專利名稱：增益數(shù)字可調(diào)的全差分射頻cmos驅(qū)動(dòng)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)放大器，確切說，涉及一種轉(zhuǎn)換增益數(shù)字可調(diào)的驅(qū)動(dòng)放大器， 屬于射頻驅(qū)動(dòng)放大器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)和服務(wù)、制造、銷售等行業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)識別技術(shù)的應(yīng)用 也日趨頻繁，如條形碼技術(shù)、工作頻率為125kHz或13. 56MHz的近場區(qū)射頻識別(Radio Frequency Identification,簡稱 RFID)技術(shù)、工作頻段為 860MHz_960MHz 超高頻(Ultra High Frequency，簡稱UHF)RFID技術(shù)，其中條形碼技術(shù)的識別距離有限、數(shù)據(jù)傳輸速率低， 已經(jīng)越來越難以負(fù)荷未來市場的需求，近場區(qū)射頻識別技術(shù)也面臨類似的距離、速度問題， 因此對UHFRFID技術(shù)的研究顯得越來越重要。一個(gè)完整的UHF RFID系統(tǒng)由閱讀器和標(biāo)簽組 成，而驅(qū)動(dòng)放大器(Driver Amplif ier，簡稱DA)則是閱讀器發(fā)射路徑中的一個(gè)重要模塊， 它的作用是對發(fā)射路徑中上混頻器的輸出信號進(jìn)行有效地預(yù)放大，再供給外接的功率放大 器。這就要求驅(qū)動(dòng)放大器在具有較高線性度的同時(shí)能夠根據(jù)UHF RFID系統(tǒng)中閱讀器和標(biāo) 簽之間的距離的變化來不斷調(diào)整輸出功率，增強(qiáng)閱讀器的識別能力，因此DA的性能好壞直 接影響了發(fā)射器乃至整個(gè)閱讀器系統(tǒng)的性能。由此可見，提高DA的各項(xiàng)性能指標(biāo)是十分必 要的。描述DA性能的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)換增益、線性度、輸入/輸出匹配、噪聲。這些性能 參數(shù)之間是相互影響和制約的，因此如何尋求一個(gè)較好的折衷方案來提高DA的各項(xiàng)性能 參數(shù)成為設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)放大器如圖1所示，這種驅(qū)動(dòng)放大器也能實(shí)現(xiàn)較高 增益和線性度，電路比較簡單，但有較大的缺點(diǎn)，如無法實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，從而不能滿足UHF RFID閱讀器系統(tǒng)中發(fā)射器輸出功率可調(diào)的要求，以至于影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是推出一款增益數(shù)字可調(diào)的全差分驅(qū)動(dòng)放大器。該驅(qū)動(dòng) 放大器能夠在滿足系統(tǒng)線性度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可變增益，從而調(diào)整發(fā)射器的輸出功率，以 適應(yīng)UHF RFID系統(tǒng)中閱讀器和標(biāo)簽之間的距離變化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)放大器的不足。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。該驅(qū)動(dòng)放大器在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)放大器 的基礎(chǔ)上，將驅(qū)動(dòng)放大器的輸入級再添加N個(gè)并行排列的輸入晶體管，即輸入級由N+1個(gè)并 行排列的晶體管構(gòu)成。這N+1個(gè)并行排列的輸入管的工作狀態(tài)通過N+1個(gè)控制端口進(jìn)行控 制，從而實(shí)現(xiàn)增益多級數(shù)字可調(diào)。本發(fā)明提供了一種全差分驅(qū)動(dòng)放大器，含第一支路(I-Branch)，第二支路 Ο -Branch)，第一支路(I-Branch)和第二支路OhBranch)的結(jié)構(gòu)完全相同，第一支路 (I-Branch)有輸入端口(VIN)、輸出端口(OUT)，偏置電壓1 (VBiasl)輸入端口，第一 MOS管 (M1)，第二 MOS管(M2)，第一電容(C1),第二電容(C2),第三電容(C3),第一電阻(R1)，第一 電感(Lg)，第二電感(Ls)，第三電感(Llrad)，第三電感(Lltjad)、第二 MOS管(M2)、第一 MOS管(Ml)、第二電感(Ls)跨接在電源正端(VDD)和電源負(fù)端(GND)之間第三電感(Lload)的一 端與電源正端(VDD)連接，第三電感(Lltjad)的另一端與第二 MOS管(M2)的漏極連接，第二 MOS管(M2)的源極與第一MOS管(Ml)的漏極連接，第一MOS管(Ml)的源極與第二電感(Ls) 的一端連接，第二電感(Ls)的另一端與電源負(fù)端(GND)連接，第二 MOS管(M2)的柵極與電 源正端(VDD)連接，第一電感(Lg)的一端作為第一支路(I-Branch)的信號輸入端(VIN)， 第一電感(Lg)的另一端與第一電容(C1)的一端連接，第一電容(C1)的另一端與第一MOS管 (Ml)的柵極連接，第一電阻(R1)的一端與第一MOS管(Ml)的柵極連接，第一電阻(R1)的另 一端作為第一MOS管(Ml)的柵極的偏置電壓l(VBiasl)的輸入端，第二電容(C2)的一端與第 二 MOS管(M2)的漏極連接，第二電容(C2)的另一端與電源負(fù)端(GND)連接，第三電容(C3) 的一端與第二 MOS管(M2)的漏極連接，第三電容(C3)的另一端作為第一支路(I-Branch) 的輸出端(OUT)，其中，所述第一支路、第二支路還分別包含N個(gè)與C1、M1、R1構(gòu)成的結(jié)構(gòu)并聯(lián)的、構(gòu)成相同的結(jié)構(gòu)，N為大于等于1的正整數(shù)；N+1 個(gè)控制端 Ctri，i = 1-N+1，其中，所述第一支路和第二支路的對應(yīng)的偏置電壓輸入端相連，并且連接點(diǎn)作為 各控制端Ctri的輸入端。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明有以下的優(yōu)點(diǎn)一、本發(fā)明通過在電路結(jié)構(gòu)上添加了電容Crad-Cra3，從而減小了柵電感LgW感值， 因此有助于在制造集成電路時(shí)節(jié)省寶貴的芯片面積。二、本發(fā)明的輸入級由N+1個(gè)并行排列的輸入管構(gòu)成，并利用N+1位控制端口來分 別控制管子的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)增益多級數(shù)字可調(diào)，因此，當(dāng)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)放大器應(yīng)用在UHF RFID閱讀器中時(shí)，僅僅改變控制端口的值即可調(diào)整驅(qū)動(dòng)放大器的輸出功率，從而靈活地外 接不同的功率放大器，對信號進(jìn)行有效的預(yù)放大。


圖1為傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)放大器電路圖。圖2為本發(fā)明的增益數(shù)字可調(diào)的全差分射頻CMOS驅(qū)動(dòng)放大器的電路框圖。圖3為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)放大器中第一支路I-Branch的電路圖。圖4為本發(fā)明的增益數(shù)字可調(diào)的全差分射頻CMOS驅(qū)動(dòng)放大器的電路圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。在本發(fā)明的全差分驅(qū)動(dòng)放大器中，含第一支路I-Branch，第二支路Q-Branch，第 一支路I-Branch和第二支路Q-Branch的結(jié)構(gòu)完全相同，在該實(shí)施方式中，N = 2，即共有 3個(gè)并行排列的輸入管構(gòu)成，并利用3位控制端口 Ctr1端口、Ctr2端口、Ctr3端口來分別控 制管子的工作狀態(tài)。第一支路I-Branch有VIN端口、OUT端口、VBiasl端口、VBias2端口、VBias3 端 口，第二支路 Q-Branch 有 VIN 端 口、OUT 端口、Veiasl 端 口、VBias2 端 口、Veias3 端 口，該驅(qū)動(dòng) 放大器有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端、三個(gè)控制端，兩個(gè)輸入端是VIN_I端和VIN_Q端，兩個(gè)輸 出端是0UT_I端和0UT_Q端，三個(gè)控制端是Ctr1端口、Ctr2端口、Ctr3端口，VIN_I端與第一支路I-Branch的VIN端口連接，VIN_Q端與第二支路Q-Branch的VIN端口連接，0UT_I 端與第一支路I-Branch的OUT端口連接，0UT_Q端與第二支路Q-Branch的OUT端口連接， 第一支路 I-Branch 的 VBiasl 端 口、VBias2 端 口、VBias3 端口分別與第二支路 Q-Branch 的 VBiasl 端口、Veias2端口、Veias3端口連接，第一支路I-Branch的VBiasl端口與第二支路Q-Branch的 Veiasl端口的連接點(diǎn)作為Ctr1端口，第一支路I-Branch的VBias2端口與第二支路Q-Branch的 Veias2端口的連接點(diǎn)作為Ctr2端口，第一支路I-Branch的VBias3端口與第二支路Q-Branch 的VBias3端口的連接點(diǎn)作為Ctr3端口。進(jìn)一步地，第一支路I-Branch和第二支路Q-Branch的結(jié)構(gòu)完全相同，第一支路 I-Branch含第一 MOS管Ml，第MOS管M2，第一電容C1,第二電容C2,第三電容C3,第一電阻 R1，第一電感Lg，第二電感Ls，第三電感LlMd，第三電感Llrad、第二 MOS管M2、第一 MOS管Ml、 第二電感Ls跨接在電源正端VDD和電源負(fù)端GND之間第三電感Llrad的一端與電源正端 VDD連接，第三電感Lltjad的另一端與第MOS管M2的漏極連接，第二 MOS管M2的源極與第一 MOS管Ml的漏極連接，第一 MOS管Ml的源極與第二電感Ls的一端連接，第二電感Ls的另一 端與電源負(fù)端GND連接，第二 MOS管M2的柵極與電源正端VDD連接，第一電感Lg的一端作 為第一支路I-Branch的信號輸入端VIN，第一電感Lg的另一端與第一電容C1的一端連接， 第一電容C1的另一端與第一 MOS管Ml的柵極連接，第一電阻隊(duì)的一端與第一 MOS管Ml的 柵極連接，第一電阻隊(duì)的另一端作為第一 MOS管M 1的柵極的偏置電壓輸入端VBiasl，第二 電容C2的一端與第MOS管M2的漏極連接，第二電容C2的另一端與電源負(fù)端GND連接，第三 電容C3的一端與第二 MOS管M2的漏極連接，第三電容C3的另一端作為第一支路I-Branch 的輸出端OUT，其中，它還含第三MOS管M3，第四MOS管M4，第四電容C4,第五電容C5,第六 電容Cexl，第七電容Cex2，第八電容Cex3，第二電阻R2，第三電阻R3，第三MOS管M3的漏極、第 四MOS管M4的漏極均與第一 MOS管Ml的漏極連接，第三MOS管M3的源極、第四MOS管M4 的源極均與第一 MOS管Ml的源極連接，第六電容Cexl跨接在第一 MOS管Ml的柵極和第一 MOS管Ml的源極之間，第七電容Cex2跨接在第三MOS管M3的柵極和第三MOS管M3的源極 之間，第八電容Cex3跨接在第四MOS管M4的柵極和第四MOS管M4的源極之間，第四電容C4 的一端、第五電容C5的一端與第一電感Lg和第一電容C1的連接點(diǎn)連接，第四電容C4的另一 端與第三MOS管M3的柵極連接，第五電容C5的另一端與第四MOS管M4的柵極連接，第二 電阻&的一端與第三MOS管M3的柵極連接，第二電阻&的另一端作為第三MOS管M3的柵 極的偏置電壓輸入端VBias2，第三電阻R3的一端與第四MOS管M4的柵極連接，第三電阻R3的 另一端作為第四MOS管M4的柵極的偏置電壓輸入端VBias3。該實(shí)施方式中的輸入級由3個(gè)并行排列的輸入管構(gòu)成，并利用3位控制端口 Ctr1 端口、Ctr2端口、Ctr3端口來分別控制管子的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)增益7級數(shù)字可調(diào)，因此，當(dāng)本 發(fā)明的驅(qū)動(dòng)放大器應(yīng)用在UHF RFID閱讀器中時(shí)，僅僅改變Ctr1端口、Ctr2端口、Ctr3端口 的值即可調(diào)整驅(qū)動(dòng)放大器的輸出功率，從而靈活地外接不同的功率放大器，對信號進(jìn)行有 效的預(yù)放大?，F(xiàn)舉一實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例本實(shí)施例具有與圖4所示的電路完全相同的電路結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例第一支路 !-Branch的元器件和電路參數(shù)羅列如下(第二支路Q-Branch的元器件和電路參數(shù)與第一支路I-Branch的元器件和電路參數(shù)完全一致)第一 MOS管Ml，第二 MOS管M2，第三MOS管M3，第四MOS管M4的寬長比分別是 150um/0. 18um,300um/0. 18um,105um/0. 18um，75um/0. 18um。第一電感Lg，第二電感！^，第三電感LlMd的電感量分別是13.617ηΗ，1.068ηΗ， ΙΟηΗ，其中第三電感Llrad是片外元件。第一電容C1，第二電容C2，第三電容C3，第四電容C4,第五電容C5，第六電容Cexl, 第七電容Cex2，第八電容Cex3的電容值分別是3. 7pF，1. 3pF，500fF, 3. 7pF，3. 7pF，350fF, 350fF，350fF，其中第二電容C2，第三電容C3是片外元件。電阻R1、電阻&、電阻R3的阻值均為2. 27K Ω?？刂贫薈tr1端口電壓是IV或者0V，控制端Ctr2端口電壓是IV或者0V，控制端 Ctr3端口電壓是IV或者0V，電源電壓VDD為1. 8V。下面詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的工作原理。本發(fā)明的增益數(shù)字可調(diào)的全差分射頻 CMOS驅(qū)動(dòng)功率放大器的第一支路I-Branch的電路圖如圖3所示。第一支路I-Branch的主體部分采用共源共柵結(jié)構(gòu)，輸入阻抗如下Zin ^ s (Lg+Ls) +l/sCtotal+ ω TLS，其中Ct。tal是從第一電感Lg和第一電容C1的連接點(diǎn)看進(jìn)去的總的等效電容，0^是 第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的特征頻率。當(dāng)輸入網(wǎng)絡(luò)諧振在特定頻率時(shí)， 輸入阻抗為Zin = TLs,at ω = V水Lg + LJCtotal, (1)這里《TLS提供了阻抗匹配的實(shí)數(shù)部分，即獲得50Ω的阻抗匹配，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn) 功率匹配和噪聲匹配。另外，由于總的等效電容ct。tal的電容值隨著第六電容Crad，第七電容 Crai2，第八電容Cra3的增加而增加，因此從⑴式可以看出，對于同一個(gè)諧振頻率，Ctotal的增 加使得第一電感Lg的值大大減小，因此在制造集成電路時(shí)可節(jié)省寶貴的芯片面積。由于第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的工作狀態(tài)由3位控制端Ctr1 端口、Ctr2端口、Ctr3端口來控制，因此第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的總 的有效跨導(dǎo)gm = a^+a^+a^,其中g(shù)^、^、^分別為第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的跨導(dǎo)。&1、 a2, a3分別代表3位控制端Ctr1端口、Ctr2端口、Ctr3端口的值，可以取作0或1代表相應(yīng) 的第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的柵極的偏置電壓輸入端VBiasl端口、VBias2 端口、VBias3端口的電壓值，從而控制第一 MOS管Ml、第三MOS管M3、第四MOS管M4的工作 狀態(tài)。若 =0，則表示第一 MOS管Ml的柵極的偏置電壓接的是低電平0V，第一 MOS管Ml 工作在截止?fàn)顟B(tài)；若 =1，則表示第一 MOS管Ml的柵極的偏置電壓接的是高電平IV，第 一 MOS管Ml工作在飽和狀態(tài)，a2、a3的含義以此類推。因此，在本發(fā)明的增益數(shù)字可調(diào)的全差分射頻CMOS驅(qū)動(dòng)放大器的VIN_I端、VIN_ Q端輸入差分信號，驅(qū)動(dòng)放大器的轉(zhuǎn)換增益Gain = gmQinR0Ut= (algml+a2gm2+a3gm3) QinRout (2)
這里，R。ut為驅(qū)動(dòng)放大器的等效輸出阻抗，An是輸入諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因子。當(dāng)^ 分別等于001、010、011、100、101、110、111時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器具有7種不同的轉(zhuǎn)換增益(除去 B1B2B3等于000的情況)，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率數(shù)字可調(diào)，靈活外接不同的功率放大器，不斷適 應(yīng)UHF RFID系統(tǒng)中閱讀器和標(biāo)簽之間的距離變化，提高識別能力。綜上，本發(fā)明驅(qū)動(dòng)放大器電路通過在電路結(jié)構(gòu)上的改善大大節(jié)省了芯片的面積； 電路的主體部分采用共源共柵結(jié)構(gòu)，提供了高增益和高隔離度；特別是采用3個(gè)并行排列 的MOS管作為輸入級，使得轉(zhuǎn)換增益可實(shí)現(xiàn)7級數(shù)字可調(diào)，靈活地應(yīng)用在UHF RFID閱讀器 系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種全差分驅(qū)動(dòng)放大器，含第一支路(I-Branch)，第二支路OhBranch)，第一支路 (I-Branch)和第二支路OhBranch)的結(jié)構(gòu)完全相同，第一支路(I-Branch)有輸入端口 (VIN)、輸出端口 (OUT)，偏置電壓l(VBiasl)輸入端口，第一 MOS管(M1)，第二 MOS管(M2)，第 一電容(C1)，第二電容(C2)，第三電容(C3)，第一電阻(R1)，第一電感(Lg)，第二電感(Ls)，第 三電感(LlMd)，第三電感(Lltjad)、第二 MOS管(M2)、第一 MOS管(Ml)、第二電感(Ls)跨接在 電源正端(VDD)和電源負(fù)端(GND)之間第三電感(L1J的一端與電源正端(VDD)連接， 第三電感(Llrad)的另一端與第二 MOS管(M2)的漏極連接，第二 MOS管(M2)的源極與第一 MOS管(Ml)的漏極連接，第一 MOS管(Ml)的源極與第二電感(Ls)的一端連接，第二電感 (Ls)的另一端與電源負(fù)端(GND)連接，第二 MOS管(M2)的柵極與電源正端(VDD)連接，第 一電感(Lg)的一端作為第一支路(I-Branch)的信號輸入端(VIN)，第一電感(Lg)的另一 端與第一電容(C1)的一端連接，第一電容(C1)的另一端與第一MOS管(Ml)的柵極連接，第 一電阻(R1)的一端與第一 MOS管(Μ 1)的柵極連接，第一電阻(R1)的另一端作為第一 MOS 管(Ml)的柵極的偏置電壓l(VBiasl)的輸入端，第二電容(C2)的一端與第二 MOS管(M2)的 漏極連接，第二電容(C2)的另一端與電源負(fù)端(GND)連接，第三電容(C3)的一端與第二MOS 管(M2)的漏極連接，第三電容(C3)的另一端作為第一支路(I-Branch)的輸出端(OUT)，其 特征在于，所述第一支路、第二支路還分別包含N個(gè)與C1、M1、Rl構(gòu)成的結(jié)構(gòu)并聯(lián)的、構(gòu)成相同的結(jié)構(gòu)，N為大于等于1的正整數(shù)；N+1 個(gè)控制端 Ctri，i = 1-N+1,其中，所述第一支路和第二支路的對應(yīng)的偏置電壓輸入端相連，并且連接點(diǎn)作為各控 制端Ctri的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的全差分驅(qū)動(dòng)放大器，其特征在于，在第一支路和第二支路中的 N+1個(gè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)的每一個(gè)中的MOS管的柵極和源極之間連接一個(gè)電容Cexi，i = 1-N+1。
3.如權(quán)利要求1或2所述的全差分驅(qū)動(dòng)放大器，其特征在于，N= 2。
4.如權(quán)利要求3所述的全差分驅(qū)動(dòng)放大器，其特征在于，3個(gè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中的3個(gè)MOS 管的柵極的寬度不相同。
5.如權(quán)利要求3所述的全差分驅(qū)動(dòng)放大器，其特征在于，3個(gè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中的3個(gè)MOS 管的柵極的寬度比(W1 W2 W3) = 1 1.4 2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種全差分驅(qū)動(dòng)放大器，該驅(qū)動(dòng)放大器在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)放大器的基礎(chǔ)上，將驅(qū)動(dòng)放大器的輸入級再添加N個(gè)并行排列的輸入晶體管，即輸入級由N+1個(gè)并行排列的晶體管構(gòu)成。這N+1個(gè)并行排列的輸入管的工作狀態(tài)通過N+1個(gè)控制端口進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)增益多級數(shù)字可調(diào)。
文檔編號H03F3/45GK102142821SQ201010103629
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者任旭, 張潤曦, 徐萍, 胡曉, 蔣穎丹, 賴宗聲, 黃飛 申請人:華東師范大學(xué)