一种功率增益提升的交叉电容型共源共栅放大器

1.本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通讯系统中的放大器，具体提供一种能够实现功率增益提升的交叉电容型共源共栅放大器。


背景技术：

2.随着人们对无线通信的不断探索，毫米波、太赫兹波段的应用逐渐进入人们的视角。当频率到达毫米波、太赫兹波段时，放大器的最大可用增益(gma)会急剧下降；因此，在这个波段，放大器获得高增益变成一件特别困难的事情。而对于放大器中的核心部分：晶体管而言，有两个指标限制了晶体管的放大能力，一个是最高截止频率(ft)，一个是最高振荡频率(fmax)；对于放大器而言，更多关注最高振荡频率(fmax)，其表示当工作频率等于f max时、放大器的功率增益变成1，即当频率超过这个值时、晶体管失去功率放大能力。更进一步的，放大器主要功率增益指标包括最大可用增益gma及单向功率增益u，其中，最大可用增益gma表示当稳定性因子kf大于等于1时、放大器实现输入输出共轭匹配时能达到的最高的功率增益值。单向功率增益u表示当放大器的y参数中y12接近0时，也就是放大器单向化最明显的时候的晶体管的功率增益，此时gma＝u；更进一步的，在文献“a stu dy of operating condition and design methods to achieve the upper limit of power gain in amplifiers at near
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fmax frequencies”(z.wang,p.heydari,ieee tcas
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i,vol.64,no.2,pp.261
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271,2017)中已有探讨，在一个给定的单向功率增益u的情况下，gma最后能达到的上限值是通常情况下，由于放大器内部存在负反馈回路，导致晶体管的单向化较差，功率增益较低，这时gma小于u。
3.传统共源共栅放大器如图6所示，由于共源共栅结构主要提供增益的是共源级部分，对于共源级部分，从如图7所示的等效小信号分析图来看，由于共源级晶体管m1的寄生电容cgd1，会提供一个从vx到vin的负反馈回路，该负反馈回路会使得共源极部分的增益下降，从而限制了整个共源共栅结构整体的功率增益；另外，该负反馈回路还导致了输入到输出单向化较差，gma的值远低于单向功率增益u，远不能达到gmax，因此即使做完输入输出匹配之后，能达到的最大功率增益值也较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对在高频工作下、尤其是毫米波/太赫兹波段传统共源共栅放大器增益不足的问题；提供一种功率增益提升的交叉电容型共源共栅放大器，在差分共源共栅电路的基础上，在差分共源管部分引入一对交叉电容，实现功率增益的大幅提升。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种功率增益提升的交叉电容型共源共栅放大器，由差分共源共栅电路与交叉电容对构成；其特征在于所述差分共源共栅电路由共源级晶体管m1、m2和共栅级晶体管m3、m4构成，所述共源级晶体管m1和m2的源极相连、并接地，输入差分信号vin+和vin
‑
分别输入共源级晶体管m1和m2的栅极，共源级晶体管m1和m2的漏极分别连接到共栅级晶体管m3和m4的
源级，共栅级晶体管m3和m4的栅极均接地，共栅级晶体管m3和m4的漏极分别输出差分信号vout+和vout
‑
；所述共栅级晶体管m3、m4的漏极分别连接电源电压，所述共源级晶体管m1、m2和共栅级晶体管m3、m4的栅极分别连接偏置电压；
7.所述交叉电容对由相同的交叉电容cn1和cn2构成，交叉电容cn1的一端连接共源级晶体管m1的栅极、另一端接共源级晶体管m2的漏极，交叉电容cn2的一端接共源级晶体管m2的栅极、另一端接共源级晶体管m1的漏极。
8.进一步的，所述输入差分信号vin+和vin
‑
分别经过隔直电容c1和c2输入共源级晶体管m1和m2的栅极；所述共栅级晶体管m3和m4的漏极分别通过隔直电容c5和c6输出差分信号vout+和vout
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；所述共栅级晶体管m3和m4的栅极分别连接电容c3和c4后接地。
9.进一步的，所述共源级晶体管m1、m2的栅极分别串联电阻r1和r2后对应连接偏置电压vbias1和vbias2，所述共栅级晶体管m3、m4的栅极分别串联电阻r3和r4后对应连接偏置电压vcg1和vcg2。
10.进一步的，所述电源电压分别通过交流隔断电感l1和l2连接至共栅级晶体管m3和m4的漏极。
11.本发明的有益效果在于：
12.本发明提出的交叉电容共源共栅放大器电路结构，在差分共源共栅电路的差分共源管部分引入一对交叉电容，引入交叉电容cn之后的共源共栅结构的交流小信号模型如图2所示，从图中可以看到，交叉电容结构等效为跨接在共源极放大器栅极和漏极之间的负电容，该负电容能够有效的补偿共源级放大器寄生电容cgd，从而降低从vx到vin的负反馈信号，提高功率增益；同时，交叉电容能使得放大器更加单向化，让gma逐渐增大到u，当继续增加交叉电容时，正反馈回路占主导地位，这时放大器的稳定性会逐渐降低，但是gma会继续增加直到放大器稳定性因子kf＝1。综上所述，本发明通过在差分共源共栅电路的共源级部分引入一对交叉电容，能够有效的提高放大器的增益，尤其是最高可用增益gma。
附图说明
13.图1为本发明提出的增益提升交叉电容型共源共栅放大器电路结构示意图。
14.图2为本发明提出的增益提升交叉电容型共源共栅放大器电路小信号等效电路图。
15.图3为本发明使用增益提升交叉电容型共源共栅放大器电路结构的一个实施例的结构示意图。
16.图4为本发明使用增益提升交叉电容型共源共栅放大器电路结构的一个实施例后在增益平面中对增益状态点的影响。
17.图5为本发明使用增益提升交叉电容型共源共栅放大器电路结构的一个实施例后增益及稳定性因子随着加入的交叉电容的变化情况。
18.图6为现有共源共栅放大器电路结构示意图。
19.图7为现有共源共栅放大器电路小信号等效电路图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，在下文所述的特定实施例
代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。
21.本发明提供一种使用增益提升的交叉电容型共源共栅放大器，其基本结构如图1所示，由差分共源共栅电路与交叉电容对构成。
22.本实施例提供一种使用增益提升的交叉电容型共源共栅放大器电路结构，其结构示意图如图3所示；晶体管m1和m2源极相连、并接地，输入差分信号vin+和vin
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分别经由隔直电容c1和c2到达共源级晶体管m1和m2的栅极，偏置电压vbias1和vbias2分别经过电阻r1和r2给共源级晶体管m1和m2进行偏置供电，共源级晶体管m1和m2的漏极分别接到共栅级晶体管m3和m4的源级；偏置电压vcg1和vcg2分别经过电阻r3和r4给共栅极晶体管m3和m4的栅极进行偏置供电，共栅极晶体管m3的栅极连接电容c3后接地，共栅极晶体管m4的栅极连接电容c4后接地，电容c3和电容c4的作用是保证共栅级晶体管m3和m4在交流情况下起到一个交流接地的作用；电源电压v
dd1
和v
dd2
分别通过交流隔断电感l1和l2连接到共栅级晶体管m3和m4的漏极、给共栅级晶体管m3和m4进行直流供电，共栅级晶体管m3和m4的漏极分别通过隔直电容c5和c6输出差分信号vout+和vout
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；对于一对相同的交叉电容cn1和cn2，交叉电容cn1的一端连接共源级晶体管m1的栅极、另一端接共源级晶体管m2的漏极，交叉电容cn2的一端接共源级晶体管m2的栅极、另一端接共源级晶体管m1的漏极。
23.在本实施例中，使用的设计工艺为cmos 65nm工艺，晶体管m1、m2、m3、m4的栅长都为60nm、栅宽为700nm、叉指数量为12；本实施例中放大器的工作频率为140ghz，电容c1、c2、c3、c4的值为110ff，电感l1和l2的值为100ph，电阻r1、r2、r3、r4皆为10千欧，偏置电压vbias1和vbias2为0.8v，偏置电压vcg1和vcg2皆为1.8v，电源电压v
dd1
和v
dd2
皆为2v；交叉电容cn1和cn2相等，数值上都等于cn，cn为ff量级，具体范围为：0.1ff～100ff。
24.如图4所示为本发明的实施效果，该图采用增益平面分析放大器增益状态点，在文献“a study of operating condition and design methods to achieve the upper limit of power gain in amplifiers at near
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fmax frequencies”(z.wang,p.heydari,ieee tcas
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i,vol.64,no.2,pp.261
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271,2017)中已有探讨，该增益平面能直观地体现出放大器增益状态的变化情况以及稳定性边界。如图4所示，可以看见gmax的位置固定为稳定性边界椭圆的最左边；当增加交叉电容cn的值从0.1ff扫描到16ff时，由于交叉电容能够有效的补偿共源级部分的负反馈回路，有效的提高放大器的单向化，可以将放大器的增益状态点增益平面原点的位置推进，而增益平面的原点代表的是gma＝u，且放大器的y参数中y12＝0的情况；当cn能完全补偿cgd时，放大器单向化最好，gma＝u，且放大器的y参数中y12趋近于0；当进一步增加交叉电容的值时，放大器正反馈回路占主导地位，放大器的增益状态点将逐渐往稳定性边界处也就是kf＝1靠近，此时放大器的稳定性会变差，但是gma能继续持续增加。进一步的，在本实施例中，可以看见增益点的轨迹与稳定性边界的交点特别靠近gmax。
25.如图5所示为本发明的实施效果，通过增加交叉电容cn的值，从0.1ff扫描到16ff，得到了放大器的单向功率增益u以及最大可用增益gma的变化情况，当交叉电容cn的值为3.1ff时，此时单向化最好，gma＝u，gma为6.58db；当交叉电容cn进一步增加为6.1ff时，此时的稳定性因子kf为1，此时gma能够达到12.6db；在实际的设计中，为了保证输入输出能达到同时匹配，需要保证放大器的kf大于及等于1。另外，该实施例的结果还显示单向功率增益u也能通过引入交叉电容得到提高。
26.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。