作為共柵輸入級(jí)1的輸入端，第一晶體管Ml的漏極作為共柵輸入級(jí)1的輸出端，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的級(jí)間耦合，本實(shí)用新型的共柵輸入級(jí)1輸出端通過電容Cl與中間級(jí)2的輸入端連接。下面參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型做出更為詳細(xì)的說明在圖1所示LNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)反饋電感Lf，使其達(dá)到一定感值，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)高頻處增益被提升、高頻帶寬被擴(kuò)展。先按照?qǐng)D1搭建出LNA的基本結(jié)構(gòu)，調(diào)整晶體管及其他無源源器件的尺寸，使電路工作在感興趣的頻段，匹配和噪聲系數(shù)調(diào)節(jié)到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。然后按圖3所示的結(jié)構(gòu)搭建反饋電路。反饋電路的核心由M2、M3、M4、M5、M6連接M3漏極和VDD的電感Ld、連接M3 柵極M4漏極和VDD的電感Lf以及連接M6漏極和VDD的電阻R組成。電路搭好后需要對(duì)Lf的感值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使高頻增益增加的幅度能夠滿足需要。在 Q帶內(nèi)Lf的典型值為75fF。本實(shí)用新型注意到輸出級(jí)與中間級(jí)之間的關(guān)聯(lián)，在不增加額外功耗的前提下，通過引入正反饋的方法有效的提升了毫米波頻段寬帶LNA的高頻點(diǎn)增益同時(shí)拓展了其高頻帶寬，電路的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如圖3所示。圖4為圖3的理論分析等效電路，將M3及其前面的電路以一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)替代， 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用ABCD矩陣表示，LNA的最后一級(jí)等效為一放大增益為-Av的放大器，信號(hào)從M4 的漏極通過電感Lf反饋到前一級(jí)晶體管M3的柵極并且對(duì)M3的輸入信號(hào)起加強(qiáng)作用，該反饋為正反饋。由圖2推導(dǎo)出電路的環(huán)路增益為
,Ul
U21V2/1ΛT^i2=O=^(1)
u^ A + ^-V2其中A為M3及其前面電路的原始前向增益，其表達(dá)式為^ = ^l2=O(2)
廠2式(3)給出了 Ul與V2的關(guān)系-Av (V2+UL) = Ul^-Av =(1 +Av)^(3)
'2
Ul AyW令Αν/(1+Αν) = Δχ，則式⑵可化簡(jiǎn)為/(Ax) = /2=0 = ^^(4)
U1 2 A-Ax由式(4)可以看出，正反饋的引入，相當(dāng)于在晶體管原始增益的表達(dá)式中引入了一個(gè)極點(diǎn)，當(dāng)Δ χ的取值接近A時(shí)將會(huì)使環(huán)路增益激增，而且若假設(shè)A與ΔΧ皆為實(shí)數(shù)可以很容易證明出f(Ax) > 1/A。上述理論已經(jīng)被本實(shí)用新型提出的電路的仿真結(jié)果所驗(yàn)證。對(duì)圖1所示的電路及基于圖1在相同偏置下添加反饋電感(如圖3)、M4的漏極不接在反饋點(diǎn)而直接接VDD(如圖5)以及M3柵極直接接VDD，Lf接在M4漏極和VDD之間(如圖6)這四種情況在Cadence 下進(jìn)行了仿真。圖7為4種情況下仿真結(jié)果的比較，Line. 1為圖1對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，Line. 2 為圖5對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，Line. 3為圖6對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，Line. 4為圖3對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。
5可以看出只有本實(shí)用新型提出的方案，即存在反饋電感的電路，所感興趣頻段內(nèi)的高頻增益才會(huì)被顯著提高、高頻帶寬才會(huì)被顯著拓寬。利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的寬帶LNA電路中，頻率在 45GHz時(shí)的功率增益從19. 5dB提高到了 28. 5dB，功率增益為20dB時(shí)對(duì)應(yīng)的帶寬從13. 7GHz 拓展到16. 5GHz。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號(hào)預(yù)放大功能的共柵輸入級(jí)(1)、用于信號(hào)放大功能的共源-共柵中間級(jí)(2)及用于實(shí)現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級(jí)(3)，共柵輸入級(jí)(1)的輸入端為正反饋寬帶低噪聲放大器的輸入端，共柵輸入級(jí)(1)的輸出端與中間級(jí)(2)的輸入端連接，中間級(jí)(2) 的輸出端與源極跟隨器輸出級(jí)(3)的輸入端連接，源極跟隨器輸出級(jí)(3)的輸出端作為正反饋寬帶低噪聲放大器的輸出端，所述的中間級(jí)(2)包括由第二晶體管(M2)和第三晶體管(M3)構(gòu)成的共源-共柵結(jié)構(gòu)，所述第二晶體管(M2)的柵極作為中間級(jí)(2)的輸入端，第三晶體管(M3)的漏極作為中間級(jí)(2)的輸出端，源極跟隨器輸出級(jí)(3)包括第四晶體管 (M4)及與第四晶體管(M4)源極連接的電流鏡電路，所述的電流鏡電路包括漏極與第四晶體管(M4)的源極連接的第五晶體管(M5)、柵極與第五晶體管(M5)的柵極相連的第六晶體管(M6)以及一端與第六晶體管(M6)的漏極和柵極相連且另一端與總電源VDD相連的偏置電阻(R2)，所述第四晶體管(M4)的柵極作為源極跟隨器輸出級(jí)(3)的輸入端，第四晶體管 (M4)的源極作為正反饋寬帶低噪聲放大器的輸出端，其特征在于，在中間級(jí)(2)與源極跟隨器輸出級(jí)(3)之間設(shè)有反饋電感(Lf)，所述的反饋電感(Lf)的一端與總電源VDD相連，另一端連接于第三晶體管(M3)的柵極和第四晶體管(M4)的漏極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，其特征在于，共柵輸入級(jí)(1)包括第一晶體管(Ml )、一端連接于第一晶體管(Ml)的柵極且另一端連接于偏置電源Vbias的第一電感(Le)、一端連接于第一晶體管(Ml)的漏極且另一端連接于總電源VDD的第二電感(Ldi)和一端連接于第一晶體管(Ml)的源極且另一端連接于全局地的第三電感(Ls)，所述第一晶體管(Ml)的源極作為共柵輸入級(jí)(1)的輸入端，第一晶體管 (Ml)的漏極作為共柵輸入級(jí)(1)的輸出端。
專利摘要一種應(yīng)用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括共柵輸入級(jí)、中間級(jí)以及源極跟隨器輸出級(jí)，共柵輸入級(jí)的輸入端為所述放大器的總輸入端、源極跟隨器輸出級(jí)的輸出端為總輸出端，各級(jí)之間依次連接，所述的中間級(jí)包括由第二和第三晶體管構(gòu)成的共源-共柵結(jié)構(gòu)，信號(hào)由第二晶體管的柵極輸入從第三晶體管的漏極輸出，輸出級(jí)包括第四晶體管與第四晶體管的源極連接的第五晶體管、柵極與第五晶體管的柵極相連的第六晶體管以及一端與第六晶體管的漏極和柵極相連且另一端與總電源相連的偏置電阻，信號(hào)由第四晶體管的柵極輸入源極輸出，在中間級(jí)與輸出級(jí)之間設(shè)有反饋電感，其一端與總電源相連，另一端連接于第三晶體管的柵極和第四晶體管的漏極。
文檔編號(hào)H03F1/42GK202043078SQ20112005971
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者李智群, 李芹, 楊格亮, 王志功 申請(qǐng)人:東南大學(xué)