專利名稱：前置放大器設(shè)計(jì)方法以及片上前置放大器設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種適用于接收系統(tǒng)中的低噪聲 前置放大器電路，對接收到的微弱信號進(jìn)行高增益放大，同時電路具有極高的工作頻率。
背景技術(shù)：
前置放大器的作用是接收系統(tǒng)接收到的電流脈沖信號轉(zhuǎn)換成一定的電壓脈沖信 號，由于接收到的電流信號很微弱，如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身會引入較 大噪聲，后一級放大器對前一級放大器輸出的信號和引入的噪聲同時進(jìn)行放大，信噪比不 會得到改善，接收機(jī)的靈敏度就是由前置放大器決定的。因此前置放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是 要獲得低噪聲、高靈敏度以及高增益的性能；另一方面在光纖通信等系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)速率 的提升，前置放大器在現(xiàn)有的工藝下還要獲得盡可能寬的帶寬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種能夠同時具有高增益、寬帶寬和低噪聲性能的放大 器，該放大器可以作為系統(tǒng)中的前置放大器。一種寬帶高增益前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，首先對調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC)結(jié)構(gòu) 進(jìn)行改進(jìn)來獲得高增益和寬的帶寬。Ml、M2和M3構(gòu)成了改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu) 的區(qū)別是在反饋回路中增加了一級Ml共柵放大，來減小前置放大器輸入節(jié)點(diǎn)的電阻，進(jìn) 一步拓展帶寬。同時通過Ml管將M2管的柵電位抬高，使M2和M3管的直流電位能方便地 調(diào)節(jié)，更好地工作在飽和區(qū)，Ml管的柵級偏置在電源電壓VDD，可以不需要提供外部參考電 位。該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)器件的連接方法是Ml的柵端連接電源電壓VDD，Ml的漏端連接電阻R1和M2的柵端，R1的另一端連 接到電源電壓VDD，Ml的源端連接到輸入信號IN ；M2的源端連接到地電位GND，M2的漏端連接電阻R2和M3的柵端，R2的另一端連 接到電源電壓VDD ；M3的源端連接到M4的漏端，M3的漏端分別經(jīng)電阻R3和L1連接VDD，和連接后面 M5、M7和M9構(gòu)成的三級共源級放大器；M4的柵端接外部控制電壓Vb，M4的源端連接到地電位GND，M4的漏端連接連接輸 入信號IN。該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)的工作原理是傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，M3管為共柵級放大器，并最后輸出信號，M2管作 為反饋來減小輸入節(jié)點(diǎn)的電阻，從而拓展帶寬。M4管為M3共柵級提供偏置電流。根據(jù)小信 號等效電路，輸入節(jié)點(diǎn)電阻可以表示為
廠, 1
式中l(wèi)+gm2R2是R2和M2構(gòu)成的共源級放大電路的增益。采用RGC結(jié)構(gòu)可以使前置放大器的輸入電阻減小了彳工1 p倍，利用RGC結(jié)構(gòu)作
為輸入級的互阻前置放大器能較好地抑制輸入節(jié)點(diǎn)處光檢測器寄生電容對前置放大器帶 寬的影響，因而這種結(jié)構(gòu)在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛地研究與應(yīng)用。如具體實(shí)施方式
中，首先對目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)RGC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在反饋回 路中增加了一級Ml共柵放大，進(jìn)一步減小輸入節(jié)點(diǎn)的電阻，同時通過Ml管將M2管的柵電 位抬高，使M2和M3管的直流電位能方便地調(diào)節(jié)，更好地工作在飽和區(qū)，Ml管的柵級偏置在 電源電壓VDD，可以不需要提供外部參考電位。根據(jù)小信號等效電路，該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)的 輸入節(jié)點(diǎn)的電阻可以表示為
V1Rin =7^ = —--—
4 gm^+8m2R2 -SmA)式中g(shù)^^是R1和Ml構(gòu)成的共柵級放大電路的增益。因此利用該改進(jìn)型RGC結(jié) 構(gòu)能更好地抑制輸入節(jié)點(diǎn)處光檢測器寄生電容對前置放大器帶寬的影響，將輸入節(jié)點(diǎn)處的
電阻減小了，+卩I o p倍，大大拓展了前置放大器的帶寬，解決了有限的工藝條件不
能實(shí)現(xiàn)大帶寬的困難，節(jié)省了流片成本。本方法還采用三級共源放大器、兩級交錯有源負(fù)反饋、一級電阻負(fù)反饋，四級電感 補(bǔ)償?shù)确椒▉慝@得高增益和寬的帶寬。M5、M7和M9分別構(gòu)成了三級共源級放大器，M6和 M8構(gòu)成了兩級交錯有源負(fù)反饋，R7為一級電阻負(fù)反饋，L1 L4為四級電感補(bǔ)償。器件的 連接方法是M5、M7和M9的源端均接到地電位GND，M5的漏端接負(fù)載電阻R4和M7的柵端，R4 和L2串聯(lián)，L2的另一端連接到電源電壓VDD ；M7的漏端接負(fù)載電阻R5和M9的柵端，R5和L3串聯(lián)，L3的另一端連接到電源電 壓 VDD ；M9的漏端接負(fù)載電阻R6和輸出端OUT，R6和L4串聯(lián)，L4的另一端連接到電源電 壓 VDD ；M6和M8構(gòu)成了兩級交錯有源負(fù)反饋，M6的柵端接M7的漏端，M6的源端接到地電 位GND，M6的漏端反饋回M5的柵端，M8的柵端接M9的漏端，M8的源端接到地電位GND，M8 的漏端反饋回M7的柵端；R7為一級電阻負(fù)反饋，R7兩端分別連接M9的柵端和漏端。一種按前述方法的片上寬帶高增益前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，除了采用上述電 路設(shè)計(jì)方法外，采用M0SFET、MESFET工藝來實(shí)現(xiàn)。LI、L2、L3和L4采用在片螺旋電感。本技術(shù)方案，輸入級為M1、M2、M3和M4構(gòu)成的改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu) 相比于傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu)增加了一級Ml共柵放大，來減小輸出節(jié)點(diǎn)的電阻，進(jìn)一步拓展帶寬。 M5、M7和M9分別構(gòu)成了三級共源級放大器，M6和M8構(gòu)成了兩級交錯有源負(fù)反饋，R1為一 級電阻負(fù)反饋，L1 L4為四級電感補(bǔ)償。有益效果A)本發(fā)明采用改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)作為輸入級，使電路具有極小的輸入電阻，拓展了
4帶寬。B)改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)通過Ml管將M2管的柵電位抬高，使M2和M3管的直流電位能 方便地調(diào)節(jié)，更好地工作在飽和區(qū)。C)M1管的柵級偏置在電源電壓VDD，可以不需要提供外部參考電位。D)普通的負(fù)反饋方法存在的問題是，沒有接反饋元件的中間輸出級存在帶寬往下 掉的現(xiàn)象，M6和M8構(gòu)成的交錯有源負(fù)反饋方法解決了這一問題。E)L1 L4電感補(bǔ)償拓展了電路帶寬。F)改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)和三級共源級放大等方式使放大器同時獲得了高增益的性能。G)該電路已經(jīng)過CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá)到52dB，3dB帶寬大于40GHz，最優(yōu)噪 聲電流為32 pA/‘。


圖1是傳統(tǒng)RGC結(jié)構(gòu)的電路示意圖。圖2是實(shí)施例中寬帶高增益前置放大器電路示意圖。具體實(shí)現(xiàn)方式下面結(jié)合附圖2與具體實(shí)施方式
對本技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。一種寬帶高增益前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，采用改進(jìn)型調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC) 結(jié)構(gòu)和電感補(bǔ)償?shù)姆绞絹慝@得高增益和寬的帶寬。Ml、M2、M3和M4構(gòu)成了改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的RGC結(jié) 構(gòu)增加了一級Ml共柵放大，進(jìn)一步拓展了帶寬。器件的連接方法是Ml的柵端連接電源電壓VDD，Ml的漏端連接電阻R1和M2的柵端，R1的另一端連 接到電源電壓VDD，Ml的源端連接到輸入信號IN ；M2的源端連接到地電位GND，M2的漏端連接電阻R2和M3的柵端，R2的另一端連 接到電源電壓VDD ；M3的源端連接到M4的漏端，M3的漏端連接電阻R3、M5的柵端和M6的漏端，R3和 L1串聯(lián)，L1的另一端連接到電源電壓VDD ；M4為Ml和M3的共柵級放大器提供偏置電流，M4的柵端接外部控制電壓Vb，M4的 源端連接到地電位GND。本方法還采用三級共源放大器、兩級交錯有源負(fù)反饋、一級電阻負(fù)反饋，四級電感 補(bǔ)償?shù)确椒▉慝@得高增益和寬的帶寬。M5、M7和M9分別構(gòu)成了三級共源級放大器，M6和 M8構(gòu)成了兩級交錯有源負(fù)反饋，R7為一級電阻負(fù)反饋，L1 L4為四級電感補(bǔ)償。器件的 連接方法是M5、M7和M9的源端均接到地電位GND，M5的漏端接負(fù)載電阻R4和M7的柵端，R4 和L2串聯(lián)，L2的另一端連接到電源電壓VDD ；M7的漏端接負(fù)載電阻R5和M9的柵端，R5和L3串聯(lián)，L3的另一端連接到電源電 壓 VDD ；M9的漏端接負(fù)載電阻R6和輸出端OUT，R6和L4串聯(lián)，L4的另一端連接到電源電 壓 VDD ；M6和M8構(gòu)成了兩級交錯有源負(fù)反饋，M6的柵端接M7的漏端，M6的源端接到地電位GND，M6的漏端反饋回M5的柵端，M8的柵端接M9的漏端，M8的源端接到地電位GND，M8 的漏端反饋回M7的柵端；R7為一級電阻負(fù)反饋，R7兩端分別連接M9的柵端和漏端。按前述方法的片上寬帶高增益前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，是在上述方法的基礎(chǔ) 上，采用改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)、三級共源放大器、兩級交錯有源負(fù)反饋、一級電阻負(fù)反饋，四級電 感補(bǔ)償?shù)确椒▉慝@得高增益和寬的帶寬。本技術(shù)方案，輸入級為M1、M2、M3和M4構(gòu)成的改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，該改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu) 相比于傳統(tǒng)的RGC結(jié)構(gòu)增加了一級Ml共柵級放大，進(jìn)一步拓展了帶寬。交錯有源負(fù)反饋方 法解決了普通的負(fù)反饋存在的沒有接反饋元件的中間輸出級帶寬往下掉的問題。本放大器以采用MOSFET、MESFET工藝來實(shí)現(xiàn)。本技術(shù)方案具有高增益、寬帶寬、低噪聲的性能，經(jīng)過CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá) 到52dB Q，3dB帶寬大于40GHz，最優(yōu)噪聲電流為32 pA/V^。在芯片中四級補(bǔ)償電感L1 L4感值均比較小，占用的面積較小可用在片螺旋電感實(shí)現(xiàn)，該前置放大器易于與數(shù)字電路 集成，在系統(tǒng)芯片(S0C)中有著較好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，在輸入級采用改進(jìn)型調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC)結(jié)構(gòu)；然后通過三級共源級放大器，最后輸出信號OUT；其特征是所述改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，由四只N型晶體管M1、M2、M3和M4構(gòu)成，它們的連接方法是M1的柵端連接電源電壓VDD，M1的漏端連接電阻R1和M2的柵端，R1的另一端連接到電源電壓VDD，M1的源端連接到輸入信號IN；M2的源端連接到地電位GND，M2的漏端連接電阻R2和M3的柵端，R2的另一端連接到電源電壓VDD；M3的源端連接到M4的漏端，M3的漏端分別經(jīng)電阻R3和L1連接VDD，和連接后面M5、M7和M9構(gòu)成的三級共源級放大器；M4的柵端接外部控制電壓Vb，M4的源端連接到地電位GND，M4的漏端連接連接輸入信號IN。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述采用三級共源放大器電路，該電路由N型 晶體管M5、M7和M9構(gòu)成；M5、M7和M9的源端均接到地電位GND，M5的漏端分別經(jīng)負(fù)載電阻R4連接VDD、和連接M7的柵端，M7的漏端分別經(jīng)負(fù)載電阻R5連接VDD、和連接M9的柵端，M9的漏端負(fù)載電阻R6連接VDD ；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是還設(shè)有兩級交錯有源負(fù)反饋電路，該電路由N 型晶體管M6和M8構(gòu)成，M6的柵端接M7的漏端，M6的源端接到地電位GND，M6的漏端反饋 回M5的柵端，M8的柵端接M9的漏端，M8的源端接到地電位GND，M8的漏端反饋回M7的柵端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是還設(shè)有一級電阻負(fù)反饋電路，該電路由電阻 R7構(gòu)成，R7兩端分別連接M9的柵端和漏端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的方法，其特征是還設(shè)有四級電感補(bǔ)償電路，該電路由 電感L1、L2、L3和L4構(gòu)成；所述Ll串聯(lián)在R3和VDD之間；所述L2串聯(lián)在R4和VDD之間；所述L3串聯(lián)在R5和 VDD之間；所述L4串聯(lián)在R6和VDD之間。
6.一種按采用權(quán)利要求1 5任一所述方法的片上前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，其特 征是采用MOSFET、MESFET工藝實(shí)現(xiàn)；所述Li、L2、L3和L4采用在片螺旋電感。
全文摘要
一種前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，對調(diào)節(jié)式共源共柵(RGC)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并采用有源負(fù)反饋、電阻負(fù)反饋和多級共源級級連的方式，獲得高增益、寬帶寬和低噪聲的性能，可以作為系統(tǒng)中的前置放大器。一種采用所述方法的片上前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法，其特征是采用改進(jìn)型RGC結(jié)構(gòu)，采用MOSFET、MESFET工藝；所述L1、L2、L3和L4采用在片螺旋電感。本電路具有極小的輸入電阻，拓展了帶寬，同時該結(jié)構(gòu)具有了極穩(wěn)定的偏置，具有高增益的性能，經(jīng)過CMOS工藝驗(yàn)證，跨阻增益達(dá)到52dB，3dB帶寬大于40GHz。
文檔編號H03F3/189GK101854149SQ201010189770
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者王濤, 陳瑩梅 申請人:東南大學(xué)