一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器

摘要

本发明公开了一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器，属于集成电路技术领域。本发明包括偏置器、片上变压器、T型电感结构的等效低耦合系数的变压器、运算放大器；所述偏置器用于进行馈电，作为放大器电路的输入端进行供电；所述片上变压器用于提高增益、增大调谐范围及降低功耗；所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器其功能等效于片上变压器，用于进一步降低匹配网络的插损，提高电路增益；所述运算放大器用于进行阻抗变换；所述偏置器与运算放大器相连接；所述片上变压器与运算放大器相连接；所述运算放大器与T型电感结构的等效低耦合系数的变压器相连接。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体为一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器，是一种噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

传统用于通信系统的低噪声放大器带宽较窄、频率较低，而太赫兹的低噪声放大器需要带宽宽，频率高，相对于传统低噪声放大器，其设计难度大大提高。传统的太赫兹低噪声放大器一般采样传输线结构，同时为单端结构，然后该结构的低噪声放大器具有低增益和版图面积大的缺点。同时传统的太赫兹低噪声放大器一般采用SiGe工艺，然而采用SiGe工艺的低噪声放大器存在价格高的缺点。

采用了SiGe工艺基于传输线结构的低噪声放大器，传输线匹配结构中的传输线的长度通常要接近1/4波长到1/2波长的长度，该长度的传输线所需要的面将会是同等匹配功能下的电感或者变压器的3到4倍面积，因此基于传输线匹配的低噪声放大器面积将远大于基于电感匹配的低噪声放大器。同时传输线的Q值一般在5以内，甚至低至2左右，这会降低基于传输线的低噪声放大器的增益。

对于宽带的低噪声放大器，需要低耦合系数的变压器，而低耦合系数的变压器会导致其插损相对提高，因此本设计提出基于T型电感结构的等效低耦合系数的变压器，用以提高增益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器，该放大器包括偏置器、片上变压器、T型电感结构的等效低耦合系数的变压器、运算放大器；

根据上述技术方案，所述偏置器用于进行馈电，作为放大器电路的输入端进行供电；所述片上变压器用于提高增益、增大调谐范围及降低功耗；所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器其功能等效于片上变压器，用于进一步降低匹配网络的插损，提高电路增益；所述运算放大器用于进行阻抗变换；

根据上述技术方案，所述偏置器与运算放大器相连接；所述片上变压器与运算放大器相连接；所述运算放大器与T型电感结构的等效低耦合系数的变压器相连接。

根据上述技术方案，所述片上变压器包括初级线圈、次级线圈；

根据上述技术方案，所述初级线圈与次级线圈以同侧并联的方式进行连接。

根据上述技术方案，所述片上变压器的电压计算方式如下：

V

其中，V

根据上述技术方案，所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器的电压计算方式如下：

V

其中，V

因为V

根据上述技术方案，所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的耦合系数的范围为0.2到0.95，是一个可以灵活设计的变量。

因此，片上变压器等效电路和片上变压器的T型匹配结构电路是等效的，因此可知等效变压器的T型电感与传统的片上变压器具有等效的功能，同时其克服了传统变压器主线圈和次级线圈之间大耦合电容的缺陷，从而大大提高了等效变压器的T型电感的自谐振频率，传统变压器，其主线圈和次级线圈之间大耦合系数无法单独设计，是寄生于主次线圈的一个寄生参数，等效变压器的T型电感的耦合系数(通常耦合系数k的范围为0.5到0.95，而等效变压器的T型电感的耦合系数范围可从0.2到0.95)是一个可以灵活设计的变量，因此可以灵活的应用于宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的电路设计。

根据上述技术方案，所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的电感Q值大于10，小于20。

电感是导体的一种性质，用导体中感生的电动势或电压与产生此电压的电流变化率之比来量度。稳恒电流产生稳定的磁场，不断变化的电流(交流)或涨落的直流产生变化的磁场，变化的磁场反过来使处于此磁场的导体感生电动势。感生电动势的大小与电流的变化率成正比，比例因数称为电感。

电感是闭合回路的一种属性，一般分为自感和互感，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变，这种电感称为自感，是闭合回路自己本身的属性；若一个闭合回路的电流改变，由于感应作用而产生电动势于另外一个闭合回路，这种电感称为互感。

而两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感，互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。

而电感Q值，也叫电感的品质因数，是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比，电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高；

而采用了SiGe工艺基于传输线结构的低噪声放大器，传输线的Q值一般在5以内，甚至低至2左右，这会降低基于传输线的低噪声放大器的增益；因此在增大电感Q值后，可以充分提高效率，因此本设计提出基于T型电感结构的等效低耦合系数的变压器，相对于传输线的Q值，片上电感的Q值一般超过10，最大者可以接近20，而T型电感结构的等效低耦合系数的变压器不同于变压器的电磁场耦合，其直接连接的特性可降低其匹配网络的插损。

品质因数描述了回路的储能与它一周耗能之比，因为同频带与品质因数之积为回路的谐振频率。所以，在保证谐振点的情况下品质因数与通频带的宽窄是一对矛盾。所以不能说品质因数越高越好，还要看其对频带的要求。

在选频电路(选用某一频率)、阻波电路(阻止某一频率)、吸收电路(衰减某一频率)、陷波电路(去掉某一频率)中都是利用或者去掉某一个频率f，此时Q值越大越好，这是利用谐振电路在谐振时的频率f，当LC并联谐振电路发生谐振时，电路阻抗最大，相当于断路，使频率为f的频率信号不能通过，达到阻止此信号的目的。当LC串联谐振电路发生谐振时，阻抗最小，相当与短路，此时频率为f的频率很容易通过，而其它的信号频率被阻止，就能达到选频的目的；

而在本设计中，T型电感结构的等效低耦合系数的变压器不同于变压器的电磁场耦合，其直接连接的特性可降低其匹配网络的插损。相较于传统的变压器，基于T型电感结构的等效低耦合系数的变压器，其单个电感值到达100pH时，自谐振频率仍然大于200GHz，因此可用于太赫兹电路设计。

太赫兹波是指频率在0.1至10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。

太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。

太赫兹用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信，本发明可以应用于太赫兹的放大器电路，能够对国民经济和国家安全提供重要价值。

根据上述技术方案，所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的单个电感值到达100pH时，自谐振频率大于200GHz。

根据上述技术方案，在该放大器中，输入输出级采用了传统的片上变压器，用来将单端信号转成差分信号。

根据上述技术方案，高频电感在电路中，可以与电容一起组成匹配网络，消除器件与传输线之间的阻抗失配，减小反射和损耗；也可以与电容一起组成LC滤波器，滤出一些不想要的频率成分，防止干扰器件工作；在PA等有源射频电路中，可以将射频信号与直流偏置和直流电源隔离；与电容一起构成LC振荡电路，作为VCO的振荡源；也可以与电容一起构成LC巴仑，实现单端射频信号与差分信号之间的转换。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明利用T型电感结构有效地提高了电感Q值，而且T型电感结构的等效低耦合系数的变压器不同于变压器的电磁场耦合，其直接连接的特性可降低其匹配网络的插损，进而提高电路增益；

2、本发明T型电感结构的等效低耦合系数的变压器，其单个电感值到达100pH时，自谐振频率仍然大于200GHz，而一般变压器的初级和次级电感接近100pH，变压器的自谐振频率将降低到150GHz以内，因此本发明可以用于太赫兹的放大器电路；

3、本发明T型电感结构的等效低耦合系数的变压器与传统的片上变压器具有等效的功能，同时其克服了传统变压器主线圈和次级线圈之间大耦合电容的缺陷，从而大大提高了等效变压器的T型电感的自谐振频率；

4、本发明T型电感结构的等效低耦合系数的变压器的耦合系数范围可从0.2到0.95，并且可以进行灵活设计，而传统变压器其主线圈和次级线圈之间大耦合系数无法单独设计，是寄生于主次线圈的一个寄生参数，因此本发明更加完善和全面；

5、本发明可以应用在太赫兹电路的设计中，太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信，而且由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，本发明可以为太赫兹电路设计提供基础。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的电路图；

图2是本发明一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的T型电感的版图；

图3是本发明一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的片上变压器示意图；

图4是本发明一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的T型电感结构的等效低耦合系数的变压器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供技术方案：如图1所示，一种新型宽带太赫兹CMOS低噪声放大器，该放大器包括偏置器、片上变压器、T型电感结构的等效低耦合系数的变压器、运算放大器；

所述偏置器用于进行馈电，作为放大器电路的输入端进行供电；所述片上变压器用于提高增益、增大调谐范围及降低功耗；所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器其功能等效于片上变压器，用于进一步降低匹配网络的插损，提高电路增益；所述运算放大器用于进行阻抗变换；

所述偏置器与运算放大器相连接；所述片上变压器与运算放大器相连接；所述运算放大器与T型电感结构的等效低耦合系数的变压器相连接。

所述片上变压器包括初级线圈、次级线圈；

所述初级线圈与次级线圈以同侧并联的方式进行连接。

所述片上变压器的电压计算方式如下：

V

其中，V

所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器的电压计算方式如下：

V

其中，V

所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的耦合系数的范围为0.2到0.95，是一个可以灵活设计的变量。

所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的电感Q值大于10，小于20。

所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的单个电感值到达100pH时，自谐振频率大于200GHz。

在该放大器中，输入输出级采用了传统的片上变压器，用来将单端信号转成差分信号。

在本实施例中：

设置有一种T型电感结构的等效低耦合系数的变压器和片上变压器，对两种结构下的变压器进行电压计算；

所述片上变压器包括初级线圈、次级线圈；

所述初级线圈与次级线圈以同侧并联的方式进行连接。

所述片上变压器的电压计算方式如下：

V

其中，V

所述T型电感结构的等效低耦合系数的变压器的电压中的计算方式如下：

V

其中，V

因此，可得出V

即可知片上变压器等效电路和T型电感结构的等效低耦合系数的变压器电路是等效的，即等效变压器的T型电感与传统的片上变压器具有等效的功能，因此将其应用于宽带太赫兹CMOS低噪声放大器的电路设计。

其中T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的耦合系数设置为0.5；T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的电感Q值为15；并且在T型电感结构的等效低耦合系数的变压器中的单个电感值到达100pH时，自谐振频率大于200GHz。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。