[发明专利]使用具有任意耦合系数的片上变压器的毫米波放大器单向化网络

说明书

技术领域

本发明涉及一种毫米波放大器单向化网络，具体说是一种采用半导体集成电路工艺制作、使用片上螺旋变压器以改善毫米波共源放大器反向隔离度的电路网络结构。

背景技术

晶体管内部的寄生电容，尤其是栅极和漏极之间的寄生的电容，会在管子内部引入寄生的反向信号耦合通路，这种内部的反馈通路常常会给毫米波放大器的设计带来不利的影响。例如，在设计一个多级共源放大器时，调节每一级放大器的输出匹配网络时输入阻抗会受到影响，需要重新设计输入匹配网络；设计好输入匹配网络后，晶体管的输出阻抗又会发生改变，反过来又需要重新设计输出匹配网络，从而影响整个放大器的设计。为了解决毫米波放大器隔离度不好的问题，常常需要使用共源共栅结构的放大器，即将一个共源结构的晶体管和一个共栅结构的晶体管叠起来使用。但是相比于共源结构，共源共栅结构需要两倍的漏极电压，不利于应用在低电源电压环境中。此外，共源共栅结构中的共栅结构晶体管常常会引入额外的噪声，影响整个放大器的噪声性能。

另一个提高放大器反向隔离度的方法是通过在晶体管外围增加额外的电路网络，谐振或抵消掉管子内部的寄生电容，从而改善反向隔离度。这种方法常常被称为放大器单向化技术。传统的单向化技术主要包括在共源放大器上加入额外的片上电感和片上变压器等。在晶体管栅极和漏极之间接上额外的电感后，可以在电感和晶体管栅-漏电容之间构成并联谐振回路，抵消寄生电容的影响，提高反向隔离。但是这种方法常常需要使用感值很大的寄生电感，需要占用较大的芯片面积。使用片上变压器的单向化技术后，相比电感而言版图的面积可以得到有效减小。传统的变压器单向化技术是在晶体管的漏极和源极之间加入变压器的初、次级线圈，需要使用耦合系数接近1的强耦合变压器。然而在毫米波频段，实现耦合系数接近1的强耦合片上变压器比较困难，因为增大变压器初、次级线圈耦合的同时常常会在变压器中引入更多寄生电容，从而降低变压器的自谐振频率。

因此，需要发明一种能够使用具有任意耦合系数的片上变压器、同时应用于低电源电压共源放大器结构中的毫米波放大器单向化电路网络。

发明内容

发明目的：本发明的目的是设计一种能够使用具有任意耦合系数的片上变压器、同时应用于低电源电压共源放大器结构中的毫米波放大器单向化电路网络。

本发明采用如下技术方案：

一种使用片上变压器的毫米波放大器单向化网络，它包括共源极结构放大器、片上螺旋变压器。将片上螺旋变压器连接在共源极结构放大器的栅极和漏极之间。其中，变压器的次级线圈感应电压，通过变压器耦合到初级线圈中，再以电流的形式反馈到栅极上，形成电压-电流负反馈的结构。假设变压器初、次级

Lsc=nCgd·ω2·k21-k2]]>

线圈的匝数比为n,变压器的耦合系数为k，晶体管的栅漏寄生电容值为C_gd,次级线圈的自电感值为L_sc，ω为放大器工作频段的角频率，当这些参数满足如下关系式时：

可以使共源放大器在该频段内满足单向化条件，谐振抵消晶体管的栅漏寄生电容，大幅提高晶体管的反向隔离度。从上述公式可以看出，该单向化网络对片上变压器的耦合系数没有特别的限制，可以使用任意的耦合系数，适合于用在毫米波频段上。如果需要改变放大器的工作频段，只需要改变变压器次级线圈的自电感值或初次级线圈的匝数比。

本发明具有以下优点：

1）大幅改善毫米波共源放大器的反向隔离度。

2）对片上变压器没有特殊的要求，可以选用任意耦合系数的片上螺旋变压器。

3）适合于低电源电压毫米波放大器的应用场合。

附图说明

图1是本发明中使用任意耦合系数片上变压器的毫米波放大器单向化网络的基本结构原理图；