專利名稱：一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種差分CMOS多模低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
多模式射頻接收機(jī)系統(tǒng)是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。通過(guò)單一的接收機(jī)鏈路實(shí)現(xiàn)多種通信模式的兼容，可以同時(shí)降低整機(jī)的功耗以及芯片的面積。低噪聲放大器是接收機(jī)前端中最關(guān)鍵的模塊之一，其作用就是將天線接收到的微弱信號(hào)放大并抑制接收機(jī)后級(jí)電路的噪聲。這要求低噪聲放大器必須提供足夠的增益，同時(shí)以保證后級(jí)噪聲不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成過(guò)大的影響。低噪聲放大器的增益往往與功耗成正比，而對(duì)于射頻接收機(jī)系統(tǒng)而言，低功耗是其基本要求，因此在保證足夠增益的情況下如何減小功耗是應(yīng)用于射頻接收機(jī)系統(tǒng)中LNA設(shè)計(jì)的重要難題。另外，與傳統(tǒng)的窄帶LNA不同， 同時(shí)滿足多種通信模式的覆蓋0. 5^10. 6GHz的超級(jí)寬帶的LNA的帶寬高達(dá)十幾個(gè)GHz，在整個(gè)工作頻段內(nèi)保持良好的輸入匹配、增益平坦度及低噪聲也是很難達(dá)到的性能要求。綜上分析，針對(duì)CMOS寬帶低噪聲放大器(特別是應(yīng)用于超級(jí)寬帶多模式射頻接收機(jī)系統(tǒng))的設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)增益、功耗、面積(較少電感)、寬帶輸入匹配、線性度及穩(wěn)定性等性能的優(yōu)化提高，具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種寬頻帶輸入匹配好、增益高、功耗低、線性度及穩(wěn)定性優(yōu)良的差分CMOS低噪聲放大器電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。帶有片上有源Balim的差分CMOS低噪聲放大器電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種可以覆蓋0. 5 10. 6GHz超級(jí)寬頻帶范圍內(nèi)的，兼容GSM、WCDMA, Bluetooth、 WLAN、UffB等多種通信模式的LNA，該結(jié)構(gòu)LNA可應(yīng)用于接收機(jī)前端中，由于其自帶的片上 Balun具有單端輸入差分輸出功能，因此減少了對(duì)片外器件的需求，提高電路工作室的可靠性，具有良好的寬頻帶輸入匹配、高增益、低功耗，良好的噪聲系數(shù)，同時(shí)只占用較小的芯片面積。本發(fā)明提供的差分CMOS低噪聲放大器電路，是一種穩(wěn)定的帶有Balim功能的CMOS 寬帶低噪聲放大器，由匹配級(jí)1、放大級(jí)2、反饋級(jí)3和負(fù)載級(jí)4、單端補(bǔ)償級(jí)5和Balim輸出級(jí)6組成，如圖1中所示，其中
匹配級(jí)1，用以接收輸入信號(hào)，使信號(hào)源與輸入阻抗良好匹配；
放大級(jí)2，連接于所述匹配級(jí)與輸出端之間，完成所述匹配級(jí)輸出電壓信號(hào)的跨導(dǎo)放
大；
負(fù)載級(jí)4，連接于電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號(hào)。為了減小芯片面積，負(fù)載級(jí)只使用電阻，把電流重新轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
反饋級(jí)3，連接于所述匹配級(jí)與所述輸出端之間，并與匹配級(jí)組成匹配網(wǎng)絡(luò)，與放大級(jí)一起獲得一定的輸入阻抗；同時(shí)與負(fù)載級(jí)、放大級(jí)一起保證增益的穩(wěn)定與增益的帶寬；單端補(bǔ)償級(jí)5，介于放大級(jí)和balim輸出級(jí)之間，提供與單端放大電路輸出信號(hào)等幅反相的信號(hào)，與同一節(jié)點(diǎn)接地，來(lái)消除單端電路對(duì)非理想寄生因素的敏感性；
Balun輸出級(jí)6，與放大級(jí)輸出端相連，用以將第一級(jí)放大器輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，同時(shí)不影響前級(jí)放大器的性能。進(jìn)一步地，如圖2所示，所述匹配網(wǎng)絡(luò)是由所述匹配級(jí)與所述反饋級(jí)共同作用組成的；其中所述匹配級(jí)為一 2階LC帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)寬帶輸入匹配，其由接信號(hào)輸入端的芯片封裝鍵合線的等效電感Lbmding與ESD PAD的等效電容Cpad構(gòu)成匹配級(jí)輸入，并與芯片內(nèi)第一隔直電容(^、及所述放大級(jí)等效輸入電容Cin順次相連。同時(shí)反饋級(jí)中NMOS管虬漏極通過(guò)電感L2接到電源，以消除負(fù)載寄生電容對(duì)電路的影響。進(jìn)一步地，如圖3所示，所述放大級(jí)包含以共柵共漏相連接的PMOS管M2與第一 NMOS管M1對(duì)管，是源極放大器，其柵極均與所述匹配級(jí)的所述反饋回路電感相連，其中所述第一 NMOS管M1的源極直接接地。還包含第二 NMOS管M3,該第二 NMOS管M3和所述 PMOS管M2與第一 NMOS管M1對(duì)管的漏極相連接，作為共柵極電流跟隨器，其輸入阻抗約1/ &，它一方面可以減小輸入對(duì)管柵漏電容(米勒等效電容)對(duì)電路的影響，另一方面，所述第二 NMOS管仏可以隔離輸入和輸出級(jí)，保證電路有很好的隔離度；其柵極與偏置直流電壓相連接，其漏極與所述輸出端\ut相連。進(jìn)一步地，如圖6所示，所述反饋級(jí)包括第三NMOS管I,其柵極與所述輸出端 Voui相連，漏極接電源，源極通過(guò)第四NMOS管M5形成的電流源接地；反饋電阻RF通過(guò)隔直電容與第三NMOS管M4相連，通過(guò)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)滿足寬帶的匹配的帶寬要求。進(jìn)一步地，如圖6所示，所述單端補(bǔ)償級(jí)包括第五NMOS管M6，連接于第五NMOS管 M6漏極和電源之間的負(fù)載電阻Rd2，連接于第二 NMOS管M3漏極和第五NMOS管M6柵極之間的電感L3，連接于第五NMOS管M6漏極和I3aIun級(jí)之間的電感L4。電感L3和電感L4負(fù)責(zé)諧振掉所在位置結(jié)點(diǎn)的寄生電容，提升帶寬。進(jìn)一步地，如圖5所示，所述Balim輸出級(jí)包括第六NMOS管M7和第三級(jí)負(fù)載電阻 Rd3組成共源級(jí)放大器，其輸出信號(hào)與前級(jí)放大器單端輸出信號(hào)成180°反相；第七NMOS管 M8和第八NMOS管M9組成源跟隨器，其輸出信號(hào)與前級(jí)放大器單端輸出信號(hào)保持同相。實(shí)現(xiàn)了單端輸入差分輸出的功能。由于Balim輸出級(jí)都是柵極輸入，因此不會(huì)影響前級(jí)放大器的性能。本發(fā)明的改進(jìn)主要體現(xiàn)在
第一、在反饋回路第三NMOS管M4的漏極和電源之間增加電感L2,可以諧振掉放大級(jí)輸出結(jié)點(diǎn)處的寄生電容，提高負(fù)載在高頻處的阻抗，提高增益，改善輸入匹配；
第二、如圖6所示，在單端放大級(jí)和Balim級(jí)之間增加基于共源極放大器的單端電路補(bǔ)償級(jí)，利用共源極放大器漏極和源極通路上的小信號(hào)與柵極信號(hào)是反相的，因此，在接地點(diǎn)出可以形成一個(gè)虛地點(diǎn)，如圖7所示，因此小信號(hào)無(wú)法流到片外，解決了單端電路對(duì)片外非理想因素的敏感，增加電路的穩(wěn)定性；
第三，由于多模接收機(jī)前端覆蓋的頻率范圍從0. 5GHz到10. 6GHz，如此寬的范圍對(duì)于片外Balim的要求是非常高的，比較難以實(shí)現(xiàn)，因此本發(fā)明將單端輸入的LNA與新型的片上有源Balim結(jié)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶的片上單端輸入差分輸出功能，減少對(duì)片外元件的需求，保證電路的穩(wěn)定工作。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，功耗低，帶寬覆蓋范圍大，增加電路可實(shí)用性。 該低噪聲放大器可以應(yīng)用于0.5 10. 6GHz的多模接收機(jī)前端中。適用于包括GSM、WCDMA、 Bluetooth、WLAN、UffB等多模接收機(jī)系統(tǒng)中。


圖1 本發(fā)明LNA的結(jié)構(gòu)框圖。圖2 本發(fā)明LNA等效匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖。圖3 本發(fā)明LNA放大級(jí)基本電路原理圖。圖4 傳統(tǒng)的單端共源共柵電阻負(fù)反饋放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 本發(fā)明的有源Balim結(jié)構(gòu)示意圖。圖6 本發(fā)明具體實(shí)施例電路圖。圖7 本發(fā)明具體實(shí)施例電路輸入匹配S21、NF和IIP3性能。圖8 本發(fā)明具體實(shí)施例電路輸入匹配Sll和S22性能。圖中標(biāo)號(hào)1為匹配級(jí)，2為放大級(jí)，3為反饋級(jí)，4為負(fù)載級(jí)，5為單端電路補(bǔ)償級(jí)， 6為Balun輸出級(jí)。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。如圖6所示，該實(shí)例電路為帶有片上有源Balim的差分CMOS LNA在多模射頻接收機(jī)中的應(yīng)用，其工作頻段為0. 5 10. 6GHz，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UffB等多種標(biāo)準(zhǔn)。電路工作在1. 2V電壓，消耗電流10. 8mA。電路性能輸入匹配Sll彡-IOdB,噪聲系數(shù)NF為2. 6 2. 8dB,增益S21為14 17dB，覆蓋頻帶0. 5 10. 6GHz，最好線性度為_(kāi)4dBm， 可見(jiàn)，電路具有良好的寬帶性能。最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
1.一種帶有片上有源Balim的CMOS多模低噪聲放大器，其特征在于，由下述六部分組成匹配級(jí)，用以接收輸入信號(hào)；放大級(jí)，連接于所述匹配級(jí)與輸出端之間，用以放大所述匹配級(jí)的輸出信號(hào)；負(fù)載級(jí)，連接于電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號(hào)；反饋級(jí)，連接于所述匹配級(jí)與所述輸出端之間，該反饋級(jí)依據(jù)所述放大級(jí)輸出的放大信號(hào)產(chǎn)生一反饋信號(hào)，并將所述反饋信號(hào)反饋至所述匹配級(jí)；單端電路補(bǔ)償級(jí)，有一提供與單端電路等幅反相信號(hào)，抵消片外非理想因素對(duì)電路穩(wěn)定性的影響；Balun輸出級(jí)，連接于放大級(jí)的輸出端，分別由共源極放大器和源跟隨器組成差分輸出放大級(jí)。
2.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述匹配級(jí)為一2階LC帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，由接信號(hào)輸入端的芯片封裝鍵合線的等效電感與接地的ESD PAD等效電容構(gòu)成匹配級(jí)輸入，并與芯片內(nèi)第一隔直電容、柵極電感Li，及所述放大級(jí)等效輸入電容順次連接。
3.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述放大級(jí)包含以共柵共漏相連接的PMOS管(M2 )與第一 NMOS管(M1),其柵極均與所述匹配級(jí)的所述反饋回路反饋電阻RF相連，其中所述第一 NMOS管(M1)源極接地，所述PMOS管(M2)源極接1. 2V電源；放大級(jí)還包含第二 NMOS管(M3),其源極和所述PMOS管(M2)與第一 NMOS管(M1)的漏極相連接，作為共柵極電流跟隨器，其柵極與偏置直流電壓相連接并通過(guò)電容交流接地，其漏極與所述輸出端相連。
4.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述反饋級(jí)飽含第三NMOS管 (M4),其柵極與所述輸出端Vwrt相連，漏極接電源，源極通過(guò)第四NMOS管(M5)形成的電流源接地；反饋電阻RF通過(guò)隔直電容與第三NMOS管(M4)相連，另一端與輸入第一 NMOS管(M1) 和PMOS管(M2)相連，電感L2接于第三NMOS管(M4)的漏極和電源之間。
5.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述負(fù)載級(jí)，只使用一個(gè)負(fù)載電阻 RD1，所述負(fù)載電阻的一端接電源，另一端接所述輸出端，并與所述第二 NMOS管(M3)的漏極相連。
6.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，在單端放大器后，連接單端電路補(bǔ)償級(jí)，組成該補(bǔ)償級(jí)的電感L3由連接于第二 NMOS管(M3)漏極和第五NMOS管(M6)之間，第五NMOS管(M6)漏極連接電感L4和負(fù)載電阻R112，負(fù)載電阻R112另一端接電源。
7.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，由前述匹配級(jí)、放大級(jí)、反饋級(jí)、負(fù)載級(jí)組成單端第一級(jí)LNA，有單端電路補(bǔ)償級(jí)構(gòu)成LNA第二級(jí)，由Balim輸出級(jí)組成第三級(jí) LNA，將經(jīng)過(guò)前述放大級(jí)的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1所述的低噪聲放大器，其特征在于，所述Balim輸出級(jí)，采用共源極和源跟隨器組成差分輸出，由第六NMOS管(M7)和電阻Rd3組成共源級(jí)放大器，第七、第八NMOS 管(M8、M9)組成源跟隨器，在不影響前述第一級(jí)放大器性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)單端輸入差分輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器。它由匹配級(jí)、放大級(jí)、反饋級(jí)和負(fù)載級(jí)組成第一級(jí)放大器；由有源片上Balun構(gòu)成第二級(jí)放大器。其中，匹配級(jí)使用鍵合線電感、寄生電容、柵極電感與電路輸入阻抗組成匹配網(wǎng)絡(luò)；放大級(jí)使用共源級(jí)NMOS管與PMOS管作為輸入端，共柵級(jí)NMOS管作為電流跟隨器；輸入NMOS管柵極與電流跟隨器NMOS管漏極之間的NMOS管與電阻構(gòu)成“電壓-電流”型負(fù)反饋通路；第三級(jí)放大器的有源Balun分別使用共源和源跟隨器來(lái)實(shí)現(xiàn)Balun的單轉(zhuǎn)雙功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，功耗低，帶寬覆蓋范圍大，增加電路可實(shí)用性。該低噪聲放大器可以應(yīng)用于0.5~10.6GHz的多模接收機(jī)前端中。
文檔編號(hào)H03F1/32GK102332877SQ20111020638
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者任俊彥, 葉凡, 廉琛, 張楷晨, 李寧, 李巍, 許俊 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)