一種可變增益低噪聲驅動放大器的製作方法
2023-07-13 07:17:16
專利名稱：一種可變增益低噪聲驅動放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於射頻集成電路設計的技術領域，涉及一種鍺化矽雙極一互補金屬氧化 物半導體(SiGe BiCMOS)射頻集成電路，具體地說是一個應用於860 960MHz頻段的SiGe BiCMOS工藝可變增益低噪聲驅動放大器。
背景技術：
近年來，隨著射頻集成電路技術的迅速發展，日常生活中使用到了許多無線通信 產品，低成本和便攜性要求對這些無線通信產品設計提出了更高的標準。低噪聲驅動放大 器位於射頻前端，接受來自混頻器的信號然後發送給功率放大器，由於混頻器的轉換增益 不高，而功率放大器又需要較大的輸入信號，因此需要低噪聲驅動放大器來實現功率放大。 目前，利用互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝集成單晶片射頻收發機已經成功案例，但是 集成可變增益的低噪聲驅動放大器仍然是一大挑戰。由於驅動放大器需要實現低噪聲，而 且儘可能的做到增益可變，故而高的可變增益和低的噪聲係數，將是驅動放大器的設計關 鍵。而採用CMOS技術單片集成可變增益低噪聲驅動放大器，又受到器件較低的擊穿電壓， 較大的寄生噪聲，較小的電流驅動能力和較高襯底損耗的影響，性能很難達到要求。因此， 利用與CMOS工藝相近的特種工藝條件實現可變增益低噪聲驅動放大器在勢在必行。與傳統互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝相比，SiGe BiCMOS兼有雙極型 (Bipolar)與CMOS工藝的特點，能同時滿足射頻系統性能以及低功耗的要求。SiGe BiCMOS 工藝具有更高的特徵頻率，典型的0. 35um SiGe BiCMOS技術具有45GHz以上的特徵頻率； 同時，SiGeBiCMOS工藝的Bipolar器件具有較小的基極電阻和較小的寄生電容，從而能有 效減少噪聲。另外，SiGe BiCMOS技術能充分改善Bipolar器件的放大性能，提高增益，從 而特別適合於驅動放大器的應用。圖1示出了傳統低噪聲驅動放大器電路圖。如圖1所示，傳統低噪聲驅動放大器 由差分共源共柵連接的CMOS電晶體組成。其中Ml，M3和M2，M4為共源共柵放大管，L5和 L6為負載電感，Ll和L2為輸入匹配電感，L3和L4為源極負反饋電感，Rl, R2為偏置電阻， Cl和C2為輸入匹配電容，C3和C4為反饋電容，C5和C6為輸出匹配電容。可變增益低噪聲驅動放大器的主要參數有可變的電壓/功率增益、噪聲係數、線 性度、輸入信號頻率、輸入輸出匹配、反向隔離和功耗。由於這些參數是相互關聯、相互制約 的，因此在保證驅動放大器增益儘可能高並且可變的基礎上，採用何種折衷方案來提高驅 動放大器的整體性能成了設計的主要難點。
發明內容
本發明的目的是提供一種SiGe BiCMOS可變增益低噪聲驅動放大器，它可以實現 860 960MHz頻段的覆蓋，支持GSM900，WCDMA及RFID等通信協議。該驅動放大器可以實 現三種不同的增益模式、低的噪聲係數和較高的線性度。本發明結合鍺化矽雙極-異質結雙極電晶體(SiGe HBT)的優點，採用全差分共源
3共柵電路結構。該驅動放大器包括由電阻接偏壓為共發射極電晶體電路提供基極偏置，由 共源共柵HBT電晶體構成放大電路，共源極採用三個並排的異質結雙極電晶體(HBT)，其中 一個共源極Bipolar HBT帶有負反饋電容，共柵極由一個Bipolar HBT構成。本發明的具體技術方案是一種可變增益低噪聲驅動放大器，該驅動放大器包括差分信號輸入端RFim及 RFIN2、差分信號輸出端RFOUTl及RF0UT2、第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、 第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第八電晶體Q8、第一電感 Li、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電 阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第 五電容C5、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9、第十電容C10、第i^一電容 C11、第十二電容C12，地線端GND，具體連接方式第一電晶體Ql的基極與第三電容C3和第 一電阻Rl連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第三電晶體Q3的集電極、第五電晶體 Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第二電晶體Q2的基極與第四電容C4和第二 電阻R2連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第四電晶體Q4的集電極、第六電晶體Q6 的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第三電晶體Q3的基極與第五電容C5、第三電阻 R3和第九電容C9連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第一電晶體Ql的集電極、第五 電晶體Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第四電晶體Q4的基極與第六電容C6、 第四電阻R4和第十電容ClO連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第二電晶體Q2的集 電極、第六電晶體Q6的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第五電晶體Q5的基極與第 七電容C7和第五電阻R5連接，發射極與地線GND連接，集電極與第三電晶體Q3的集電極、 第五電晶體Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第六電晶體Q6的基極與第八電容 C8和第六電阻R6連接，發射極與地線GND連接，集電極與第二電晶體Q2的集電極、第四晶 體管Q4的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第七電晶體Q7的基極與電源端VDD連 接，發射極與第一電晶體Q1、第三電晶體Q3和第五電晶體Q5的集電極連接，集電極與第三 電感L3和第十一電容Cl 1連接；第八電晶體Q8的基極與電源端VDD連接，發射極與第二晶 體管Q2、第四電晶體Q4和第六電晶體Q6的集電極連接，集電極與第四電感L4和第十二電 容C12連接；第一電容Cl跨接在輸入端RFim和地線端GND之間；第二電容C2跨接在輸 入端RFIN2和地線端GND之間；第一電感Ll跨接在輸入端RFim和第三電容C3、第五電容 C5和第七電容C7之間；第二電感跨接在輸入端RFIN2和第四電容C4、第六電容C6和第八 電容C8之間；第九電容C9跨接在第三電晶體Q3的基極和發射極之間；第十電容ClO跨接 在第四電晶體QlO的基極和發射極之間；第三電感L3跨接在第七電晶體Q7和電源端VDD 之間，第四電感L4跨接在第八電感L8和電源端VDD之間；第十一電容Cll跨接在第七晶體 管Q7和輸出端RFOUTl之間；第十二電容C12跨接在第八電晶體Q8和輸出端RF0UT2之間； 第一電阻Rl跨接在第一電晶體Ql的基極和第三偏壓BIAS3之間；第二電阻R2跨接在第二 電晶體Q2基極和第三偏壓BIAS3之間；第三電阻R3跨接在第三電晶體Q3基極和第一偏壓 BIASl之間；第四電阻R4跨接在第四電晶體Q4基極和第一偏壓BIASl之間；第五電阻R5 跨接在第五電晶體Q5基極和第二偏壓BIAS2之間；第六電阻R6跨接在第六電晶體Q6基極 和第二偏壓BIAS2之間。所述第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第八電晶體Q8為鍺化矽雙極型電晶體。與傳統的驅動放大器相比，本發明主要有以下幾個優點1、高的可變增益本發明的SiGe BiCMOS可變增益低噪聲驅動放大器可以實現12dB、15dB和18dB 三種可變的高功率增益，並且實現良好的輸入輸出匹配，增益控制通過外接偏壓決定。2、低噪聲本發明的SiGe BiCMOS可變增益低噪聲驅動放大器採用SiGe BiCMOS工藝，噪聲 係數較小，對於射頻前端有更好的噪聲和靈敏度整體性能。3、功耗低本發明的SiGe BiCMOS可變增益低噪聲驅動放大器的低功耗特性用以下指標表 徵供電電壓為1. 8V，低於傳統CMOS功率放大器的3. 3V/5V供電。
圖1為傳統的驅動放大器的電路2為本發明的電路3為本發明的增益特性曲線圖
具體實施例方式下面詳盡介紹本發明的工作過程。參閱圖2，本發明接收來自混頻器的射頻信號，經過放大後輸出給功率放大器，然 後再由天線發射出去。電源電壓VDD採用1. 8V，BIASl端、BIAS2端和BIAS3端偏置在800mV， 通過合理調整偏置電阻使電晶體Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分別偏置在放大區和飽和區邊界以 得到較高的跨導和較低的噪聲係數。全差分的電路結構有利於電路的穩定性和更好的整體 性能。射頻差分輸入信號通過RFim端和RFIN2端差分輸入，通過RFOUTl端和RF0UT2端 差分輸出。本發明採用經典的共源共柵結構，可以得到高的功率增益、好的反向隔離、較好 的線性度以及較寬的頻率帶寬。電晶體Q1、Q2和Q3組成可變增益的共源極跨導管，通過選 擇Ql、Q3和Q5的管子發射極長度和寬度，以此來實現步長3dB的可變增益。當BIASl接 800mV偏壓而BIAS2和BIAS3不接偏壓時，整個驅動放大電路可以實現12dB的功率增益；當 BIASl和BIAS2接800mV偏壓而BIAS3不接偏壓時，整個驅動放大電路可以實現15dB的功 率增益；當BIASl、BIAS2和BIAS3都接800mV偏壓時，整個驅動放大電路可以實現18dB的 功率增益。電容C9的作用是為了實現功率增益可變時輸入端更好的匹配以及較高的線性 度的要求，但電容值的選取不可太大，防止帶來過大的噪聲。可變外接偏壓的選擇通過外接 的數字控制裝置根據整個電路系統的性能要求來選定。電晶體Q7作為共源共柵的共柵器 件，把跨導管的電流增益轉換為電壓增益，以此來獲得功率增益。電晶體Q7的管子選擇要 在保證電流密度不過大的基礎上儘量少的帶來電路噪聲。由於電路的低噪聲需求，減小電 感寄生電阻帶來的噪聲，該驅動放大器並沒有採用傳統的L型網絡匹配，而是採用LC串聯 再外接對地電容，跨導管只有電晶體Ql才並聯有反饋電容，即可實現電路的增益和噪聲性 能，而不是在電晶體Q1、Q2和Q3三個管子都並聯電容，簡化了電路結構，從而電路的整體噪 聲會大大減小，實現驅動放大器增益可變的同時又實現了電路的低噪聲，提高了整個射頻
5前端電路系統的靈敏度和穩定性。輸出端採用LC諧振網絡，得到高增益的同時實現良好的 輸出匹配。由於電路採用的是全差分結構，所以左右兩邊電路完全相同。參閱圖3，該圖反映了本發明的SiGe BiCMOS可變增益低噪聲驅動放大器的性能 結果，從圖中可以看出，功率增益分別達到了 12dB、15dB和18dB。本發明所有器件尺寸見表1。表1器件尺寸匯總
權利要求
一種可變增益低噪聲驅動放大器，其特徵在於該驅動放大器包括差分信號輸入端RFIN1及RFIN2、差分信號輸出端RFOUT1及RFOUT2、第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第八電晶體Q8、第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、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C6、第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9、第十電容C10、第十一電容C11、第十二電容C12，地線端GND，具體連接方式第一電晶體Q1的基極與第三電容C3和第一電阻R1連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第三電晶體Q3的集電極、第五電晶體Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第二電晶體Q2的基極與第四電容C4和第二電阻R2連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第四電晶體Q4的集電極、第六電晶體Q6的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第三電晶體Q3的基極與第五電容C5、第三電阻R3和第九電容C9連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第一電晶體Q1的集電極、第五電晶體Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第四電晶體Q4的基極與第六電容C6、第四電阻R4和第十電容C10連接，發射極與地線端GND連接，集電極與第二電晶體Q2的集電極、第六電晶體Q6的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第五電晶體Q5的基極與第七電容C7和第五電阻R5連接，發射極與地線GND連接，集電極與第三電晶體Q3的集電極、第五電晶體Q5的集電極和第七電晶體Q7的發射極連接；第六電晶體Q6的基極與第八電容C8和第六電阻R6連接，發射極與地線GND連接，集電極與第二電晶體Q2的集電極、第四電晶體Q4的集電極和第八電晶體Q8的發射極連接；第七電晶體Q7的基極與電源端VDD連接，發射極與第一電晶體Q1、第三電晶體Q3和第五電晶體Q5的集電極連接，集電極與第三電感L3和第十一電容C11連接；第八電晶體Q8的基極與電源端VDD連接，發射極與第二電晶體Q2、第四電晶體Q4和第六電晶體Q6的集電極連接，集電極與第四電感L4和第十二電容C12連接；第一電容C1跨接在輸入端RFIN1和地線端GND之間；第二電容C2跨接在輸入端RFIN2和地線端GND之間；第一電感L1跨接在輸入端RFIN1和第三電容C3、第五電容C5和第七電容C7之間；第二電感跨接在輸入端RFIN2和第四電容C4、第六電容C6和第八電容C8之間；第九電容C9跨接在第三電晶體Q3的基極和發射極之間；第十電容C10跨接在第四電晶體Q10的基極和發射極之間；第三電感L3跨接在第七電晶體Q7和電源端VDD之間，第四電感L4跨接在第八電晶體Q8和電源端VDD之間；第十一電容C11跨接在第七電晶體Q7和輸出端RFOUT1之間；第十二電容C12跨接在第八電晶體Q8和輸出端RFOUT2之間；第一電阻R1跨接在第一電晶體Q1的基極和第三偏壓BIAS3之間；第二電阻R2跨接在第二電晶體Q2基極和第三偏壓BIAS3之間；第三電阻R3跨接在第三電晶體Q3基極和第一偏壓BIAS1之間；第四電阻R4跨接在第四電晶體Q4基極和第一偏壓BIAS1之間；第五電阻R5跨接在第五電晶體Q5基極和第二偏壓BIAS2之間；第六電阻R6跨接在第六電晶體Q6基極和第二偏壓BIAS2之間。
2.根據權利要求1所述的驅動放大器，其特徵在於所述第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、 第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6、第七電晶體Q7、第八電晶體 Q8為鍺化矽雙極型電晶體。
全文摘要
本發明公開了一種可變增益低噪聲驅動放大器，該放大器採用全差分共源共柵結構，共柵級採用三個並排的鍺化矽雙極型電晶體，中間的鍺化矽雙極型電晶體採用並聯電容反饋，採用合理的輸入輸出匹配電路，為電路提供一個高的可變增益，降低了噪聲係數。其中共源共柵電路在提供高增益的同時增加了電路的反向隔離度，共源放大電路進一步提高了電路的增益。通過控制外接偏壓的選擇獲得3dB步長的可變增益。本發明具有可變增益高，低噪聲，功耗低的特點。
文檔編號H03F3/45GK101944888SQ20101027662
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者劉盛富, 華林, 張書霖, 張偉, 蘇傑, 賴宗聲, 阮穎, 陳磊 申請人:華東師範大學