CN115296621B - 一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器 - Google Patents

一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于栅‑源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，应用于低噪声放大器芯片领域，针对现有共源共栅放大器带宽较窄，并且第二级共栅晶体管栅‑源耦合偏高，造成噪声偏高的问题。本发明对共源共栅放大器进行改进，一方面采用栅‑源低耦合连接结构，降低寄生电容，降低噪声系数，增加带宽；另一方面结合“负反馈结构”，进一步拓展带宽。

Description

一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器
技术领域
本发明属于低噪声放大器芯片领域，特别涉及一种超宽带共源共栅低噪声放大器。
背景技术
低噪声放大器常用于射频、微波接收***的第一级，对接收信号进行放大，噪声系数、带宽直接影响***性能。随着超宽带***的快速发展，比如电子战***，对超宽带低噪声放大器提出了更高的要求。
超宽带低噪放可以分为两大类：行波式放大器和非行波式放大器。行波式放大器由多个并联晶体管构成，用小电感将输入、输出端口连接在一起，与端口的电容形成了类似于低通滤波器额人工传输线结构。虽然，在带宽方面有一定优势，但人工传输线长度较长，会引入损耗，使得噪声系数偏大。
而非行波式放大器通常采用输入、输出电抗匹配结构，在噪声方面具有优势，但带宽与行波式相比相对较窄。传统共源共栅放大器是典型的宽带非行波式放大器，但带宽仍然偏窄，并且第二级共栅晶体管栅-源耦合偏高，造成噪声偏高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，对传统共源共栅放大器进行改进，采用栅-源低耦合连接结构，降低共栅级晶体管栅、源之间耦合，降低噪声系数，增加带宽；并且结合“负反馈”结构，拓展带宽。
本发明采用的技术方案为：一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，包括：第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2、漏压Vd的馈电支路、第一级Vg馈电支路、第二级Vg馈电支路、负反馈支路，第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的源极通过改进后栅-源低耦合连接结构连接，从而降低第二级共栅晶体管T2的栅-源耦合寄生电容；
漏压Vd的馈电支路连接在漏压Vd端口和第二共栅晶体管T2漏极之间，第二共栅晶体管T2漏极具体通过传输线TL3与漏压Vd的馈电支路连接；漏压Vd端口还通过第二级Vg馈电支路与第二级共栅晶体管T2的栅极连接，通过电阻分压形式为第二级共栅晶体管T2提供栅极电压；
第一级Vg馈电支路通过传输线TL2与第一级共源晶体管T1栅极连接；
第一级共源晶体管T1栅极依次通过传输线TL2、隔直电容CB1与输入端口连接，第一级共源晶体管T1源极接地；
第二级共栅晶体管T2漏极依次通过传输线TL3、传输线TL4、隔直电容CB2与输出端口连接，第二级共栅晶体管T2的栅极与电容CG相连接，提供射频地。
还包括负反馈支路，所述负反馈支路连接于第一级共源晶体管T1栅极之前与第二级共栅晶体管T2漏极之后。
本发明的有益效果：本发明第一级共源晶体管T1与第二级共栅晶体管T2通过改进后栅-源低耦合连接结构连接，具备以下优点：
1、本发明提供了一种基于栅-源低耦合连接结构，对共源共栅低噪声放大器进行改进，降低了晶体管T2的栅-源耦合寄生电容，并从理论上分析了降低该寄生电容以后，会降低整个频率的噪声系数，并有一定拓展带宽效果；
2、通过将“负反馈”和“共源共栅”结构相结合的方法，拓展带宽。
附图说明
图1是本发明超宽带低噪放结构图；
图2是GaAs芯片的金属层M1、M2与介质层示意图；
图3是传统连接结构示意图；
图4是改进后的栅-源低耦合连接结构示意图；
图5是传统连接结构与改进后栅-源低耦合连接结构S参数仿真对比图；
图6是晶体管T1、T2与连接结构等效电路示意图；
图7是分别采用传统连接结构和改进后栅-源低耦合连接结构的晶体管T1、T2的最小噪声系数对比图；
图8是放大器S11、S22测试结果；
图9是放大器S21测试结果；
图10是放大器噪声系数测试结果。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的放大器包括：第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2、负反馈支路、漏压Vd的馈电支路、第一级Vg馈电支路、第二级Vg馈电支路，第一级共源晶体管T1与第二级共栅晶体管T2通过连接结构连接在一起；具体的：第二级共栅晶体管T2的栅极与电容CG相连接，提供射频地；第二级共栅晶体管T2漏极输出端口与传输线TL3连接；负反馈支路由电阻R1、电容C1构成，负反馈支路连接在传输线TL3与晶体管T1的栅极之间；传输线TL4、隔直电容CB2连接在传输线TL3与输出端口之间；电感L1与并联到地的馈电电容CB3构成了漏压Vd的馈电支路，所述漏压Vd的馈电支路与TL3连接；漏压端口Vd通过第二级Vg馈电支路，提供了第二级共栅晶体管T2的栅极电压，第二级Vg馈电支路由电阻RB2、RB3构成；传输线TL2与第一级共源晶体管T1的栅极连接，隔直电容CB1连接在传输线TL2与输入端口之间；第一级Vg馈电支路由电阻RB1串联传输线TL1和并联到地电容CB4构成，第一级Vg馈电支路连接在传输线TL2与Vg馈电端口之间。传输线TL1、TL2、TL3、TL4起到连接和部分阻抗匹配作用。
本发明的放大器芯片采用GaAs工艺制作，芯片介质示意图如图2所示。GaAs是基片材料，在基片材料上沉积M1金属层，在M1金属层上沉积绝缘层，绝缘层上再沉积M2层金属。本发明放大器中的晶体管、电容、电感、电阻、传输线均需要M1或者M2金属层制作。
在共源共栅放大器中，需要将第一级共源晶体管T1的漏极作为输出，接入到第二级共栅晶体管T2的源极；对于第二级共栅晶体管T2的栅极需要连接CG电容与第二级Vg馈电支路。在本发明中，将第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2之间的连接传输线和第二级共栅晶体管T2栅极连接CG电容的传输线称为“连接结构”。传统的连接结构如图3所示，第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2之间采用M2金属层(或M1金属层)连接，第二级共栅晶体管T2的栅极与CG电容采用M1金属层(或M2金属层)连接，即“第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2之间”、“第二级共栅晶体管T2的栅极与CG电容之间”分别采用不同金属层来实现连接，则其中一个采用M1金属层实现连接，另一个则采用M2金属层实现连接。这样的传统连接方式，优势在于两路信号分别输入第二级共栅晶体管T2两个源极，减少传输线电感、损耗，使第二级共栅晶体管T2输入信号更平衡；缺点在于两层金属存在重叠，由于电流与加工工艺的限制，使得两层传输线重叠部分均有一定宽度，因此会引入一个寄生耦合电容。第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2和连接结构的等效电路如图6所示，连接结构引入的寄生耦合电容是图6中的Cgs’。
将晶体管等效电路带入图6中，第一级共源晶体管T1栅-源之间采用电容Cgs1等效，栅-漏之间采用Cgd1等效，漏源之间采用VCCS1、电容Cds1、电导Gds1三元件并联等效。第二级共栅晶体管T2栅-源之间采用电容Cgs2等效，漏-源之间采用Cgd2等效，漏源之间采用VCCS2、电容Cds2、电导Gds2三元件并联等效。其中VCCS1和VCCS2分别为1号、2号压控电流源(VCCS，Voltage Control Current Source)，其电流分别为Id1＝gm1Vgs1ejωτ1，Id2＝gm2Vgs2ejωτ1。gm1和gm2分别代表1号、2号压控电流源的跨导，τ1和τ2分别代表1号、2号压控电流源的延迟，ω代表角频率，Vgs1和Vgs2分别代表第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2栅电容的电压。
为了降低寄生电容Cgs’，本发明的低噪放采用了栅-源低耦合连接结构，该连接结构如图4所示。即第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的单侧源极相连接，因此避免了第二级共栅晶体管T2栅极连接线的重叠，因此可以大大降低寄生电容Cgs’。
“第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2之间”、“第二级共栅晶体管T2的栅极与CG电容之间”可以都采用如图4所示的M1金属层实现连接，同理也可以都采用M2金属层实现连接，或者分别采用不同金属层实现连接，采用本发明的连接方式不论是采用同一金属层实现还是采用不同金属层分别实现连接，不会出现如图3所示的两层金属层重叠的情况。
传统连接结构与改进后栅-源低耦合连接结构S参数仿真对比如图5所示。仿真结果显示在5GHz频率，传统连接结构栅、源间S参数为-7.4dB，改进后的栅-源低耦合连接结构S参数为-54.2dB。传统连接结构引入的寄生耦合电容Cgs’约为0.12pF，而改进后的栅-源低耦合连接结构引入的寄生耦合电容Cgs’约为0.0006pF。因此采用本发明的改进后栅-源低耦合连接结构引入的寄生耦合电容大大降低。
以下分别从噪声系数与超宽带两个方面对本发明采用改进后栅-源低耦合连接结构的效果进行分析：
1、噪声系数理论分析
共源共栅放大器的噪声系数可以采用如下公式表示：
Figure BDA0003797620470000041
噪声系数由两部分构成，F1代表第一级共源晶体管T1引入的噪声系数，F2代表连接部分与第二级共栅晶体管T2的噪声系数。
Figure BDA0003797620470000042
分别代表第一级共源晶体管T1输入参考噪声电压、噪声电流，Rs为晶体管源极电阻(考虑到第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2尺寸相同，则电阻相同)，T为温度。γ2是第二级共栅晶体管T2的偏置相关系数，Gds2是第二级共栅晶体管T2的漏源电导，ω0是噪声计算第一级等效谐振频率，ωT1＝(gm1/Cgs1)。Cx代表连接结构及前后的寄生电容之和，在本发明中特指Cx＝Cds1+[(Cgs2+Cgs’)//CG]。“//”代表电容(Cgs2+Cgs’)与电容CG并联。
等式最右边的第一、第二项是与输入第一级共源晶体管T1相关，第三项与连接结构和第二级共栅晶体管T2相关。通过减少寄生电容Cx可以减少第二级共栅晶体管T2和连接结构的噪声系数。传统方法中常采用串联或者并联电容、电感的方法，通过谐振减少寄生参数。比如，并联电容-电感支路、并联电容和电感支路、连接结构串联电感。通过谐振的方法，在谐振频率附近可以明显减少Cx，进而减少噪声系数；但传统方法缺点在于，噪声减少的频率范围有限，在谐振频率以外，噪声系数甚至会增加。
本发明提出了基于栅-源低耦合连接结构的低噪声放大器，降低寄生电容Cgs’。与传统谐振方法相比，虽然只能降低Cgs’，无法通过谐振进一步抵消Cds1与Cgs2，电容降低量偏小；但其优势在于，可以在整个频段，均降低噪声系数，进而覆盖超宽带应用。
如图7所示，本发明将第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2分别采用传统连接结构与改进后的栅-源低耦合连接结构进行了对比仿真。在放大器工作频率上限22GHz，采用传统连接结构后最小噪声系数NFmin为1.02dB，改进后栅-源低耦合结构最小噪声系数NFmin为0.85dB左右，减少了0.17dB。采用本发明改进后的栅-源低耦合连接结构，在整个频段内噪声系数均改善，并且随频率增加，改善越明显。
2、超宽带实现
为了实现2-22GHz超宽带的低噪声放大器，本发明将栅-源低耦合连接结构与共源共栅结构、负反馈结构结合起来，进一步拓展带宽。
放大器中，栅-漏电容Cgd是影响带宽一个重要因素，导致增益与隔离度性能恶化，同时会降低截止频率。如下式所示，由于米勒效应，对单级共源放大器Cgd会增加输入端口电容，输入端口等效电容为：
Cin＝Cgs+(1+A)Cgd
式中A为晶体管放大倍数，米勒效应会增加匹配难度，使增益滚降更为明显。而共源共栅结构放大器，采用两级晶体管进行放大，反馈信号需要经过两个晶体管，因此米勒效应的作用会降低，进而拓展带宽。
如图1所示，在传输线TL3和晶体管T1之间加入了负反馈结构，即加入一个信号通路，以降低增益为代价实现宽带增益与阻抗匹配，同时提高稳定性与增益平坦度。电容C1起到隔直与频率调控作用，电阻R1起到调节反馈量的作用。
本发明将栅-源低耦合结构应用于共源共栅放大器中，并配合负反馈结构，实现了2-22GHz超宽带低噪声放大器。其反射系数如图8所示，增益如图9所示，噪声系数如图10所示。测试结果表明，在2-22GHz范围内，S11≤-6.3dB，S22≤-5.3dB，增益在14.3-16dB范围内，噪声系数NF≤1.5dB(2-18GHz)，NF≤1.7dB(18-22GHz)。在超宽频带内，获得了较平坦的增益。对于GaAs基低噪声放大器，在2-18GHz范围以内，获得了非常好的噪声系数≤1.5dB。
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发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，包括：第一级共源晶体管T1、第二级共栅晶体管T2、漏压Vd的馈电支路、第一级Vg馈电支路、第二级Vg馈电支路、负反馈支路，第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的源极通过改进后栅-源低耦合连接结构连接，从而降低第二级共栅晶体管T2的栅-源耦合寄生电容；
所述第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的源极通过改进后栅-源低耦合连接结构连接，具体为：第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的单侧源极相连接；
漏压Vd的馈电支路连接在漏压Vd端口和第二共栅晶体管T2漏极之间，第二共栅晶体管T2漏极具体通过传输线TL3与漏压Vd的馈电支路连接；漏压Vd端口还通过第二级Vg馈电支路与第二级共栅晶体管T2的栅极连接，通过电阻分压形式为第二级共栅晶体管T2提供栅极电压；
第一级Vg馈电支路通过传输线TL2与第一级共源晶体管T1栅极连接；
第一级共源晶体管T1栅极依次通过传输线TL2、隔直电容CB1与输入端口连接，第一级共源晶体管T1源极接地；
第二级共栅晶体管T2漏极依次通过传输线TL3、传输线TL4、隔直电容CB2与输出端口连接，第二级共栅晶体管T2的栅极与电容CG相连接，提供射频地；
所述负反馈支路连接于第一级共源晶体管T1栅极之前和第二级共栅晶体管T2漏极之后，第二共栅晶体管T2漏极具体通过传输线TL3与负反馈支路连接；负反馈支路包括电阻R1、电容C1，电阻R1的第一端与第一级共源晶体管T1栅极连接，电阻R1的第二端与电容C1的第一端连接，电容C1的第二端通过传输线TL3与第二级共栅晶体管T2漏极连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，第一级Vg馈电支路包括：电阻RB1、传输线TL1、电容CB4；电阻RB1串联传输线TL1后到地电容CB4并联。
3.根据权利要求2所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，第二级Vg馈电支路包括电阻RB2、电阻RB3；电阻RB2的第一端与漏压Vd端口连接，电阻RB2的第二端与电阻RB3的第一端连接，电阻RB3的第一端还与第二级共栅晶体管T2栅极连接，电阻RB3的第二端接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，漏压Vd的馈电支路包括电感L1、馈电电容CB3；电感L1的第一端通过传输线TL3与第二共栅晶体管T2漏极连接，电感L1的第二端与漏压Vd端口连接，馈电电容CB3的第一端接地，馈电电容CB3的第二端与漏压Vd端口连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，所述一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器采用GaAs芯片制作，所述GaAs芯片包括底部的基片材料、在基片材料上沉积M1金属层、在M1金属层上沉积绝缘层、绝缘层上沉积M2金属层。
6.根据权利要求5所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的单侧源极之间的连接线、第二级共栅晶体管T2的栅极连接线均采用M1金属层实现，或均采用M2金属层实现。
7.根据权利要求5所述的一种基于栅-源低耦合结构的超宽带低噪声放大器，其特征在于，第一级共源晶体管T1的漏极与第二级共栅晶体管T2的单侧源极之间的连接线采用M1金属层与M2金属层中的一个实现，第二级共栅晶体管T2的栅极连接线均采用M1金属层与M2金属层中的另一个实现。
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