ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
HIGH-FREQUENCY WIDEBAND AMPLIFIER ON MOS TRANSISTORS

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при построении входного каскада в интегральных КМОП радиоприемных устройствах радиочастотного диапазона.
Известен высокочастотный широкополосный усилитель на МОП-транзисторе с включением по схеме с общей базой (патент RU №2365028, МПК H03F 3/189, опубл. 20.08.2009, бюл. №23). Структура усилителя позволяет добиться согласования по входу без применения цепей обратной связи. Однако условие согласования импедансов накладывает ограничение на величину передаточной проводимости МОП-транзистора, что не позволяет реализовать широкую полосу частот.
Известен высокочастотный широкополосный усилитель «Low noise amplifiers for low-power impulse radio ultra-wideband receivers» (EP 1833162, МПК H03F 3/72, опубл. 12.09.2007), построенный по дифференциальной схеме на МОП-транзисторах с включением по схеме с общим затвором. Структура усилителя позволяет получить согласование с источником сигнала при произвольной передаточной проводимости МОП-транзистора за счет подключения истока и затвора МОП-транзистора к дифференциальному входу усилителя. Однако данная схема может быть реализована только в балансном усилителе.
Известен высокочастотный широкополосный усилитель «Ultra Broad-band Low Noise Amplifier Utilizing Dual Feedback Technique» (US 7339436, МПК H03F 1/34, опубл. 4.03.2008), построенный на МОП-транзисторе с включением по схеме с общим истоком с использованием отрицательной обратной связи двух типов: последовательной по току и емкостной параллельной по напряжению, что позволяет добиться согласования в широкой полосе частот. Однако использование отрицательной емкостной параллельной обратной связи по напряжению увеличивает зависимость коэффициента усиления от частоты, что приводит к сужению полосы рабочих частот.
Известны высокочастотные широкополосные усилители (Gharpurey R.А Broadband Low-Noise Front-End Amplifier for Ultra Wideband in 0.13-um CMOS // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.40, no.9, September 2005, pp.1983-1986, Karanicolas A.N. A 2.7-V 900-MHz CMOS LNA and Mixer // IEEE J. Solid-State Circuits, vol.31, no.12, Dec. 1996, pp.1939-1944), построенные на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, с использованием отрицательной параллельной обратной связи по напряжению. Данная структура позволяет согласовать усилитель с источником сигнала, однако с уменьшением коэффициента усиления из-за емкостного характера нагрузки уменьшается глубина обратной связи. Как следствие возникает рассогласование на высоких частотах, которое ограничивает рабочую полосу усилителя.
По наибольшему числу признаков за ближайший аналог (прототип) предлагаемого устройства выбран высокочастотный широкополосный усилитель на МОП-транзисторах, описанный в работе: Kim W. et al., An Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier for 3-5-GHz UWB System // IEEE Journal of Solid-State Circuits, V 40, N 2, Feb 2005, pp.544-547, Fig.2(a).
Высокочастотный широкополосный усилитель построен по двухкаскадной схеме на четырех МОП-транзисторах. Первый каскад усилителя построен на основе каскодной пары первого и второго МОП-транзисторов с включением по схеме с общим истоком. Между истоком первого МОП-транзистора и общим узлом включена индуктивность последовательной обратной связи по току. К затвору первого МОП-транзистора подключена индуктивность для обеспечения согласования усилителя по входу. Цепь нагрузки подключена между источником питания и стоком второго транзистора. Второй каскад усилителя построен на МОП-транзисторах и представляет повторитель напряжения. Схема высокочастотного широкополосного усилителя содержит резистивно-емкостную цепь параллельной обратной связи по напряжению. Цепь обратной связи включена между стоком МОП-транзистора в каскодном включении и затвором первого МОП-транзистора. На входе и на выходе усилителя подключены разделительные конденсаторы.
При описанном включении резистивно-емкостной цепи параллельной обратной связи по напряжению обеспечение согласования в диапазоне частот достигается за счет уменьшения добротности колебательного контура, который соответствует эквивалентной схеме входного импеданса. Уменьшение добротности приводит к расширению полосы согласования в области резонансной частоты эквивалентного последовательного колебательного контура. Однако при этом ухудшается согласование в области низких частот, что приводит к уменьшению полосы рабочих частот усилителя. При стандартной КМОП-технологии с минимальным разрешением 0.18-мкм полоса частот согласования составляет, как правило, от 3 до 5 ГГц.
Задачей изобретения является расширение полосы частот согласования для расширения рабочей полосы частот усилителя за счет изменения порядка включения элементов обратной связи и согласующих элементов.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу высокочастотный широкополосный усилитель построен по двухкаскадной схеме на четырех МОП-транзисторах. Первый каскад усилителя построен на МОП-транзисторе с включением по схеме с общим истоком, между затвором которого и входом усилителя подключено последовательное соединение согласующей индуктивности и входного разделительного конденсатора. Причем к входу усилителя подключен входной разделительный конденсатор. Первый резистор включен между затвором первого МОП-транзистора и первым источником напряжения смещения. Индуктивность обратной связи, подключенная между истоком первого МОП-транзистора и общим узлом, является элементом последовательной обратной связи по току. Второй МОП-транзистор в каскодном включении подключен истоком к стоку первого МОП-транзистора, затвором - непосредственно к первому источнику питания, а стоком - к первому источнику питания через цепь нагрузки. Цепь нагрузки представляет последовательно соединенные второй резистор и индуктивность нагрузки. Причем к узлу подключения первого источника питания подключена индуктивность нагрузки. Второй каскад усилителя построен на третьем МОП-транзисторе с включением по схеме с общим стоком и представляет повторитель напряжения. Затвор третьего МОП-транзистора соединен со стоком второго МОП-транзистора, сток - со вторым источником питания, а исток - с выходом усилителя через выходной разделительный конденсатор. Исток третьего МОП-транзистора также соединен со стоком четвертого МОП-транзистора, затвор которого подключен ко второму источнику напряжения смещения, а исток которого соединен с общим узлом. Схема высокочастотного широкополосного усилителя также содержит третий резистор, подключенный одним выводом к стоку второго МОП-транзистора, а другим - к первой обкладке конденсатора обратной связи. В отличие от прототипа вторая обкладка конденсатора обратной связи подключена к узлу соединения входного разделительного конденсатора и согласующей индуктивности, причем согласующая индуктивность соединена с затвором первого МОП-транзистора.
Подключение цепи, параллельной обратной связи по напряжению, в отличие от прототипа не на затвор первого транзистора, а к узлу соединения входного разделительного конденсатора и согласующей индуктивности, приводит к изменению эквивалентной схемы входного импеданса, который может быть представлен как две цепи, включенные параллельно. Первая цепь представляет последовательный колебательный контур, обладающий низким входным сопротивлением на резонансной частоте контура, что позволяет осуществлять согласование в области высоких частот. Вторая цепь - последовательное соединение активного сопротивления и импеданса индуктивного характера, обладающее низким входным сопротивлением на частотах, близких к нулю, что позволяет осуществлять согласование в нижнем диапазоне частот. Таким образом, согласование усилителя в отличие от прототипа достигается не только в области резонансной частоты, а в широком диапазоне частот.
g
s
d
b
Сущность изобретения иллюстрируется следующими графическими материалами. Схема высокочастотного широкополосного усилителя на МОП-транзисторах показана на фиг.1, на которой приняты следующие обозначения: 1 - первый МОП-транзистор M1; 2 - согласующая индуктивность L; 3 - входной разделительный конденсатор C1; 4 - вход усилителя; 5 - первый резистор R1; 6 - первый источник напряжения смещения; 7 - индуктивность обратной связи L; 8 - общий узел; 9 - второй МОП-транзистор М2; 10 - первый источник питания; 11 - второй резистор R2; 12 - индуктивность нагрузки L; 13 - третий МОП-транзистор M3; 14 - второй источник питания; 15 - выход усилителя; 16 - выходной разделительный конденсатор С2; 17 - четвертый МОП-транзистор М4; 18 - второй источник напряжения смещения; 19 - третий резистор R3; 20 - конденсатор обратной связи C.
21
11
22
21
11
22
На фиг.2. показаны частотные зависимости S-параметров усилителя: модуль параметра S, модуль параметра S и модуль параметра S. Параметр |S| обозначен треугольниками, параметр |S| - квадратами, параметр |S| - ромбами.
Высокочастотный широкополосный усилитель состоит из двух каскадов. Первый каскад обеспечивает согласование и усиление сигнала и построен на МОП-транзисторах, причем первый МОП-транзистор (1) включен по схеме с общим истоком. Между затвором первого МОП-транзистора (1) и входом усилителя (4) подключено последовательное соединение согласующей индуктивности (2) и входного разделительного конденсатора (3). Причем к входу усилителя (4) подключен входной разделительный конденсатор (3). Первый резистор (5) включен между затвором первого МОП-транзистора (1) и первым источником напряжения смещения (6). Индуктивность обратной связи (7) подключена между истоком первого МОП-транзистора (1) и общим узлом (8) для обеспечения последовательной обратной связи по току. Второй МОП-транзистор (9) работает в каскодном включении и подключен истоком к стоку первого МОП-транзистора (1), затвором - непосредственно к первому источнику питания (10), а стоком - к первому источнику питания (10) через цепь нагрузки, которая является последовательным соединением второго резистора (11) и индуктивности нагрузки (12). Причем к узлу подключения первого источника питания (10) подключена индуктивность нагрузки (12). Второй каскад усилителя является повторителем напряжения и построен на третьем (13) и четвертом (17) МОП-транзисторах, входящих в высокочастотный широкополосный усилитель.
Третий МОП-транзистор (13) с включением по схеме с общим стоком для обеспечения согласования высокочастотного широкополосного усилителя по выходу подключен стоком ко второму источнику питания (14), затвором - к коллектору второго МОП-транзистора (9), а истоком - к стоку четвертого МОП-транзистора М 4 (17) и выходу усилителя (15) через выходной разделительный конденсатор (16). Четвертый МОП-транзистор (17), затвор которого подключен ко второму источнику напряжения смещения (18), а исток - к общему узлу (8), представляет собой источник тока. В схему высокочастотного широкополосного усилителя также входят третий резистор (19) и конденсатор обратной связи (20), которые подключены последовательно и образуют цепь параллельной обратной связи по напряжению. Причем третий резистор R3 (19) подключен одним выводом к стоку второго МОП-транзистора, а другим - к первой обкладке конденсатора обратной связи (20). Вторая обкладка конденсатора обратной связи (20) подключена к узлу соединения первого вывода согласующей индуктивности (2) и первого вывода входного разделительного конденсатора (3). Второй вывод согласующей индуктивности (2) подключен к затвору первого МОП-транзистора (1), а второй вывод входного разделительного конденсатора (20) подключен к входу усилителя (4).
Усилитель работает следующим образом.
Входной сигнал, поступая на вход (4) высокочастотного широкополосного усилителя, через входной разделительный конденсатор (3) и согласующую индуктивность (2) подается на затвор первого МОП-транзистора (1) и создает на затворе первого МОП-транзистора (1) напряжение, управляющее током стока первого МОП-транзистора (1). Ток стока первого МОП-транзистора (1) протекает через второй МОП-транзистор (9) и протекает через цепь нагрузки в виде последовательного соединения второго резистора (11) и индуктивности нагрузки (12), создавая на стоке второго МОП-транзистора (9) напряжение, которое представляет собой усиленный входной сигнал. Данное напряжение подается на выход усилителя (15) через повторитель напряжения, состоящий из третьего (13) и четвертого (17) МОП-транзисторов, и выходной разделительный конденсатор (16). В результате на выходе усилителя (15) появляется усиленный входной сигнал. Ток стока первого МОП-транзистора (1), протекая через индуктивность обратной связи (7), создает на истоке первого МОП-транзистора (1) напряжение, которое уменьшает напряжение, управляющее током стока первого МОП-транзистора (1), что приводит к появлению последовательной обратной связи по току. Напряжение между стоком второго МОП-транзистора (9) и входом усилителя (4) приводит к возникновению тока через последовательное соединение конденсатора обратной связи (20) и третьего резистора (19), что приводит к появлению параллельной обратной связи по напряжению. Причем при низких частотах входного сигнала доминирует параллельная обратная связь по напряжению, поскольку с ростом частоты падение напряжение на индуктивности обратной связи (7) незначительно. Ток, протекающий через цепь параллельной обратной связи по напряжению, также является и входным током усилителя, что приводит к уменьшению входного импеданса усилителя и обеспечивает согласование усилителя на низких частотах. С ростом частоты в результате уменьшения напряжения на стоке второго МОП-транзистора (9) из-за наличия паразитных емкостей ток в цепи, параллельной обратной связи по напряжению, уменьшается, что приводит к увеличению входного импеданса усилителя и рассогласованию усилителя по входному импедансу. Однако на высоких частотах падение напряжения на индуктивности обратной связи (7) увеличивается, что приводит к появлению последовательной обратной связи по току. Обратная связь по току компенсирует рассогласование, что, таким образом, приводит к расширению рабочей полосы усилителя.
21
11
22
Для подтверждения работоспособности проведено моделирование усилителя. Результаты моделирования усилителя, выполненного с использованием КМОП-технологии с минимальным разрешением 0.18 мкм, приведены на фиг.2. Показаны частотные зависимости модуля параметра S, модуля параметра S и модуля параметра S. Из результатов моделирования видно, что частотный диапазон усилителя составляет 3.1-10.6 ГГц.