[發明專利]一種寬帶跨導增強型低噪聲放大器

在審

• 申請號: 202011460701.5
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112653397A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 康凱;熊宇航;吳韻秋;趙晨曦;劉輝華;余益明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03F1/26
• 分類號: H03F1/26
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發明屬于無需通信技術領域，提供一種寬帶跨導增強型低噪聲放大器，用以克服現有傳統g_m?boost低噪聲放大器存在的帶寬較窄、增益與噪聲達不到設計要求的問題。本發明采用第一級差分放大器、第二級差分放大器、第三級中和電容放大器的三級結構，兩級差分放大器基于g_m?boost結構設計，相對于傳統g_m?boost結構，改進了輸入方式，將源極輸入改變為柵極輸入，增加了增益和隔離度，使其輸入阻抗變化較為平緩，利于匹配得到較大帶寬，同時能夠降低噪聲，通過兩級差分放大器及最佳噪聲匹配，實現了超低噪聲；并且，通過兩級差分放大器的差分結構設計，輸入、輸出及級間的變壓器匹配，以及三級放大器的錯峰設計，有效拓展了低噪聲放大器的帶寬。

技術領域

本發明屬于無需通信技術領域，設計毫米波通信系統的接收機/發射機中的放大器，具體為一種寬帶跨導增強型低噪聲放大器。

背景技術

隨著通信技術尤其是個人移動通信的高速發展，無線電頻譜的低端頻率已經趨于飽和，即使采用多種技術擴大通信系統的容量，提高頻譜的利用率，也無法滿足未來通信發展的需求，因而實現高速、寬帶的無線通信勢必向微波高端開發新的頻譜資源。毫米波由于其波長短、頻帶寬，可以有效地解決高速寬帶無線接入面臨的許多問題，因而在短距離通信中有著廣泛的應用前景；而放大器是各種毫米波通信系統中最關鍵的一環，它在接收機中將接受的弱信號放大到后端處理、在發射機中將弱信號放大到天線發射出去，而低噪聲放大器作為接收機的第一個單元，其性能對整個接收機有著關鍵的影響。

針對低噪聲放大器，為降低噪聲系數(NF)及提高增益，近年來已經誕生了很多結構，其中一種結構稱為g_m-boost，該結構通過改變晶體管的跨導g_m，從而提高增益、降低噪聲。如圖6(a)表示了提高晶體管g_m的原理，通過在晶體管柵極和源極添加一個負反饋支路，從而改變晶體管的柵源電壓V_gs；根據跨導g_m的公式：

其中，I_d表示晶體管漏極電流，V_gs表示晶體管柵源電壓，V_th表示閾值電壓，μ_n表示電子遷移率，C_ox表示單位面積的柵氧化層電容，W表示晶體管的柵寬，L表示晶體管的柵長。

可以知道當V_gs改變時，g_m也會改變，并且增益和g_m成正比，噪聲系數NF和g_m成反比；該技術就是通過改變V_gs來提高g_m，從而提高增益、降低噪聲。如圖6(b)所示為該技術具體的電路原理圖，通過在柵極和源極添加一對方向相反的耦合電感，假設標記的同名端為正極性，那么原本的|V_gs|＝|(V_g-V_s)|，因為電感的耦合，導致源極電壓變小，|V_s|＝|(V_s-kV_g)|，k表示電感耦合系數、0k1；根據以上公式，可以得到耦合后的|V_gs|是增大的，并且根據g_m的公式得到g_m也增大，從而實現g_m-boost。

在上述提到的g_m-boost低噪聲放大器中，通過一個負反饋支路來改變晶體管的V_gs來提高g_m，從而達到提高增益和降低噪聲的目的；但在實際的使用過程中依然存在以下幾點問題：

(1)傳統g_m-boost低噪聲放大器信號由源極進入，會帶來一個隔離度差的問題，負載阻抗會對輸入阻抗有較大的影響，從而導致阻抗變化大、難以匹配，導致帶寬較窄，對于毫米波頻段的應用是遠遠不夠的；