專利名稱：應用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提出一種寬帶LNA在高頻率點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設計，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：
LNA通常為接收機前端的第一級電路，一般不同的應用背景決定了它的不同實現(xiàn)方式?；仡櫼酝腖NA設計多應用于2. 4GHz的GSM通信、WLAN和美國聯(lián)邦通信委員會提出的商用3. 1 10. 6GHz超寬帶無線通信。本發(fā)明的研究背景是設計一個工作頻率要覆蓋 ALMA-bandl即31. 3 45GHz的寬帶LNA，并且其放大增益要達到20dB以上。圖1提出了一種LNA的電路結構以初步滿足設計指標要求，它包括共柵輸入級，Cascode結構中間級和源極隨器輸入級。圖1所示LNA的各級所實現(xiàn)的功能如下共柵輸入級用來實現(xiàn)寬帶輸入匹配性能，Cascode結構中間級用來實現(xiàn)LNA的寬帶放大功能，源極跟隨器輸出級用來實現(xiàn)寬帶輸出匹配性能。由普通放大器的頻率響應特性可知，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，毫米波頻段LNA的設計同樣遵循這種規(guī)律，但對寬帶LNA來說，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)這是需要被克服的?；诖耍诓辉黾宇~外功率消耗的前提下，本發(fā)明運用正反饋的方法提出一種毫米波頻段寬帶LNA在高頻率點的增益提升與頻帶拓展技術，并且設計出具體的實現(xiàn)電路。就發(fā)明者目前所知，此種增益提升與頻帶拓展技術的實現(xiàn)電路尚未被發(fā)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠有效提升高頻率點增益并拓展帶寬的應用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器。本發(fā)明采用如下技術方案一種應用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號預放大功能的共柵輸入級、用于信號放大功能的共源-共柵中間級及用于實現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級，共柵輸入級的輸入端為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸入端，共柵輸入級的輸出端與中間級的輸入端連接，中間級的輸出端與源極跟隨器輸出級的輸入端連接，源極跟隨器輸出級的輸出端作為寬帶低噪聲正反饋放大器的輸出端，所述的中間級包括由第二晶體管和第三晶體管構成的共源-共柵結構，所述第二晶體管的柵極作為中間級的輸入端，第三晶體管的漏極作為中間級的輸出端，源極跟隨器輸出級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，在中間級與源極跟隨器輸出級之間設有反饋電感，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)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.不額外增加電路的功耗。由于本發(fā)明只在圖1所示電路結構的基礎上引入正反饋，而且僅通過一個無源電感來實現(xiàn)，因而不會增加電路的功耗。2.簡單容易實現(xiàn)。實踐證明反饋電感的感值不需要設計的很大，引入正反饋后，僅需對其他電路參數(shù)做微小的調整，因而可以大大減小毫米波頻段寬帶LNA的設計周期。3.本發(fā)明的電路元件少，易于單片電路集成。


圖1是一種寬帶LNA的構架圖。圖2是正反饋高頻增益提升與帶寬拓展電路的結構框架。圖3是正反饋高頻增益提升與帶寬拓展技術的實現(xiàn)電路細節(jié)。圖4是圖3的理論分析等效電路。圖5是M4漏極不接反饋點時的試驗電路。圖6是M3柵極直接接VDD時的試驗電路。圖7是電感Lf不同連接方式下對應的仿真結果。
具體實施例方式一種應用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號預放大功能的共柵輸入級1、用于信號放大功能的共源-共柵中間級2及用于實現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級3，共柵輸入級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1的輸出端與中間級2的輸入端連接，中間級2的輸出端與源極跟隨器輸出級3的輸入端連接，源極跟隨器輸出級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2包括由第二晶體管M2和第三晶體管M3構成的共源-共柵結構，所述第二晶體管M2的柵極作為中間級2的輸入端，第三晶體管M3的漏極作為中間級2 的輸出端，源極跟隨器輸出級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 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2與源極跟隨器輸出級3之間設有反饋電感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1的輸入端，第一晶體管Ml的漏極作為共柵輸入級1的輸出端，為了實現(xiàn)信號的級間耦合，本發(fā)明的共柵輸入級1輸出端通過電容Cl與中間級2的輸入端連接。下面參照附圖，對本發(fā)明做出更為詳細的說明在圖1所示LNA結構的基礎上通過設計反饋電感Lf，使其達到一定感值，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)高頻處增益被提升、高頻帶寬被擴展。先按照圖1搭建出LNA的基本結構，調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)調節(jié)到滿足設計指標要求。然后按圖3所示的結構搭建反饋電路。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Lf的感值進行調節(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。本發(fā)明注意到輸出級與中間級之間的關聯(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的高頻點增益同時拓展了其高頻帶寬， 電路的實現(xiàn)細節(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二端口網(wǎng)絡替代， 網(wǎng)絡參數(shù)用AB⑶矩陣表示，LNA的最后一級等效為一放大增益為-AV的放大器，信號從M4 的漏極通過電感Lf反饋到前一級晶體管M3的柵極并且對M3的輸入信號起加強作用，該反饋為正反饋。由圖2推導出電路的環(huán)路增益為
權利要求
1.一種應用于毫米波頻段的正反饋寬帶低噪聲放大器，包括用于實現(xiàn)輸入阻抗匹配與信號預放大功能的共柵輸入級(1)、用于信號放大功能的共源-共柵中間級(2)及用于實現(xiàn)輸出阻抗匹配功能的源極跟隨器輸出級(3)，共柵輸入級(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(1)的輸出端與中間級(2)的輸入端連接，中間級(2) 的輸出端與源極跟隨器輸出級(3)的輸入端連接，源極跟隨器輸出級(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(2)包括由第二晶體管(M2)和第三晶體管(M3)構成的共源-共柵結構，所述第二晶體管(M2)的柵極作為中間級(2)的輸入端，第三晶體管(M3)的漏極作為中間級(2)的輸出端，源極跟隨器輸出級(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(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(2)與源極跟隨器輸出級(3)之間設有反饋電感(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)權利要求1所述的應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(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(1)的輸入端，第一晶體管 (Ml)的漏極作為共柵輸入級(1)的輸出端。
全文摘要
一種應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、中間級以及源極跟隨器輸出級，共柵輸入級的輸入端為所述放大器的總輸入端、源極跟隨器輸出級的輸出端為總輸出端，各級之間依次連接，所述的中間級包括由第二和第三晶體管構成的共源-共柵結構，信號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，信號由第四晶體管的柵極輸入源極輸出，在中間級與輸出級之間設有反饋電感，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H03F1/34GK102176657SQ20111005583
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權日2011年3月9日
發(fā)明者李智群, 李芹, 楊格亮, 王志功 申請人:東南大學