一種帶有片上有源Balun的差分CMOS多模低噪聲放大器的製作方法
2023-06-22 17:08:01
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製作方法
技術領域：
本發明屬於射頻集成電路技術領域，具體涉及一種差分CMOS多模低噪聲放大器。
背景技術：
多模式射頻接收機系統是當前學術界和工業界的研究熱點。通過單一的接收機鏈路實現多種通信模式的兼容，可以同時降低整機的功耗以及晶片的面積。低噪聲放大器是接收機前端中最關鍵的模塊之一，其作用就是將天線接收到的微弱信號放大並抑制接收機後級電路的噪聲。這要求低噪聲放大器必須提供足夠的增益，同時以保證後級噪聲不會對系統性能造成過大的影響。低噪聲放大器的增益往往與功耗成正比，而對於射頻接收機系統而言，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用於射頻接收機系統中LNA設計的重要難題。另外，與傳統的窄帶LNA不同， 同時滿足多種通信模式的覆蓋0. 5^10. 6GHz的超級寬帶的LNA的帶寬高達十幾個GHz，在整個工作頻段內保持良好的輸入匹配、增益平坦度及低噪聲也是很難達到的性能要求。綜上分析，針對CMOS寬帶低噪聲放大器(特別是應用於超級寬帶多模式射頻接收機系統)的設計，如何實現增益、功耗、面積(較少電感)、寬帶輸入匹配、線性度及穩定性等性能的優化提高，具有非常重要的意義。
發明內容
本發明目的是提供一種寬頻帶輸入匹配好、增益高、功耗低、線性度及穩定性優良的差分CMOS低噪聲放大器電路，以克服現有技術存在的不足。帶有片上有源Balim的差分CMOS低噪聲放大器電路，以克服現有技術存在的不足，提供一種可以覆蓋0. 5 10. 6GHz超級寬頻帶範圍內的，兼容GSM、WCDMA, Bluetooth、 WLAN、UffB等多種通信模式的LNA，該結構LNA可應用於接收機前端中，由於其自帶的片上 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，良好的噪聲係數，同時只佔用較小的晶片面積。本發明提供的差分CMOS低噪聲放大器電路，是一種穩定的帶有Balim功能的CMOS 寬帶低噪聲放大器，由匹配級1、放大級2、反饋級3和負載級4、單端補償級5和Balim輸出級6組成，如圖1中所示，其中
匹配級1，用以接收輸入信號，使信號源與輸入阻抗良好匹配；
放大級2，連接於所述匹配級與輸出端之間，完成所述匹配級輸出電壓信號的跨導放
大；
負載級4，連接於電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號。為了減小晶片面積，負載級只使用電阻，把電流重新轉換成電壓信號；
反饋級3，連接於所述匹配級與所述輸出端之間，並與匹配級組成匹配網絡，與放大級一起獲得一定的輸入阻抗；同時與負載級、放大級一起保證增益的穩定與增益的帶寬；單端補償級5，介於放大級和balim輸出級之間，提供與單端放大電路輸出信號等幅反相的信號，與同一節點接地，來消除單端電路對非理想寄生因素的敏感性；
Balun輸出級6，與放大級輸出端相連，用以將第一級放大器輸出的單端信號轉換成差分信號，同時不影響前級放大器的性能。進一步地，如圖2所示，所述匹配網絡是由所述匹配級與所述反饋級共同作用組成的；其中所述匹配級為一 2階LC帶通濾波網絡，實現寬帶輸入匹配，其由接信號輸入端的晶片封裝鍵合線的等效電感Lbmding與ESD PAD的等效電容Cpad構成匹配級輸入，並與晶片內第一隔直電容(^、及所述放大級等效輸入電容Cin順次相連。同時反饋級中NMOS管虯漏極通過電感L2接到電源，以消除負載寄生電容對電路的影響。進一步地，如圖3所示，所述放大級包含以共柵共漏相連接的PMOS管M2與第一 NMOS管M1對管，是源極放大器，其柵極均與所述匹配級的所述反饋迴路電感相連，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管柵漏電容(米勒等效電容)對電路的影響，另一方面，所述第二 NMOS管仏可以隔離輸入和輸出級，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。進一步地，如圖6所示，所述反饋級包括第三NMOS管I,其柵極與所述輸出端 Voui相連，漏極接電源，源極通過第四NMOS管M5形成的電流源接地；反饋電阻RF通過隔直電容與第三NMOS管M4相連，通過負反饋結構滿足寬帶的匹配的帶寬要求。進一步地，如圖6所示，所述單端補償級包括第五NMOS管M6，連接於第五NMOS管 M6漏極和電源之間的負載電阻Rd2，連接於第二 NMOS管M3漏極和第五NMOS管M6柵極之間的電感L3，連接於第五NMOS管M6漏極和I3aIun級之間的電感L4。電感L3和電感L4負責諧振掉所在位置結點的寄生電容，提升帶寬。進一步地，如圖5所示，所述Balim輸出級包括第六NMOS管M7和第三級負載電阻 Rd3組成共源級放大器，其輸出信號與前級放大器單端輸出信號成180°反相；第七NMOS管 M8和第八NMOS管M9組成源跟隨器，其輸出信號與前級放大器單端輸出信號保持同相。實現了單端輸入差分輸出的功能。由於Balim輸出級都是柵極輸入，因此不會影響前級放大器的性能。本發明的改進主要體現在
第一、在反饋迴路第三NMOS管M4的漏極和電源之間增加電感L2,可以諧振掉放大級輸出結點處的寄生電容，提高負載在高頻處的阻抗，提高增益，改善輸入匹配；
第二、如圖6所示，在單端放大級和Balim級之間增加基於共源極放大器的單端電路補償級，利用共源極放大器漏極和源極通路上的小信號與柵極信號是反相的，因此，在接地點出可以形成一個虛地點，如圖7所示，因此小信號無法流到片外，解決了單端電路對片外非理想因素的敏感，增加電路的穩定性；
第三，由於多模接收機前端覆蓋的頻率範圍從0. 5GHz到10. 6GHz，如此寬的範圍對於片外Balim的要求是非常高的，比較難以實現，因此本發明將單端輸入的LNA與新型的片上有源Balim結合設計，實現了寬頻帶的片上單端輸入差分輸出功能，減少對片外元件的需求，保證電路的穩定工作。
本發明結構簡單，佔用晶片面積小，功耗低，帶寬覆蓋範圍大，增加電路可實用性。 該低噪聲放大器可以應用於0.5 10. 6GHz的多模接收機前端中。適用於包括GSM、WCDMA、 Bluetooth、WLAN、UffB等多模接收機系統中。
圖1 本發明LNA的結構框圖。圖2 本發明LNA等效匹配網絡示意圖。圖3 本發明LNA放大級基本電路原理圖。圖4 傳統的單端共源共柵電阻負反饋放大器的基本結構示意圖。圖5 本發明的有源Balim結構示意圖。圖6 本發明具體實施例電路圖。圖7 本發明具體實施例電路輸入匹配S21、NF和IIP3性能。圖8 本發明具體實施例電路輸入匹配Sll和S22性能。圖中標號1為匹配級，2為放大級，3為反饋級，4為負載級，5為單端電路補償級， 6為Balun輸出級。
具體實施例方式下面通過實施例並結合附圖進一步描述本發明。如圖6所示，該實例電路為帶有片上有源Balim的差分CMOS LNA在多模射頻接收機中的應用，其工作頻段為0. 5 10. 6GHz，兼容GSM、WCDMA、Bluetooth、WLAN、UffB等多種標準。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,噪聲係數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_4dBm， 可見，電路具有良好的寬帶性能。最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍中。
權利要求
1.一種帶有片上有源Balim的CMOS多模低噪聲放大器，其特徵在於，由下述六部分組成匹配級，用以接收輸入信號；放大級，連接於所述匹配級與輸出端之間，用以放大所述匹配級的輸出信號；負載級，連接於電源與所述輸出端之間，用以輸出放大信號；反饋級，連接於所述匹配級與所述輸出端之間，該反饋級依據所述放大級輸出的放大信號產生一反饋信號，並將所述反饋信號反饋至所述匹配級；單端電路補償級，有一提供與單端電路等幅反相信號，抵消片外非理想因素對電路穩定性的影響；Balun輸出級，連接於放大級的輸出端，分別由共源極放大器和源跟隨器組成差分輸出放大級。
2.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，所述匹配級為一2階LC帶通濾波網絡，由接信號輸入端的晶片封裝鍵合線的等效電感與接地的ESD PAD等效電容構成匹配級輸入，並與晶片內第一隔直電容、柵極電感Li，及所述放大級等效輸入電容順次連接。
3.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，所述放大級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的所述反饋迴路反饋電阻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並通過電容交流接地，其漏極與所述輸出端相連。
4.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，所述反饋級飽含第三NMOS管 (M4),其柵極與所述輸出端Vwrt相連，漏極接電源，源極通過第四NMOS管(M5)形成的電流源接地；反饋電阻RF通過隔直電容與第三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接於第三NMOS管(M4)的漏極和電源之間。
5.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，所述負載級，只使用一個負載電阻 RD1，所述負載電阻的一端接電源，另一端接所述輸出端，並與所述第二 NMOS管(M3)的漏極相連。
6.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，在單端放大器後，連接單端電路補償級，組成該補償級的電感L3由連接於第二 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和負載電阻R112，負載電阻R112另一端接電源。
7.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，由前述匹配級、放大級、反饋級、負載級組成單端第一級LNA，有單端電路補償級構成LNA第二級，由Balim輸出級組成第三級 LNA，將經過前述放大級的單端信號轉換成差分信號。
8.如權利要求1所述的低噪聲放大器，其特徵在於，所述Balim輸出級，採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放大器性能的同時實現單端輸入差分輸出。
全文摘要
本發明屬於射頻集成電路技術領域，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、放大級、反饋級和負載級組成第一級放大器；由有源片上Balun構成第二級放大器。其中，匹配級使用鍵合線電感、寄生電容、柵極電感與電路輸入阻抗組成匹配網絡；放大級使用共源級NMOS管與PMOS管作為輸入端，共柵級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管與電阻構成「電壓-電流」型負反饋通路；第三級放大器的有源Balun分別使用共源和源跟隨器來實現Balun的單轉雙功能。本發明結構簡單，佔用晶片面積小，功耗低，帶寬覆蓋範圍大，增加電路可實用性。該低噪聲放大器可以應用於0.5~10.6GHz的多模接收機前端中。
文檔編號H03F1/32GK102332877SQ20111020638
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者任俊彥, 葉凡, 廉琛, 張楷晨, 李寧, 李巍, 許俊 申請人:復旦大學