CN114499425A - 一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，提供一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，用以解决现有使用中和电容的差分共源极放大器的共模稳定性以及中和电容的工艺偏差敏感性问题。本发明由两部分组成：共源极的差分晶体管对M1与M2，作为中和电容用的晶体管M3与M4、及共模电感L构成的稳定性增强结构，利用晶体管M3与M4作为中和电容、有效降低了电容对于生产工艺偏差的敏感性，通过差分晶体管对M1与M2的共源节点处引入对地共模电感L、大大提升了放大器的共模稳定性；同时，不会降低放大器的性能。由此可见，本发明改善了基于中和电容的差分共源放大器的共模稳定性和工艺偏差敏感性的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及射频毫米波收发机前端放大器的结构创新，具体为一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，人们对毫米波收发机提出了更高频率、更小尺寸、更低功耗、更高可靠性等一系列要求。作为毫米波收发机中的的核心模块，功率放大器(PA)主要是为了将射频收发机提供的小功率RF信号进行放大，获得足够的输出功率才能馈送到天线并向外发射。
使用中和电容的共源极放大器是毫米波放大器的一种常用结构，其电路图如图1所示，该结构共源极放大器具有较高增益，同时提升了放大器的差模稳定性；但是，该结构也存在诸多问题：第一，使用中和电容的放大器仅提升了差模稳定性，对于放大器共模稳定性的提升需要额外的手段，理论上差分放大器不存在共模信号，但是由于实际设计中放大器输入巴伦的不平衡性，导致电路中必然存在共模信号，如何提升放大器的共模稳定性是设计师需要考虑的问题；第二，中和电容的容值非常敏感，其本身存在一个容值区间，在区间范围内中和电容能够提升放大器的增益和稳定性，但是超过或低于该区间，放大器将产生自激振荡，电路将不能正常工作，而中和电容的容值通常为几十飞法、其容值由于半导体生产过程中的工艺偏差很容易超过容许区间范围。
发明内容
本发明的目的在于针对传统基于中和电容的差分共源极放大器在毫米波频率下的不稳定性问题，提出一种稳定性增强型的毫米波差分共源放大器结构；本发明利用晶体管自身电容作为中和电容，提升中和电容的PVT特性(抗工艺偏差特性和抗温度变化特性)，基于作为中和电容用晶体管与作为放大单元的晶体管受工艺偏差的影响同步的特性，有效降低中和电容对于工艺偏差的敏感性，即有效提升器件稳定性；同时，在共源极放大器的共源接地端引入共模电感，抑制了差分电路中的共模信号，提升了放大器的共模稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，包括：差分晶体管对M1与M2；其特征在于，所述差分共源放大器还包括：晶体管M3、晶体管M4、共模电感L，所述差分晶体管对M1与M2的源极相连接、且共源节点连接共模电感L到地，所述晶体管M3的栅极连接于晶体管M1的栅极，晶体管M3的漏极与源极相连、且连接于晶体管M2的漏极，所述晶体管M4的栅极连接于晶体管M2的栅极，晶体管M4的漏极与源极相连、且连接于晶体管M1的漏极。
进一步的，所述晶体管M3与晶体管M4结构尺寸相同。
进一步的，所述晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极相连、并引出正输出端(OUT+)，晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极相连、并引出负输出端(OUT-)，晶体管M1的栅极连接正输入端(IN+)，晶体管M2的栅极连接负输入端(IN-)。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，在传统基于中和电容的差分共源放大器结构基础上，通过引入晶体管作为电容使用降低了其工艺敏感性，引入共源节点处的对地共模电感提升了放大器的共模稳定性，同时有效保证放大器性能。
附图说明
图1为传统基于中和电容的共源极放大器原理示意图。
图2为传统基于中和电容的共源极放大器的电流流向示意图。
图3为传统中和电容的结构示意图。
图4为本发明实施例中基于中和电容的高稳定性差分共源放大器的原理示意图。
图5位本发明实施例中基于中和电容的高稳定性差分共源放大器的晶体管电容示意图。
图6为本发明实施例中基于中和电容的高稳定性差分共源放大器与对比例的共模稳定性对比图。
图7为本发明实施例中基于中和电容的高稳定性差分共源放大器与对比例的增益对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，其电路原理图如图4所示，由两部分构成：第一部分为共源极的差分晶体管对M1与M2；第二部分为稳定性增强结构，包括：作为中和电容用的晶体管M3与M4、用于提升放大器共模稳定性的共模电感L；具体而言：
所述晶体管M1的源极与晶体管M2的源极相连接、且共源节点接地，所述晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极通过晶体管M3相连、并引出正输出端(OUT+)，晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极通过晶体管M4相连、并引出负输出端(OUT-)，晶体管M1的栅极连接正输入端(IN+)，晶体管M2的栅极连接负输入端(IN-)；
所述晶体管M3的栅极连接于晶体管M1的栅极，晶体管M3的漏极与源极相连、且连接于晶体管M2的漏极，所述晶体管M4的栅极连接于晶体管M2的栅极，晶体管M4的漏极与源极相连、且连接于晶体管M1的漏极；
所述共模电感L连接于共源节点与地之间。
从工作原理上讲：
1、针对差分共源极放大器的共模稳定性的改善；
如图2所示的传统基于中和电容的共源极放大器的电流流向示意图，其中，电流分为共模分量和差模分量，单向箭头为共模分量电流的流向，环形箭头为差模分量电流的流向；差模电流在差分电路中实现了内循环，其电流环路上存在两个交流地，分别位于差分对晶体管的共源节点和漏极供电节点；而对于共模电流，其环路为从供电电源流入晶体管的漏极，再到晶体管的源极，流经供电地返回供电电源；同时，共模电流还会从供电电源接入晶体管的栅极，再经过源极流入供电地，形成第二条回路；第二条回路对于第一条回路是正反馈作用，因此放大器的共模稳定性存在隐患。
如图4所示的本发明基于中和电容的高稳定性差分共源放大器的电路原理图，在晶体管差分对的共源节点处引入接地的共模电感，将在两条共模信号环路中加入损耗，共模电感会抑制两条环路中的共模交流信号，因此能够提升放大器的共模稳定性；
需要说明的是，共模电感L会存在寄生电阻，导致源极电压升高，但是由于寄生电阻很小，因此源极电压抬升并不明显，对放大器的性能并不会造成巨大影响。
2、针对中和电容的工艺误差敏感性的改善；
传统的中和电容通常使用如图3所示的平板电容设计，这种电容由多层金属构成，属于无源器件；该电容在芯片生产过程中容易受到加工工艺偏差的影响，使得金属层面积增大或减小，进而导致电容增大或减小，容易使得其容值超过中和电容的容许范围，导致放大器的自激振荡，使电路不能正常工作；
而本发明提出使用晶体管作为电容的设计，如图5所示为晶体管寄生电容示意图，晶体管存在三个数值较大的寄生电容分别是栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、漏源电容Cds；现有提出的晶体管电容大多只利用了栅漏电容Cgd，并未使用其他两个电容，使得晶体管电容的利用率较低；本发明中将晶体管的漏源相连接作为电容的一端，栅极作为另一端，这样晶体管电容的容值为栅漏电容Cgd与栅源电容Cgs的并联电容值，有效增加了晶体管电容的利用率；同时，由于作为电容的晶体管与作为放大管的晶体管的加工时同步进行的，其电容值会同步放大和缩小，因此其寄生电容的偏差方向将是一致的，这样使得电容将始终维持在中和电容的容许范围内，不会引起放大器的自激振荡。
综上所述，本发明通过引入晶体管作为电容，降低了中和电容对于工艺误差的敏感性，引入共源节点处的对地共模电感提升了放大器的共模稳定性，同时最大程度上降低了对于放大器本身性能的影响。该结构与传统共源极放大器的共模稳定性仿真对比如图6所示，Mu1为表征放大器稳定性的参数，当Mu1大于1时，放大器处于绝对稳定状态，引入共模电感后放大器的共模稳定性获得了明显提升，Mu1大于1的频率范围变大，放大器的绝对稳定频率变宽；放大器增益对比如图7所示，引入晶体管电容的放大器增益并未下降太多，增益仅下降约0.5dB；由此可见，本发明能够在保证放大器性能的同时有效提升放大器的稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，包括：差分晶体管对M1与M2；其特征在于，所述差分共源放大器还包括：晶体管M3、晶体管M4、共模电感L，所述差分晶体管对M1与M2的源极相连接、且共源节点连接共模电感L到地，所述晶体管M3的栅极连接于晶体管M1的栅极，晶体管M3的漏极与源极相连、且连接于晶体管M2的漏极，所述晶体管M4的栅极连接于晶体管M2的栅极，晶体管M4的漏极与源极相连、且连接于晶体管M1的漏极。
2.按权利要求1所述基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，其特征在于，所述晶体管M3与晶体管M4结构尺寸相同。
3.按权利要求1所述基于中和电容的高稳定性差分共源放大器，其特征在于，所述晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极相连、并引出正输出端(OUT+)，晶体管M1的漏极与晶体管M2的栅极相连、并引出负输出端(OUT-)，晶体管M1的栅极连接正输入端(IN+)，晶体管M2的栅极连接负输入端(IN-)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220513 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |