專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用噪聲抵消技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用噪聲抵消技術(shù)、高增益且有良好輸入匹配的CMOS超寬帶低噪聲放大器電路的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：
超寬帶(UWB)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，人們對(duì)高速無(wú)線通信提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)又被重新提出，并倍受關(guān)注。UWB與常見(jiàn)的通信方式使用連續(xù)的載波不同，它采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps。在高速通信的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一，對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)備共享帶寬。所以，UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式，它有望在無(wú)線通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于2002年公布了允許民用的UWB頻段，即3.1～10.6GHz，限制其發(fā)射功率(平均EIRP不超過(guò)-41.2dBm/MHz)，并對(duì)UWB信號(hào)做出了定義，即信號(hào)帶寬大于500MHz或者信號(hào)帶寬與載波頻率之比大于0.2)。目前，在UWB系統(tǒng)的定義上存在兩種方案，直接序列(DS-CDMA)和多帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)，其都定位在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸速率在2米時(shí)達(dá)到480Mbps，在10米時(shí)也有110Mbps，這已經(jīng)能夠滿足室內(nèi)視頻多媒體實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?。?006年1月電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)下的802.15.3a工作組解散以來(lái)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)走上了事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)道路。前者以Freescale公司為核心，后者受到各大廠商的支持，如Intel，TI，Samsung，Philips，Nokia等。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)說(shuō)，F(xiàn)reescale于2006年退出了旨在推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程的UWB論壇組織(UWB-Forum)，并宣稱(chēng)將致力于把DS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于無(wú)線USB中，并把自己的產(chǎn)品應(yīng)用到部分多媒體設(shè)備上。后者成立的Wimedia聯(lián)盟則將自己的標(biāo)準(zhǔn)作為一種物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣，受到USB-IF，無(wú)線1394等組織的認(rèn)可，在與藍(lán)牙特別興趣小組(SIG)合作后，該技術(shù)有了更大的應(yīng)用平臺(tái)。2007年3月，MB-OFDM的技術(shù)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)采納。
UWB的另一個(gè)特征就是低功耗。對(duì)于射頻收發(fā)機(jī)，一般來(lái)說(shuō)，使用SiGe或者BiCMOS工藝，在同樣的性能條件下可以比使用全CMOS工藝有更低的功耗。但是，隨著CMOS工藝特征尺寸不斷縮小，其截止頻率已經(jīng)達(dá)到SiGe工藝的水平，如65nm工藝的截止頻率達(dá)到了150GHz以上。故現(xiàn)代深亞微米的CMOS工藝完全能夠滿足UWB設(shè)備低功耗的要求。
為了避免與WLAN-802.11a的5GHz工作頻段沖突，目前的方案大致分為兩個(gè)大的頻段低頻段近似為3.1～4.7GHz，作為第一代UWB系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)頻段；高頻段近似為5.8～10.6GHz。另外，在這兩種方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，都使用了無(wú)線通信中必不可少的模塊-低噪聲放大器(LNA)。
低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前端中最關(guān)鍵的模塊之一。在傳統(tǒng)的窄帶LNA中，一般要求電路有低的噪聲系數(shù)、合適的增益、好的輸入匹配及高線性度。而在帶寬達(dá)幾GHz的超寬帶系統(tǒng)中，由于電路工作頻率高，因此在整個(gè)頻段內(nèi)的良好的輸入匹配和平坦合適的增益則是除噪聲特性外最重要也最難達(dá)到的性能要求。
文獻(xiàn)[1]提出了基于交叉耦合輸入的低噪聲放大器，該放大器采用交叉耦合的方式實(shí)現(xiàn)了增益提升，并且抵消了一部分噪聲，從而減小了輸入對(duì)管的噪聲貢獻(xiàn)。但是輸入共柵對(duì)管的噪聲沒(méi)有能夠完全抵消，并且共柵結(jié)構(gòu)的增益受到輸入對(duì)管匹配要求的限制，不能做大，在UWB系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)無(wú)法滿足增益要求，從而導(dǎo)致后級(jí)噪聲等效到輸入端。 W.Zhuo，X.Li，S.Shekhar，et al.A Capacitor Cross-Coupled Common-Gate Low-NoiseAmplifier.IEEE Transactions on circuits and systems.2005，52(12)875-879.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于UWB系統(tǒng)接收機(jī)的在低功耗下有高增益且有良好噪聲性能的CMOS超寬帶低噪聲放大器電路。
本發(fā)明提出的超寬帶低噪聲放大器電路，其結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示，該結(jié)構(gòu)分為4級(jí)，依次為輸入平衡-非平衡(Balun)轉(zhuǎn)換器、輸入匹配級(jí)、放大級(jí)和負(fù)載級(jí)組成。
第一級(jí)平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器由一變壓器組成，可以實(shí)現(xiàn)1∶2阻抗變換的，其中平衡端接信號(hào)源，非平衡端接第三級(jí)的差分信號(hào)輸入端； 第二級(jí)輸入匹配級(jí)，為三端口無(wú)源電感電容網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)端口為輸出端，一個(gè)端口接地，其中輸出端接第三級(jí)的差分信號(hào)輸入端；具體級(jí)數(shù)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)隨工作頻段的不同而不同； 第三級(jí)放大級(jí)為四端口網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端； 兩個(gè)輸入端一共接四個(gè)MOS管；首先，兩個(gè)輸入端接到兩個(gè)源柵交叉耦合的MOS管的源端，每個(gè)MOS管的柵源通過(guò)電容隔直；另外輸入端還串接兩個(gè)隔直的電容，隔直電容再接到兩個(gè)共源MOS管的柵端；這四個(gè)MOS管中，每?jī)蓚€(gè)柵端與接同相信號(hào)的MOS管的漏端相連，然后分別接到共柵管的源端；兩個(gè)輸出端為共柵管的漏端； 第四級(jí)負(fù)載級(jí)為三端口無(wú)源負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，一端接電源，另外兩端接第三級(jí)的輸出端；其中含有電阻電感的串聯(lián)或者并聯(lián)支路，可以含有電容元件，具體依工作頻段的寬窄和使用的工藝而定。
低噪聲放大器的匹配方式可以有電阻負(fù)反饋、共柵極輸入和匹配網(wǎng)絡(luò)匹配三種方式。電阻負(fù)反饋的方式可以在提高增益的同時(shí)獲得較好的匹配性能，但是此方法在輸入和輸出引入了反饋回路，因此穩(wěn)定性很差。匹配網(wǎng)絡(luò)匹配需要較多的電感電容元件，會(huì)占用較大的芯片面積。共柵極輸入的方式不需要復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)，且輸入端的品質(zhì)因數(shù)Q值較易控制，故本發(fā)明采用了共柵輸入的方式。
Balun的等效電路如圖2所示，其基本作用是把單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，一般使用變壓器實(shí)現(xiàn)。單端信號(hào)輸入端為原端，差分信號(hào)輸出端為副端，原端同副端的匝數(shù)比例為

使用該Balun后，一方面，由于兩個(gè)原副端的信號(hào)極性相反，故可以把輸入的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)；另一方面，對(duì)于某一個(gè)共柵管的溝道電流噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓，它可以將其反相轉(zhuǎn)換到另一個(gè)副端，從而為噪聲抵消提供條件，具體原理見(jiàn)3的分析。
輸入匹配級(jí)為一個(gè)電感，它在輸入端提供諧振，以抵消輸入端的容性寄生，該容性寄生來(lái)源于輸入端的ESD、PAD、放大級(jí)的輸入管等。當(dāng)然它不可能在全頻段都提供良好的諧振，但是只要輸入端的Q值小于匹配所需的2，即寄生電容小于某一值，就可以實(shí)現(xiàn)較好的輸入匹配。
放大級(jí)的電路如圖3所示，由MOS管M1、M2、M3、M4、MS1、MS2，電容C1、C2經(jīng)電路連接組成，其中，MOS管M1和M2源端和柵端交叉耦合，提供輸入匹配所需阻抗的實(shí)部，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。MOS管M1和M2構(gòu)成的輸入端的等效電路如圖4所示，流過(guò)vin的電流為gmvin，所以，雙端輸入阻抗為 在阻抗匹配的條件下，有 C1、C2為交叉耦合的隔直電容，用以隔離MOS管M1和M2的源柵直流電壓，方便電路偏置的設(shè)置；MOS管MS1和MS2為共源管其柵端同MOS管M1和M2的柵端通過(guò)電容耦合，這兩個(gè)共源管為主放大級(jí)提供一部分增益，同時(shí)放大共柵管M1和M2的噪聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出端的噪聲抵消；Is為它們的偏置電流；MOS管M3和M4為共柵管，一方面減小信號(hào)輸入端因MOS管MS1和MS2管柵漏電容受Miller效應(yīng)的影響，另一方面可以提供良好的隔離，以保證電路的穩(wěn)定。
負(fù)載級(jí)如圖5所示，其為電感Ld和電阻Rd組成的網(wǎng)絡(luò)?？梢圆捎貌⒙?lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖5(a)，并聯(lián)電感可以有效的提高高頻處的增益，并聯(lián)電阻Rd可以有效的減小負(fù)載的Q值，提供平坦增益。另外，該級(jí)也可以為電感與電阻的串聯(lián)，如圖5(b)所示。
圖6給出了整體示意圖，其中vin為信號(hào)源，vop和von分別為輸出的正負(fù)端。
文獻(xiàn)[1]提出了基于交叉耦合輸入的低噪聲放大器，該結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。
對(duì)比圖6與圖7的電路可知，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)多了共源管MS1和MS2。與圖7所示的結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的電路可以對(duì)輸入共柵管的噪聲完全抵消，同時(shí)可以大大增加電路的增益。
對(duì)于圖7所示的交叉耦合結(jié)構(gòu)的電路，如果只考慮M1管的溝道電流噪聲，可得其小信號(hào)等效電路如圖8所示。
此時(shí)Balun將圖2中的1做為原端，2和3作為副端，則根據(jù)功率相等可知 在理想匹配的情況下Von端輸入阻抗為RS，且根據(jù)匝數(shù)比例，從而有 得到 Z＝RS/3。(5) 令噪聲電流通過(guò)Z產(chǎn)生的電壓為vs，則有 于是 根據(jù)(1)式可有 在M3的漏端，噪聲電壓為 在M4的漏端，噪聲電壓為 故總的輸出噪聲電壓為 從(11)式可知，采用交叉耦合結(jié)構(gòu)后，噪聲電壓減小為原來(lái)的一半。
按照這種分析，如果將M2管流過(guò)的噪聲電流增加，即增加噪聲電壓vs的放大倍數(shù)，則可以在輸出端將M1管得噪聲完全抵消。本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)中增加的MS1管和MS2管正起到了這個(gè)作用。
如圖9所示，為本發(fā)明的小信號(hào)等效電路。對(duì)于M1管引入的溝道電流噪聲，MS1和MS2分別將其放大，且其為抵消M1引入電流噪聲的方向。
按照如上的方法分析輸出噪聲則有 根據(jù)式(1)可知 此時(shí)，若設(shè)計(jì)使得共源管MS1和MS2的跨導(dǎo)滿足 gms＝1/RS，(14) 則M1管產(chǎn)生的噪聲被抵消。
以上分析了其噪聲抵消的原理，下面分析其增益增加的原理。
不考慮Balun，圖7電路的增益可以表示為 A＝2gmZL(15) 而加入共源管MS1和MS2后，不考慮Balun時(shí)，圖6電路的增益為 A＝(2gm+gms)ZL(16) 從而可知，在滿足噪聲抵消的前提下，發(fā)明電路的增益增加了一倍，即6dB。



圖1，本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)圖示。
圖2，本發(fā)明中使用Balun的等效電路。
圖3，本發(fā)明放大級(jí)示意圖。
圖4，本發(fā)明放大級(jí)輸入端等效示意圖。
圖5，本發(fā)明輸出負(fù)載示意圖。其中，圖5(a)，并聯(lián)負(fù)載，圖5(b)，串聯(lián)負(fù)載 圖6，本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)整體電路示意圖。
圖7，文獻(xiàn)[1]中采用的電路示意圖。
圖8，文獻(xiàn)[1]所示電路的噪聲分析示意圖。
圖9，本結(jié)構(gòu)電路的噪聲分析示意圖。
圖10，本發(fā)明具體實(shí)施電路圖。
圖11，MB-OFDM標(biāo)準(zhǔn)的頻率分配示意圖。
圖12，示例S參數(shù)仿真結(jié)果。
圖13，示例噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。

具體實(shí)施例方式 對(duì)本發(fā)明提出的一種適用于UWB系統(tǒng)的超寬帶低噪聲放大器，結(jié)合附圖10，通過(guò)實(shí)例對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步描述，但是不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
假設(shè)輸入信號(hào)源的阻抗為50Ω，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要考慮偏置電路和測(cè)試問(wèn)題。
首先，偏置電路方面，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要為共源管MS1和MS2的柵端提供偏置，但是同時(shí)考慮到其柵端為射頻信號(hào)的輸入端，故需要大電阻進(jìn)行隔離，且該隔離電阻值R要滿足R＞1/(ωCgs，MS1)的條件；同時(shí)為了保證偏置提供端交流良好接地，需要并聯(lián)電容，電容要盡可能的大。如圖10所示，其中的Rc1～Rc4為隔離電阻，Cc1～Cc4為并聯(lián)電容。
其次為了實(shí)際測(cè)試的需要，本示例加入了由MOS管M5～M8組成的源極跟隨器。對(duì)于源極跟隨器，其輸出阻抗為1/gm5，設(shè)計(jì)時(shí)將跨導(dǎo)gm5設(shè)計(jì)為20mS，即可實(shí)現(xiàn)輸出端的良好匹配；另外，由于源極跟隨器的電流一般較大，故能驅(qū)動(dòng)輸出端的小阻抗負(fù)載。
本實(shí)例的電路級(jí)仿真采用的是TSMC 0.18umRF CMOS工藝，并使用Cadence公司的SpectreRF仿真完成。在UWB標(biāo)準(zhǔn)上，本實(shí)例采用的是MB-OFDM標(biāo)準(zhǔn)，其頻段分布如圖11所示，在3.1～10.6GHz的范圍上，一共有14個(gè)528MHz的子帶。本實(shí)例采用前三個(gè)子帶，即UWB技術(shù)開(kāi)發(fā)的第一代模式，頻率范圍為3.1～4..7GHz。
對(duì)于應(yīng)用于該系統(tǒng)的低噪聲放大器，可以有兩種方案，第一種為在3.1～4.7GHz都可以實(shí)現(xiàn)平坦的放大，另一種在三個(gè)子帶上分別放大，通過(guò)開(kāi)關(guān)選頻，三個(gè)子帶的中心頻點(diǎn)分別為3.432GHz，3.96GHz，4.488GHz。本實(shí)例選取第一種方案。另外，為了防止工藝偏差導(dǎo)致電路的3dB帶寬發(fā)生變化，在輸出端加入了電容控制陣列，如圖10所示。
在設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮匹配的需要，根據(jù)(2)式確定輸入交叉耦合管M1和M2的跨導(dǎo)gm，在信號(hào)源電阻為50Ω的條件下有g(shù)m＝10mS。
另外，根據(jù)噪聲抵消的要求，即(14)式，可知共源管MS1和MS2的跨導(dǎo)應(yīng)該設(shè)計(jì)為gms＝20mS。
再者，根據(jù)增益的要求，如要求增益Av＝20dB，則根據(jù)增益表達(dá)式(16)可知輸出負(fù)載的阻抗在中心諧振點(diǎn)要滿足RL＝250Ω。
最后，還要考慮輸入寬帶匹配的要求。在根據(jù)跨導(dǎo)值確定MOS管M1、M2，MS1、MS2管的尺寸和偏置時(shí)要考慮輸入端的寄生電容，即MOS管M1和M2管的柵源容Cgs與柵漏電容Cgd，還有MOS管MS1和MS2管的柵源電容Cgss，該電容之和Cin要滿足輸入匹配的要求，即 Q＝ω0CinRS＜2。(17) 根據(jù)以上分析得到設(shè)計(jì)的電路，在SpectreRF軟件上進(jìn)行PSS+Pnoise仿真和SP仿真，可得到電路的S參數(shù)與噪聲系數(shù)。
圖12為電路的S參數(shù)仿真，可見(jiàn)S11在工作頻段內(nèi)都能達(dá)到-10dB以下；S21記入了輸出緩沖器(Buffer)7dB的增益損失。
圖13為電路的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果，可見(jiàn)，在工作頻段內(nèi)，電路都能達(dá)到好的噪聲。
另外根據(jù)Pnoise仿真得到的各部分噪聲分布比例，如表1所示。其中輸入共柵管為M1和M2，輸入共源管為MS1和MS2?？梢?jiàn)在各項(xiàng)噪聲貢獻(xiàn)中，耦合共柵管占的比例很小，可以忽略不計(jì)。此結(jié)果也符合本發(fā)明的初衷。
表1電路部分的噪聲貢獻(xiàn)
權(quán)利要求
1.一種采用噪聲抵消技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器電路，分為四級(jí)，第一級(jí)為一個(gè)平衡一非平衡轉(zhuǎn)換器，第二級(jí)為輸入匹配級(jí)，第三級(jí)為放大級(jí)，第四級(jí)為負(fù)載級(jí)；其中
第一級(jí)平衡一非平衡轉(zhuǎn)換器由一變壓器組成，以實(shí)現(xiàn)1∶2阻抗變換，其中平衡端接信號(hào)源，非平衡端接第三級(jí)的差分信號(hào)輸入端；
第二級(jí)輸入匹配級(jí)，為三端口無(wú)源電感電容網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)端口為輸出端，一個(gè)端口接地，其中輸出端接第三級(jí)的差分信號(hào)輸入端；具體級(jí)數(shù)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)隨工作頻段的不同而不同；
第三級(jí)放大級(jí)為四端口網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；
兩個(gè)輸入端一共接四個(gè)MOS管；首先，兩個(gè)輸入端接到兩個(gè)源柵交叉耦合的MOS管的源端，每個(gè)MOS管的柵源通過(guò)電容隔直；另外輸入端還串接兩個(gè)隔直的電容，隔直電容再接到兩個(gè)共源MOS管的柵端；這四個(gè)MOS管中，每?jī)蓚€(gè)柵端與接同相信號(hào)的MOS管的漏端相連，然后分別接到共柵管的源端；兩個(gè)輸出端為共柵管的漏端；
第四級(jí)負(fù)載級(jí)為三端口無(wú)源負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，一端接電源，另外兩端接第三級(jí)的輸出端；其中含有電阻電感的串聯(lián)或者并聯(lián)支路。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用噪聲抵消技術(shù)的超寬帶低噪聲放大器。該低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)由差分輸入、由輸入平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)、匹配級(jí)、放大級(jí)和負(fù)載級(jí)依次電路連接構(gòu)成。該電路結(jié)構(gòu)在放大級(jí)采用共柵與共源結(jié)合的方式，一方面可以對(duì)輸入共柵管的溝道電流熱噪聲進(jìn)行放大，從而在差分端有效的抵消該噪聲；另一方面可以大大增加電路的增益以滿足系統(tǒng)要求。
文檔編號(hào)H03F1/42GK101110573SQ20071004291
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者巍 李, 羅志勇 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)