一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，本发明专利技术采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的技术方案，提升了增益单元的高频增益，同时拓展了增益单元的低频带宽，进而，在趋近于fT/2处实现了高增益、宽频带的效果；本发明专利技术的匹配电路均由片上无源器件构成，并且在设计匹配网络时，考虑到信号输入、输出Pad在F波段内的寄生效应，确保了电路的稳定性和可行性；本发明专利技术中的增益单元由带隙基准电路提供电流偏置，可以通过控制偏置电压精确调整偏置电流的大小，以达到放大器的最优性能。

A Broadband Amplifier with Working Frequency Approaching fT/2

The invention discloses a broadband amplifier whose working frequency tends to fT/2. By adopting the technical scheme of parallel connection of LC series resonant circuit and cascode structure, the high-frequency gain of the gain unit is increased, and the low-frequency bandwidth of the gain unit is expanded, thereby achieving high-gain and wide-band effect at the point approaching fT/2; the matching circuit of the invention is all made up of on-chip passives. In the design of matching network, the parasitic effect of signal input and output Pad in F band is taken into account to ensure the stability and feasibility of the circuit; the gain unit in the invention provides current bias by a bandgap reference circuit, and the bias current can be accurately adjusted by controlling the bias voltage to achieve the optimal performance of the amplifier.

【技术实现步骤摘要】
一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器
本专利技术属于集成电路设计领域，具体涉及一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器。
技术介绍
由于亚毫米波和太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置，与微波和光波相比，它具有许多特殊的性质，如穿透性、低能性、瞬态性、宽带性、相干性、方向性和吸水性等，使得它在生物医学、物理化学、天文学、军事、国家安全、反恐等诸多领域具有不可替代的重要应用价值。然而，在设计此频段的收发机时，由于制作工艺的限制，存在很多挑战和困难，特别是信号放大作用的放大器设计。首先，收发机电路中存在很多无源器件，如电感、电容、传输线等，在亚毫米波和太赫兹波频段内，由于趋肤效应的存在以及工作频率趋近于器件的自谐振频率，所以这些无源器件的损耗非常大。另外，当工作频率达到甚至超过硅基工艺机制频率fT的一半时，晶体管自身的寄生电容效应会明显增加，严重恶化晶体管的放大能力。因此，在此频段内，普通放大器拓扑的增益将会趋近于甚至小于1。另一方面，放大器作为无线通信系统中至关重要的射频部件之一。如果放大器的增益较低，会直接恶化系统的噪声系数，降低系统的灵敏度和动态范围等。目前，为了获得足够的高频增益，亚毫米波和太赫兹波频段的放大器通常采用高频特性良好、击穿电压高的砷化镓、磷化铟等工艺。但是相比硅基，以上工艺的制作成本非常高，且集成度较低，所以极大地限制了亚毫米波和太赫兹波频段的集成电路的发展。为了在硅基工艺下实现太赫兹放大器，增益提升技术成为了科学研究的热点。其中最有效的增益提升方法就是单向增益最大化技术(即，H.BameriandO.Momeni,“Ahigh-gainmm-waveamplifierdesign:Ananalyticalapproachtopowergainboosting,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.52,no.2,pp.357–370,Feb.2017.)，在共源结构中嵌入合适的线性、无耗、倒相四端口网络，可以在保证放大器稳定的前提下，提升放大器的单向功率增益。遗憾的是，这种单向增益最大化技术实现的是一种窄带效果，并不能应用到宽带无线通信系统中。在众多宽带放大器结构中，并联电阻反馈实现带宽拓展最为简单方便(即，C.-W.Kimetal.,“AnUltra-WidebandCMOSLowNoiseAmplifierfor3–5-GHzUWBSystem,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.40,no.2,pp.544–547,February2005.),这种反馈结构中的电阻和电容取值较大，对拓展低频带宽非常有效。但是，反馈结构中的大电阻会恶化放大器的噪声系数，同时还会降低放大器的功率增益，另外，反馈结构中的大电容仅仅起到隔绝直流的作用，一般来说，硅基工艺下制作的大电容，其Q值较低，这又会降低放大器的功率增益，恶化放大器的噪声系数，以上两种原因大大限制了这种带宽拓展技术的应用。
技术实现思路
鉴于以上所述亚毫米波和太赫兹波应用的限制，本专利技术所要解决的技术问题在于克服传统硅基工艺的极限，提供一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，在很高的频带内(F波段)得到足够的功率增益，并实现良好的增益平坦度。本专利技术通过下述技术方案实现：一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，包括多级放大器和电流偏置电路；各级放大器的增益单元结构完全相同，均采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的结构，在工作频率趋近于fT/2处实现高增益、宽频带；所述电流偏置电路采用带隙基准结构，为各级放大器提供稳定的电流偏置。优选的，所述增益单元结构包括两个晶体管Q1和晶体管Q2，两个电容C1和电容C2，两个电感L1和电感L2；晶体管Q1的发射极与晶体管Q2的集电极相连，组成共源共栅结构；电容C2一端与晶体管Q1的基极相连，另一端接地；电感L1、电感L2与电容C1构成LC串联谐振电路，其一端连接晶体管Q1的集电极，另一端连接晶体管Q2的基极，与晶体管Q1、晶体管Q2组成的共源共栅结构并联；晶体管Q2的基极为增益单元的输入端，电感L1与电感L2之间的抽头X为增益单元的输出端。优选的，所述电流偏置电路包括两个PMOS晶体管M1和PMOS晶体管M3，一个NMOS晶体管M2和一个电阻R0；其中晶体管M1的源极与晶体管M3的源极相连，晶体管M1的栅极分别与晶体管M1的漏极和晶体管M3的栅极相连后，再连接至晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极连接偏置电阻R0的一端，晶体管M2的源极接GND，偏置电阻R0的另一端连接偏置电压输入Pad，M3的漏极为电流偏置电路的电流输出端口，为增益单元中共源共栅结构共射级的基极提供电流偏置。优选的，所述增益单元结构中共源共栅结构的共基极采用串联电阻分压的结构为基极提供电压偏置。优选的，所述增益单元中共源共栅结构的共射级采用电流偏置电路为基极提供电流偏置，且在共射级的基极与电流偏置电路的输出端之间串联一个大电阻，防止增益单元中的射频信号泄漏到电流偏置电路中。优选的，所述多级放大器的输入端口实现输入阻抗匹配，所述多级放大器的输出端口实现输出阻抗匹配；所述多级放大器的输入匹配、级间匹配以及输出匹配均采用片上无源器件实现。优选的，所述多级放大器的输入匹配中，电感Lm1、电容Cm1、电感Lm2串联之后，一端连接增益单元结构的输入端，另一端连接至输入GSGPad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad1代替。优选的，所述多级放大器的级间匹配采用L型匹配单元，以减少无源器件带来的损耗。优选的，所述多级放大器的输出匹配中，所述多级放大器的输出端通过电感连接输出GSGPad的信号Pad上，该信号Pad的寄生电容在电路中由并联电容Cpad2代替。优选的，所述多级放大器包括第一放大器、第二级放大器和第三级放大器。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1)本专利技术创新地结合了背景内容中提到的增益提升技术和带宽拓展技术，采用简单的LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的技术方案，提升了增益单元的高频增益，同时拓展了增益单元的低频带宽，进而，在趋近于fT/2处实现了高增益、宽频带的效果。2)本专利技术的匹配电路均由片上无源器件构成，并且在设计匹配网络时，考虑到信号输入、输出Pad在F波段内的寄生效应，确保了电路的稳定性和可行性。3)本专利技术中的异质结双极性晶体管由带隙基准电路提供电流偏置，可以通过控制偏置电压精确调整偏置电流的大小，以达到放大器的最优性能。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为增益单元电路图；图2为电流偏置电路图；图3为放大器的整体原理图；图4为放大器S参数和噪声系数的版图仿真结果；图5为放大器稳定系数的版图仿真结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。实施例本实施例提供了一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，包括第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器和电流偏置电路。所述各级放大器的增益单元的结构完全相同，如图1所示，其包括两个异质结双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，包括多级放大器和电流偏置电路；各级放大器的增益单元结构完全相同，均采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的结构，以在工作频率趋近于fT/2处实现高增益、宽频带；所述电流偏置电路采用带隙基准结构，为各级放大器提供稳定的电流偏置。

【技术特征摘要】
1.一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，包括多级放大器和电流偏置电路；各级放大器的增益单元结构完全相同，均采用LC串联谐振电路与共源共栅结构并联的结构，以在工作频率趋近于fT/2处实现高增益、宽频带；所述电流偏置电路采用带隙基准结构，为各级放大器提供稳定的电流偏置。2.根据权利要求1所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述增益单元结构包括两个晶体管Q1和晶体管Q2，两个电容C1和电容C2，两个电感L1和电感L2；晶体管Q1的发射极与晶体管Q2的集电极相连，组成共源共栅结构；电容C2一端与晶体管Q1的基极相连，另一端接地；电感L1、电感L2与电容C1构成LC串联谐振电路，其一端连接晶体管Q1的集电极，另一端连接晶体管Q2的基极，与晶体管Q1、晶体管Q2组成的共源共栅结构并联；晶体管Q2的基极为增益单元的输入端，电感L1与电感L2之间的抽头X为增益单元的输出端。3.根据权利要求1所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在于，所述电流偏置电路包括两个PMOS晶体管M1和PMOS晶体管M3，一个NMOS晶体管M2和一个电阻R0；其中晶体管M1的源极与晶体管M3的源极相连，晶体管M1的栅极分别与晶体管M1的漏极和晶体管M3的栅极相连后，再连接至晶体管M2的漏极，晶体管M2的栅极连接偏置电阻R0的一端，晶体管M2的源极接GND，偏置电阻R0的另一端连接偏置电压输入Pad，M3的漏极为电流偏置电路的电流输出端口，为增益单元中共源共栅结构共射级的基极提供电流偏置。4.根据权利要求1-3所述的一种工作频率趋近于fT/2的宽带放大器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡易，丁团结，马凯学，牟首先，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51