專利名稱：一種應(yīng)用于uwb系統(tǒng)的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于UWB 3.1 10. 6G標(biāo)準(zhǔn)的具有單端轉(zhuǎn)雙端功能的低噪聲放大器(Single-to-differential LNA)。可用 于移動(dòng)通信、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號(hào)接收機(jī)芯片。
背景技術(shù)：
近年來，隨著各種移動(dòng)通信系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)如IEEE802. lla/b/g、WLAN、 UffB等的飛速發(fā)展，對(duì)高性能的射頻信號(hào)接收機(jī)的需求也在加大。低噪聲放大器是接收器 的第一級(jí)模塊，它與接收機(jī)天線直接相連，將從天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后再將 放大后的信號(hào)傳輸給后級(jí)的Mixer進(jìn)行下一步的處理。一般從抑制來自電源、襯底的噪聲 和其他干擾源的方面考慮LNA都會(huì)采用差分結(jié)構(gòu)，但這樣一方面在實(shí)際的系統(tǒng)中LNA不能 和天線直接相連，因?yàn)樘炀€是單端輸出的，另一方面在測(cè)試電路時(shí)也要在LNA前加入balim 以實(shí)現(xiàn)將信號(hào)單端轉(zhuǎn)雙端的功能。然而balim的引入將會(huì)帶來較大的損耗，同時(shí)引入一定 的噪聲，造成整機(jī)性能的下降。尤其是對(duì)于現(xiàn)在市場(chǎng)情況來說，有著較低損耗的高性能片外 balim通常都是應(yīng)用于窄帶的，用于寬帶的balim通常都有著較高的輸入損耗，同時(shí)也會(huì)增 加整個(gè)鏈路的噪聲。因此，研究一個(gè)將balun和LNA的功能合二為一的電路將是一個(gè)不錯(cuò) 的選擇。傳統(tǒng)技術(shù)中單轉(zhuǎn)雙電路的實(shí)現(xiàn)通常采用圖1所示的方式。但由于電路結(jié)構(gòu)本身的 限制，要想實(shí)現(xiàn)超寬頻如UWB的頻段是非常困難的。首先是輸入匹配方面，對(duì)于圖1所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在共柵管的源端和共源管的柵 端通過一個(gè)電阻接地，這樣輸入匹配將由電阻Rb、共柵管跨導(dǎo)gm以及輸入端寄生電容(包 括pad電容，MOS管寄生電容，連線寄生電容等)決定。由于輸入端寄生電容一般較大，因 此當(dāng)頻段較高時(shí)，使得輸入阻抗Zin(如表達(dá)式1所示)產(chǎn)生了一個(gè)極點(diǎn)，從而難以實(shí)現(xiàn)超寬 頻的匹配。<formula>formula see original document page 3</formula>
式(1)中Cin表示輸入端寄生電容，包括pad電容，MOS管寄生電容，連線寄生電容 等，gm。g表示輸入共柵管的跨導(dǎo)。其次是增益方面，對(duì)于圖1所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其負(fù)載采用的是單純的電阻負(fù)載。在 高頻的情況下，由于負(fù)載端寄生電容產(chǎn)生的極點(diǎn)的作用，增益會(huì)有較大的下降，從而限制增 益的帶寬，使之難以實(shí)現(xiàn)超寬頻范圍內(nèi)的增益平坦。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了 一種低噪聲放大器，可應(yīng)用于滿足UffB(3. 1 10. 6GHz)標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)中。該發(fā)明除了能夠滿足一般低噪聲放大器的低噪聲、高增益、增益平坦等的要求外還要能夠?qū)崿F(xiàn)balim的功能，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)單端輸入、雙端 輸出的功能。本發(fā)明設(shè)計(jì)的低噪聲放大器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它由輸入寄生參數(shù)等效級(jí)、輸 入級(jí)、負(fù)載級(jí)三部分組成。其單端輸入為Vin，差分輸出為v。ut ；其中所述的輸入寄生參數(shù)等效級(jí)由串聯(lián)電感Lb。nding和并聯(lián)電容Cpad組成，串聯(lián)電感模 擬bonding線的寄生電感，并聯(lián)電容模擬PAD的寄生電容和ESD電路的寄生電容；串聯(lián)電感 和并聯(lián)電容與芯片內(nèi)的輸入隔直電容Cca相連；所述的輸入級(jí)由共柵管M。g、輸入電感L。g和共源管M。s組成，其中共柵管和輸入電 感在共柵支路，共源管在共源支路；共柵管和共源管既作為輸入管，同時(shí)也作為放大管，起 到放大的作用；共柵管的源極和輸入隔直電容Ccl以及另一隔直電容c。2相連，同時(shí)通過輸 入電感接地，共源管的柵極和另一隔直電容(;2相連，源極直接接地；所述負(fù)載級(jí)包括串聯(lián)電阻R。g、R。jn串聯(lián)差分電感L，串聯(lián)電感用來提高帶寬；其中 串聯(lián)電阻R。g在共柵支路，該串聯(lián)電阻R。g的一端和共柵管的漏端相連，構(gòu)成輸出的正端，另 一端和串聯(lián)差分電感相連；串聯(lián)電阻R。s在共源支路，該串聯(lián)電阻R。s的一端和共源管的漏 端相連，構(gòu)成輸出的負(fù)端，另一端和串聯(lián)差分電感相連；串聯(lián)差分電感的另外兩端分別連接 襯底SUB和電源VDD。相對(duì)于傳統(tǒng)的只能用于較低頻帶的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明主要做了如下改進(jìn)首先，輸入級(jí)采用了一個(gè)輸入電感。如圖2中所示，此時(shí)輸入阻抗將由輸入電感、 共柵管跨導(dǎo)gm以及輸入端寄生電容(包括pad電容，MOS管寄生電容，連線寄生電容等)決 定。由于輸入電感的引入，將在很大程度上抵消輸入端寄生電容帶來的影響，使輸入匹配可 以在超寬頻的頻帶內(nèi)保持較好的結(jié)果。如表達(dá)式(1)所示<formula>formula see original document page 4</formula>(2)式(2)中Cin表示輸入端寄生電容，包括pad電容，MOS管寄生電容，連線寄生電容 等，gm。g表示輸入共柵管的跨導(dǎo)。當(dāng)采用了輸入電感來改善輸入匹配后，共源管軋3和共柵支路之間就需要使用隔 直電容C。，對(duì)共源管M。s采取另外加偏置，這樣雖然在版圖時(shí)會(huì)由于電容C。而引入一定的額 外寄生電容，但這樣消除了共柵支路對(duì)共源管的偏置電壓的限制，使得對(duì)共源管M。s的工作 點(diǎn)的調(diào)整有了很大的自由度，而這一點(diǎn)在本結(jié)構(gòu)中有著很重要的作用。如附圖3的噪聲抵 消原理圖所示，當(dāng)共柵支路和共源支路的增益相等時(shí)，共柵管的噪聲在輸出端可以被抵消。 根據(jù)表達(dá)式(3)，共源管M。s的跨導(dǎo)越大，電路噪聲越小，提高M(jìn)。s的跨導(dǎo)可以通過提高共源 管M。s的寬長(zhǎng)比或是增大M。s的過驅(qū)動(dòng)電壓來實(shí)現(xiàn)，然而共源管M。s的寬長(zhǎng)比較大時(shí)，會(huì)引入 較大的柵源寄生電容，大大影響輸入匹配。因此在確定共源管M。s的寬長(zhǎng)比后，可以通過調(diào) 整M。s的偏置電壓來調(diào)整M。s的跨導(dǎo)，從而改善電路的噪聲性能。<formula>formula see original document page 4</formula> 其次，負(fù)載級(jí)采用串聯(lián)差分電感的方式。在負(fù)載端串聯(lián)電感后，經(jīng)過仔細(xì)的電路調(diào) 整，可以在適當(dāng)?shù)念l點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，從而可以抵消一部分由輸出端寄生電容所導(dǎo)致的極點(diǎn)的作用。當(dāng)不考慮負(fù)載電感時(shí)，增益如表達(dá)式(4)所示
<formula>formula see original document page 5</formula>式(4)中C。g和C。s分別表示共柵支路和共源支路的負(fù)載端寄生電容?？梢奀。g和
c。s分別在其各自支路產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，限制了帶寬。當(dāng)加入電感后，增益將變?yōu)镾fm ；^^形
式，經(jīng)過合適的取值，可以在合適的頻點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，從而可以提高高頻處增益，這樣就 可以改善增益平坦度，進(jìn)而擴(kuò)展帶寬，從而可以實(shí)現(xiàn)用于UWB全頻段的單轉(zhuǎn)雙LNA。本發(fā)明LNA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。同時(shí)由于輸入端及負(fù)載端采用電感，可以實(shí)現(xiàn)超寬 頻范圍的很好的匹配和增益平坦，在此基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了較低的噪聲和較高的線性度。此外， 該電路還實(shí)現(xiàn)了單端轉(zhuǎn)雙端的功能，便于和天線直接相連，促進(jìn)了芯片的進(jìn)一步集成。


圖1普通單轉(zhuǎn)雙結(jié)構(gòu)LNA的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本發(fā)明單轉(zhuǎn)雙LNA電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3噪聲抵消原理示意圖。圖4輸出測(cè)試buffer示意圖。圖5本設(shè)計(jì)具體實(shí)施實(shí)例的輸入匹配仿真圖。圖6本設(shè)計(jì)具體實(shí)施實(shí)例的增益仿真圖。圖7本設(shè)計(jì)具體實(shí)施實(shí)例的噪聲仿真圖。圖8本設(shè)計(jì)具體實(shí)施實(shí)例的輸入?yún)⒖既A交調(diào)點(diǎn)仿真圖。
具體實(shí)施例方式如圖2中本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖所示，輸入信號(hào)先經(jīng)過串聯(lián)bonding電感 Lbmding (模擬芯片bonding時(shí)bonding線所引入的寄生電感，在InH左右)和并聯(lián)pad電容 Cpad(模擬芯片的PAD和ESD電路所引入的寄生電容，在IOOfF左右)后經(jīng)隔直電容Cel至共 柵支路和共源支路的輸入點(diǎn)①。對(duì)于共柵支路，①經(jīng)輸入電感L。g接地，同時(shí)接輸入共柵管 Mcg的源端，M。g的漏端為輸出的正端，同時(shí)接負(fù)載電阻R。g，R。g的另一端接負(fù)載差分電感L的 一端。對(duì)于共源支路，①經(jīng)隔直電容C。2接輸入共源管M。s的柵端，同時(shí)M。s的柵端經(jīng)偏置電 阻接一個(gè)偏置電壓。M。s管的源端接地，漏端為輸出的負(fù)端，同時(shí)接負(fù)載電阻R。s，R。s的另一 端接負(fù)載差分電感L的另一端。將該結(jié)構(gòu)的單轉(zhuǎn)雙低噪聲放大器應(yīng)用于MB-OFDM UffB全頻段(3 10G)的單轉(zhuǎn)雙 低噪聲放大器電路中，其具體設(shè)計(jì)參數(shù)為L(zhǎng)bonding = 0. 8nH, Cpad = IOOfF, Ccl = Cc2 = 1. 4pF ；Lcg = 4. InH, L = 3. 5nH, Rcg = 280 Ω，Rcs = 150 ΩffMcg = 25um, ffMcs = 50um, LMcg = Lmcs = 130nm ；Vbl = Vb2 = 550mV ；其中共柵支路電流約為1. 5mA，共源支路電流約為3mA，總電流為4. 5mA,總功耗為5. 4mff0另外輸出測(cè)試buffer使用源跟隨器，其示意圖如附圖2所示，其中Wmi = Wm2 = 32um，ffM3 = Wm4 = 8um，Lmi = Lm2 = Lm3 = Lm4 = 130nm，Vb3 = 1. 2V, Vb4 = 900mV,電流約為 5mA,功耗為6mW。電路仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示，從圖示中可以看出在頻段3 IOG范圍內(nèi)，Sll < -IOdB, S21 在 15 13. 3dB，NF 在 4. 5 3. 7 之間，線性度 IIP3 約為 3. 8dBm。 可以看出，電路具有良好的寬帶性能。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于UWB系統(tǒng)的單端輸入差分輸出的低噪聲放大器，其特征在于該低噪聲放大器由輸入寄生參數(shù)等效級(jí)、輸入級(jí)、負(fù)載級(jí)三部分組成；其單端輸入為Vin，差分輸出為Vout；其中所述的輸入寄生參數(shù)等效級(jí)由串聯(lián)電感(Lbonding)和并聯(lián)電容(Cpad)組成，串聯(lián)電感模擬bonding線的寄生電感，并聯(lián)電容模擬PAD的寄生電容和ESD電路的寄生電容；串聯(lián)電感和并聯(lián)電容與芯片內(nèi)的輸入隔直電容(Cc1)相連；所述的輸入級(jí)由共柵管(Mcg)、輸入電感(Lcg)和共源管(Mcs)組成，其中共柵管和輸入電感在共柵支路，共源管在共源支路；共柵管和共源管既作為輸入管，同時(shí)也作為放大管，起到放大的作用；共柵管的源極和輸入隔直電容(Cc1)以及另一隔直電容(Cc2)相連，同時(shí)通過輸入電感接地，共源管的柵極和另一隔直電容(Cc2)相連，源極直接接地；所述負(fù)載級(jí)包括串聯(lián)電阻(Rcg、Rcs)和串聯(lián)差分電感(L)，串聯(lián)電感用來提高帶寬；其中串聯(lián)電阻(Rcg)在共柵支路，該串聯(lián)電阻(Rcg)的一端和共柵管的漏端相連，構(gòu)成輸出的正端，另一端和串聯(lián)差分電感相連；串聯(lián)電阻(Rcs)在共源支路，該串聯(lián)電阻(Rcs)的一端和共源管的漏端相連，構(gòu)成輸出的負(fù)端，另一端和串聯(lián)差分電感相連；串聯(lián)差分電感的另外兩端分別連接襯底SUB和電源VDD。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻無線接收機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單端輸入差分輸出的單轉(zhuǎn)雙CMOS低噪聲放大器(LNA)，該低噪聲放大器可以應(yīng)用3.1～4.8GHz、3.1～10.6GHz的超寬帶(UWB)射頻前端中。它由輸入寄生參數(shù)等效級(jí)、輸入級(jí)、負(fù)載級(jí)三部分組成。其中輸入寄生參數(shù)等效級(jí)由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成，輸入級(jí)由共柵管、輸入電感和共源管組成，負(fù)載級(jí)由串聯(lián)電阻和串聯(lián)電感組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，使用頻帶寬，除了實(shí)現(xiàn)一般寬帶LNA的低噪聲、高增益功能外，還實(shí)現(xiàn)了單端輸入差分輸出的功能。
文檔編號(hào)H03F3/45GK101807883SQ201010141720
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者周鋒, 張楷晨, 李寧 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)