[发明专利]一种宽带跨导增强型低噪声放大器

说明书

本发明属于无需通信技术领域，提供一种宽带跨导增强型低噪声放大器，用以克服现有传统g_m‑boost低噪声放大器存在的带宽较窄、增益与噪声达不到设计要求的问题。本发明采用第一级差分放大器、第二级差分放大器、第三级中和电容放大器的三级结构，两级差分放大器基于g_m‑boost结构设计，相对于传统g_m‑boost结构，改进了输入方式，将源极输入改变为栅极输入，增加了增益和隔离度，使其输入阻抗变化较为平缓，利于匹配得到较大带宽，同时能够降低噪声，通过两级差分放大器及最佳噪声匹配，实现了超低噪声；并且，通过两级差分放大器的差分结构设计，输入、输出及级间的变压器匹配，以及三级放大器的错峰设计，有效拓展了低噪声放大器的带宽。

技术领域

本发明属于无需通信技术领域，设计毫米波通信系统的接收机/发射机中的放大器，具体为一种宽带跨导增强型低噪声放大器。

背景技术

随着通信技术尤其是个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已经趋于饱和，即使采用多种技术扩大通信系统的容量，提高频谱的利用率，也无法满足未来通信发展的需求，因而实现高速、宽带的无线通信势必向微波高端开发新的频谱资源。毫米波由于其波长短、频带宽，可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题，因而在短距离通信中有着广泛的应用前景；而放大器是各种毫米波通信系统中最关键的一环，它在接收机中将接受的弱信号放大到后端处理、在发射机中将弱信号放大到天线发射出去，而低噪声放大器作为接收机的第一个单元，其性能对整个接收机有着关键的影响。

针对低噪声放大器，为降低噪声系数(NF)及提高增益，近年来已经诞生了很多结构，其中一种结构称为g_m-boost，该结构通过改变晶体管的跨导g_m，从而提高增益、降低噪声。如图6(a)表示了提高晶体管g_m的原理，通过在晶体管栅极和源极添加一个负反馈支路，从而改变晶体管的栅源电压V_gs；根据跨导g_m的公式：

其中，I_d表示晶体管漏极电流，V_gs表示晶体管栅源电压，V_th表示阈值电压，μ_n表示电子迁移率，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，W表示晶体管的栅宽，L表示晶体管的栅长。

可以知道当V_gs改变时，g_m也会改变，并且增益和g_m成正比，噪声系数NF和g_m成反比；该技术就是通过改变V_gs来提高g_m，从而提高增益、降低噪声。如图6(b)所示为该技术具体的电路原理图，通过在栅极和源极添加一对方向相反的耦合电感，假设标记的同名端为正极性，那么原本的|V_gs|＝|(V_g-V_s)|，因为电感的耦合，导致源极电压变小，|V_s|＝|(V_s-kV_g)|，k表示电感耦合系数、0k1；根据以上公式，可以得到耦合后的|V_gs|是增大的，并且根据g_m的公式得到g_m也增大，从而实现g_m-boost。

在上述提到的g_m-boost低噪声放大器中，通过一个负反馈支路来改变晶体管的V_gs来提高g_m，从而达到提高增益和降低噪声的目的；但在实际的使用过程中依然存在以下几点问题：

(1)传统g_m-boost低噪声放大器信号由源极进入，会带来一个隔离度差的问题，负载阻抗会对输入阻抗有较大的影响，从而导致阻抗变化大、难以匹配，导致带宽较窄，对于毫米波频段的应用是远远不够的；